PRODUÇÃO DE BIOPLÁSTICO A PARTIR DA CASCA DA
BATATA (Solanum tuberosum): O DESENVOLVIMENTO DE UM
PROTÓTIPO INTERDISCIPLINAR
Jaqueline Morais Neves – [email protected]
Lorena Brito Leite de Aquino – [email protected]
Luísa Scaglione Vilmar – [email protected]
Nina Guimarães Almeida – [email protected]
Thamires Sampaio Santos Mendes da Silva – [email protected]
Thaylanne Kadman Costa Duarte – [email protected]
UNIFACS, Departamento de Engenharia e Arquitetura
Av. Cardeal da Silva, 132, Federação.
40220141 – Salvador - Bahia
Resumo:O presente projeto de pesquisa interdisciplinar discente propõe a produção de
um filme plástico, a partir da reação prototipada de amido, extraído da casca da batata
inglesa. Considerando-se a inutilização desse resíduo orgânico, e o seu descarte
frequente, 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 clorídrico e glicerina. Para tanto, projetou-se um reator
encamisado, de bancada, em conjunto com um trocador de calor e agitação mecânica
para a produção do bioplástico proposto.
Palavras-chave: bioplástico, amido, casca da batata, reação prototipada.
1.
INTRODUÇÃO
O presente projeto propõe a confecção de um bioplástico a partir de uma reação
prototipada, utilizando o amido extraído da casca da batata, de modo a reutilizar o
material de baixo valor agregado. Vale ressaltar, ainda, que o protótipo proposto é de
caráter acadêmico, com a finalidade de demonstrar o processo de síntese polimérica.
Este projeto foi idealizado por graduandas do curso de Engenharia Química, do terceiro
semestre, como proposta de apresentação para o Projeto Acadêmico Interdisciplinar
(PAI), pela UNIFACS - Universidade Salvador, desenvolvido no período de um ano,
compreendendo de pesquisas bibliográficas e de desenvolvimento das reações
prototipadas.
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 de reciclagem de produtos já consumidos, 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, do
total de batata produzida, aproximadamente 35% (casca e resto de polpa) é descartada
no processo de industrialização. Especula-se que no Brasil descartam-se mais de 300
mil toneladas de cascas de batata por ano, concentrando cerca de 25,60% do total do
amido da batata. Com isso, torna-se viável a utilização de cascas da batata para a
produção de bioplásticos.(BALSALOBRE, 1995)
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 Dglicopirano.
A amilose é constituída por uma cadeia linear, e a amilopectina por cadeias ramificadas.
(ligações α 1→4 e 1→6 D-glucose, respectivamente). O amido se apresenta na forma de
grânulos, sendo sua forma e tamanho característicos da planta de origem. (MALI et al.,
2010)
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 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 em meio aquoso, o
que resulta em sua gelatinização. Este 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), fazse 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 físicoquímicas, 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)
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 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 um resíduo
orgânico. 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)
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)
O projeto foi desenvolvido em duas etapas: a síntese laboratorial do filme plástico e
o desenvolvimento do reator-protótipo de bancada.
Na síntese do filme plástico em bancada, inicialmente ocorreu a obtenção do amido
através de um processo mecânico de filtração e decantação do amido.
O amido extraído foi solubilizado em água e posto em aquecimento sob agitação.
Apos homogeneização, adicionou-se ácido clorídrico (HCl) 0,1 mol/L e glicerina.
Mantendo o sistema em aquecimento e constante agitação, observou-se a formação de
uma massa densa e posterior liquefação desse conteúdo, momento no qual foi
acrescentado o hidróxido de sódio (NaOH) 0,1 mol/L, afim de neutralizar o conjunto.
Desse modo, o fluido formado foi acondicionado em um recipiente plano para a
secagem, formando assim o filme polimérico final.
O desenvolvimento do reator em batelada, por sua vez, se deu com a projeção do
reator encamisado, contendo três silos superiores e uma válvula inferior. Em conjunto
com esse reator, acoplou-se um sistema de aquecimento. Para tanto, utilizou-se um
recipiente contendo uma mistura de água e glicerina, as quais foram submetidas ao
aquecimento por uma resistência elétrica. Mergulhada nessa solução, se encontra uma
serpentina de cobre que aquece a água que passa em seu interior pela condução do calor.
A água fria é lançada para dentro da serpentina com o auxílio de uma bomba de 12 V e,
após o aquecimento, uma nova porção de água fria é lançada para a serpentina,
expulsando a água aquecida, forçando sua entrada no reator. Esse processo é feito
continuamente, pois para que a reação ocorra necessita-se de uma temperatura constante
e da água aquecida que dissipa o calor muito rapidamente. A água com pouco calor é
retirada pela saída superior do reator e retorna ao recipiente para aquecimento através de
um conduto de silicone.
Automatizou-se a bomba e o servo-motor que está controlado por uma placa de
circuito impresso. O servo-motor foi utilizado para a agitação mecânica do sistema.
A produção do bioplástico no reator utiliza a mesma metodologia, no entanto, os
reagentes ficam armazenados nos silos superiores do reator, sendo acrescidos em
tempos diferentes a partir da abertura das válvulas manuais individualmente.
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Todos os procedimentos realizados resultaram em filmes plásticos com
diferentes características (Ver Tabela 1.0). O P1 apresentou um plástico rico em água,
com aspecto gelatinoso e sem rigidez, tal qual o plástico do procedimento 2.
