Cientistas desenvolvem plástico do caroço de manga por meio de nanotecnologia

Esse é primeiro passo para o desenvolvimento de um plástico biodegradável comercial com resíduos da indústria alimentícia.

22/11/2017



Aplicação da nanotecnologia para o desenvolvimento de biomateriais de alto valor agregado com a utilização de resíduos industriais de baixo valor comercial. Esse foi o desafio assumido por uma equipe de cerca de 30 pesquisadores de quatro instituições de pesquisa, sob a coordenação da Embrapa Agroindústria de Alimentos (RJ). Os primeiros resultados, após quase três anos de trabalho, mostram um tipo de plástico biodegradável, feito da amêndoa do caroço de manga em mistura com o biopolímero natural, o PHBV, que pode ser aplicado à indústria alimentícia, na composição de embalagens, e até no setor médico para compor matrizes ósseas.

De acordo com a Embrapa, esse é o primeiro passo para o desenvolvimento de um plástico biodegradável comercial que utiliza como matéria-prima resíduos da indústria alimentícia.

O trabalho realizado com o caroço da manga recebeu homenagem na 5ª Conferência Internacional sobre Polímeros naturais, biopolímeros e biomateriais (ICNP 2017 Rio). A premiação foi destinada à pesquisa de Paulo Henrique Cardoso, doutorando em engenharia de materiais do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (Coppe/UFRJ). Produção brasileira de manga Segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2013), o Brasil é um dos maiores produtores de manga do mundo com uma produção de mais de um milhão de toneladas por ano. O processamento industrial de manga para polpas e sucos resulta no descarte dos caroços, correspondente a valores entre 40% e 60% do seu volume. A equipe de pesquisa da Embrapa Agroindústria de Alimentos (RJ), em parceria com a Embrapa Instrumentação (SP), Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ) e Centro de Tecnologia Mineral (Cetem) se reuniram em busca de alternativas para reutilizá-los, visando gerar uma tecnologia que pudesse ser aplicada à indústria.

Plásticos de casca e caroço de manga

O objetivo do projeto foi dar uso e agregar valor a esse resíduo de grandes volumes e alto impacto ambiental. “O desenvolvimento de novos biocompósitos pode ser um caminho viável para o aproveitamento de coprodutos industriais na fabricação de itens inovadores e sustentáveis”, afirma a pesquisadora da Embrapa Edla Lima, que lidera os estudos. O projeto está dividido em várias frentes de pesquisa para a utilização da casca e da amêndoa do caroço de manga e argilominerais adicionados a uma matriz de polímeros orgânicos: o PHBV — um biopolímero natural produzido por bactérias — e o PLA — outro biopolímero natural, obtido de moléculas de ácido lático.

Desafios do setor

Um dos principais desafios de toda a equipe se concentra na utilização de um material que não tem uniformidade, como o caroço de manga, em que a casca e a amêndoa variam em composição e estrutura dentro de uma mesma espécie vegetal, de época e local de origem. Os cientistas têm de driblar essa dificuldade para garantir a reprodutibilidade da composição (formulação). Para isso, já foram realizados mais de uma centena de testes, utilizando técnicas de casting, extrusão, injeção e moldagem por compressão.

Foram avaliadas diferentes concentrações da amêndoa e da casca do caroço de manga como carga de reforço em biopolímeros comerciais (PLA e PHBV), adicionados ou não de quatro diferentes tipos de argilominerais, que foram concentrados e organofilizados. Para avaliar resistência, cristalinidade e elasticidade, os materiais resultantes foram analisados por calorimetria de varredura diferencial (DSC), análise termogravimétrica (TGA), microscopia eletrônica de varredura (MEV) associado à espectrometria de energia dispersiva de Raios-X (EDS), ressonância magnética (NMR1H), Difratometria de Raios-X (DRX), e infravermelho (FTIR).

Nova estrutura

A equipe do projeto já conta com bons resultados na obtenção de novos biocompósitos, como os trabalhos com PHBV e a amêndoa do caroço de manga, coordenados pela professora Rossana Thiré do Laboratório de Biopolímeros da Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Coppe/UFRJ. Os pesquisadores testaram, em diferentes concentrações, a utilização dos resíduos do processamento da manga como reforço de biocompósitos biodegradáveis usando o PHBV em moldagem por compressão. A adição do pó da amêndoa do caroço de manga promoveu uma nova estrutura no polímero.

