Biopolímeros: Propriedades, Processamento e Aplicações

Biopolímeros são polímeros de ocorrência natural, que são produzidos por organismos vivos. Eles são distintos dos polímeros sintéticos biodegradáveis.

Há uma preocupação crescente com os impactos negativos da poluição ambiental por combustíveis fósseis e resíduos de produtos petroquímicos. Muita pesquisa tem sido feita para explorar outras alternativas aos produtos derivados do petróleo, que seriam renováveis e biodegradáveis e, portanto, representam um menor risco para o meio ambiente. Os biopolímeros são uma dessas possíveis soluções para o problema porque são normalmente materiais biodegradáveis obtidos a partir de matérias-primas renováveis. No entanto, é preciso notar que nem todos os polímeros biodegradáveis são biopolímeros (ou seja, produzidos a partir de recursos renováveis). Como seria de esperar, existem desafios relacionados aos biopolímeros, tais como sua taxa limitada de produção, custo de produção e a adequação de suas propriedades.

alguns dos primeiros biomateriais modernos feitos de biopolímeros naturais incluem borracha, linóleo, celuloide e celofane. Estes dois últimos são feitos usando celulose, que é o biopolímero mais abundante naturalmente e a matéria orgânica mais abundante na Terra, constituindo um terço de toda a matéria vegetal. Desde meados do século XX, estes biopolímeros de origem humana foram praticamente todos substituídos por materiais de base petroquímica. Entretanto, devido às crescentes preocupações ecológicas, os biopolímeros estão desfrutando de renovado interesse da comunidade científica, do setor industrial e até mesmo da política .

Neste artigo, você aprenderá sobre:

• As propriedades dos biopolímeros
• A produção e processamento dos biopolímeros
• Aplicações dos biopolímeros
• Exemplos de biopolímeros
• A produção e processamento dos biopolímeros futuro dos biopolímeros

Propriedades dos biopolímeros

O principal interesse nos biopolímeros é substituir muitos dos itens do dia-a-dia que são feitos de produtos petrolíferos. Isto significa que eles serão obrigados a exibir propriedades similares, se não melhores, do que os materiais que eles substituem para torná-los adequados para as várias aplicações a que eles serão colocados. Muitas das medidas de propriedades dos biopolímeros têm variação devido a fatores como grau de polimerização, tipo e concentração de aditivos, e presença de materiais de reforço. A informação sobre as propriedades dos biopolímeros não é tão extensa como para os polímeros tradicionais, mas ainda existe uma considerável profundidade de investigação sobre as suas propriedades físicas, mecânicas e térmicas .

alguns biopolímeros foram identificados como possuindo condutividade electrónica e iónica e por isso foram denominados biopolímeros electro-activos (EABP). Isto deu-lhes o potencial de substituir outros materiais sintéticos. Estes biopolímeros, que incluem amido, celulose, quitosano e pectina, apresentam uma ampla condutividade elétrica entre 10-3 e 10-14 S/cm .

Tabela 1. Propriedades físicas, mecânicas e térmicas de alguns biopolímeros comerciais.

(Você também pode comparar visualmente estes materiais na página de comparação Matmatch)

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Biopolímero	Densidade a 20 °C	Força de tracção a 20 °C	Módulo flexível a 20 °C	Ponto de fusão	Elongamento a 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	>N/A	110 – 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	>272 %
Extrudr Filamento de Madeira	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa >	165 °C	59% >
CR1 1013	1,1 g/cm³ >	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89%

A produção e processamento de biopolímeros

Existem muitos métodos e técnicas diferentes usados para produzir biopolímeros. Como a maioria destes polímeros já existem na natureza ou são produzidos por organismos naturais, estes processos são muitas vezes uma questão de extração seguida de síntese. Eles podem incluir uma combinação de qualquer tipo de fermentação, filtração, compostagem/granulação, hidrólise, esterificação, policondensação, oxidação e desidratação. Abaixo está um exemplo do processo de produção envolvido na fabricação do succinato de polibutileno (PBS).

Figure 1. Rota de processo para a produção de succinato de polibutileno (PBS) com ácido succínico de base biológica (PBS bb SCA).

Aplicações de biopolímeros

Biopolímeros são utilizados em muitas aplicações industriais, bem como em embalagens de alimentos, cosméticos e medicamentos . Eles podem substituir os plásticos tradicionais à base de petróleo em muitas aplicações. Alguns biopolímeros também têm sido aplicados em usos específicos para os quais outros plásticos não seriam adequados, como na criação de tecidos artificiais. Estas aplicações podem requerer materiais biocompatíveis e biodegradáveis com sensibilidade a mudanças no pH, bem como a flutuações físico-químicas e térmicas .

