avaliaÇÃo da capacidade biodegradadora de fungos em filmes ... · fungos em filmes polimÉricos...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
ESCOLA DE ENGENHARIA DE PERNAMBUCO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE BIODEGRADADORA DE
FUNGOS EM FILMES POLIMÉRICOS
Eraldo de Jesus Argôlo
RECIFE-PE
AGOSTO/2002
ERALDO DE JESUS ARGÔLO
AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE BIODEGRADADORA DE
FUNGOS EM FILMES POLIMÉRICOS
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de Pernambuco, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Química. Área de concentração: Processos Bioquímicos.
Orientadores: Profa. Dra. Maria Alice Gomes de Andrade Lima
Profa. Dra. Yêda Medeiros B. de Almeida
Recife
2002
Dissertação de Mestrado defendida e aprovada em 23 de Agosto de 2002 pela banca
examinadora constituída pelos professores:
Profa. Dra. Maria Alice Gomes de Andrade Lima (DEQ-UFPE)
Orientadora
Profa. Dra. Yêda Medeiros B. de Almeida (DEQ-UFPE)
Orientadora
Prof. Dr. Elmo Silvano de Araújo Almeida (DEN-UFPE)
Profa. Dra. Maria de Los Angeles Perez Fernandez Palha (DEQ-UFPE)
Este trabalho é dedicado a “DEUS”, à
minha mãe Maria Epifânia, e aos meus
irmãos e sobrinhos que sempre me
deram a maior de todas as forças, o
“Amor”. Também dedico às minhas
grandes amigas Profa. Dra. Sandra
Sarmento e Olga Marques, e aos
amigos Winslow Neves, José Tibério
G. de Miranda, Flávio Lago e Márcia
Feitosa pela amizade e o
companheirismo a mim dedicado ao
longo desta grande jornada.
“AS DIFICULDADAS DOMADAS SÃO
OPORTUNIDADES CONQUISTADAS”.
Winston Churchill.
AGRADECIMENTOS
Às minhas orientadoras Profa. Dra. Maria Alice Gomes de Andrade Lima e
Profa. Dra. Yêda Medeiros B. de Almeida pela dedicação e compreensão durante todo
o trabalho.
Ao Prof. Dr. César Augusto Moraes de Abreu pela dedicação à Coordenação
da Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal
de Pernambuco.
À CAPES pela bolsa concedida, possibilitando assim a realização deste
curso.
À POLITENO pelo fornecimento do polietileno de baixa densidade utilizado
neste trabalho.
À PETROFLEX unidade Cabo de Santo Agostinho pela realização dos
ensaios mecânicos, no nome do Eng° José Martins Palha Júnior.
À Estação Experimental de Cana-de-açúcar e do Álcool de Carpina/UFRPE,
na pessoa do pesquisador Francisco de Assis Dutra Melo e aos técnicos Josias Rufino,
Lucinete Sabino e Antônio Gonçalves, pela confecção do biopolímero.
Ao Dr. Guilhermino José Macedo Fechine pelo apoio durante a realização
das análises físico-químicas realizadas no Departamento de Engenharia dos Materiais
da Universidade Federal de Campina Grande-PB.
A minha grande amiga Manuela Cristina e as técnicas Conceição, Márcia e
Evaneide do Laboratório de Microbiologia do Departamento de Engenharia Química
da Universidade Federal de Pernambuco, pela ajuda na parte experimental, sempre
mostrando amizade e muita dedicação no que faz a cada dia.
Aos Professores que passaram seus conhecimentos durante as disciplinas, em
especial à Profa Dra. Valdinete Lins da Silva.
Aos membros da banca de leitura Prof a. Dra. Maria Fernanda Pimentel
Avelar, Prof. Maurício Alves da Motta Sobrinho e Dra. Laisse Carvalho de
Albuquerque Maranhão, pela valiosa colaboração na correção deste trabalho.
Aos colegas de Mestrado Luciano, Ana Luiza, Éden, João, Lidiane, Geovana,
Flávio Garrett, Voleide Barros, Tânia Oliveira, Ronaldo Morais, Niedja Regina e a
Dra. Laisse Maranhão e o M. Sc. Henrique Baudel por sua amizade, apoio e incentivo.
A todos aqueles que colaboraram direta ou indiretamente, para a realização
deste trabalho.
vii
SUMÁRIO
Página
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. ix
LISTA DE TABELAS................................................................................................. xi
LISTA DE SÍMBOLOS............................................................................................. xii
RESUMO ................................................................................................................... xiii
INTRODUÇÃO............................................................................................................ 1
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................ 6
1.1. POLÍMEROS .......................................................................................................6
1.1.1. POLIETILENO ______________________________________________ 7
1.2. POLISSACARÍDEOS..........................................................................................8
1.2.1 AMIDO ____________________________________________________10
1.3. EXOPOLISSACARÍDEOS...............................................................................14
1.4. MICRORGANISMOS.......................................................................................17
1.4.1. Talaromyces wortmannii______________________________________17
1.4.2. Phanerochaete chrysosporium _________________________________ 18
1.4.3. Zoogloea __________________________________________________19
1.5. DEGRADAÇÃO DE POLÍMEROS..................................................................21
1.5.1. MECANISMOS DA BIODEGRADAÇÃO DA MISTURA PEBD/amido __23
1.6. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DA BIODEGRADAÇÃO...............................25
1.6.1. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA
DE FOURIER – FTIR_____________________________________________ 27
1.6.2. CALORIMETRIA DIFERENCIAL EXPLORATÓRIA - DSC __________28
1.6.3. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ –- MFI _____________________ 28
1.6.4. ENSAIOS MECÂNICOS ______________________________________29
2. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................. 32
2.1. MICRORGANISMOS.......................................................................................32
2.2. MANUTENÇÃO DAS CULTURAS DE FUNGOS.........................................32
2.3. MANUTENÇÃO DA CULTURA DA BACTÉRIA Zoogloea sp. ...................33
2.4. PREPARAÇÃO DA SUSPENSÃO DE ESPOROS..........................................33
viii
2.5. PREPARAÇÂO DOS FILMES POLIMÉRICOS .............................................34
2.5.1. BIOPOLÍMERO ____________________________________________34
2.5.2. PEBD E MISTURA PEBD/AMIDO. _____________________________ 34
2.6. TESTE DA ATIVIDADE BIODEGRADADORA EM FILMES
POLIMÉRICOS. .......................................................................................................36
2.6.1. VARIAÇÃO DE MASSA ______________________________________37
2.6.2. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA
DE FOURIER – FTIR_____________________________________________ 37
2.6.3. CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL - DSC __________38
2.6.4. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ____________________________38
2.6.5. ENSAIOS MECÂNICOS ______________________________________38
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 39
3.1. ASPECTOS MACROSCÓPICOS DA DEGRADAÇÃO DA AMOSTRA DO
BIOPOLÍMERO........................................................................................................ 39
3.2. ANÁLISES DE VARIAÇÃO DE MASSA.......................................................41
3.3. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA DE
FOURIER – FTIR .....................................................................................................44
3.4. CALORIMETRIA DIFERENCIAL EXPLORATÓRIA - DSC........................ 48
3.5. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ ( MFI )..................................................53
3.6. ANÁLISES MECÂNICAS................................................................................ 55
4. CONCLUSÕES ...................................................................................................... 60
5. PERSPECTIVAS DE NOVOS TRABALHOS ................................................... 62
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 63
7. ANEXO I ................................................................................................................. 73
ix
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 1 Estrutura da cadeia da Amilose com ligação α-1,4 (IRACEMA,1981)
13
Figura 2 Estrutura da cadeia da Amilopectina (IRACEMA,1981) 13
Figura 3 Aspecto microscópico do fungo Phanerochaete chrysosporium (www.google.com.br, 2002).
20
Figura 4 Zoogléias amorfas ramificadas coletadas da superfície dos filtros de gotejamento que recebem primariamente águas residuais domésticas (PELCZAR,1996).
21
Figura 5 Mecanismo de hidrólise enzimática do amido (GOULD et al., 1990 apud CHANDRA & RUSTGI, 1996b).
24
Figura 6 Mecanismo de biodegradação da mistura PEBD/amido: (A) via oxidação tanto da cadeia principal como dos grupos terminais; (B) via oxidação exclusivamente das cadeias terminais (LENZ, 1993; ALBERTSSON & KARLSSON, 1995 ).
25
Figura 7 Seqüência da biodegradação do biopolímero inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii.
39
Figura 8 Aspectos macroscópicos do fungo Phanerochaete chrysosporium crescido em filmes de PEBD puro após 14 dias de incubação.
39
Figura 9 Variação média da massa para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii e incubados durante o período de 30 dias.
41
Figura 10 Variação média da massa para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium e incubados durante o período de 7 e 14 dias.
41
Figura 11 Variação média da massa para os filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium e incubados durante o período de 30 dias.
42
Figura 12 Variação média da massa para os filmes de PEBD/amido inoculados com os fungos Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium e incubados durante o período de 30 dias.
43
Figura 13 Espectro do filme de PEBD puro inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubado por 30 dias .
45
Figura 14 Espectro do filme de PEBD/amido inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubado por 30 dias .
45
x
Figura 15 Termograma do biopolímero antes da inoculação. 48
Figura 16 Termograma do PEBD puro inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubados por 30 dias
49
Figura 17 Termograma do PEBD/amido inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubado por 30 dias
50
Figura 18 Médias e desvios padrão do índice de fluidez das amostras PEBD puro e PEBD/amido inoculadas com o fungo Talaromyces wortmannii.
52
Figura 19 Gráfico de tensão í¾ deformação para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido.
54
Figura 20 Módulo a 300% e seus desvios padrão dos filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
55
Figura 21 Resistência à tração na ruptura e seus desvios padrão em função do tempo para os filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
56
Figura 22 Alongamento e seus desvios padrão em função do tempo dos filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
56
xi
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela 1 Composição do meio Sabouraud-Ágar (PELCZAR et al., 1996). 31
Tabela 2 Composição do meio de cultura (PATERSSON-BEEDLE et al.,1999).
32
Tabela 3 Propriedades físico-mecânicas do Polietileno PEBD FC-31 D. 34
Tabela 4 Principais bandas do polietileno e do amido no infravermelho. 44
Tabela 5 Resultados dos índices de carbonila e vinila nos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
46
Tabela 6 Resultados dos índices de carbonila dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
46
Tabela 7 Resultados dos índices de carbonila e vinila dos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
46
Tabela 8 Resultados do índice de carbonila dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
47
Tabela 9 Resultados dos DSC dos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
51
Tabela 10 Resultados do DSC dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
51
Tabela 11 Resultados dos ensaios mecânicos dos filmes de PEDB puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
54
Tabela 12 Resultados dos ensaios mecânicos dos filmes de PEDB/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
55
xii
LISTA DE SÍMBOLOS
Letras latinas
DAT Análise térmica diferencial
ASTM “American Society for Testing Materials”
DSC Calorimetria diferencial exploratória
FTIR Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier
IC Índice de carbonila
IV Índice de vinila
MFI Medida de índice de fluidez
SEM Microscopia eletrônica de varredura
% Mt Percentual da perda de massa da amostra
Mi Massa inicial da amostra
Mf Massa final da amostra
PE Polietileno
PEAD Polietileno de alta densidade
PEBD Polietileno de baixa densidade
PEBDL Polietileno linear de baixa densidade
RT Resistência à tração na ruptura
DTG Termogravimetria derivada
TG Termogravimetria
Tm Temperatura de fusão
Tm1 Temperatura obtida na primeira fusão
Tm2 Temperatura obtida na segunda fusão
Letras gregas
åmáx Alongamento na ruptura (%)
σ Tensão na ruptura
xiii
RESUMO
O presente trabalho teve como principal objetivo avaliar a capacidade biodegradadora de uma linhagem selvagem do fungo Talaromyces wortmannii, isolada do solo do Aterro da Muribeca (Jaboatão dos Guararapes-PE) e de uma linhagem do fungo Phanerochaete chrysosporium em três filmes poliméricos: PEBD puro (polietileno de baixa densidade), PEBD/amido 80%/20%(m/m) (mistura de polietileno de baixa densidade com amido) e no biopolímero obtido através da fermentação de mosto de melaço, utilizando-se uma cultura mista da bactéria Zoogloea. Os filmes do PEBD puro e da mistura de PEBD/amido de espessura 0,06cm foram preparados em um reômetro Haake 90, à temperatura de 130°C. Os níveis de biodegradação dos filmes foram caracterizados antes e após a inoculação dos fungos através de análises de perda de peso, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier – FTIR, calorimetria diferencial exploratória – DSC, medida do índice de fluidez e determinação da resistência à tração na ruptura e alongamento. As análises da variação de perda de massa mostraram que ocorreu um aumento significativo para o filme PEBD/amido enquanto que o filme PEBD manteve praticamente inalterada a sua massa após trinta dias de incubação com o fungo Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium. Os experimentos com o biopolímero mostraram que a biodegradação ocorreu completamente após 14 dias com a espécie Talaromyces wortmannii e após sete dias com a espécie Phanerochaete chrysosporium. As análises de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier – FTIR mostraram que não ocorreu aumento dos grupos carbonila e vinila nas bandas de absorbância de 1720 cm-1 e 910 cm-1 respectivamente. Os resultados de MFI e DSC sugerem que o mecanismo de biodegradação inicia -se pela parte amorfa do amido devido à penetração do microrganismo que pode continuar atacando de forma lenta e gradual o PEBD. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que não ocorreu modificação significativa na resistência à tração na ruptura para o PEBD/amido após trinta dias de incubação com o fungo Talaromyces wortmannii. A não alteração das propriedades mecânicas é justificada pelo curto período de exposição dos filmes aos fungos. De um modo geral, observou-se a maior habilidade do fungo Phanerochaete chrysosporium na biodegradação dos materiais estudados que o fungo Talaromyces wortmannii. _____________________________________________________________________ PALAVRAS-CHAVE: Amido, Biodegradação, Biopolímero, Polietileno, Phanerochaete chrysosporium, Talaromyces wortmannii, Zoogloea sp.
xiv
ABSTRACT
The current work to assess the capacity of a wild strain of Talaromyces wortmannii (Klocker) C.R. Bejamim 1955, which was isolated from the landfill of Muribeca (Jaboatão dos Guararapes – PE), and the strain of Phanerochaete chrysosporium, in biodegradation of three kinds of polymeric films, i.e.: pure LDPE (low-density polyethylene), LDPE/starch (80/20%) (mixture of low-density polyethylene and starch) and biopolymer obtained from the fermentation of molasses by the strain Zoogloea Itzigsohn 1868, 30. The films of LDPE and of the mixture LDPE/starch, 0.6 mm of thickness, were formulated in a rheometer Haake 90, at the temperature of 130 °C. The biodegration levels of films were characterized before and after the spores inoculation by the following analyses: weight loss analyse; infrared spectroscopy with Fourier transformed – FTIR; scanning differential calorimetry – DSC; measurement of the fluidity index – MFI and determination of the resistance to tension at rupture and elogation. The analysis of the weight loss showed that there was a significant effect with LDPE/starch whilst for LDPE the was little change; following thirty days of inoculation with Talaromyces wortmannii fungus and Phanerochaete chrysosporium one. The experiments with the biopolimer showed that biodegradation was complete after 14 days with Talaromyces wortmannii and 7 days with Phanerochaete chrysosporium.The infrared spectroscopy with Fourier Transformed analysis showed that there was no increase in the carbonil and vynil groups at the absorbance bands of 1720 cm-1 and 910 cm-1. The results of the MFI and DSC analysis suggested that the biodegradation mechanism, begins with the amorphous part of the starch due to the penetration of the microorganism that can carry on attacking the LDPE in a slow and gradual way. The results of the mechanics analysis showed that no significant changes in the film resistance to tension at rupture were found. The changeless of the mechanics properties are justified by the short period of exposition of the films by fungi. In a general way, it was observed that Phanerochaete chrysosporium fungus has greater ability to biodegrate the material studied than the Talaromyces wortmannii one. _____________________________________________________________________
KEYWORDS: Biodegradation, Biopolymer, Polyethylene, Phanerochaete chrysosporium, Starch, Talaromyces wortmannii, Zoogloea sp.
