Nome do Projeto
Matérias-primas sustentáveis para elaboração de materiais aplicados nas áreas da saúde e de alimentos
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/08/2022 - 01/06/2026
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
As novas tecnologias trazem pilares que priorizam a sustentabilidade, oferecendo inúmeras alternativas de materiais renováveis. A tecnologia e a sustentabilidade estão em um mesmo contexto, desde a produção, desenvolvimento até o descarte consciente dos resíduos ou produtos criados. O equilíbrio entre ambiente, sociedade e economia estão focadas neste tópico em estudo, atreladas ao uso da biomassa como fonte de matéria-prima. Este projeto tem como objetivo obter um aproveitamento de materiais lignocelulósicos para o desenvolvimento de materiais voltados à saúde e setor alimentício, explorando as vantagens de matérias-primas variadas, onde cada substância desempenha papéis diferentes que, associados a diferentes processos e técnicas, visam o desenvolvimento de novos serviços e produtos. Dessa forma nota-se que uma das vantagens desse tipo de material é não deixar resíduos tóxicos na natureza. Considerando o preparo de um conjunto de materiais interligados ao mesmo propósito, vislumbrando atender as dimensões da sustentabilidade, obtendo resultados satisfatórios ao meio ambiente e desenvolvimento humano.

Objetivo Geral

Aproveitamento de matérias-primas lignocelulósicas para elaborar novos materiais sustentáveis aplicados na área de saúde e de alimentos.

Justificativa

A constante evolução tecnológica e científica exige, por critérios de sustentabilidade e renovabilidade, a utilização de matérias-primas de fontes e características sustentáveis (ANTENOR, 2020). O desfecho do século XX marca o crescimento da consciência ambiental mundial, principalmente no que tange à deflagração ambiental e o papel da própria sociedade neste sistema, além dos problemas decorrentes do desenvolvimento de determinados produtos e processos, com destaque para os bens criados a partir de fontes petroquímicas/fósseis (RUSSO, 2003). Com isso, irrompem as discussões acerca da importância de novas tecnologias ambientalmente conscientes, biorrefinarias e a implementação de uma forma de economia circular (ANTENOR, 2020; VAN BELLEN, 2004). Para tal, pesquisas relativas à valorização de biomassas têm sido incentivadas (RUSSO, 2003), porquanto à ampla disponibilidade de compostos e substâncias de variadas características (moléculas fenólicas, fibras resistentes, substâncias antimicrobianas e antioxidantes, entre outros) que são capazes de conceber novos materiais (VAN BELLEN, 2004). Da grande concentração de matérias-primas sustentáveis, os materiais destacados nesta pesquisa são os de fontes lignocelulósicas, nomeadamente os taninos vegetais, a celulose, a hemicelulose e as ligninas (BEZERRA, 2019).
Materiais lignocelulósicos e seus resíduos correspondem a cerca de 60% da biomassa vegetal do planeta (CARDONA, 2010). Seu uso tem acompanhado a evolução tecnológica da espécie humana intrinsecamente, servindo como combustível para aquisição de energia na Antiguidade, carvão mineral na Revolução Industrial e meio de obtenção de etanol no século XIX (CARDONA, 2010). Sua rede química é composta, essencialmente, por lignina (10 % — 30 %), hemicelulose (15 % — 35%) e celulose (30 % — 50%) (JEFFRIES, 2010), com quantidades variáveis de determinados elementos em relação à espécie provedora da matéria-prima em análise (fatores a influenciar a concentração de cada elemento podem abranger a idade do vegetal e seu estado vegetativo (JEFFRIES, 1990; DELMER, 1995).
A celulose, principal constituinte da rede lignocelulósica, é um polímero polissacarídeo composto por um único mero, instituído por glicose e ligações β-1,4-glicosídicas (JEFFRIES, 2010; DELMER, 1995; MACIEL, 2010). A presença de ligações de hidrogênio inter e intramoleculares em sua estrutura cria um complexo fibrilar, unidos uns aos outros pela hemicelulose, um polissacarídeo não-cristalino. Essas estruturas são então revestidas pela lignina, uma macromolécula biopolimérica aromática e fenólica (MACIEL, 2010; DE RAMOS, 2011). Com isso, diversos processos de extração de tais biomoléculas podem ser empregues para o desenvolvimento de novos materiais, como a utilização de taninos com propriedades antioxidantes e antimicrobianas, celulose, que contribui para o aumento da resistência mecânica por conta de suas fibras e lignina, de potencial plastificante.
Cada uma dessas substâncias consegue desempenhar papéis variados quando associados a determinados materiais e processos, e tem seu implemento incentivado por sua abundância, sustentabilidade e baixo custo (muitos resíduos são materiais lignocelulósicos que podem ter valor agregado e retornar à cadeia econômica) (VAN BELLEN, 2004; BEZERRA, 2019; MACIEL, 2010). Na ciência dos materiais, a utilização dos lignocelulósicos é abundante, sendo direcionada à: indústria de polpação e papel (despolimerização da lignina e branqueamento de polpa Kraft); produção de compósitos (cerâmicos e poliméricos) (DE RAMOS, 2011; AGUIAR, 2011); biossensores; formação de filmes finos e espumas; criação de resinas adesivas; entre outros (TITA, 2002; MISSIO, 2017). Pela sua ampla distribuição no planeta, materiais lignocelulósicos e seus resíduos podem ser, eventualmente, a intercorrência mais praticável para a progressiva substituição, mesmo que segmentária, de petróleo e seus produtos derivados (CARDONA, 2010; MACIEL, 2010).
Através de tal, são relatadas as mais diversas pesquisas, das quais o presente projeto pretende focar nas que cobrem a criação de espumas poliméricas (TONDI, 2009), a criação de compósitos com a aplicação de enchimentos lignocelulósicos, materiais (de fontes lignocelulósicas) com papel de agentes hemostáticos destinados à saúde e a criação de filmes para o empacotamento ativo de alimentos.