Os biocompósitos apresentaram maior interação intermolecular, o que promoveu maior dispersão e distribuição do material de enchimento. “As análises demostraram boa adesão, dispersão e distribuição em amostras com PHBV. Os resultados indicam que a fabricação de biocompósitos pode ser uma estratégia para a reutilização desse subproduto agroindustrial”, diz a professora e pesquisadora Rossana Thiré. Agora, a equipe está voltada para dar continuidade ao projeto e chegar a um produto comercial. “Há diversas possibilidades de uso na área alimentícia, médica e de lazer”, afirma Rossana.

De ossos artificiais a embalagens de alimentos

Há mais de quinze anos, a pesquisadora e sua equipe desenvolvem pesquisas com polímeros a partir de matrizes orgânicas para a área de alimentos (embalagens alimentícias, filmes de proteção de alimentos, copos e talheres) e de bioengenharia (matrizes ósseas, fios de sutura de pele, moldes biocompatíveis).

“Devido à sua abundância e renovabilidade, a utilização de resíduos agrícolas como matérias-primas é vantajosa para a economia, o meio ambiente e a tecnologia, devido à sua baixa demanda de energia de fabricação, baixa emissão de CO2 e alto nível de biodegradabilidade, quando comparados aos compósitos de polímeros reforçados com enchimentos inorgânicos”, diz a professora e pesquisadora Rossana Thiré.

É fato que os biopolímeros naturais ainda são até 12 vezes mais caros que os polímeros gerados por petróleo, mas levam cerca de dois meses para se decompor no meio ambiente. “Há de se pagar esse custo adicional para evitar que toneladas de plásticos tradicionais gerem impactos ambientais por mais de um século”, afirma.

Pesquisas em andamento

A equipe de pesquisa da Embrapa Alimentos, da Embrapa Instrumentação, do Departamento de Engenharia Química da UFRRJ e do Cetem estão desenvolvendo a aplicação de argilominerais em mistura à matéria orgânica da manga na matriz de PLA. O objetivo é obter melhor efeito de carga de reforço, o que dá mais resistência ao material. Contudo, há outra barreira tecnológica a ser transposta. A boa interação entre os argilominerais naturais e o polímero não acontece espontaneamente devido à similaridade de cargas. Para isso, é necessário alterar a estrutura molecular do material.

“Utilizamos a técnica de organofilização para modificar o argilomineral concentrado e obter melhor aderência ao polímero. Trabalhamos em escala nanométrica para a obtenção desses biocompósitos, a partir de argilominerais”, diz Antonieta Middea, do Cetem. O argilomineral utilizado na pesquisa provém de quatro tipos de montmorilonita/bentonita, advindas de jazidas do Rio Grande do Norte e Bahia.

É importante ressaltar que essas pesquisas têm como meta desenvolver biocompósitos ambientalmente corretos para servir como matéria-prima de embalagens seguras de alimentos, agregando valor e uso ao que antes era considerado lixo da agroindústria de sucos associado a argilas ou não na função de “carga de reforço”. Esses novos biocompósitos visam a ser substituintes aos polímeros de petróleo utilizados com essa função.

Uso de tecnologia para o gerenciamento da equipe

Para garantir o comprometimento da equipe e gerenciar cada etapa do desenvolvimento da pesquisa, a cientista Edla Lima também se apoia na tecnologia. “Como são equipes que trabalham em locais diferentes, de diferentes níveis – há pesquisadores seniores e em formação – acompanhamos de perto cada etapa das análises e discussões técnicas pela rede social WhatsApp. Trocamos fotos e vídeos, e envolvemos o grupo nos avanços da pesquisa e na busca de soluções conjuntas para as dificuldades técnicas e operacionais que enfrentamos no dia a dia”, diz a pesquisadora da Embrapa para quem a estratégia tem sido eficaz pelos resultados gerados pelo projeto.

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100 vezes mais forte que concreto: cimento ganha a resistência de um ouriço

Inspirados na estrutura da concha do animal marinho, cientistas da Alemanha criam um material 100 vezes mais forte que o concreto. Segundo eles, a solução permitirá a construção de prédios com até 8 mil metros de altura.

05/12/2017



Os espinhos resistentes do ouriço-do-mar têm calcita em sua composição. O mineral, em si, é frágil e quebradiço, mas a natureza arranjou os seus componentes em estruturas organizadas, de forma a originar conchas bastantes firmes para alguns animais marinhos. O princípio é parecido com o usado para a construção de paredes de tijolos: os blocos, quebráveis, são organizados em fileiras e separados por um material maleável, como a argamassa. Dessa forma, as rachaduras que podem acontecer em um tijolo são contidas e não se espalham para os outros.