INTRODUÇÃO
1
INTRODUÇÃO
A relevância do solo, como comunidade microbiana, para mediar a degradação
de macromoléculas, é um aspecto importante a ser estudado principalmente quando se
pretende utilizar a biorremediação. Esta técnica emprega os microrganismos para
desintoxicar o meio ambiente, estabilizar e/ou degradar compostos considerados
contaminantes. A elevada potencialidade do uso dos microrganismos, em especial dos
fungos, apontados na literatura como agentes degradadores das mais diversas
substâncias, aliada cada vez mais ao emprego da biotecnologia, indicam esta classe de
microrganismos para a biorremediação de áreas contaminadas por resíduos
ecologicamente impactantes (URURARY, 1998).
O sucesso de um programa de biorremediação de áreas contaminadas
dependerá, em parte, de um bom planejamento inicial sobre isolamento e da seleção de
um microrganismo ou de um consórcio de microrganismos eficientes na degradação
da molécula em estudo. O isolamento permite estudar com mais detalhes as vias
metabólicas, as enzimas, produtos intermediários, entre outros (MELO & AZEVEDO,
1997).
A preservação ambiental tem sido uma preocupação importante no mundo atual.
Numerosas pesquisas na área de meio ambiente vêm sendo desenvolvidas com a
finalidade de restringir o uso indiscriminado de determinados materiais poluentes ao meio
ambiente. Uma das preocupações dos ambientalistas e pesquisadores é o uso em excesso
de material plástico (ISHIGAKI, FUJITA & KAWAGOSHI, 1998).
Os plásticos têm um papel fundamental na sociedade moderna, onde são utilizados
de múltiplas formas. Devido ao fato de algumas aplicações destes materiais, como por
exemplo, o seu uso em embalagens, serem de descartabilidade muito rápida, associado à
grande dificuldade de degradação no ambiente, eles têm despertado forte preocupação nos
dias atuais (ALMEIDA et al., 2001). Mais de 60 milhões de toneladas de “commodities”
são produzidos e despejados anualmente no meio ambiente (PRN.USM. MY, 2000).
Os plásticos são materiais relativamente inertes e não degradáveis, higiênicos,
convenientes, confortáveis, que têm facilitado e melhorado a qualidade de vida da
INTRODUÇÃO
2
população mundial. Diferentemente da madeira, papel, fibras naturais e outros materiais,
os plásticos apresentam uma propriedade indesejável sob o ponto de vista ambiental: a
durabilidade, podendo levar mais de 50 anos para serem degradados (PRN.USM. MY,
2000).
Desde a segunda guerra mundial, os plásticos têm sido um substituto para as
matérias-primas naturais como borracha, seda, metais, vidro, madeira, papel, etc. A
indústria de embalagens é a principal consumidora dessa matéria-prima utilizando cerca
de 40% do total de plásticos produzidos no mundo (PRN.USM. MY, 2000).
A maioria dos países industrializados tem tentado banir ou restringir o uso de
embalagens plásticas e assim, reduzir os problemas ambientais resultantes. No momento,
estes materiais têm sido considerados uma parte essencial da vida moderna devido a
características como leveza, custo e processamento.
O Brasil produz anualmente cerca de 2.000.000 toneladas de resinas plásticas, o
que corresponde à cerca de 2% do mercado mundial. O consumo destas resinas no Brasil
é de 10 kg/habitante ano (ALMEIDA et al., 2001).
Milhões de toneladas de embalagens são descartadas como resíduos sólidos a cada
ano. Em média, nos países desenvolvidos, são gerados 398 kg de resíduos domésticos per
capita. Embora o conteúdo de material plástico em um aterro tenha sido estimado entre
7% e 12% em peso, esta proporção contribui, em volume, com 18% a 30% do aterro. Este
aumento é devido a sua baixa densidade, requerendo, portanto, maior área do aterro. Uma
estimativa da quantidade de plásticos presente nos resíduos domésticos mostrou que 60%
terminam nos aterros (PRN.USM. MY, 2000).
O aumento de forma descontrolada da geração de resíduos sólidos urbanos é um
fato de grande preocupação, uma vez que é difícil a obtenção de novas áreas para
implantação de aterros sanitários ou controlados. A falta de um planejamento adequado
para solução deste problema, traz como conseqüência, impactos ambientais ao solo, ar e
particularmente, aos recursos hídricos. A disposição inadequada dos plásticos é
preocupante, pois devido à dificuldade de sua degradação, acabam comprometendo a
INTRODUÇÃO
3
circulação de gases e líquidos, dificultando a degradação de outros materiais constituintes
do lixo e deste modo, retardando a estabilização das áreas dos aterros (ALMEIDA et al.,
2001).
Diversos estudos têm sido propostos para o reaproveitamento de resíduos
plásticos, incentivados tanto por fatores econômicos, quanto com a finalidade de diminuir
a poluição causada no ambiente pelo seu descarte (DOMENE, 1990). Entre as soluções
oferecidas para a diminuição do volume de plásticos descartados estão: a reciclagem,
incineração, incorporação de aditivos aos plásticos convencionais e obtenção de novos
materiais termoplásticos que sejam mais facilmente degradados quando descartados no
meio ambiente (ALMEIDA et al., 2001).
A reciclagem é, dentre essas alternativas, a que mais tem sido aplicada, embora os
custos elevados tenham impedido que a reciclagem de plásticos convencionais atinja
níveis compatíveis àqueles de descarte. É óbvio que a reciclagem, além de apresentar
normalmente uma grande perda de qualidade, sozinha não será suficiente para tratar todos
os resíduos plásticos utilizados na próxima década. No Brasil, são esperadas taxas de 12%
ao ano de reciclagem destes resíduos, sendo o restante descartado em aterros e lixões
(PRN.USM. MY, 2000).
A incineração, inicialmente foi alvo de grandes críticas, principalmente devido à
geração de gases tóxicos. Atualmente, com a utilização de filtros que permitem minimizar
a emissão desses gases e também provavelmente devido às dificuldades encontradas para
reciclagem, tem se procurado associar à incineração, um papel de reciclagem, não do
material propriamente, mas da energia nele contida (EVANS & SIKDAR, 1991).
Torna-se claro, portanto, a necessidade de novas soluções, que venham contribuir
de forma mais eficaz para a eliminação dos resíduos plásticos e seus artefatos. Esta
solução pode ser obtida através das seguintes vias: obtenção de plásticos fotodegradáveis,
ou seja, plásticos que se degradam sob a ação de raios ultravioleta (EVANS & SIKDAR,
1991); incorporação de materiais biodegradáveis aos plásticos (o principal material usado
para esse fim é o amido); obtenção de novos materiais que possuam propriedades
termoplásticas e características de desempenho semelhante aos plásticos convencionais,
INTRODUÇÃO
4
mas que são mais facilmente degradados pela ação de microrganismos no meio ambiente
(plásticos biodegradáveis).
Diversos materiais que reúnem essas duas características (termoplasticidade e
biodegradabilidade) têm sido estudados e produzidos comercialmente, dentre estes
podemos citar: polilactato, poliglicolato, poli-e-caprolactona (PLC), álcool polivinílico
(PVOH), polihidroxialcanoatos (PHAs) (ALMEIDA et al., 2001).
O estudo sobre plásticos biodegradáveis é um estágio recente da evolução
tecnológica. Estes biopolímeros são materiais que se degradam ao ataque microbiano sob
condições apropriadas do meio ambiente. Os microrganismos, quando em contato com os
polímeros biodegradáveis, secretam enzimas que quebram o material em segmentos cada
vez menores, ou seja, reduzem a sua massa molar média (ABIQUIM, 2001).
Os principais polímeros biodegradáveis são os derivados de amido ou os
poliésteres baseados nos ácidos hidroxi-carbônicos. Os produtos derivados de amido
são atrativos devido ao baixo custo, enquanto que a vantagem dos ácidos carbônicos e
hidroxi-poliésteres, é o fato de serem produzidos por fermentação. Entre os polímeros
existentes, o polihidroxi-butirato (PHB) é o mais conhecido, no entanto, seu custo é
relativamente elevado (ABIQUIM, 2001).
O plástico biodegradável já vem aparecendo em aplicações nobres na área
médica. Porém, há uma preocupação com a utilização dos plásticos biodegradáveis em
aplicação de rápido descarte, como sacolas, sacos de lixo e embalagens de produtos
agrícolas fotodegradáveis. No caso dos filmes agrícolas, o problema é que somente a
parte exposta à luz se degrada, ou seja, a parte enterrada fica intacta ou fracionada em
pedaços, tornando difícil sua extração ao final da colheita. Por outro lado, isso acaba
sendo somente uma fotofragmentação onde as macromoléculas não foram
transformadas, mas apenas cortadas pela fragilização dos aditivos. Para estes casos a
biodegradação através de microrganismo torna-se necessária para que ocorra uma total
remoção dos fragmentos indesejáveis ao solo (ABIQUIM, 2001).
O conhecimento das espécies de fungos que são naturais do ambiente (solo) e
do chorume é de fundamental importância, não só sob o aspecto social (fungos
INTRODUÇÃO
5
patogênicos para o homem) bem como para o aproveitamento destes na produção de
substâncias (antibióticos e enzimas) e suas aplicações como biodegradadores de filmes
poliméricos (PELCZAR, CHAN, KRIEG, 1996).
A identificação de novos fungos e sua avaliação como biodegradadores de
polímeros constitui uma alternativa para a diminuição de rejeitos. Na literatura
consultada, não foram encontrados trabalhos relacionados a biodegradação de filmes
poliméricos pela espécie Talaromyces wortmannii. Porém, por ter sido uma linhagem
isolada de um aterro de resíduos sólidos (Aterro da Muribeca - Jaboatão dos
Guararapes-PE) e por não se tratar de um fungo patógeno, foi selecionada para a
avaliação da capacidade biodegradadora nos filmes estudados. Já com relação ao
fungo Phanerochaete chrysosporium, alguns trabalhos são citados na literatura, nos
quais este microrganismo apresenta, uma promissora atividade para biodegradar
filmes poliméricos (LEE et al., 1991; MANZUR et al.,1997; ORHAN &
BUYUKGUNGOR, 2000).
Este trabalho teve como principal objetivo avaliar a capacidade biodegradadora
dos fungos Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium em três filmes
poliméricos: PEBD (polietileno de baixa densidade); PEBD/amido (80%/20% (m/m))
(mistura de polietileno de baixa densidade com amido) e em biopolímero obtido
através da fermentação de mosto de melaço, utilizando-se Zoogloea sp.
Os níveis de biodegradação dos filmes foram caracterizados antes e após a
inoculação com os fungos através das seguintes análises:
• Variação de massa;
• Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier – FTIR;
• Calorimetria diferencial exploratória – DSC;
• Medida do índice de fluidez – MFI;
• Determinação da resistência à tração e alongamento dos corpos de provas.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
6
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1. POLÍMEROS
Podemos definir polímeros como substâncias macromoleculares sintéticas ou
naturais formadas pela união de monômeros as quais apresentam características físico-
químicas adequadas para uso na fabricação de artefatos, podendo atingir alto peso
molecular (ODIAN, 1991). O polímero pode ser classificado como homopolímero,
quando as unidades são idênticas, ou heteropolímero, quando são constituídas por duas
ou mais espécies de monômeros (WALTON & BACKWELL, 1973; TAGER, 1978;
MANO, 1985).
Como espécies de macromoléculas sintéticas orgânicas destaca-se poliestireno,
náilon, poli(cloreto de vinila), teflon, entre outros. Como macromoléculas sintéticas
inorgânicas podemos citar os ácidos polifosfóricos e poli(cloreto de fosfonitrila). Os
polissacarídeos, as proteínas e os ácidos nucléicos são considerados macromoléculas
orgânicas naturais e finalmente como exemplo de macromoléculas naturais
inorgânicas, podemos destacar o diamante, grafite, sílica (MANO 1985).