Biopolímeros, em geral, frequentemente apresentam propriedades mecânicas, resistência química e processabilidade fracas em comparação com polímeros sintéticos. Para torná-los mais adequados para aplicações específicas, eles podem ser reforçados com fillers que melhoram drasticamente essas propriedades. Os biopolímeros que foram reforçados desta forma são chamados de compósitos biopolímeros. A tabela abaixo é um resumo de alguns compósitos biopoliméricos comuns, suas propriedades e as indústrias nas quais eles já são amplamente utilizados.

Tabela 2. Resumo dos métodos de produção, propriedades e aplicações dos compósitos biopoliméricos .

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Matriz/Filler	Método de produção	Propriedades	Aplicações
PLA/PEG/Chit	Extrusão	Baixa rigidez/ Alta flexibilidade	Osso & Embalagem de alimentos para implantes dentários
PLA/Celulose	Extrusão/injecção	Rigidez melhorada &Degradabilidade	Embalagem, automóvel
PLA/Pasta de batata	Extrusão/injecção	Baixa rigidez & ductilidade, boa processabilidade	Acondicionamento de alimentos
PLA/MgO	Fundição de soluções	Implementada estabilidade e bioactividade	Implantes médicos, engenharia de tecidos, dispositivos ortopédicos
PHB/ fibras de serragem de madeira	Extrusão	Degradação melhorada no solo	Agricultura ou viveiro de plantas
PHBV/TPU/celulose	Extrusão/injecção	Resistência ao calor equilibrada, rigidez, e tenacidade	Engenharia de tecidos de embalagem de alimentos
Nanocelulose/CNT	Moldagem por moldagem	Bom condutividade eléctrica >	Super-capacitor, sensores
Amido de borracha/batata	Mistura de rolos	Envelhecimento térmico acelerado	Isoladores de vibração, suportes de choque, componentes eléctricos
Amido de batata/glúten de trigo	Moldagem por compressão	Improduzida tensão máxima &extensibilidade	Desenvolvimento de bio-plásticos à base de plantas
Alginato/óleo de canela	Fundição de solução	Bom actividade antibacteriana	Materiais de embalagem activos
PVA/Chitosan	Electro-fiação	Estabilidade química boa	Envasamento de alimentos para entrega
PPC/TPU	Composto de feltro	>Estabilidade térmica boa & rigidez	Aplicações de embalagem electrónica

Exemplos de biopolímeros

Biopolímeros podem ser classificados amplamente em três categorias com base nas suas unidades monoméricas e estrutura:

• Polinucleótidos: DNA (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico)
• Polissacarídeos: celulose, quitosano, quitina, etc.
• Polipéptidos: colágeno, gelatina, glúten, soro de leite, etc.

Os biopolímeros também podem ser categorizados por outros critérios, tais como os seus materiais de base (animal, vegetal ou microbiano), a sua biodegradabilidade, a sua via de síntese, as suas aplicações ou as suas propriedades.

Exemplos de alguns biopolímeros produzidos comercialmente incluem :

• Poliésteres à base de bio, como ácido poliláctico (PLA), polihidroxibutirato (PHB), polibutileno succinato (PBS), adipato de polibutileno succinato (PBSA), politrimetileno tereftalato (PTT)
• Poliolefinas à base de bio, como o polietileno (Bio-PE)
• Poliamidas à base de bio (Bio-PA), como as homopoliamidas (Bio-PA 6, Bio-PA 11) e copoliamidas (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Poliuretanos como Bio-PUR
• Polissacarídeos como polímeros à base de celulose (celulose regenerada, diacetato de celulose) e polímeros à base de amido (amido termoplástico, misturas de amido)

O futuro dos biopolímeros

A figura abaixo mostra o aumento da produção de polímeros à base de biopolímeros entre 2017 e o que se estima ser o caso em 2022. Além disso, projeta-se que os biopolímeros biodegradáveis constituirão uma porcentagem maior da produção de biopolímeros nos próximos anos. É evidente que a produção de biopolímeros está em uma trajetória ascendente. Embora ainda tenha um longo caminho a percorrer, se for para substituir os produtos petrolíferos, prevê-se que a produção aumente de 2,27 milhões de toneladas em 2017 para 4,31 milhões de toneladas em 2022. Isto é, pelo menos em parte, resultado da demanda pública e das regulamentações governamentais, que continuarão a ter um impacto significativo.

Figure 2. Capacidade de produção de bioplásticos da Nova Economia, por tipo de material .