PRODUÇÃO DE BIOPLÁSTICO A PARTIR DA CASCA DA BATATA (Solanum tuberosum)

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1 PRODUÇÃO DE BIOPLÁSTICO A PARTIR DA CASCA DA BATATA (Solanum tuberosum) Kleber Rodrigues Aluno do Curso de Engenharia Ambiental kleber_10rodrigues@hotmail.com Matheus Lima Autor 2 Aluno do Curso de Engenharia Ambiental matheus.proboard@gmail.com Manuel Gonzales Autor 3 Aluno do Curso de Engenharia Ambiental manuel@sinplast.org.br Nélson Kretzmann Autor 4 Pós-Doutor nelson_filho@uniritter.edu.br Resumo: O presente trabalho propõe a produção de um filme plástico, a partir de amido, extraído da batata inglesa. Esta trabalho e parte da disciplina de Microbiologia Aplicada do curso de Engenharia Ambiental do. Considerando-se o baixo custo de seu cultivo orgânico, sugere-se que o amido proveniente da referida extração, seja utilizado como matéria-prima para a formação do bioplástico, pois verificou-se que os filmes plásticos formados a partir desse processo têm características diferenciadas conforme se alteram as quantidades de ácido acético e glicerina. O objetivo deste trabalho e avaliar a biodegradação deste bioplástico. 1 Introdução O presente trabalho propõe a confecção de um bioplástico a partir de uma reação química, utilizando o amido extraído da Solanum tuberosum, de modo a reutilizar o material de baixo valor relativo. Vale ressaltar, que o protótipo proposto é de caráter acadêmico, com a finalidade de demonstrar o processo de síntese polimérica. Este projeto foi idealizado por graduandos do curso de Engenharia Ambiental e Sanitária, como parte curricular da disciplina de Microbiologia Aplicada, como proposta de apresentação para a Semana das

2 Engenharias da Uniritter, desenvolvido no período de 3 meses, compreendendo de pesquisas bibliográficas e de desenvolvimento das reações de desenvolvimento do produto e sua posterior degradação. Atualmente, o petróleo vem sendo utilizado como uma das principais fontes primárias para produção de plásticos. No entanto, sua utilização demasiada provoca desequilíbrio ambiental, por se tratar de uma fonte não renovável. (SANTANA, 2009). Com isso, a produção de matérias plásticas utilizando fonte alternativas nesse caso utilizando amido para a produção de bioplástico apresenta-se como uma alternativa viável para desenvolvimento de outras tecnologias, a fim de substituir o petróleo. A batata (Solanum tuberosum L.) é um tubérculo promissor na indústria de polímeros de amido. No entanto, apesar de possuir destaque no setor alimentício, o total de batata produzida é muitas vezes superior ao consumido gerando em épocas de safra uma super oferta que muitas vezes gera o abandono da produção no próprio campo agravado por políticas de importações desnecessárias. 2 Fundamentação teórica Os polímeros são macromoléculas formadas por unidades de repetição (monômeros) que interagem entre si, em sua predominância por ligações covalentes, que conferem ao material atributos como o isolamento elétrico. (PITT et al., 2012). Os plásticos, por sua vez, são materiais que possuem como matéria-prima uma substância orgânica polimerizada sintética, que apresenta elevada maleabilidade, facilmente transformável mediante a utilização de calor e pressão, podendo ser utilizado para a fabricação de objetos variados. (CASTILHO, 2011). Com o passar dos anos, tornou-se necessária a busca por alternativas e estudos para a produção de um plástico que não causasse tanto impacto ao meio ambiente. Pensando nisso, pesquisadores desenvolveram o bioplástico, o qual é constituído de matéria orgânica, não sintética. (BRITO et al., 2011). Um polímero utilizado, muito eficiente na produção dos bioplásticos, é o amido encontrado nos tubérculos, cereais e raízes. Este pode ser transformado facilmente em material termoplástico, oferecendo uma importante alternativa para substituição de polímeros sintéticos em aplicações onde seja desejável a biodegrabilidade. (RÓZ, 2004). O amido é um polissacarídeo natural formado por dois componentes, a amilose e a amilopectina, ambos constituídas por unidades repetitivas de monômeros D-glicopirano. A amilose é constituída por uma cadeia linear, e a amilopectina por cadeias ramificadas. (ligações α 1 4 e 1 6 D-glicose, respectivamente). O amido se apresenta na forma de grânulos, sendo sua forma e tamanho característicos da planta de origem (MALI et al., 2010).