Os homens têm tirado vantagens da versatilidade dos polímeros por séculos,
sob a forma de óleos, resinas, colas, asfalto. Contudo, somente após a revolução
industrial é que as modernas indústrias de polímeros começaram a surgir. Em 1830,
Charles Goodyear obteve êxito ao desenvolver um processo de vulcanização para
produção de borracha sintética. Quarenta anos após, o celulóide, um plástico rígido
formado de nitrocelulose, foi comercializado com sucesso. Apesar destes avanços, os
progressos na ciência dos polímeros foram lentos até a década de 1930, quando
materiais como vinil, neopreno, poliestireno e náilon foram descobertos. O
aparecimento destes materiais revolucionários desencadeou uma intensa pesquisa que
persiste até hoje (CANTO, 1995).
Polímeros sintéticos ou naturais podem ser produzidos com uma larga variação
de propriedades como rigidez, resistência mecânica, resistência térmica, densidade.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
7
Com a contínua pesquisa a respeito da ciência dos polímeros e suas aplicações, estes
materiais estão adquirindo um papel cada vez maior na sociedade.
O aspecto tecnológico dos polímeros permite classificá-los em termoplásticos e
termorrígidos. Os materiais termoplásticos quando submetidos à ação do calor, sofrem
um amolecimento e depois de resfriados retornam ao estado sólido, podendo esta
operação ser repetida. São exemplos de termoplásticos as resinas acrílicas, poliestireno
e o polietileno. As substâncias termorrígidas quando submetidas à ação do calor
podem sofrer um amolecimento, mas quando resfriadas não retornam mais ao seu
estado inicial. Como exemplos de polímeros termorrígidos pode-se citar os poliésteres,
resinas fenólicas, epóxi e alguns poliuretanos (MILES & BRISTON, 1996).
A ciência dos polímeros começa com a compreensão de como estes materiais
são sintetizados. A síntese de polímeros é um complexo procedimento e pode dar-se
de várias formas. De acordo com o mecanismo de polimerização, os polímeros podem
sofrer o processo de polimerização em cadeia ou por etapas. Polimerização em cadeia
descreve o método em que monômeros são adicionados um a um a uma posição
“ativa” na cadeia em desenvolvimento, enquanto na polimerização em etapas
quaisquer das espécies reativas podem reagir entre si. O tipo mais comum de
polimerização em cadeia é a polimerização via radical livre. Um radical livre é
simplesmente uma molécula com um elétron desemparelhado. Este excesso de carga
torna a molécula muito reativa, de forma que ela irá facilmente unir-se a outro radical
livre (ODIAN, 1991). O polietileno utilizado neste trabalho é um exemplo deste tipo
de polimerização.
1.1.1. POLIETILENO
O polietileno é o polímero de maior produção mundial. Em função de seu
processo de polimerização, podem ser distinguidos em polietileno de baixa densidade
(PEBD), polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) e o polietileno de alta
densidade (PEAD). Um novo grupo de termoplástico vem aparecendo com aplicações
restritas e com custo de produção maior que os polietilenos convencionais. São eles: o
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
8
polietileno de alto peso molecular – alta densidade, o polietileno de ultra-alto peso
molecular e o polietileno de densidade muito baixa (MANDERS, 1993).
O PEBD tem o aspecto de um sólido opaco, de alta espessura e de toque
parafínico. Sua flexibilidade varia segundo a espessura, com temperatura de fusão
compreendida entre 104 °C e 120 °C, e de degradação de aproximadamente 300 °C.
Não-tóxico, totalmente insolúvel em água, é fracamente permeável ao vapor d’água.
Sua resistência aos agentes químicos (em particular ácidos ou bases) é notável. O
PEAD é mais rígido e mais opaco que o PEBD; flui entre 130 °C e 140 °C, e possui
boa resistência ao choque térmico em baixas temperaturas. É cerca de quatro vezes
menos permeável aos gases que o PEBD, e a permeabilidade ao vapor d’água é quase
nula. Apresenta inércia química bastante elevada. As principais aplicações do PEBD
são obtidas por extrusão. Por extrusão e sopro são produzidos filmes para embalagens
ou para uso agrícola. Por extrusão são revestidos cabos e outros materiais (GRANDE,
1998).
O polietileno de densidade entre 0,91-0,94 g/cm3 é classificado como
polietileno de baixa densidade (PEBD), e pode ser processado a alta ou baixa pressão.
O polietileno de alta densidade (PEAD) apresenta esta propriedade compreendida
entre 0,94-0,96 g/cm3 (BRANDRUP, IMMERGUT, GRULKE, 1989).
1.2. POLISSACARÍDEOS
Segundo WALTON & BLACKWELL (1973), a produção de biopolímeros
através da síntese biológica in vivo envolve macromoléculas como proteínas, ácidos
nucléicos e polissacarídeos.
Os polissacarídeos ocorrem em quase todos os seres vivos e desempenham
várias funções. Estas macromoléculas são formadas pela união de várias unidades
monossacarídicas ou de seus derivados, como os açúcares aminados, ácidos urônicos e
outros, através de ligações glicosídicas. Diferem dos oligossacarídeos não apenas pelo
tamanho da molécula e pelas propriedades físicas que lhes conferem características de
polímeros, mas também pela maior facilidade de combinações possíveis durante a
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
9
biossíntese, permitindo a formação de ramificações em diferentes espécies de
monossacarídeos com diferentes configurações (BOBBIO & BOBBIO, 1989; BROCK
& MADIGAN, 1991; GLAZER & NIKAIDO, 1995).
Considera-se, como polissacarídeos, apenas as moléculas que possuem mais de
dez unidades monossacarídicas; até este valor a molécula é considerada como
oligossacarídeo. A maioria dos polissacarídeos naturais contém de 80 a 1000 unidades
monossacarídicas, podendo ainda exceder 3000 unidades monossacarídicas por cadeia
polimérica. Por hidrólise completa com ácido ou enzimas específicas, esses
polissacarídeos produzem monossacarídeos e/ou derivados monossacaridicos. Assim
como os monossacarídeos, estas moléculas apresentam grande afinidade pela água
(BOBBIO & BOBBIO, 1989; BROCK & MADIGAN, 1991; GLAZER & NIKAIDO,
1995). A dissolução ocorre por um processo contínuo de hidratação, com substituição
das ligações polímero-polímero, por ligações polímero-solvente. As interações, nestes
casos, são relativamente fracas, do tipo pontes de hidrogênio (LOPES, 1996). Em
geral a facilidade com que um polissacarídeo se dissolve, depende não somente de sua
estrutura primária (composição química), mas também da conformação da cadeia
polimérica no solvente considerado (LOPES, 1996). A unidade predominante na
maioria dos polissacarídeos é a D-glicose. Também são encontrados polissacarídeos
de D-manose, D-frutose, D e L-galactose, D-xilose e L-arabinose. Outros açúcares,
como L-ramnose e L-fucose podem também estar presentes (ROLLER & DEA, 1992;
GARRET & GRISHAM, 1995).
Pode-se classificar os polissacarídeos de acordo com a sua composição
química e estrutural. Chamamos de homopolissacarídeo aquele formado por um único
tipo de monossacarídeo, ao contrário dos heteropolissacarídeos, que possuem mais de
um tipo de monossacarídeos (GARRET & GRISHAM, 1995).
Com relação à estrutura, os polissacarídeos podem ser lineares ou ramificados.
O polímero pode conter uma ou várias ramificações de tamanhos diferentes. Se a
ramificação é composta por uma única unidade do mesmo monossacarídeo ao longo
de toda a cadeia polimérica, a macromolécula é denominada de polissacarídeo linear
substituído. Normalmente, em um homopolissacarídeo, a ligação glicosídica entre a
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
10
cadeia principal e a ramificação é idêntica à que une os monossacarídeos no esqueleto
polimérico. Nos heteropolissacarídeos, todas as unidades do mesmo açúcar nas
ramificações estarão ligadas à cadeia principal pelo mesmo tipo de ponte glicosídica.
Uma característica importante dos polissacarídeos é a sua carga iônica. São
classificados como aniônicos, neutros ou catiônicos. Exemplos de polissacarídeos
microbianos aniônicos incluem xantana, fosfomanana e alginato, enquanto levana,
escleroglucana, pululana, dextrana e curdulana são caracterizados como
polissacarídeos neutros. Estas propriedades segundo MARGARITIS & PACE (1985),
decorrem da presença de grupamentos como carboxila, fosfato, sulfeto ou amino.
GLAZER & NIKAIDO (1995) relatam que os polissacarídeos desempenham papéis
específicos nas células, seja pela sobrevivência em condições adversas ou apenas
como material de reserva no citoplasma.
Na natureza, os polissacarídeos apresentam distintas funções celulares (IMRIE
& TILBURY, 1972; BROCK & MADIGAN, 1991), que podem ser resumidas da
seguinte forma: constituintes estruturais das paredes celulares de plantas superiores ou
algas marinhas (celulose, hemicelulose e pectina); constituintes estruturais das paredes
celulares de animais (quitina e mucopolissacarídeo); reserva metabólica das plantas
(amido, dextrana, frutanas); reserva metabólica de animais (glicogênio); proteção das
plantas (retenção de água).
1.2.1 AMIDO O amido e a sacarose são as duas principais formas de armazenamento de
glicídios dos vegetais, sendo o polissacarídeo mais utilizado na nutrição pelos seres
humanos. O amido é formado na fotossíntese, a partir de dióxido de carbono e água. É
constituído essencialmente pela mistura de dois polissacarídeos: a amilose, tipo não
ramificado de amido formado por unidades de glicose com ligação α- 1,4 podendo
alcançar um peso molecular médio de até 500.000 unidades de glicose, solúvel em
água quente (Figura 1); e a amilopectina, forma ramificada com cerca de uma ligação
α-1,6 para cada 30 ligações α-1,4 e insolúvel em água quente (Figura 2). Ou seja,
semelhante ao glicogênio, mas menos ramificado porque contém uma menor
proporção de ligações glicosídicas α-1,6 (STRYER, 1996).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
11
Figura 1. Estrutura da cadeia da Amilose com ligação α-1,4 (IRACEMA 1981).
Figura 2. Estrutura da cadeia da Amilopectina (IRACEMA,1981).
O amido é um polissacarídeo encontrado principalmente no milho, batata,
batata-doce, mandioca, sagu, trigo e arroz, sendo que o processo de extração depende
do vegetal empregado (NOVA, 1999). Parte da produção do amido é utilizada
principalmente na alimentação, nas indústrias de papel e têxteis. Outra parte é
utilizada para a obtenção de derivados como dextrina, glicose e xaropes. O amido é
usado como cobertura das raízes das plantas na agricultura, protegendo-as, pois se
degrada quando em contato com os microrganismos do solo, sem liberar produtos
tóxicos (CHANDRA & RUSTGI, 1998 b).
O amido de milho e outros aditivos como a atapulgita, que é um forte pró-oxidante
mineral composto de óxido de magnésio, óxido de alumínio, óxido de potássio, óxido de
silício, óxido de cálcio, óxido de sódio, óxido de ferro e resíduo insolúvel, podem ser
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
12
misturados ao polietileno, com a finalidade de deixar o polímero mais sensível à foto-
oxidação e à oxidação térmica, iniciando as reações degradativas, quando exposto ao uso
(ANDERSON et al., 1995; ERLANDSSON et al., 1997).
A incorporação de materiais biodegradáveis aos plásticos convencionais é uma
forma de aditivação que vem conquistando espaços (EVANS & SIKDAR, 1991). O
amido tem aplicação nos plásticos biodegradáveis, aos quais pode ser misturado
fisicamente, mantendo-se intacto ou fundido com um polímero apropriado. Com o
recheio biodegradável no PEBD, os filmes de polietileno tornam-se porosos depois
que o amido é extraído. Estes poros podem ser prontamente invadidos por
microrganismos e rapidamente saturados em oxigênio, aumentando-se deste modo, a
degradação do polímero por via biológica e oxidativa (CHANDRA & RUSTGI, 1998
b). Diversas empresas têm produzido e comercializado polietileno aditivado com amido
(PERRONE, 1991).
Os estudos sobre o amido incluem sua capacidade de adsorção, sua modificação
molecular, seu comportamento a altas temperaturas e sob agitação, além de suas
propriedades termomecânicas. Embora o amido seja um polímero, sua estabilidade a
tensões não é alta. A temperaturas superiores a 150°C, as ligações glicosídicas começam a
se romper, e acima de 250°C os grãos de amido sofrem um colapso endotérmico. A
temperaturas mais baixas, ocorre um fenômeno conhecido como retrogradação. Durante o
resfriamento ocorre uma reorganização das ligações de hidrogênio e um alinhamento de
suas cadeias, podendo até ocorrer uma precipitação se a temperatura for menor que 10°C.
Assim, mesmo que o amido possa ser disperso em água quente e formar filmes, estes
podem se tornar quebradiços se ocorrer a retrogradação (CHANDRA & RUSTGI,
1998b).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
13
Quando o amido é aquecido em presença de uma quantidade suficiente de água,
ocorre um fenômeno chamado gelatinização. A gelatinização inclui: (1) perda das franjas
dos grãos; (2) difusão pela ruptura dos grãos e dissolução das moléculas lineares; (3)
diminuição da turvação da mistura amido-água; (4) hidratação e intumescimento dos
grãos por muito tempo; (5) aumento de sua densidade, e (6) formação de uma massa
pastosa ou gel. A gelatinização ocorre freqüentemente a temperaturas entre 10°C a 15°C.
Contudo, um simples grão de amido pode tornar-se gelatinoso entre 1°C. e 2°C. (ROOS,
1995).
Duas tecnologias foram estudadas para a produção de plásticos, principalmente o
polietileno, misturado com amido (COULD, 1990; CHANDRA & RUSTGI, 1998 b). *GRIFFIN desenvolveu um processo de incorporação dos grãos de amido nos filmes
plásticos, contendo amido entre 6% a 12% (m/m). Já **OTEY, estabeleceu um processo
de incorporação de 20% a 60% (m/m) de amido gelatinizado em filmes plásticos,
permitindo uma melhor distribuição do amido no filme.