Metodologia

Para confecção de novos materiais sustentáveis serão utilizados diferentes tipos de biomassa a partir da celulose, lignina, hemicelulose, tanino e também reagentes químicos. As amostras serão coletadas, moídas e peneiradas para que fiquem com o tamanho de granulometria entre 40 e 60 mesh, sendo utilizadas para as análises as amostras retidas na peneira de 60 mesh. Logo após o preparo da amostra, todas as determinações de caracterização lignocelulósica serão realizadas no Laboratório de Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira no prédio da Madeireira da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), realizada em duplicatas ou triplicatas.

Caracterizações físicas
A densidade será caracterizada a partir da norma NBR 6308 (ABNT, 2012). A análise do teor de umidade será realizada de acordo com a norma TAPPI T-650 (2015) e serão conduzidas análise de porosidade conforme a metodologia utilizada por Coldebella (2020). Medições de molhabilidade e capacidade antioxidante serão feitas conforme Missio et al. (2018). Caracterizações mecânicas referentes à tração, flexão e compressão serão realizadas em máquina de ensaios universal EMIC com célula de carga de 5000N. A análise da atividade antimicrobiana in vitro será feita segundo Coldebella (2020). Determinados testes podem ser conduzidos mais de uma vez em diferentes etapas das pesquisas realizadas, para caracterização da matéria-prima, de subprodutos intermediários e do produto final.

Caracterizações térmicas
Calorimetria diferencial exploratória será realizada de modo a identificar eventos típicos relacionados a variações térmicas em um material, como cristalização, transição vítrea e fusão, relacionando reações químicas e eventos exotérmicos e endotérmicos. Os ensaios serão conduzidos em massa constante e com faixa de operação com variação de temperatura de -150ºC a 800ºC, com análises quantitativas incluindo capacidade calorífica.
A análise termogravimétrica (TG) será realizada no equipamento de DSC-60, da marca Shimadzu e localizado em instalações do CCQFA da UFPel. As análises foram realizadas sob atmosfera dinâmica de N² com fluxo de 50 mL/min. Resultados serão usados para plotagem de dados referentes a DTG.
Caracterizações químicas
Para a caracterização química serão realizadas as análises dentro das normas da TAPPI, para fazer a determinação de teor de extrativos etanol-tolueno (TAPPI T-204, 2007), de lignina Klason (TAPPI T-222, 2011), holocelulose (TAPPI T-257, 1985) e de celulose (TAPPI T-222, 1988). Medidas de transmitância serão realizadas no equipamento espectrofotômetro (Agilent Technologies Cary, modelo 100), localizado em instalações do CCQFA da UFPel. Os parâmetros estabelecidos foram faixas de comprimento de onda de 300 a 1100 nm. Cada análise será adaptada ao produto que será caracterizado, com variações referentes à classificação e tipo do material produzido (filmes, membranas e espumas). A análise do teor de cinzas, que visa obter o valor dos materiais inorgânicos, será realizada de acordo com a norma TAPPI T-211 (2016). Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier será realizada para identificação de compostos presentes nas amostras e investigar o possível surgimento de novas interações químicas ou o deterioramento de outras.

Caracterizações morfológicas
A caracterização morfológica dos materiais desenvolvidos poderá dar-se a partir de análise de microscopia eletrônica de varredura (MEV), com amostras cobertas de ouro para melhor condutividade.
Demais caracterizações tecnológicas poderão ser adotadas pela equipe técnica das diferentes frentes de pesquisa deste projeto.