3 O processo de plastificação ou desestruturação do amido consiste na destruição da estrutura organizada do grânulo do amido. Esta desestruturação se dá através do método casting (fundição) que consiste na solubilização do amido em um solvente e aplicação sobre um suporte para evaporação de solvente e consequente formação de uma matriz contínua que dá origem aos filmes (RÓZ, 2004). Os grãos de amido são processados geralmente por aquecimento 75 C em meio aquoso, o que resulta em sua gelatinização. Este processo provoca perda de ordem molecular e fusão dos cristalitos do amido, devido à quebra das ligações de hidrogênio responsáveis pela cristalinidade do polímero (BRITO et al., 2011). Como a temperatura de decomposição é menor que as temperaturas de fusão e transição vítrea (temperatura de transição de fase que ocorre em materiais amorfos), faz-se necessário adicionar um agente plastificante para que o seu ponto de fusão e o de transição vítrea diminua (BRITO et al., 2011). Os plasticizantes são substâncias empregadas com o objetivo primário de aumentar a flexibilidade de um polímero (plasticização) e efeito secundário de melhorar sua processabilidade (SCHLEMMER, 2007). O plasticizante utilizado deve ser polar, hidrofílico, compatível com a base de formação do filme polimérico, com ponto de ebulição suficientemente elevado para evitar sua evaporação durante o processo (MENDES, 2009). A proporção de plasticizante e sua natureza química também influenciam nas propriedades físico-químicas, térmicas e mecânicas dos mesmos, justificadas pela diminuição das interações entre as cadeias, aumento da mobilidade e flexibilidade do material e diminuição da temperatura de transição vítrea. Durante o tratamento ácido, a amilose é degradada preferencialmente e de forma mais rápida que a amilopectina, com a ação do ácido concentrada na região amorfa. Em decorrência há um aumento relativo da amilose como fração linear (RIBEIRO & SERAVALLI, 2004). Após o processo de decomposição, durante o resfriamento, ocorre a retrogradação das estruturas cristalinas, ou seja, a recristalização da amilopectina e cristalização da amilose, apesar de essa última não apresentar cristalinidade em seu estado nativo. A retrogradação do amido é a fase em que se dará a efetiva conformação do polímero e esse processo influencia diretamente em suas propriedades físico-químicas (MATTOSO et al., 2005). As propriedades mecânicas do amido termoplástico (ou bioplástico de amido) são influenciadas por: comportamento microestrutural das regiões de amilopectina e amilose; morfologia; propriedades térmicas; massa molar; relação amilose/amilopectina; parâmetros de processamento como temperatura, pressão e composição do termoplástico e ainda pelo conteúdo de plasticizante e fonte de amido (RÓZ, 2004). A estrutura molecular dos polímeros proporciona um comportamento viscoso, como os líquidos, superposto com um comportamento elástico, como os sólidos Hookeanos, sendo esse fenômeno denominado viscoelasticidade e ocorrendo em plásticos e fibras (CANEVOROLO, 2002).