Devido à natureza hidrófila do amido, e a natureza hidrófoba dos plásticos, a
mistura obtida fica com suas propriedades mecânicas fracas, pois há pouca adesão
interfacial entre eles. Assim, o amido não forma uma fase contínua na mistura
(SIMMONS, & THOMAS, 1995). A fim de que as misturas fiquem com uma morfologia
estável, as pesquisas também estão voltadas para a busca de compatibilizantes entre amido
e o PE, ou seja, a busca por um polímero contendo grupos funcionais, tais como, ácidos
carboxílicos, anidrido, epóxi-uretano, que promovam ligações entre hidrogênio do
polietileno e as hidroxilas do amido (ABURTO et al., 1997). Outra forma de melhorar a
adesão entre as fases, seria o uso de amidos modificados. Estes têm sido preparados pela
* GRIFFIN, apud RODRIGUES, J. C. Biodegradação de misturas de polietileno de baixa densidade
(PEBD) e amido, 2000. 75f. Tese (Mestrado em Processos Químicos e Bioquímicos). Universidade
federal do Rio de Janeiro. ** OTEY, apud RODRIGUES, J. C. Biodegradação de misturas de polietileno de baixa densidade
(PEBD) e amido, 2000. 75f. Tese (Mestrado em Processos Químicos e Bioquímicos). Universidade
federal do Rio de Janeiro.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
14
esterificação do amido com acetatos (PARANDOOSH & HUDSON, 1993) ou com
cloreto de octanoíla (ABURTO et al, 1997).
A maioria dos polímeros é considerada resistente ao ataque microbiano. Sua
degradação depende das propriedades químicas e físicas (CHANDRA & RUSTGI,
1998 b). As misturas poliméricas entre amido e polímeros inertes, tais como polietileno,
recebem muita atenção pela sua possível aplicação na degradação do lixo plástico. Se o
componente biodegradável estiver presente em quantidade suficiente e se for removido
por microrganismos do ambiente contaminado, o plástico remanescente pode perder a sua
integridade, diminuindo o seu tempo de degradação (COULD et al., 1990).
O contínuo aumento de uso de polímeros para embalagens de alimentos e o fato
de serem materiais recalcitrantes a processos de degradação, quando jogados no ambiente,
vem estimulando as pesquisas no campo de embalagem de alimentos. Neste contexto, as
misturas PEBD/Amido também vêm sendo muito estudadas (PSOMIADOU et al., 1997).
1.3. EXOPOLISSACARÍDEOS
Muitos microrganismos têm a habilidade de sintetizar polissacarídeos
extracelulares ou excretá-los como polímeros solúveis ou insolúveis (SUTHERLAND,
1990a). A quantidade de estruturas estudadas é relativamente pequena a nível mundial.
Nos últimos anos é crescente o interesse pelo isolamento e identificação de
polissacarídeos microbianos e suas aplicações.
Os exopolissacarídeos são produzidos largamente por bactérias e microalgas e,
menos freqüentemente, por leveduras e fungos filamentosos (ROLLER & DEA,
1992). Os polímeros de origem bacteriana apresentam maior viabilidade industrial e
comercial. Entretanto, apenas uma pequena fração tem sido comercializada apesar da
potencialidade para substituir as gomas obtidas de plantas e algas marinhas
(ROSEIRO, ESGALHADO, COLLAÇO, 1992; ROLLER & DEA, 1992; LOPES &
ANDRADE, 1995).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
15
Os polissacarídeos microbianos extracelulares podem ser encontrados sob duas
formas diferentes: ligados à parede celular, denominado de capsulares, ou como
mucos solúveis aumentando substancialmente a viscosidade do caldo em fermentação.
Estes são os mais produzidos industrialmente (FENTANES, 1985).
Em decorrência da grande diversidade bacteriana, do rápido crescimento e da
versatilidade nutricional, estes microrganismos se destacam como fonte promissora na
produção de biopolímeros. Segundo SUTHERLAND (1990a), os polímeros
microbianos apresentam alto grau de regularidade, uma vez que não apresentam
flutuações de ordem climáticas ou sazonais. Este fato é raro de ocorrer nos
polissacarídeos obtidos a partir de outras fontes.
Os polissacarídeos microbianos apresentam grande interesse comercial como
membro da classe dos biopolímeros ou gomas industriais que são amplamente usados
como espessantes, estabilizantes, gelificantes, emulsificantes, agentes de suspensão e
de floculação ou colóides de proteção nas indústrias alimentícia, petrolífera,
farmacêutica, cosmética, de tinta, têxtil e de produtos agrícolas (MULCHANDANI,
LUONG, LEDUY, 1988; ASHTAPUTRE & SHAH, 1995, apud LIMA, 1999). KAY
et al. (1993) enfatizam que estes biopolímeros são na sua maioria compostos atóxicos,
biodegradáveis e produzidos extracelularmente por microrganismos não patogênicos a
partir de fermentações em batelada com eficiência próxima a 50% na conversão do
substrato.
O conhecimento de técnicas avançadas do controle genético e das rotas
biossintéticas efetuadas pelos microrganismos pode levar ao desenvolvimento de
novos materiais poliméricos, implementando assim a indústria dos biopolímeros
(LOPES & ANDRADE, 1995).
Recentes pesquisas na área médica apontam para a aplicação de alguns
polissacarídeos como agentes terapêuticos importantes. Entre eles podemos citar: β-D-
glucanas como imunomodulador e agente anti-tumoral (SUTHERLAND, 1998b) e
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
16
levanas na terapia do câncer (CALAZANS et al., 1997), além da prevenção de
doenças causadas por vírus (como AIDS e influenza) e bactérias (YALPANI &
SANDFORD, 1987). SUTHERLAND (1998b) também cita o uso das celuloses
bacterianas, assim como o emprego do ácido hialurônico em cosméticos.
Como relatam YALPANI & SANDFORD (1987) e GEDDIE &
SUTHERLAND (1990a), polissacarídeos bacterianos também são importantes na área
ambiental, agindo na retirada de metais pesados ou radioativos de ambientes poluídos.
Com a crescente preocupação dos pesquisadores na área, alguns trabalhos
mostram a utilização da pululana na obtenção de material plástico biodegradável, não
poluente, comestível, assim como outros artigos moldados (ALMEIDA et al., 2001).
A celulose não é produzida só por plantas, mas também por bactérias. Poucas
bactérias, tal como Acetobacter xylinum tem a capacidade de produzir celulose. Essa
produção se dá na forma de uma película extracelular que rapidamente se agrega em
microfibrilas celulósicas (SUTHERLAND, 1990a; ALMEIDA et al., 2001). Nos
últimos anos cresceu o interesse pelo uso da celulose bacteriana surgindo diversas
aplicações potenciais que incluem, entre outros, o diafragma acústico, aplicadores
tópicos estéreis, pele artificial, membranas de filtros, elemento aditivo para papel e
fibra dietética (OKIYAMA et al., 1992).
COELHO et al., (2001) estudando um biopolímero, produzido a partir de cana-
de-açúcar, realizaram testes de cicatrização em animais. Neste estudo, foi avaliado o
processo cicatricial em perdas cutâneas com a aplicação tópica do biopolímero sobre a
ferida, observando-se a redução gradual da secreção presente. A infecção foi
controlada através do efeito bacteriostático ou bactericida apresentado. A evolução do
processo cicatricial envolve uma série de eventos que, em conjunto, representam uma
tentativa de manter a estrutura anatômica e a função normal da região. Este
biopolímero pode assim ser utilizado em lesões cutâneas, levando em conta os
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
17
aspectos relacionados ao comportamento terapêutico, baixo custo econômico e
simplicidade de aplicação.
1.4. MICRORGANISMOS
1.4.1. Talaromyces wortmannii
Talaromyces wortmannii pertence à classe dos Deuteromycetes. Possui fase
conidial assexuada do gênero Penicillium e fase perfeita ascal sexuada do gênero
Talaromyces. Este fungo é conhecido também como Penicillium wortmannii
(Kloecker) 1903. Talaromyces wortmannii, é a segunda espécie mais comum do
gênero existente em solos, sendo isolado em vários continentes (DOMSCH & GAMS,
1980).
Quanto à morfologia, este fungo caracteriza-se macroscopicamente por
apresentar colônias amareladas com 3cm - 4cm de diâmetro em 14 dias a 25oC em
meio de malte-ágar. Microscopicamente, possui ascomata de 75µm - 300 µm de
diâmetro discreta ou confluente que surge dentro de duas semanas, tendo ascospóros
elipsoidais com filamentos em forma de espinhos e dimensões de 3,7µm - 4,7µm x
2,5µm - 3,5 µm. Possuem conidióforos esparsos aparecendo submerso das hifas e
penicilo biverticulado simetricamente. Os conídios variam de hialinos a verdes e o seu
micélio contém polissacarídeos muciloginosos semelhante ao ácido lutéico
(DOMSCH & GAMS, 1980).
Talaromyces wortmannii não apresenta crescimento a 5o C e 37oC. A celulose,
não é atacada apesar da formação de 1,3-β-D-glucanase e 1,4-β-mananase. O nitrito
pode ser usado como fonte de nitrogênio. Este fungo apresenta alguma atividade
antifúngica e antibacteriana. O herbicida metabromuron é degradado por esta espécie
(DOMSCH & GAMS, 1980).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
18
1.4.2. Phanerochaete chrysosporium
Phanerochaete chrysosporium pertence à classe dos Basidiomycetes. Os
basideomicetos, dos quais existem mais de 25.000 espécies, incluem carvão, ferrugem,
fungos limosos, bufa-de-lobo e cogumelos. Várias espécies devastam plantações,
enquanto outras, como o cogumelo cultivável Agaricus, são consideradas itens
alimentícios muito apreciados (PELCZAR, CHAN, KRIEG, 1996; G.F.G. NAUTA,
2002).
Nesta classe de fungos, os esporos assexuais são relativamente raros, e a
reprodução sexual é realizada pela fusão de hifas compatíveis, levando à produção de
basidiósporos produzidos exogenamente em célula em forma de clava denominada
basídeo; os basídeos são formados em basideocarpos bem diferenciados (GFC.
NAUTA, 2002).
Phanerochaete chrysosporium apresenta colônias de coloração esbranquiçadas
sem pigmento solúvel em meio de Sabouraud após crescimento a 35oC durante 7 dias
(AITKEN & IRVINE, 1989; ORHAN & BUYUKGUNGOR, 2000).
Este fungo é conhecido cientificamente pelos seus esporos dourados e pela sua
grande capacidade em degradar lignina e celulose. Na degradação da celulose pela
espécie Phanerochaete chrysosporium estão presentes três classes de enzimas
celulolíticas identificadas e estas são utilizadas para caracterizar a putrefação branca
na madeira: (1) enzimas hidrolíticas (endo e exoglucanases), (2) enzima oxidativa
(celobiase); e (3) enzima oxidoredutiva (celobiase-quinona redutase). No processo
oxidativo da lignina estão presentes enzimas extracelulares importantes como as
fenoloxidases, lacases, peroxidases (ERIKSSON, BLANCHETTE, ANDER, 1990).
Além de ser um degradador da lignina, este fungo pode também degradar uma
variedade de poluentes e substâncias químicas usando suas enzimas intracelulares e
extracelulares. Como exemplos podem ser citados: benzeno, tolueno, etilbezeno,
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
19
xileno, combinações cloradas como 2,4,5-tricloroetileno e os triclorofenóis (AITKEN
& IRVINE, 1989; ORHAN & BUYUKGUNGOR, 2000).
Na Figura 3 observa-se o aspecto microscópico das hifas do fungo
Phanerochaete chrysosporium.
Figura 3. Aspecto microscópico das hifas do fungo Phanerochaete chrysosporium (GOOGLE, 2002) 1.4.3. Zoogloea
As bactérias do gênero Zoogloea pertencem à família Pseudomonadaceae,
apresentam células em forma de bastonetes ligeiramente arredondadas tendo em média
de 1,0µm a 1,3 µm de diâmetro por 2,1µm a 3,6 µm de comprimento e são gram
negativas. Não formam esporos nem cistos. As células em culturas velhas são
encapsuladas. São móveis, especialmente em culturas novas, apresentando um único
flagelo polar. Grânulos intracelulares de â- hidroxibutirato são formados no meio
contendo sais de ácidos orgânicos (UNZ, 1984). As culturas iniciam a formação de
flocos e filmes no meio líquido, no estágio posterior à fase de crescimento; as células
formam uma massa que está embebida em uma matriz comum gelatinosa denominada
zoogléia que é distinguida por uma morfologia típica em forma de árvore e dedos
apresentada na Figura 4 (PELCZAR, CHAN, KRIEG, 1996).
As colônias jovens da bactéria em meio sólido sob atmosfera normal de ar são
translúcidas e puntiformes, podendo aumentar de 1mm a 2mm em diâmetro e exibir
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
20
centros opacos. As células não são pigmentadas. São aeróbicas, podendo também
apresentar crescimento anaeróbico na presença de nitrato. A desnitrificação ocorre
com a formação de N2. A temperatura ideal para o crescimento é de 28°C -37 °C, o pH
ótimo está compreendido entre 7,0 e 7,5. O teste de oxidase é positivo e raramente a
catalase é positiva. São quimiorganotróficas (UNZ, 1984).
Muitas cepas são urease positivas. São capazes de utilizar como fonte de
carbono muitos sais de vários ácidos orgânicos (lactato, piruvato e fumarato),
aminoácidos dicarboxílicos (aspartato, glutamato e asparagina), álcoois e sais de
certos ácidos aromáticos (benzoato e m-toluato). Utilizam como fonte de nitrogênio
orgânicos aminoácidos dicarboxilados e amônia, o nitrato é inadequado (UNZ, 1984).
Zoogloea ramigera produz “zooglan”, polissacarídeo composto por D-glucose,
D-galactose e ácido pirúvico, na relação de aproximadamente 11:3:1,5 (IKEDA et
al.,1982). A estrutura do “zooglan” varia com as condições de fermentação (LEE et
al.,1997). O polissacarídeo tem uma estrutura irregular com uma composição que
varia devido às diferenças nas condições de crescimento do microrganismo.
Estas bactérias são encontradas principalmente em águas frescas
organicamente poluídas e em todos os estágios do tratamento de águas (UNZ, 1984).