O P3, por sua vez, originou um bioplástico com uma resistência bastante
superior aos testes anteriores, assim como o P4 que teve um plástico semelhante, porém
um pouco mais maleável em relação ao antecessor.
Tabela 1.0 – Procedimentos de produção de plástico
Nome do
Plástico
Quantidade de
ácido
clorídrico
Quantidade de
glicerina
Descrição do
Plástico
P1
15 mL
10 mL
Aspecto gelatinoso
e sem rigidez
P2
15 mL
20 mL
Aspecto gelatinoso
e sem rigidez
P3
35 mL
20 mL
Resistente em
relação ao P1 e P2
P4
30 mL
20 mL
Semelhante ao P3,
porém mais
maleável.
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 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 59-68°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 clorídrico a 0,1 mol/L
e a glicerina, cujas quantidades foram variadas para os ensaios propostos. Do P1 e do
P2, para os quais se manteve a quantidade de ácido de 15 mL e variou-se a glicerina
entre 10 e 20 mL, respectivamente, obtiveram-se plásticos semelhantes, sem resistência,
com aspecto gelatinoso.
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) Tendo a quantidade de
glicerina adicionada à água nas amostras P1 e P2, verificou-se um excesso de
plasticizantes em ambos, o que atribuiu ao produto final uma mobilidade tal que o
material polimérico não pôde se retrogradar suficientemente para formar um filme
plástico consistente. Nos ensaios P3 e P4, por sua vez, fixou-se a quantidade de
glicerina de 20 mL, variando-se as quantidades de 35 e 30 mL de ácido clorídrico,
respectivamente.
Os ácidos primeiramente hidrolisam a região amorfa antes de atacarem as
regiões cristalinas, sendo a amilose e amilopectina hidrolisadas simultaneamente
amoléculas menores. (GUERREIRO & MENEGUELLI, 2009) Assim, como para os
ensaios mencionados as quantidades de ácido foram muito superiores aos
procedimentos P1 e P2, a hidrólise do amido foi muito mais efetiva, de modo que na
retrogradação as cadeias hidrolisadas puderam se alinhar e formar ligações de
hidrogênio à medida que ocorreu o resfriamento.
Desse modo, os plásticos obtidos para o P3 e P4 foram semelhantes entre si,
formando filmes consistentes, com relativa resistência mecânica e maleabilidade.
Porém, o P3, por possuir uma maior quantidade de ácido, demonstrou-se mais rígido.
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
clorídrico em maior quantidade pôde agir de modo eficaz para a posterior formação do
plástico. A viscosidade é uma função do pH e não depende do ácido.(GUERREIRO &
MENEGUELLI, 2009) Assim, na execução dos procedimentos 3 e 4, alcançou-se pH
em torno de 3, diminuindo a viscosidade do sistema para possibilitar a formação de um
filme mais contínuo e consistente.
Em todos os ensaios, adicionava-se por fim o NaOH 0,1 mol/L tendo como
principal função neutralizar o ácido presente no sistema e cessar sua ação sobre os
grânulos de amido para permitir a retrogradação da cadeia e formação do plástico.
Verificou-se, assim, que as mudanças nas propriedades dos plásticos obtidos
foram causadas, principalmente, pela ação do ácido em conjunto com a glicerina.
5.
CONCLUSÃO
Diante dos produtos 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 nos
resíduos de 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 resíduo proposto é facilmente obtido e não impacta
tanto os ecossistemas já que os detritos seriam anteriormente descartados.
A realização de um protótipo para a produção do bioplástico permitiu a
otimização do tempo do processo através da automatização do agitador e do sistema de
aquecimento proposto. Assim, a utilização do reator encamisado em conjunto com os
demais acessórios, apresenta-se como um sistema de produção do bioplástico de
bancada que, com o auxílio da engenharia e partindo dos princípios reacionais e de
processamento, poderá ser projetado futuramente para uma produção em escala
industrial.
6.
AGRADECIMENTOS
Ao corpo docente da UNIFACS, pelos ensinamentos necessários à realização do
projeto.
Ao orientador Ronaldo Costa Santos pela orientação e paciência, indispensáveis
ao bom andamento do projeto.
À Jander, Júlio e Francisco Higino Souza pela colaboração na criação do
protótipo.
À José Guilardo pelo apoio e incentivo constante.
Ao Restaurante Spaghetti Lilás pela doação dos resíduos da batata para a
execução do projeto.
7.
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BIOPLASTIC PRODUCTION FROM THE BARK OF POTATO
(SOLANUM TUBEROSUM): DEVELOPMENT OF A PROTOTYPE
INTERDISCIPLINARY
Abstract:This interdisciplinary research project student proposes the production of a
plastic film, prototyped from the reaction of starch extracted from the bark of the
potato. Considering that the organic waste disposal, and their common disposal, it is
suggested that the starch from said extract, is used as a raw material for the formation
of bioplastic, it was found that the plastic film formed from this process have different
characteristics are changed depending amounts of hydrochloric acid and glycerin. For
this, a reactor was designed jacketed bench, in combination with a heat exchanger and
mechanical stirring to produce the bioplastic proposed.
Keywords:bioplastic, starch, potato peel, reaction prototyped.