4 A grande maioria dos polímeros é formada por hidrocarbonetos, os quais são resistentes ao ataque químico e biológico, de tal forma que isto lhe assegura longevidade e outras propriedades que os mantém estáveis por longo tempo (ROSA et al., 2002). Diferentemente, ocorre com o plástico produzido com o amido do resíduo da batata, pois este é mais vulnerável ao ataque devido a sua matéria-prima ser de origem orgânica. O amido tem sido usualmente utilizado disperso em uma matriz polimérica não biodegradável, como por exemplo, o polietileno, para facilitar a acessibilidade dos microrganismos ao polímero sintético (FRANCHETTI & MARCONATO, 2006). O objetivo deste trabalho e produzir um bioplástico e avaliar sua biodegradabilidade. 3 Metodologia A produção do bioplástico baseia-se na metodologia casting, que consiste na solubilização do amido em um solvente, bem como na aplicação sobre um suporte para evaporação de solvente e consequente formação de uma matriz contínua que dá origem aos filmes (RÓZ, 2004). Na síntese do filme plástico em bancada, inicialmente foi realizada a obtenção do amido através de um processo mecânico de moagem (4 batatas; 240gr.), filtração e decantação. O amido extraído (30gr.) foi solubilizado em água destilada (500ml.) e posto em aquecimento, 65 C, sob agitação. Após homogeneização, adicionou-se ácido acético (30ml.). Quando ele está livre de água é conhecido como ácido acético glacial 0,1 mol/l e glicerina (25ml.). Mantendo o sistema em aquecimento e constante agitação, observou-se a formação de uma massa densa e posterior liquefação, 130 C, desse conteúdo. Desse modo, o fluido formado foi acondicionado em um recipiente plano para a secagem, formando assim o filme polimérico final. Para uma melhor visualização foi adicionado um pigmento vermelho (3ml.) elaborado a partir de beterraba. A biodegradação do bioplástico será avaliada através de confecção de biodigestor de pequena escala (5 litros) em comparação com o plástico sintético. 4. Resultados e discussão O procedimento realizado resultou em um filme plástico com características homogenias. O experimento originou um bioplástico com uma resistência bastante significativa que pode ser alterada variando a proporção ácido acético/glicerina. Ao atingir uma temperatura suficiente para o rompimento das ligações de hidrogênio, responsáveis pela cristalinidade, ocorre o intumescimento dos grânulos de amido (RÓZ, 2004). Durante os experimentos, observou-se a formação de uma massa consistente assim que o sistema água-amido entrou em aquecimento, caracterizando o fenômeno do intumescimento. Na

5 prática laboratorial, observava-se esse efeito quando a solução começava a alcançar cerca de 65 C, o que condiz com a temperatura de gelatinização do amido da batata que é de C (RÓZ, 2004). A intumescência dos grânulos de amido ocorre quando este é suspenso em água, processo esse favorecido pelo aumento gradativo da temperatura. Consequentemente, o amido perde sua cristalinidade e a energia interna do sistema é suficiente para romper as ligações de hidrogênio existentes no grânulo. Assim, as regiões amorfas são solvatadas, sendo esse fenômeno conhecido como gelatinização (MALAJOVICH, 2009). Continuando o aquecimento, observava-se ainda que após a massa plástica formada alcançar sua máxima viscosidade, iniciava-se um processo de liquefação quando o sistema alcançava temperaturas por volta de 80 C. Isso pode ser justificado pelo fato de o rompimento dos grânulos de amido causar a lixiviação da amilose e da amilopectina, que se tornam solúveis em temperaturas próximas de 130 C.(RÓZ, 2004). Após o sistema ficar no estado líquido, adicionou-se ácido acético a 0,1 mol/l e a glicerina, cujas quantidades foram variadas para os ensaios propostos. A característica observada dos plásticos obtidos nesses ensaios é justificada pelo fato de as amostras de amido puro, por si só, serem frágeis devido às fortes interações de hidrogênio intramoleculares e intermoleculares das macromoléculas de amilose e amilopectina, necessitando de um plasticizante para torná-las flexíveis, aumentando a mobilidade das cadeias macromoleculares (MENDES, 2009). A quantidade de glicerina adicionada à água na amostra, verificou-se um excesso de plasticizantes em ambos, o que atribuiu ao produto final uma mobilidade tal que o material polimérico obteve uma capacidade se retrogradar suficientemente pequena para formar um filme plástico consistente. Os ácidos primeiramente hidrolisam a região amorfa antes de atacarem as regiões cristalinas, sendo a amilose e amilopectina hidrolisadas simultaneamente moléculas menores (GUERREIRO & MENEGUELLI, 2009). Desse modo, o plástico obtido formou um filme consistente, com relativa resistência mecânica e maleabilidade. Porém, pôde-se verificar que a ação do ácido se sobrepôs à dos plasticizantes, de maneira que estes atribuíram aos grânulos de amido a gelatinização necessária ao processo e o ácido acético em maior quantidade pôde agir de modo eficaz para a posterior formação do plástico. A viscosidade é uma função do ph (GUERREIRO & MENEGUELLI, 2009). Assim, na execução verificou-se, que as mudanças nas propriedades dos plásticos obtidos foram causadas, principalmente, pela ação do ácido em conjunto com a glicerina. 5 Conclusão