Confecção dos novos materiais
Preparação das membranas
A metodologia utilizada para a obtenção das membranas poliméricas será baseada em Tavares et al. (2018).

Preparação das espumas rígidas e aerogéis

A metodologia utilizada para a obtenção das membranas poliméricas será baseada em Coldebella (2020), Tondi et al (2009) ou referência atualizada publicada na literatura durante o desenvolvimento do projeto.


Preparação dos filmes
A suspensão para a formação de filmes será produzida adicionando 0,25 g de nanocelulose e mais 50 ml de água destilada e dispersando-os por ultra-sonicação, seguida de homogeneização ultra-turrax até a obtenção de suspensões homogêneas. Em seguida, eles serão filtrados a vácuo usando filtros de PTFE com tamanho de 0,2 μm para remover a água. O material sólido remanescente no filtro será seco com uma temperatura ambiente por cerca de 3 dias. Os filmes secos serão retirados das placas e acondicionados em uma câmara auto montada a 20◦C e 50% RH por 2 dias antes da medição adicional (Chen & Zhao, 2012).

Todos os filmes, espumas e aerogéis, além de novos materiais criados, serão caracterizados com metodologias já citadas acima, além de outras técnicas específicas que serão decididas pela equipe técnica no decorrer do projeto.

Indicadores, Metas e Resultados

Metas técnicas
Desenvolver o conhecimento sólido entre os pesquisadores participantes e entre as universidades envolvidas sobre a utilização de materiais nanoestruturados para o melhoramento de produtos já existentes e/ou a formulação de novos materiais para utilização na área da saúde e de alimentos. Além disso, alcançar os objetivos listados na presente proposta, visando produtos sustentáveis e eficazes, compostos por elementos de origem vegetal.

Metas científicas
Trocar conhecimentos entre todos os docentes e discentes envolvidos no projeto, desde o princípio do trabalho. Gerar, pelo menos, 5 artigos científicos com fator de impacto maior que 5. Também, participar de congressos e seminários relacionados com a área de materiais, química, madeireira, florestal e odontologia.

RESULTADOS ESPERADOS
As inovações tecnológicas vêm crescendo nos últimos anos, visto que são fontes de competitividade efetiva, de desenvolvimento econômico e transformação da sociedade. Segundo Gavira et al. (2020), as principais motivações que influenciam a eficiência e a qualidade no desenvolvimento de inovações são: o aumento da diversidade e variedade de produtos, a mudança nos padrões de concorrência entre as organizações e as expectativas dos consumidores com relação à qualidade e à tecnologia.
Na área presente da pesquisa, os curativos hemostáticos e de regeneração de tecidos, assim como as embalagens de alimentos, têm como base produtos inorgânicos, como o cloreto de alumínio e polímeros sintéticos, dos quais podem gerar efeitos colaterais, reações adversas à saúde e ao meio ambiente.
Em vista disso, a biomassa lignocelulósica pode ser utilizada como recurso sustentável para produção e utilização de novos materiais, possibilitando um futuro com menos agressão ao meio ambiente e mitigando as emissões de gases de efeito estufa (Khan et al, 2019). A valorização por novos materiais sustentáveis está evoluindo cada vez mais com novas maneiras de reutilizar diversos tipos de biomassa (Dubev et al, 2021).
Frente a isso, espera-se que, com essa proposta de projeto de pesquisa, seja possível contribuir para o desenvolvimento de biorrefinarias no aproveitamento de matérias-primas e a reinserção de resíduos ao mercado econômico, assim reduzindo a eliminação de rejeitos industriais e estabelecendo boas relações custo/benefício. Sabendo que novos materiais sustentáveis são biodegradáveis e também recicláveis, há de ocorrer a transição do atual panorama industrial para um mais sustentável e independente.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
AMANDA DANTAS DE OLIVEIRA6
ANA CAROLINA RODRIGUES RIBEIRO
ANDRÉ LUIZ MISSIO19
CAMILA MONTEIRO CHOLANT
DARCI ALBERTO GATTO2
DÉBORA DA SILVA RODRIGUES
MARLON BENDER BUENO RODRIGUES
MATEUS MENEGHETTI FERRER3
PATRICIA OLIVEIRA SCHMITT
RAFAEL BELTRAME1
RAFAEL DE AVILA DELUCIS4
SILVIA HELENA FUENTES DA SILVA

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CNPq / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoR$ 154.000,00Coordenador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 10.800,00Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
339030 - Material de ConsumoR$ 70.300,00
449052 - Equipamentos e Material PermanenteR$ 94.500,00

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