Em recente trabalho, COELHO et al., 2001, estudaram a utilização de um
biopolímero obtido por fermentação do melaço por Zoogloea sp. em processos
cicatriciais de animais. Os resultados obtidos pelos pesquisadores mostram a
viabilidade da utilização deste biopolímero de Zoogloea sp.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
21
Figura 4. Zoogléias amorfas ramificadas coletadas da superfície dos filtros de gotejamento que recebem primariamente águas residuais domésticas (PELCZAR, CHAN, KRIEG, 1996).
1.5. DEGRADAÇÃO DE POLÍMEROS
A degradação de polímeros é iniciada por diversos mecanismos, como calor,
oxigênio, radiação e microrganismos. Estes fatores levam à formação de produtos
oxidáveis, especialmente grupos carbonilas, que juntamente com cisões moleculares,
causam mudanças em suas propriedades levando ao amarelamento, fissuramento,
fragilização, migração de aditivos, etc (FECHINE, 1998; TORIKAI, 1994), podendo
causar falhas prematuras e tornando o produto inadequado para uso (HULME &
MILLS, 1994). Por outro lado, existem situações em que a degradação é desejada,
como no caso de mastigação de borracha, reações de acoplamento em compósitos,
polímeros biodegradáveis, etc. (FECHINE, 1998).
Dentre as situações onde a degradação de polímeros é desejável, a
biodegradação é certamente o processo mais importante. O mecanismo da
biodegradação de polímeros consiste em um processo químico em que a
decomposição da matriz polimérica ocorre pela ação das enzimas produzidas pelos
microrganismos (SCOTT, 1995). O ataque enzimático nos polímeros ocorre através de
reações na presença de oxigênio e umidade, provocando cisão de cadeia na matriz
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
22
polimérica. Para que o polímero seja degradado pelo ambiente são necessários meios
apropriados, além dos microrganismos agentes do processo (ABIQUIM, 2001).
Na biodegradação devem ser considerados os parâmetros físicos (temperatura,
pressão, ação mecânica dos ventos, chuva, ação da luz, umidade do solo), a
composição química da água, do ar e do solo, além dos parâmetros biológicos (ação
dos animais, vegetais e microrganismos) (ABIQUIM, 2001).
Na realidade, podemos concluir que a biodegradação não é resultado de uma
simples ação de microrganismos, e sim uma conseqüência das condições nas quais
eles atuam e que estão relacionadas com todas as características do meio (ABIQUIM,
2001).
A disponibilidade de polímeros degradáveis deve estar associada a custo
competitivo em relação aos materiais convencionais, propriedade compatível para uso
generalizado, destino final do produto e período estimado para sua vida útil
(ABIQUIM, 2001).
Atualmente, a obtenção de plásticos biodegradáveis ainda é incipiente e de alto
custo. Nos EUA os plásticos biodegradáveis custam de 5 à 12 dólares o quilo, o que
significa um valor cinco vezes maior se comparado com os termoplásticos comuns.
Tanto na Europa como no Japão, há uma prioridade pela busca de plásticos
degradáveis. Na Itália, por exemplo, existem leis para minimizar o uso de embalagens
não degradáveis. Em 1993, o governo do Japão destinou 14,4 milhões de dólares para
o desenvolvimento de plásticos biodegradáveis, que foi distribuído entre institutos de
pesquisas e companhias privadas. (MOORE, 1993).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
23
1.5.1. MECANISMOS DA BIODEGRADAÇÃO DA MISTURA PEBD/amido
Apesar dos esforços dos pesquisadores, ainda não foi encontrado um modelo
satisfatório para o mecanismo de biodegradação de misturas PEBD/amido obtidas com
ajuda de compatibilizantes ou amidos modificados. Por enquanto há apenas modelos
semi-empíricos. O que se sabe é que altas taxas de amido na mistura, ou seja, uma
mistura com mais de 10% (m/m) de amido, prejudica o desempenho das propriedades
mecânicas desse material, mas aumentam a sua degradabilidade (CHANDRA &
RUSTGI, 1998 b).
O amido é a parte mais fácil de se degradar por hidrólise enzimática, desde que
se esteja em um ambiente contendo microrganismos que excretem enzimas
amilolíticas. As amilases quebram as ligações α-1,4 enquanto que as
amiloglicosidases quebram as ligações α-1,6 da amilopectina. A hidrólise enzimática
completa transforma o amido em maltose e glicose. A Figura 5 apresenta o mecanismo
de ataque da enzima numa ligação α-1,4 do amido (CHANDRA & RUSTGI, 1998b).
O
O
CH2OH
OH
OOH OH
O
O
CH2OH
OH
O
O
CH2OH
OH
HOOHOH
O
OH
CH2OH
OH
O+
Enzima
H2O
Figura 5. Mecanismo de hidrólise enzimática do amido (GOULD et al., 1990 apud CHANDRA & RUSTGI, 1998b).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
24
A remoção do amido da matriz da mistura (PEBD/amido) altera as
propriedades físicas do plástico, facilitando sua desintegração física no ambiente. Esta
característica é muito útil em produtos de plástico não-recicláveis, como por exemplo,
os sacos de lixo e os filmes de polietileno que servem para proteger vegetais e raízes
(GOULD et al., 1990 apud CHANDRA & RUSTGI, 1998b).
As investigações sobre uma possível degradação enzimática do PEBD da
mistura polimérica com amido modificado são recentes e seus resultados não são
conclusivos, mostrando apenas uma tentativa de se obter um modelo do mecanismo de
biodegradação para este tipo de mistura (PSOMIADOU et al., 1997). Na Figura 6 é
apresentada uma proposição para o mecanismo de biodegradação da mistura
PEBD/amido (ARVANITOYANNIS et al.,1998).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
25
CH3COOH
CoASH
CH2 CH2 CH2 C O OH
OH
CH CH CH2
CH2 CH2 CH2
CH2 CH CH2
O
CH2 CH CH CH2 C CH2 C
O
OH
H2O2
CH2 CH CH CH CH CH2 CH3)
(A)(B)
CH2 C C CH CH2 CH2CH2
OH
CH2 CH CH CH2 CH
OH
CH2CH2
OH
H2O
CH2 CH
OH
CH2 C
O
SCoA
CH2 C CH2
O
C
O
SCoACH2 CH CH C
O
SCoA
CoASH
CH2 CH CH C
O
OHCH3 C
O
SCoA
Ciclo do Ácido Cítrico
Figura 6. Mecanismo de biodegradação da mistura PEBD/amido (A) via oxidação
tanto da cadeia principal como dos grupos terminais; (B) via oxidação exclusivamente
das cadeias terminais (LENZ, 1993; ALBERTSSON & KARLSSON, 1995 ).
1.6. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DA BIODEGRADAÇÃO
Segundo a “American Society of Testing and Materials” (ASTM, 1982),
polímero biodegradável é por definição “aquele em que sua degradação resulta da
ação natural de microrganismos, tais como bactérias, fungos ou algas”. Para este tipo
de avaliação, é preciso que se considere como medir a biodegradação do plástico, em
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
26
que meio ambiente esse será testado, a simplicidade e qualidade do teste e sua
aceitação. A ASTM vem desenvolvendo normas para testes de biodegradação de
plásticos utilizando inóculos de lodo ativado e de lodo proveniente de digestor
anaeróbio, em condições de bancada (SWIFT, 1993). Há estudos sobre a
biodegradação de plásticos que utilizam culturas isoladas, a partir de seu
enriquecimento utilizando o próprio poluente. No entanto, a utilização de culturas
mistas em processos de biodegradação propicia uma resposta mais rápida
(CHRISTOPHER, HOLZER, HUBBARD, 1992).
Diferentes técnicas existem para avaliar a suscetibilidade degradativa de um
material polimérico. Estas técnicas monitoram mudanças físicas, químicas ou
mecânicas ocorridas em períodos de processamento, uso e manipulação do polímero.
Técnicas de caracterização que não alteram a estrutura do polímero são
freqüentemente preferidas uma vez que elas limitam o número de espécies requeridas.
(KARLSSON & ALBERTSSON, 1995).
A microscopia eletrônica de varredura (SEM) serve para observar as
superfícies dos filmes poliméricos antes e após o teste de biodegradação. Assim, pode-
se verificar a existência de possíveis fraturas provocadas nos polímeros durante a
biodegradação, como conseqüência da perda de suas propriedades mecânicas
(RODRIGUES, 2000).
A viscosimetria é um método que serve para determinação da massa molar dos
filmes poliméricos e tem como vantagem apresentar baixo custo e aparelhagem
simples. Este método fornece apenas um valor médio da massa molar viscosimétrica
(Mv), porém é largamente utilizado pelos pesquisadores (GIROIS et al., 1996; FANN
et al., 1996).
O processo de biodegradação e a avaliação dos sistemas que envolvem filmes
poliméricos necessitam ainda de muitos estudos para que se tenha um melhor
desempenho de seu controle operacional.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
27
1.6.1. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA DE FOURIER – FTIR
Vários pesquisadores utilizam análise de espectroscopia no infravermelho com
transformada de Fourier para caracterização da degradação de materiais poliméricos
(CHANDRA & RUSTGI, 1996a; FECHINE, 1998; SANTOS, 2000; ORHAN &
BUYUKGUNGOR, 2000).
SANTOS (2000) utilizou o FTIR no reprocessamento do PEBD através do uso
de um pró-oxidante. ORHAN & BUYUKGUNGOR (2000) estudaram a
biodegradabilidade controlada de PEBD em meio sólido através do FTIR.
Modificações na estrutura química do polímero com a formação de grupos
funcionais específicos podem ser qualificadas e quantificadas por espectroscopia no
infravermelho com transformada de Fourier (GUERRICA et al., 1996; GIROIS et al.,
1996). Os principais grupos químicos resultantes da degradação ocorrida em
poliolefínas, por exemplo, a carbonila, é observada facilmente nas áreas de
absorbância com pico correspondente entre 1700cm-1 - 1800cm-1, e os hidroperóxidos
em 3300cm-1 - 3600 cm-1 (RABELLO & WHITE, 1997). A quantificação mais
utilizada é chamada de Índice de Carbonila (IC), a qual é feita através da razão entre
as áreas do pico referente ao grupo carbonila e de um outro pico de referência, sendo
que este último não deve ser afetado pela degradação (RABELLO & WHITE, 1997).
Um outro grupo químico detectado por FTIR para definir o nível de degradação
ocorrida em polímeros é o grupo vinil terminal (a 910 cm-1), que ocorre comumente no
polietileno (SÁNCHEZ & ESTRADA, 1996).
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
28
1.6.2. CALORIMETRIA DIFERENCIAL EXPLORATÓRIA - DSC
A análise térmica de polímeros tem sido cada vez mais utilizada como
instrumento de caracterização destes materiais. Pode ser definida como um conjunto
de técnicas que permitem medir as mudanças de uma propriedade física ou química de
uma substância ou material, em função da temperatura (SANTOS, 2000).
A caracterização térmica por calorimetria diferencial exploratória (DSC) tem
como principal vantagem a utilização de um equipamento de fácil manuseio e que
necessita de pouca quantidade de material para efetuar a análise (4 mg – 20 mg). O
resultado da análise do DSC fornece informações a respeito de mudanças
morfológicas, cisões moleculares ou reticulações ocorridas no polímero durante a
biodegradação, as quais terão um reflexo direto sobre as propriedades térmicas do
mesmo, sendo de fundamental importância o monitoramento destas propriedades
durante o período de biodegradação (FECHINE, 1998).
FECHINE (1998) utilizou o método do DSC para caracterizar a
fotodegradação de termoplásticos. CHANDRA & RUSTGI (1996 a) trabalharam com
o DSC para constatação da biodegradação do polietileno linear de baixa
densidade/amido contendo o anidrido maléico, através da determinação do grau de
cristalinidade das amostras estudadas.
1.6.3. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ –- MFI
Aumentos ou diminuições na massa molar podem ser detectados através da
medida do índice de fluidez (FECHINE, 1998; SANTOS, 2000). Os valores de MFI
variam de polímero para polímero. Caso as cisões de cadeia predominem, ocorre um
aumento, caso haja reticulação, há uma diminuição nos valores de MFI (WHELAN,
1999).
Alguns pesquisadores utilizam este método pelo fato de ser rápido e simples,
além de fornecer dados que estão diretamente relacionados à massa molar do
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
29
polímero. (SANCHEZ et al., 1997). O MFI também favorece o conhecimento do
comportamento do polímero durante o processamento, devido à existência de uma
força cisalhante durante a análise.
1.6.4. ENSAIOS MECÂNICOS
Os testes mecânicos são sensíveis a mudanças de algumas características
físicas dos polímeros devido à degradação, tais como: fissuramento, concentração de
moléculas atadoras, tamanho de cristais, etc, não necessariamente fornecendo dados
que elucidem a degradação a nível químico (WHELAN, 1999).
Muitos são os pesquisadores que utilizam esta ferramenta para acompanhar a
degradação de polímeros como determinação da resistência à tração (RT) e
alongamento na ruptura (εmax) (GUERRICA et al., 1996; FANN et al., 1996;
CHANDRA & RUSTGI 1996 a; BIKIARIS et al., 1997; XINGZHOU, 1997;
ARVANITOYANNIS et al., 1998; BALDEV et al., 2000; ROSA, FRANCO &
CALIL 2001) compararam as propriedades mecânicas dos corpos poliméricos
PEBDL/Amido, PEBDL/Amido contendo anidrido maleico, PEBDL/Amido de milho
contendo etileno e anidrido maleico e novas misturas poliméricas com diferentes
teores de amido contendo Policaprolactona (PCL), Polihidroxibutirato (PHB) e um
copolímero Poli (hidroxibutirato-co-valerato) (PHBV). Os resultados dos testes
mecânicos mostraram que adição do amido faz com que ocorra um decréscimo do
módulo da tensão de ruptura e na percentagem de alongamento. Os melhores
resultados foram obtidos em misturas contendo uma faixa de 20 a 30% de amido e os
piores foram abaixo de 10%. Para o PCL ocorreu uma redução de 14%, para o PHB de
69% e PHBV de 44% nas propriedades mecânicas com a incorporação de 25% em
massa de amido. Para as misturas com 50% em massa, o amido provocou uma redução
mais severa em 35%, no caso do PCL e 60% no PHBV quando comparados com os
valores da propriedade dos materiais puros. Não foi conseguida a preparação dos
corpos de prova dos ensaios mecânicos para as misturas de PHB com mais de 50% de
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
30
amido, provavelmente porque neste teor de amido ocorre uma forte incompatibilidade
entre este material e o PHB. Uma justificativa para a perda da propriedade mecânica é,
provavelmente é devido a pouca miscibilidade do amido com os polímeros estudados.