6 Diante dos resultados preliminares obtidos e suas características, a partir das metodologias utilizadas, infere-se que é possível a obtenção de filmes plásticos provenientes do amido extraído da casca da batata. Analisando os ensaios realizados, percebeu-se que os plásticos com mais consistência foram os que utilizaram maior quantidade de ácido, o que indica que a degradação dos grânulos de amido é muito importante para o processo de formação do filme. Assim, a quantidade de plasticizante utilizado deve ser sempre inferior à quantidade de ácido para que o rompimento das ligações de hidrogênio presentes na molécula do grânulo seja eficaz e forme um polímero uniforme durante a etapa final de retrogradação. Por conta de o plástico possuir como sua matéria-prima o amido, presente na batata, poupa o recurso não renovável (fóssil) que é a matéria-prima largamente utilizada. Com tal alternativa, o processo de obtenção de plástico tornou-se mais sustentável, uma vez que o material proposto é facilmente obtido e não impacta tanto os ecossistemas. 6 Referências Bibliográficas BALSALOBRE, M. A. A. Batata, beterraba, cenoura e nabo. Anais: Sinpósio sobre nutrição de bovinos. Piracicaba: BRITO, G. F.; AGRAWAL, P.; ARAÚJO, E. M. ; MÉLO, T. J. A; DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS - UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE. Biopolímeros, Polímeros Biodegradáveis e Polímeros Verdes. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, Campina Grande, v. 6, n. 2, p , CANEVOROLO, S. V. Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros. São Paulo: Ed. Artliber, p CASTILHO, Luiciano Geraldo de; CENTRO PAULA SOUZA, Faculdade de Tecnologia Sorocaba. Fidelizar clientes ao tratar resíduos - Ações ambientais no mercado de polímeros, p, il. Monografia (Tecnólogo).

7 FRANCHETTI, Sandra Mara Martins; MARCONATO, José Carlos. Polímeros biodegradáveis Uma solução parcial para diminuir a quantidade dos resíduos plásticos. Química Nova Departamento de Bioquímica e Microbiologia da UniversidadeEstadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, vol. 29, n. 4, GUERREIRO, L. M. R.; MENEGUELLI, F. C. Influência do tratamento térmico e da acidez no comportamento reológico de amidos nativos funcionais de milho cerosos orgânicos comerciais. Revista Ciência e Tecnologia de Alimentos, n. 29, p , MALAJOVICH, M. A. Guias de atividades, Biotecnologia: ensino e divulgação. Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT, Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em 20 de Abril de MALI, Suzana [et al.]. Filmes de amido: produção, propriedades e potencial de utilização. Semina Ciências Agrárias, Londrina, vol. 31, n. 1, p , MATTOSO, Luiz H. C. [et al.]. Estudo comparativo de amidos termoplásticos derivados do milho com diferentes teores de amilose. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Carlos SP, vol 15, n.4, p , MENDES, Fernanda Miranda; UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, Instituto de Química de São Carlos. Produção e caracterização de Bioplásticos a partir de Amido de Batata, p, il. Dissertação (Mestrado).

8 PITT, Fernando D.; BOING, Denis; BARROS, António André C. Desenvolvimento histórico, científico e tecnológico de polímeros sintéticos e de fontes renováveis. Revista de divulgação Científica do Centro Universitário de Brusque, v. 1,n. 10, 2012.