Pesquisadores da Universidade de Constança, na Alemanha, inspiraram-se nesse mecanismo, presente na estrutura dos ouriços, para criar um cimento muito mais resistente do que os disponíveis hoje. Eles utilizaram o material presente no cimento comum, o silicato de cálcio hidratado, mas arranjaram a sua nanoestrutura da mesma forma que a calcita dos animais: em minúsculos blocos cristalinos, cercados por camadas de um polímero, que agem como uma argamassa.



Segundo os criadores da solução, o cimento atual não possui uma boa resistência a fraturas. É por isso, por exemplo, que, nas construções de concreto, usam-se barras de aço para mantê-las firmes. O novo material é entre 40 e 100 vezes mais resistente do que o concreto. “No cimento comum, as estruturas básicas nanométricas são orientadas de uma forma completamente aleatória, formando uma rede porosa. Já na estrutura do cimento inspirado pela natureza, essas unidades são ordenadas segundo o princípio de uma parede de tijolos que é usado em certos materiais como a madrepérola e os espinhos dos ouriços-do-mar”, compara Helmut Cölfen, líder da pesquisa, detalhada na edição desta semana da revista Science Advances.

No mundo microscópico, quanto mais ordenada é uma estrutura, mais forte ela costuma ser. Por exemplo, um material feito de átomos de carbono pode ser tão frágil quanto o grafite ou tão forte quanto o diamante. A única diferença entre os dois é a organização de suas moléculas. “A natureza usa princípios de construção extremamente sofisticados para formar seus biominerais. Um exemplo bem conhecido é a madrepérola, que é 3000 vezes mais resistente a fraturas que o mineral aragonita, que forma 95% da sua composição”, disse Cölfen. “Assim, a inspiração foi tentar adaptar essa estrutura para um material de construção comum, como o cimento.”

Para rearranjar a nanoestrutura do cimento, os pesquisadores utilizaram polímeros capazes de se conectar apenas às partículas do material, o que forma pequenos cristais. Depois, um aumento no pH da mistura faz com que essas unidades se arranjem sozinhas em fileiras ordenadas, criando os chamados mesocristais. O polímero envolve a estrutura e dificulta a propagação de rachaduras entre elas.

A fim de determinar a resistência da substância, os cientistas cortaram uma barra de apenas três micrômetros de cimento — um micrômetro equivale à milionésima parte do metro — e a dobraram usando um micromanipulador, semelhante a uma pinça. Assim que foi solta, a barra voltou à sua forma original, e os cálculos da sua deformação indicaram uma resistência a fraturas de 200 megapascais. Por comparação, a concha dos mexilhões — considerada o ápice dessa resistência — possui 210 megapascais; e o concreto comum, um valor entre dois e cinco.

Aplicações

Se feito inteiramente como o novo cimento, um pilar poderia ser construído com até 8.000 metros de altura, quase 10 vezes o tamanho do atual prédio mais alto do mundo, o Burj Khalifa, construído em Dubai. Além disso, o princípio de uma nanoestrutura organizada pode ser aplicado para vários outros tipos de materiais, formando produtos de alta performance para a construção civil.

Segundo Cölfen, ainda não há uma aplicação direta para o cimento porque as peças que foram produzidas são pequenas demais, como a barra de apenas três micrômetros. Mas o estudo demonstrou que é possível fortalecer o concreto ao rearranjar sua nanoestrutura e que apenas misturar essas partículas do cimento mesocristalino ao comum pode aumentar consideravelmente a resistência do material tradicional.

“A pesquisa pode se desenvolver em diferentes direções a partir daqui”, ressaltou Cölfen. “Podemos testar se os polímeros dos mesocristais podem ser substituídos por outros, preferencialmente baratos. As condições para a formação do material podem ser exploradas para obter a estrutura com a menor quantidade de polímero possível. Aumentar a escala da síntese também pode ser uma direção promissora para a pesquisa.”

Escudo protetivo A substância é produzida no interior das conchas de alguns moluscos, como o náutilo, para a proteção contra danos e parasitas. Ela é formada pelos mesmos elementos das pérolas, mas arranjados em camadas planas. Quando há um organismo invasor ou um corpo estranho no interior do molusco, as camadas de madrepérola o envolvem e formam a estrutura esférica de uma pérola.



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