Num teste de tensão, uma amostra de material plástico é submetida à tração
sob uma taxa controlada, no sentido paralelo ao eixo longitudinal do corpo de prova.
Quando o corpo de prova é submetido a um esforço de tração o mesmo sofre um
encolhimento em ambas as direções perpendiculares ao eixo longitudinal. Os corpos
de prova podem ser cortados mediante uma guilhotina afiada, uma lâmina, ou
usinados a partir de uma peça extrudada. O método de preparação deve permitir a
fabricação de uma amostra de cantos lisos e sem entalhes. Amostras com entalhes
podem produzir resultados errôneos devido ao fato de que a tensão será concentrada
no entalhe. Quando possível, as extremidades da peça de teste devem ser executadas
com dimensões maiores, para considerar a parte mais larga durante o teste sem
prejudicar o corpo de prova. A máquina de teste estica a amostra, de modo que as
extremidades se afastam numa velocidade constante, que pode ser escolhida dentro
das faixas de velocidades disponíveis na máquina. Enquanto a amostra está sendo
esticada, a máquina também indica e normalmente memoriza a carga aplicada na
prova (WHELAN, 1999).
Os fatores que podem influenciar as propriedades mecânicas de um polímero
são aumento da velocidade de teste ou a diminuição da temperatura de teste, que em
geral, aumenta a tensão e o módulo de elasticidade, porém diminui a elongação à
quebra. Em alguns casos a mudança é drástica, e amostras que cedem, quando puxadas
lentamente, se tornam quebradiças, quando puxadas numa velocidade maior. As
mesmas mudanças diminuem a tenacidade ou a resistência ao impacto do material
(WHELAN, 1999).
A resistência à tração é a tensão máxima que um material suporta quando
submetido à tensão (WHELAN, 1999). A extensão de deformação na peça, durante
um teste de tensão, é quantificada pelo alongamento. O alongamento indica a alteração
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
31
dimensional em relação à dimensão original. Neste caso, o alongamento é a alteração
do comprimento dividido pelo comprimento original sem estiramento.
O resultado do ensaio mecânico é apresentado como uma curva da carga versus
extensão em intervalos regulares de alongamento (WHELAN, 1999). Na ruptura da
amostra, o sistema de monitoramento memoriza o valor de alongamento neste instante.
MATERIAIS E MÉTODOS
32
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. MICRORGANISMOS
Foi utilizada uma linhagem da espécie Phanerochaete chrysosporium
proveniente de coleção de cultura da Universidade Federal do Rio de Janeiro, uma
linhagem selvagem da espécie Talaromyces wortmannii isolada do solo do Aterro da
Muribeca (Jaboatão dos Guararapes - PE) e uma linhagem da bactéria Zoogloea sp.
isolada na Estação Experimental de Cana de Açúcar/Divisão de Indústria/UFRPE. A
identificação da bactéria foi realizada no Departamento de Antibióticos da
Universidade Federal de Pernambuco.
Para identificação do Talaromyces wortmannii foram realizadas observações
macroscópicas e microscópicas no laboratório de Microbiologia Ambiental do
Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de Pernambuco. As
provas bioquímicas foram conduzidas no Departamento de Micologia da Universidade
Federal de Pernambuco.
2.2. MANUTENÇÃO DAS CULTURAS DE FUNGOS
As linhagens de fungos foram mantidas em meio Sabouraud - Ágar com a
composição apresentada na Tabela 1.
Tabela 1. Composição do meio Sabouraud-Ágar (PELCZAR et al., 1996)
Meio Sabouraud-Ágar
Peptona - 10g/L
Glicose - 40g/L
NaCl-7,5g/L
Extrato de carne - 3,5g/l
Ágar-12g/L
Água destilada – 1000mL
MATERIAIS E MÉTODOS
33
A esterilização foi a 110°C por 20 min e o pH foi ajustado para 4,5. Após o
crescimento a 30°C por 7 dias, as linhagens foram estocadas a uma temperatura de
5oC. Os repiques foram realizados mensalmente.
2.3. MANUTENÇÃO DA CULTURA DA BACTÉRIA Zoogloea sp.
A linhagem do gênero Zoogloea foi mantida em meio de cultura com a
composição mostrada Tabela 2.
Tabela 2. Composição do meio de cultura (PATERSSON -BEEDLE et al.,1999).
Meio de Cultura
Glicose (20,0 g/L)
Extrato de carne (5,0 g/L)
Peptona (3,0 g/L)
Ágar (15,0 g/L)
Água bidestilada (1000mL)
O pH do meio foi ajustado para 6,8 e a esterilização foi a 120°C por 20 min.
2.4. PREPARAÇÃO DA SUSPENSÃO DE ESPOROS
As culturas foram manipuladas com alça de transplante e os esporos foram
introduzidos em tubos de ensaio contendo 10mL de solução de Tween 80 esterilizada
a 0,01%. Os esporos foram contados em câmara de Neubauer e as suspensões
ajustadas para 106 esporos/mL.
MATERIAIS E MÉTODOS
34
2.5. PREPARAÇÂO DOS FILMES POLIMÉRICOS
2.5.1. BIOPOLÍMERO
O biopolímero foi obtido através da fermentação de mosto de melaço,
utilizando-se Zoogloea sp.
O meio de melaço para obtenção do biopolímero foi ajustado a 15° Brix e pH
5. Em seguida foi autoclavado durante 15 minutos a 120°C. Após o resfriamento, o
mosto foi inoculado com a cultura do gênero Zoogolea sp. em erlenmeyers contendo
100 mL de meio e mantidos sem agitação à temperatura ambiente. Utilizou-se como
inóculo 10% em volume de um cultivo crescido à temperatura ambiente por 72 horas.
As películas do biopolímero formadas nos erlenmeyers foram removidas após
15 dias de fermentação. Para sua secagem, foi utilizada uma estufa a 56° C durante 24
horas. Posteriormente foram esterilizadas a 120 °C por 20 min.
O biopolímero foi caracterizado pela metodologia descrita por PATERSON-
BEEDLE et al. (1999) e é constituído de glicose (87%), xilose (8,6%), manose (0,8%),
ribose (1,7%), galactose (0,1%), arabinose (0,4%), e ácido galacturônico (0,89%).
2.5.2. PEBD E MISTURA PEBD/AMIDO.
Neste trabalho foram utilizados filmes de PEBD e mistura de PEBD/amido na
proporção de 80%/20% (m/m).
O amido empregado foi da marca Vetec com densidade aparente igual a 0,483
g/mL. O PEBD utilizado como matriz foi o polietileno de baixa densidade do tipo FC-
31D, fornecido pela Politeno (Camaçari – BA). Este “grade” comercial é aditivado
com agente de processamento, antibloqueio, antioxidante e deslizante. As
propriedades físico-mecânicas estão descritas na Tabela 3, conforme catálogo
fornecido pela Politeno.
MATERIAIS E MÉTODOS
35
Tabela 3. Propriedades físico-mecânicas do Polietileno- PEBD FC-31 D.
Propriedades Método ASTM Valor Unidade
MFI (2,16 kg/190°C) D 1238 0,75 g/10 min
Temperatura de Fragilidade D 746 - 68 °C
Ponto de amolecimento Vicat D 1525 105 °C
Resistência à tração D 638 26 MPa
Alongamento na Ruptura D 638 750 %
Neste trabalho foram misturados por fusão na câmara de mistura do reômetro
modelo HAAKE 90 o PEBD puro e a mistura de polietileno/amido na proporção de
80% e 20% (m/m) nas seguintes condições:
• Temperatura de controle: 140º C
• Torque máximo: 50 Nm
• Velocidade de rotor: 50 rpm
• Tempo total de mistura: 10 min.
As resinas de PEBD (puro) e da mistura de PEBD/amido processadas no reômetro
foram trituradas no triturador do tipo eixo motor. A resina triturada de PEBD/amido
foi então colocada durante 1 hora em estufa a 100ºC, para diminuição da umidade. A
seguir foram prensadas em uma prensa hidráulica sob as seguintes condições:
• Força: 5 ton
• Tempo de Prensagem: 1 min
• Temperatura do prato inferior: 130º C
• Temperatura do prato superior: 130ºC
• Molde: quadrado vazado de área aproximadamente 400 cm2
A resina triturada de PEBD/amido foi colocada durante 1 hora dentro de uma
estufa a 100ºC, para diminuição da umidade.
MATERIAIS E MÉTODOS
36
2.6. TESTE DA ATIVIDADE BIODEGRADADORA EM FILMES
POLIMÉRICOS.
Os microrganismos isolados foram testados quanto à sua capacidade em
biodegradar filmes poliméricos segundo a metodologia desenvolvida por LEE et
al.(1991), consistindo nas seguintes etapas:
1. Padronização: os corpos de prova tiveram dimensões de 7,62cm de
comprimento e 2,54cm de largura, com espessura de 0,06 cm;
2. As amostras foram colocadas em um recipiente estéril contendo 980 mL de
água bidestilada, 14 mL de Tween 80 (polioxietileno) e 20 mL de hipoclorito
de sódio a 5% durante uma hora. Após esta etapa foi feita a transferência das
amostras para um recipiente estéril com solução de etanol a 70% durante 30
minutos. As amostras já desinfetadas foram transferidas para placas de Petri
previamente esterilizadas e colocadas em dessecador por 72 horas;
3. As amostras secas foram pesadas em balança analítica e transferidas para o
meio específico (Sabouraud líquido);
4. Inoculação e incubação das suspensões de esporos em erlenmeyer com 100 mL
de Sabouraud líquido contendo as amostras a serem estudadas PEBD,
PEBD/amido e biopolímero. As suspensões foram mantidas sob agitação (200
rpm) em agitador rotativo G25- Superhomn a 30 °C por períodos variáveis de
7, 14, 21 e 30 dias. Os filmes foram avaliados em triplicata.
5. Após o período de incubação os filmes foram submetidos a lavagem em etanol
(70%) por 30 min., sendo secos para posterior avaliação da biodegradabilidade
por perda de massa, espectroscopia no infravermelho com transformada de
Fourier – FTIR, calorimetria diferencial exploratória (DSC), medida do índice
de fluidez (MFI) e ensaios mecânicos.
MATERIAIS E MÉTODOS
37
2.6.1. VARIAÇÃO DE MASSA
Antes da inoculação e após, por períodos variáveis, as amostras foram pesadas
nas placas de Petri em balança analítica modelo AND (HR-120). Para o cálculo do
percentual de perda de massa, foi utilizada a Equação 1:
100% XMi
MfMiMt
−=
)01(Eq
Sendo:
=Mt% Diferença percentual do peso
=Mi Peso inicial do filme.
=Mf Peso final do filme.
2.6.2. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA DE FOURIER – FTIR
Os filmes de PEBD puro e PEBD/amido, antes e após a inoculação das
culturas, foram analisados diretamente sem que houvesse nenhum tipo de preparação,
as amostras apenas foram desinfetadas conforme o item 2.6. As análises foram feitas
em Espectrofotômetro AVATAR 360 de marca NICOLET, numa faixa de 400 cm-1 a
4000 cm-1 com resolução de 2 cm-1.
Para o cálculo do índice de carbonila – IC do polietileno puro e do PEBD/
amido, utilizou-se como referência à área de absorbância correspondente ao pico de
2030 cm-1. No caso do polietileno puro, mais especificamente, forma-se também o
grupo vinil terminal (área de absorbância correspondente ao pico de 910 cm-1). Para
quantificar a evolução dos grupos vinis terminais, foi utilizado o índice de vinila – IV.
IC = área de absorbância correspondente ao pico de 1720 cm-1/ área de absorbância
correspondente ao pico de 2030 cm-1
IV = área de absorbância correspondente ao pico de 910 cm-1/ área de absorbância
correspondente ao pico de 2030 cm-1
MATERIAIS E MÉTODOS
38
2.6.3. CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL - DSC
Os filmes de PEDB, PEBD/amido 80%/20%(m/m) e o biopolímero, antes e
após o teste de biodegradação, foram comparados por calorimetria diferencial
exploratória (DSC) para determinação das suas propriedades térmicas.
As amostras de PEBD, PEBD/amido e a biomembrana, pesando entre 5 mg –
20 mg, foram cortadas e colocadas no porta-amostra de alumínio do aparelho de DSC-
50 da marca Shimadzu. No método de fusão/cristalização/fusão utilizou-se ar
ambiente, com razão de aquecimento de 10°C/min até 180°C. A temperatura de
equilíbrio foi de 50°C o resfriamento a 10°C/min até 50°C e a isoterma de 1 min a
50°C.
2.6.4. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ
O teste do índice de fluidez foi realizado em um Plastômetro DSM, sob
condições controladas (temperatura de 190°C ± 0,2°C e peso de 2,16 kg) seguindo a
ASTM D 1238 – 82. Todos os ensaios foram realizados após um tempo fixo de um
minuto para pré-aquecimento. Esta padronização foi necessária para evitar flutuações
de decomposição térmica nas amostras.
2.6.5. ENSAIOS MECÂNICOS
Os ensaios mecânicos foram conduzidos em máquina universal de ensaio da
marca INSTRON modelo 4464 seguindo a norma ISO 37, nas seguintes condições:
• Temperatura de 25°C
• Umidade relativa do ar de 50%
• Velocidade entre as garras: 500 mm/min
• Distância entre as garras: 75 mm.
A partir desta análise determinou-se a resistência à ruptura, alongamento e
módulo de elasticidade.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
39
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos nos experimentos com os filmes estudados serão
discutidos neste capítulo, através dos aspectos macroscópicos, das análises de variação
de massa, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier – FTIR,
calorimetria diferencial exploratória (DSC), medida do índice de fluidez (MFI) e
propriedades mecânicas (resistência à tração e alongamento).
As amostras foram analisadas em triplicata, tendo sido empregado o teste t de
Student para avaliar diferenças estatisticamente significativas nas suas propriedades
(MILLER & MILLER, 1984).
3.1. ASPECTOS MACROSCÓPICOS DA DEGRADAÇÃO DA AMOSTRA DO
BIOPOLÍMERO
A Figura 7 mostra uma seqüência da biodegradação da amostra do
biopolímero, onde foi possível verificar que após um período de 14 dias ocorreu uma
biodegradação total da amostra inoculada com a espécie Talaromyces wortmannii.
Com a espécie Phanerochaete chrysosporium, observou-se a biodegradação total do
biopolímero após o período de 7 dias, não sendo possível desta forma, executar a
análise de perda de massa. Neste caso, observou-se uma maior habilidade deste fungo
em biodegradar o biopolímero. Isto provavelmente ocorreu porque o microrganismo
apresentou um complexo enzimático mais atuante. Não foram encontrados na
literatura dados com relação a biodegradação de biopolímeros pelos fungos estudados.
O aspecto macroscópico da espécie Phanerochaete chrysosporium em
filmes de PEBD após 14 dias de incubação pode ser observado na Figura 8. É possível
visualizar por esta figura o aspecto de cogumelo (típico de basidiomiceto),
apresentado pelo fungo estudado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
40
Amostra antes da inoculação Amostra após 7 dias Amostra após 14 dias
Amostra após 21 dias Amostra após 30 dias
Figura 7. Seqüência da biodegradação do biopolímero inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii.
Figura 8. Aspectos macroscópicos do fungo Phanerochaete chrysosporium crescido em filmes de PEBD puro após 14 dias de incubação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
41
3.2. ANÁLISES DE VARIAÇÃO DE MASSA
Os filmes constituídos de PEBD puro e da mistura de PEBD/amido sofreram
alterações significativas em suas massas após 30 dias de incubação com o fungo
Talaromyces wortmannii (MILLER & MILLER, 1984). Com o fungo Phanerochaete
chrysosporium ocorreu uma degradação estatisticamente significativa em torno de
95% de confiança, após sete dias. Os resultados do percentual das perdas de massa das
amostras podem ser observados nas Figuras 9 e 10.
Para a mistura PEBD/amido, a perda de massa pode ser atribuída
inicialmente à remoção e degradação do amido, e em segundo lugar à degradação
gradual e lenta do PEBD. Estes resultados são concordantes com o trabalho de
ARVANITOYANNIS et al. (1998). De acordo com os autores, a degradação de
misturas PEBD/amido está relacionada à acessibilidade dos microrganismos ao amido.
Embora vários fatores influenciem na capacidade do microrganismo em atacar o
amido, como o número, mobilidade e taxa de reprodução, em geral a cinética de
degradação da mistura obedece a três fases: 1- as cadeias amorfas do amido,
facilmente acessíveis aos microrganismos, normalmente estão localizadas próximas à
superfície. A penetração dos microrganismos para o interior da mistura PEBD/amido
pode ser explicada pela teoria da percolação; 2- invasão dos microrganismos,
persistindo ainda cadeias de amido que não sofreram o ataque dos mesmos; 3- a
degradação aproxima-se do estágio final, diminuindo a quantidade de microrganismos
devido à escassez de nutrientes. Uma grande área superficial gerada pela remoção do
amido a partir da mistura aumenta o processo de degradação química, que por sua vez
favorece a biodegradação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
42
0.0009
0.01
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
Var
iaçã
o de
Mas
sa
(%M
)
PEBD puro PEBD/amido
Figura 9. Variação média da massa para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii e incubados durante o período de 30 dias.
0,0067 0,0069
0,0046
0,015
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
Var
iaçã
o de
Mas
sa (
%M
)
PEBD puro PEBD/amido
7 dias
14 dias
Figura 10. Variação média da massa para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium e incubados durante o período de 7 e 14 dias.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
43
0,005
0,0150,017
0,023
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
Var
iaçã
o de
mas
sa (
%M
)
7 14 21 30
Tempo (dias)
Figura 11. Variação média da massa para os filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium e incubados durante o período de 30 dias.
Na Figura 11, está apresentada a variação da massa dos filmes de
PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium ao longo de 30
dias, onde se observa que os filmes estudados sofreram uma biodegradação gradativa
durante o tempo de exposição. Analisando ainda esta figura, pode-se sugerir que o
consumo do substrato está associado ao metabolismo do fungo, o que pode ser
estimado pela perda de massa. O mesmo foi observado por MANZUR et al. (1997)
que estudaram o crescimento da espécie Phanerochaete chrysosporium em mistura de
PEBD/bagaço de cana. Neste trabalho a perda de massa foi atribuída ao consumo do
bagaço de cana pelo microrganismo. Da mesma forma, podemos sugerir que a perda
de massa, atingida nos experimentos com PEBD/amido foi devido ao consumo do
amido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
44
0,023
0,01
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
Var
iaçã
o de
mas
sa (
%M
)
Phanerochaetechrysosporium
Talaromyceswortmannii
Figura 12. Variação média da massa para os filmes de PEBD/amido inoculados com os fungos Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium, incubados durante o período de 30 dias.
Fazendo-se uma comparação da variação da massa das amostras de
PEBD/amido incubadas durante um período de 30 dias com o fungo Talaromyces
wortmannii e com o fungo Phanerochaete chrysosporium, apresentada na Figura 12,
foi possível concluir que a variação de massa sofrida nas amostras inoculadas com o
fungo Phanerochaete chrysosporium corresponde a cerca de duas vezes valor obtido
pelo fungo Talaromyces wortmannii. Sugerindo a maior habilidade para a
biodegradação pelo fungo Phanerochaete chrysosporium.
3.3. ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA
DE FOURIER – FTIR
Os espectros de infravermelho para os filmes em estudo foram obtidos numa
região de 200 cm-1 a 4000 cm-1. As principais bandas de absorção características do
polietileno e do amido estão apresentadas na Tabela 4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
45
Tabela 4: Principais bandas do polietileno e do amido no infravermelho.
Componente Número de onda (cm-1) Atribuições
PEBD
2896 (F)
1466,1455 (m-F)
1378,1369,1353 (f)
724
772
Estiramento C-H
Estiramento assimétrico do CH2
C-H devido ao CH2 e CH3
Rotação CH2
-CH2-CH3 do grupo etil ligado à cadeia principal
AMIDO
3000-3650 (F, l)
2926 (F)
1640 (f-m)
1461 (m, e)
1445-1325 (m-F)
1244 (m-F)
400-930 (f-m, e)
Estiramento O-H com absorção de água
Estiramento C-H
Estiramento O-H (água absorvida)
CH2
C-H
Estiramento C-O (C-O-C e C-O-H)
Deformação O-H, vibração do anel C-O-C
F-Forte; m-média; f-fraca; l-larga; e-estreita.
O processo degradativo em mistura de PEBD/amido na presença de fungos
pode provocar o aparecimento de uma variedade de compostos carbonilados, incluindo
ésteres, aldeídos e ácidos carboxílicos (1650 cm-1 – 1860 cm-1). O aparecimento destes
grupos é indicativo da formação de vários produtos de oxidação durante a
biodegradação do filme. Pode também ser observada a presença de álcoois primários e
secundários pelo aumento da intensidade de absorção entre 900 cm-1 – 1200 cm-1. Os
resultados obtidos, apresentados na Figura 13, confirmam em parte os trabalhos
realizados por ORHAN & BUYUKGUNGOR (2000) e WEILAND et al. (1995). Os
autores estudaram a degradação de misturas PEBD/amido em solos inoculados com a
espécie Phanerochaete chrysosporium. Neste trabalho os pesquisadores observaram
um aumento da absorção na faixa de 900 cm-1 - 1200 cm-1 que foi correlacionado ao
aparecimento de álcoois. Os espectros de FTIR para a mistura de PEBD/amido, deste
RESULTADOS E DISCUSSÃO
46
trabalho não permitiram a observação de bandas correspondentes aos álcoois (Figura
14).
2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0
0
2
4
6
8
P E B D 3 0 d i a s
T a l a r o m y c e s w o r t m a n n i i
Ab
so
rb
ân
ci
a
N ú m e r o s d e o n d a ( c m- 1
)
Figura 13. Espectro do PEBD puro inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubado por 30 dias.
2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0
0
2
4
6
8
P E B D / A m i d o 3 0 d i a s
T a l a r o m y c e s w o r t m a n n i i
Ab
so
rb
ân
ci
a
N ú m e r o s d e o n d a ( c m- 1
)
1720 cm-1
2030 cm -1
2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0
0
2
4
6
8
P E B D / A m i d o 3 0 d i a s
T a l a r o m y c e s w o r t m a n n i i
Ab
so
rb
ân
ci
a
N ú m e r o s d e o n d a ( c m- 1
)
1720 cm-1
2030 cm -1
Figura 14. Espectro do PEBD/amido inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii e incubado por 30 dias.
2030 cm-1
1720 cm-1 910 cm-1
RESULTADOS E DISCUSSÃO
47
Para a avaliação das modificações químicas do PEBD puro e do PEBD/amido,
determinou-se o índice de carbonila (IC) e o índice de vinila (IV), conforme os
resultados apresentados nas Tabelas 5, 6, 7, e 8.
A presença do grupo carbonila e vinila antes do período de incubação pode ser
atribuída a uma possível degradação do PEBD durante o processamento no HAAKE.
Tabela 5. Resultados dos índices de carbonila e vinila nos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias)
Carbonila (1720 cm-1)
Vínila (910 cm-1)
Referência (2030 cm-1)
IC IV
0 0,367 0,673 0,605 0,607 1,112
7 1,211 1,584 1,503 0,805 1,054
14 0,435 0,832 0,736 0,600 1,130
21 0,425 0,891 0,719 0,600 1,139
30 0,401 0,780 0,699 0,573 1,110
Tabela 6. Resultados dos índices de carbonila dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias) Carbonila
(1720 cm-1) Referência (2030 cm-1)
IC
0 1,959 1,476 1,327
7 1,388 1,121 1,238
14 2,160 1,660 1,301
21 1,809 1,428 1,267
30 1,829 1,443 1,267
Tabela 7. Resultados dos índices de carbonila e vinila dos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
Tempo (dias) Carbonila (1720 cm-1)
Vinila (910 cm-1)
Referência (2030 cm-1)
IC IV
0 dias 0,367 0,673 0,605 0,607 1,112
7 dias 0,503 0,841 0,788 0,638 1,067
RESULTADOS E DISCUSSÃO
48
Tabela 8. Resultados do índice de carbonila dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
Tempo (dias) Carbonila
(1720 cm-1) Referência (2030 cm-1) IC
0 1,959 1,476 1,327
7 1,136 0,734 1,547
A interpretação do teor de vinila das amostras de PEBD/amido inoculadas com
o fungo Talaromyces wortmannii e também com o fungo Phanerochaete
chrysosporium foram dificultadas, pois, não foi possível encontrar uma resolução
nítida da banda de absorbância correspondente a este grupo nestas amostras. Na
análise dos resultados obtidos pelo FTIR, não ocorreu nenhuma mudança significativa
nas propriedades químicas (IC e IV) das amostras do PEBD puro e do PEBD/amido
inoculadas com as espécies Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium.
Alguns fatores que podem ter contribuído para a não variação das propriedades
químicas, foram o curto período de exposição das amostras ao fungo e a ausência de
um número elevado de reações foto-oxidativas as quais são geradoras de grupos como
carbonilas e vinilas entre outros.
3.4. CALORIMETRIA DIFERENCIAL EXPLORATÓRIA - DSC
O amido é um composto que, dependendo da temperatura e do tempo de
aquecimento, pode começar a se degradar termicamente, adquirindo uma coloração
amarelada (RODRIGUES, 2000). Isto ocorreu neste trabalho com as misturas de
PEBD/amido durante a produção dos filmes.
Utilizou-se o DSC a fim de correlacionar as mudanças físicas ocorridas nas
amostras poliméricas de PEBD, PEBD/amido e do biopolímero durante o período de
incubação. Os termogramas obtidos mostram a influência do tempo de exposição dos
filmes ao fungo Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium nas
amostras de PEBD puro, PEBD/amido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
49
A Figura 15 indica que o biopolímero apresenta apenas uma temperatura de
fusão cristalina bem definida Tm1 em torno de 118°C antes da inoculação.
As análises de DSC do biopolímero realizadas após o período de 1 e 2 semanas
de incubação com as espécies Talaromyces wortmannii e Phanerochaete
chrysosporium não apresentaram nenhum ponto de fusão cristalina. O não
aparecimento da Tm1 após o período, deveu-se possivelmente, à remoção de toda
camada polimérica existente na amostra.
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
BIOPOLÍMERO
Flu
xo d
e ca
lor
cal/g
Temperatura (°C)
Figura 15. Termograma do biopolímero antes da inoculação.
A Figura 16 mostra que o PEBD puro apresenta apenas uma temperatura de
fusão cristalina bem definida, Tm1, em torno de 122°C. Os resultados da análise do
DSC dos filmes de PEBD puro incubados com o fungo Talaromyces wortmannii até
30 dias e também com o fungo Phanerochaete chrysosporium até 7 dias (Tm1 = 122,8°
C) indicam que não houve nenhuma mudança significativa nas propriedades físicas ao
longo de todo o período, isto é Tm permaneceu constante.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
50
O fato de não ter ocorrido no período de incubação nenhuma modificação dos
valores de Tm nas amostras de PEBD puro, possivelmente deve estar relacionado à
ausência de oxigênio na região cristalina do polímero, o qual é necessário para que a
biodegradação ocorra de forma eficaz.
40 60 80 100 120 140-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
PEBD 100%
Flu
xo d
e ca
lor
cal/g
Temperature (°C)
Figura 16. Termograma do PEBD puro inoculado com o fungo Talaromyces wortmannii, após30 dias de incubação.
A Figura 17 mostra que adição do amido provocou o surgimento de uma
segunda temperatura de fusão cristalina na mistura PEBD/amido, Tm2 em torno de
126°C, a qual por sua vez confirma a presença de novos cristais bem definidos, com
ligações covalentes com o PEBD puro, que se funde a uma temperatura maior do que
Tm1. A formação destes novos cristais na mistura PEBD/amido confirmou também a
presença do amido como um agente nucleante.
Os resultados da análise do DSC dos filmes da mistura PEBD/amido
inoculados com a espécie Talaromyces wortmannii por 30 dias e também com a
espécie Phanerochaete chrysosporium por 7 dias (Tm1=121,6°C, Tm2 = 126,9°)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
51
indicaram que não houve nenhuma mudança significativa na temperatura de fusão
cristalina ao longo de todo o período de inoculação, isto é, Tm permaneceu constante,
tanto para a primeira fusão (Tm1), quanto para a segunda fusão (Tm2).
40 60 80 100 120 140 160
16
14
12
10
8
6
4
2
0
PEBD/Amido (80/20)%
Flu
xo d
e ca
lor
cal/g
Temperatura °C
Figura 17. Termograma do PEBD/amido inoculado com o fungo Talaromyces
wortmannii, após30 dias de
Quanto à morfologia, de acordo com as Tabelas 9 e 10, observou-se um
aumento no calor de fusão dos filmes PEBD/amido após a inoculação. Durante o
processo de biodegradação, geralmente a fração amorfa do material é exposta ao
ataque do microrganismo, favorecendo ao aumento do calor de fusão indicando um
aumento do grau de cristalinidade das misturas PEBD/amido. De acordo com os dados
da Tabela 10, os valores do calor de fusão têm uma tendência a diminuir após 14 dias
de exposição ao fungo, embora permaneça maior que o valor obtido para o filme
controle (0 dia ). Este efeito pode ser atribuído pela combinação de dois mecanismos
possíveis. Além do consumo do amido, Talaromyces wortmannii, pode também
consumir o polietileno, principalmente, a sua fase amorfa, que é menos resistente ao
RESULTADOS E DISCUSSÃO
52
ataque enzimático que a fase cristalina. Esta fase amorfa tem 2 componentes: um que
circunda as partículas cristalinas, e outro que define as vizinhanças e separa os blocos
cristalinos em pequenas partes cristalinas. Com o consumo de parte desta fase amorfa
pelo microrganismo, as partículas cristalinas podem ser divididas em partículas de
tamanhos menores. Devido à forma como os filmes foram preparados, é razoável
esperar a incorporação do amido predominantemente na fase amorfa do polietileno,
aumentando a fase amorfa ao redor da região cristalina, ao invés de aumentar a região
amorfa entre os blocos cristalinos. O ataque microbiano é limitado principalmente à
superfície e as partículas próximas à superfície. Então, o valor do calor de fusão
diminui porque o tamanho da partícula diminui. Já para o PEBD não foram observadas
mudanças significativas para o fluxo de calor indicando a não ocorrência de processo
degradativo (MANZUR et al.,1997).
Tabela 9. Resultados dos DSC dos filmes de PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias)
Temperatura°C (Tm1)
Fluxo de calor (cal/g)
0 122,18 14,85
7 121,99 13,24
14 124,76 13,55
21 122,11 13,58
30 123,33 14,26
RESULTADOS E DISCUSSÃO
53
Tabela 10. Resultados do DSC dos filmes de PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias) Temperatura
°C (Tm1) Temperatura
°C (Tm2) Fluxo de calor 1
(cal/g) Fluxo de calor 2
(cal/g)
0 121,39 125,24 9,93 11,75
7 121,20 126,32 12,45 15,22
14 121,43 125,87 14,14 16,12
21 122,82 127,26 13,43 14,37
30 122,78 127,42 13,43 14,34
3.5. MEDIDA DO ÍNDICE DE FLUIDEZ ( MFI )
Na mistura do PEBD puro com o amido ocorreu uma diminuição do MFI em
relação ao PEBD puro, isto é devido a reticulação na cadeia da mistura, que provoca
um aumento significativo da massa molar antes da inoculação, como pode ser visto na
Figura 18. O fato de ter ocorrido um aumento significativo da massa molar da mistura
antes do inóculo possivelmente deve-se à formação de novos cristais reticulados na
região amorfa da mistura durante a extrusão no HAAKE.
No período inicial de incubação, ocorreu um aumento estatisticamente
significativo em torno de 95% de confiança do MFI do PEBD/amido, atribuído a
biodegradação, uma vez que esta geralmente está associada à perda de massa, o que
foi verificado nas análises de comparação de massas (MILLER & MILLER, 1984).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
54
Figura 18. Médias e desvios padrão do índice de fluidez das amostras PEBD puro e PEBD/amido inoculadas com o fungo Talaromyces wortmannii.
A partir de 7 dias e ao longo do processo utilizando-se o fungo Talaromyces
wortmannii, o MFI do PEBD/amido permaneceu sem variações estatisticamente
significativas. Ainda na Figura 18 pode-se observar que não ocorreu nenhuma
mudança estatisticamente significativa nos valores de MFI das amostras de PEBD
puro antes e após a inoculação com o fungo Talaromyces wortmannii. De acordo com
os resultados obtidos, pode-se concluir que o PEBD puro não atingiu estágios de
biodegradação que levassem a mudanças significativas do MFI durante o período
estudado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
55
3.6. ANÁLISES MECÂNICAS
A resistência à tração (RT), o módulo de elasticidade (E) e o alongamento
(åmax) foram as propriedades mecânicas observadas em filmes de PEBD puro e de
PEBD/amido inoculadas com o fungo Talaromyces wortmannii.
A partir da curva tensão/deformação (Figura 19) obteve-se os resultados da
resistência à tração e do alongamento nas amostras com o fungo Talaromyces
wortmannii. A tensão de ruptura diminuiu com a incorporação do amido.
Durante o processo, os filmes de PEBD/amido e do PEBD puro, não sofreram
mudanças estatisticamente significativas em suas propriedades mecânicas (Tabelas 11
e 12). Como a alteração na massa foi pequena, não se produz alteração significativa
nas propriedades mecânicas analisadas. Os resultados reportados representam valores
médios obtidos utilizando-se quatro corpos de prova para cada tipo de amostra.
As curvas típicas de resistência à tração, módulo de elasticidade e alongamento
obtidos durante os ensaios mecânicos para as formulações contendo PEBD puro,
PEBD/amido 80%/20% (m/m) durante todo o período, são apresentadas nas Figuras
20, 21, e 22 respectivamente. A incorporação do amido, de uma maneira geral, reduziu
os valores de resistência à tração e alongamento, quando comparados com os valores
obtidos para o PEBD puro. Fisicamente, a incorporação do amido na matriz de PEBD
enfraquece as forças de London entre as camadas de PEBD diminuindo o
alongamento.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
56
Figura 19. Gráfico de tensão í¾ deformação para os filmes de PEBD puro e PEBD/amido.
Tabela 11. Resultados dos ensaios mecânicos dos filmes de PEDB puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias) Espessura
(mm) (E) Módulo a 300% (MPa)
(RT) Resistência à tração na
ruptura (MPa)
(å) Alongamento na Ruptura (%)
0 0,670 ± 0,049 10,35 ± 0,29 22,48 ± 0,99 771 ± 20
7 0,640 ± 0,064 10,96 ± 0,20 22,0 ± 1,1 761 ± 11
14 0,640 ± 0,040 11,06 ± 0,15 22,46 ± 0,66 655,5 ± 31,5
21 0,590 ± 0,014 12,80 ± 0,42 27,25 ± 0,63 722,5 ± 2,1
30 0,650 ± 0,040 10,80 ± 0,10 21,2 ± 1,0 789,0± 3,1
Alongamento (%)
Ten
são
(MPa
)
Alongamento (%)
Ten
são
(MPa
)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
57
Tabela 12. Resultados dos ensaios mecânicos dos filmes de PEDB/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
Tempo (dias)
Espessura (mm)
(E) Módulo a 300% (MPa)
(RT) Resistência à tração na
ruptura (MPa)
(å)Alongamento na Ruptura (%)
0 0,688 ± 0,037 8,32 ± 0,3 16,86 ± 0,82 732 ± 11
7 0,630 ± 0,110 8,8 ± 0,1 13,60 ± 2,26 705 ± 21
14 0,730 ± 0,076 9,1 ± 0,1 16,06 ± 2,05 698 ± 7
21 0,540 ± 0,080 9,6 ± 0,5 17,56 ± 1,15 711 ± 10
30 0,676 ± 0,064 8,7 ± 0,1 17,00 ± 0,20 698 ± 26
0 5 10 15 20 25 30
6
8
10
12
14
PEBD/Amido
PEBD
Mó
du
lo a
30
0%
Tempo (dias)
Figura 20. Módulo a 300% e seus desvios padrão dos filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
58
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
P E B D
P E B D / A m i d o
Re
si
st
ên
ci
a à
tr
aç
ão
(M
Pa
)
T e m p o ( d i a s )
Figura 21. Resistência à tração na ruptura e seus desvios padrão em função do tempo para os filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
59
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 06 0 0
6 4 0
6 8 0
7 2 0
7 6 0
8 0 0
P E B D
P E B D / A m i d o
Alo
ng
am
en
to (
%)
T e m p o ( d i a s )
Figura 22. Alongamento e seus desvios padrão em função do tempo dos filmes de PEBD/amido e PEBD puro inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii.
ORHAN & BUYUKGUNGOR (2000), observaram uma diminuição
do percentual de alongamento em filmes de PEBD/amido onde a degradação
iniciou-se a partir do primeiro mês. No nosso trabalho, as mudanças não
foram observadas devido ao curto período de incubação.
CONCLUSÕES
60
4. CONCLUSÕES
Seguindo o objetivo principal deste trabalho, de avaliar a capacidade
biodegradadora dos fungos Talaromyces wortmannii e Phanerochaete chrysosporium
em filmes de PEBD puro, PEBD/amido 80%/20% (m/m) e do biopolímero por meio
de modificações em propriedades físicas e químicas, pode-se tirar algumas conclusões
sobre os aspectos biodegradativos dos filmes utilizados. Deve-se, antes de tudo,
considerar que os polímeros estudados apresentaram diferenciações entre eles, como
estrutura química e morfologia e que o processo biodegradativo é muito lento e não
conhecido certamente.
A partir de análises de perda de massa foi possível afirmar que o fenômeno da
biodegradação se processou, onde as amostras constituídas de PEBD e a mistura de
PEBD/amido sofreram uma biodegradação estatisticamente significativa após um
período de trinta dias de incubação para o fungo Talaromyces wortmannii e após 7
dias para o fungo Phanerochaete chrysosporium. Por sua vez, as amostras do
biopolímero sofreram biodegradação completa após 14 dias com o fungo Talaromyces
wortmannii e após 7 dias com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
A medida do índice de fluidez – MFI permitiu observar que a incorporação do
amido ao PEBD provocou uma certa reticulação na mistura em relação ao filme de
PEBD. Porém, apenas a mistura de PEBD/amido apresentou mudanças
estatisticamente significativas do índice de fluidez, resultado este concordante com a
análise da variação da perda de massa.
Os espectros obtidos nas análises de FTIR mostraram o aparecimento de
grupos carbonila provenientes do processo de biodegradação.
Pelas análises de DSC podemos concluir que o aumento do fluxo de calor após
a inoculação do PEBD/amido com o fungo Talaromyces wortmannii por um período
de 30 dias foi atribuído ao desaparecimento da fase amorfa e conseqüente aumento da
fase cristalina do polímero.
Através dos dados obtidos nos ensaios mecânicos, nota-se que não ocorreu
nenhuma modificação significativa das propriedades mecânicas dos filmes de PEBD
puro e PEBD/amido inoculados com o fungo Talaromyces wortmannii. Assim pode-se
concluir que é necessário um tempo de incubação maior para que os filmes possam
apresentar alterações significativas nas propriedades mecânicas.
CONCLUSÕES
61
O fungo Phanerochaete chrysosporium apresentou nas condições
desenvolvidas nos experimentos deste trabalho uma maior capacidade biodegradadora
para os filmes estudados que o fungo Talaromyces wortmannii.
Por fim, após todas observações terem sido feitas, fica claro notar o caráter
diversificado que o processo biodegradativo possui, quando este é comparado entre
diferentes misturas poliméricas. Estrutura química, estado cristalino e condições
ambientais são fatores essenciais para predição do comportamento do polímero diante
de um processo biodegradativo, e isto foi observado nesta pesquisa
PERSPECTIVAS DE NOVOS TRABALHOS
62
5. PERSPECTIVAS DE NOVOS TRABALHOS
Após as discussões serem feitas, conclusões obtidas, uma série de idéias surge,
a fim de elucidar dúvidas restantes, ou dar continuação ao trabalho proposto, sendo
que com enfoques mais detalhados e aprofundados. Especificamente, a partir deste
trabalho, um grande campo de pesquisa foi aberto, em relação a biodegradação de
polímeros. A seguir, estão enumeradas algumas perspectivas para trabalhos futuros.
1. Realizar um estudo comparativo da biodegradação do PEBD puro,
PEBD/amido e do biopolímero, utilizando uma célula de aterro controlado,
observando o fator de aceleração da biodegradação natural através das
propriedades físico-químicas monitoradas;
2. Desenvolver biopolímero a partir do mel, xarope e mel de amido, visando a
obtenção de um material com melhor consistência estrutural;
3. Realizar teste de biodegradação utilizando amidos modificados e outros
percentuais de mistura polietileno/amido;
4. Aumentar o período de exposição, a fim de verificar as mudanças que não
foram observadas no PEBD puro e no PEBD/amido após 30 dias com o fungo
Talaromyces wortmannii e com o fungo Phanerochaete chrysosporium;
5. Realizar teste de biodegradação utilizando culturas mistas de fungos;
6. Estudos com a biodegradação no laboratório, utilizando outras variáveis,
como medição do pH e produção de CO2, a fim de verificar a resposta dos
polímeros em condições extremas de uso.
7. Realizar análise de microscopia eletrônica de varredura (SEM) para verificar
mudanças na morfologia dos filmes estudados.
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ANEXO 1
73
7. ANEXO I