Lignina – Um biopolímero subestimado com diversas aplicações

Das 70 milhões de toneladas de lignina produzidas pelo processo de polpação, apenas 2% tem uso em alto valor agregado.

Devido a uma maior conscientização sobre os problemas socioambientais e econômicos associados à utilização desenfreada de materiais oriundos de matéria-prima petroquímica, um grande enfoque tem sido direcionado à identificação e utilização de recursos renováveis como substitutos. Como uma das formas mais acessíveis de carbono renovável, a biomassa lignocelulósica tem sido reconhecida como uma das matérias-primas mais promissoras para substituir fontes fósseis na obtenção de produtos de alto valor agregado como combustíveis, químicos de plataforma, polímeros, entre outros.

A biomassa lignocelulósica possui três componentes principais: celulose, hemicelulose e lignina, em proporções variáveis de acordo com a espécie de planta. Os dois primeiros são polissacarídeos com estruturas e funções distintas e compõem entre 50-85% da massa. A lignina, sendo responsável por cerca de 15-30% da biomassa, é um heteropolímero reticulado e amorfo. Contém estrutura aromática com três monômeros fenilpropanoídicos (monolignóis) derivados do ácido cinâmico. Estes são conectados por ligações carbonos-carbono ou éter. As diferentes proporções de álcool cumarílico, coniferílico e sinapílico e das ligações produzidas entre eles determinam a estrutura final da macromolécula. Assim, existe uma enorme diversidade, o que torna a determinação da exata estrutura algo extremamente complicado. A figura apresenta os monômeros e uma estrutura parcial de lignina exemplificando os tipos de ligações possíveis dentro da estrutura.

Monômeros e Estrutura parcial de lignina

Figura: Monômeros e Estrutura parcial de lignina

 

Mais de 98% é queimado

A lignina é o segundo polímero natural mais abundante e é responsável por cerca de 30% da reserva de carbono na biosfera. Somado à isso, é uma das poucas, senão a única matéria-prima passível de escalonamento constituída de blocos de construção contendo unidades aromáticas, e mesmo assim, é altamente subutilizada. Estimativas apontam que dos 70 milhões de toneladas de lignina obtida nos processos de polpação, menos de 2% é isolada e utilizada em aplicações de alto valor agregado. Os outros 98% são queimados nas próprias usinas como combustível de baixo valor calórico.

Diversas possibilidades já foram estudadas para transformar as ligninas obtidas pelos processos industriais já existentes em produtos de valor agregado. Tentou-se a obtenção de lignosulfonatos para utilização como dispersantes e aditivos. Tentou-se também a obtenção de diversas moléculas pequenas como benzeno, xileno, cresol, fenol, vanilina, entre outros. Além de monômeros capazes de serem introduzidos na síntese de diversas classes de polímeros como poliuretanas, poliésteres, poliamidas aromáticas e resinas epóxi e fenólicas. Entretanto, atualmente a grande maioria dos processos conhecidos demanda muita energia. Além disso, é necessário também reagentes e condições reacionais que não permitem a obtenção destas moléculas de maneira viável.

Observando estes pontos, a Afinko Soluções em Polímeros desenvolve atualmente projetos relacionados à possibilidade de utilização destas ligninas obtidas junto aos processos de polpação, sem a necessidade de transformação posterior, como parte integrante de biocompósitos poliméricos. Isso permite o aproveitamento deste subproduto em uma aplicação mais nobre, e ao mesmo tempo incutindo diversos benefícios ao polímero como melhora em algumas propriedades mecânicas e térmicas, tornando-o mais ambientalmente amigável.

 


Nossas referências e indicações:

Berstis, L.  Radical Nature of C-Lignin

Nonaka, H. – Selective conversion of hardwood lignin into syringyl methyl benzofuran using p-cresol

Shuai L. – Formaldehyde stabilization facilitates lignin monomer production during biomass depolymerization.

Upton B.M. and Kasko A.M – Strategies for the Conversion of Lignin to High-Value Polymeric Materials: Review and Perspective

Bioplásticos: Entenda de uma vez por todas!

Plásticos verdes, biopolímeros, bioplásticos, polímeros biodegradáveis e biobasedos…Entenda de uma vez por todas!

Tecnologias recentes têm sido direcionadas para a produção de materiais poliméricos menos agressivos ao meio ambiente. Hoje em dia o mercado de polímeros encontra uma situação de pleno crescimento, impulsionado pelas evoluções no mercado de “bioplásticos”. Todavia esta terminologia é um tanto quanto subjetiva, podendo ser interpretada muitas vezes de forma ambígua, sendo atrelada a duas classes de materiais com características distintas sendo:

  1.  Polímeros biodegradáveis;
  2.  Polímeros biobaseados, plásticos “verdes” ou mesmo bioplásticos.

Para garantir uma utilização correta destes termos, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) publicou uma recomendação de terminologias para a área, sendo as mais importantes para a compressão deste tema destacadas na tabela abaixo.

 

Tabela – Recomendação da IUPAC sobre terminologias relacionadas a polímeros e suas aplicações.

Termo

Significado

Macromolécula

Molécula de alta massa molar feita com múltiplas repetições de pequenas moléculas

Biomacromolécula

Macromoléculas produzidas por organismos vivos

Polímero

Substância composta de macromoléculas

Biopolímero

Substância composta de biomacromoléculas

Biopolímero Sintético

Cópia de um biopolímero, feita pelo homem por rotas abióticas

Polímero Artificial

Polímero feito pelo homem que não seja um biopolímero

Biomassa

Sistemas vivos e coleções de substâncias orgânicas produzidas por sistemas vivos, exploráveis como materiais aplicados

Polímero Biobaseado

Composto ou derivado, total ou em parte, de produtos biotecnológicos derivados de biomassa

Bioplástico

Polímero biobasedo que pode ser moldado em alguma parte do processo

Polímero Biodegradável

Polímero que pode ser degradado pela ação do ambiente, como ar, luz, calor ou micro-organismos

Polímeros Biodegradáveis

Os polímeros biodegradáveis podem ser produzidos a partir de monômeros derivados tanto da indústria petroquímica como de materiais renováveis. Porém, apresentam uma estrutura passível de biodegradação, que pode ocorrer de maneira abiótica através da exposição à luz, umidade, vento e calor. Além disso, também pode ocorrer por rotas bióticas por ação de enzimas e micro-organismos, ou ambas. Esses materiais possuem uma estrutura química que permite uma rápida assimilação do material pelo meio ambiente, minimizando o impacto causado pelo descarte de plásticos. Quando exposto a agentes físicos e/ou comunidades microbianas de um determinado ambiente como, por exemplo, solo, lodo ou água, polímeros biodegradáveis e biopolímeros são biotransformados, podendo ser completamente mineralizados a CO2, H2O e outros compostos. Enzimas secretadas extracelularmente e/ou fenômenos como luz, calor e umidade atacam o esqueleto químico dos polímeros, levando a produtos de degradação de baixa massa molecular, que podem ser assimilados por células microbianas para serem usadas como fonte de carbono e energia. Pode-se correlacionar a capacidade de biodegradação com a existência de certos grupos funcionais de maior labilidade frente a hidrólise. Assim, de uma maneira geral poliésteres, poliamidas, poliuretanas, polianidridos, poliacetais e polímero com substituintes polares podem ser susceptíveis a processos de degradação, em diferentes faixas de tempo.

 

Bioplásticos

Os polímeros biobaseados, bioplásticos ou ainda “plásticos verdes” são aqueles que apresentam estrutura química similar aos compostos derivados de petróleo. Porém a matéria-prima utilizada para a fabricação deste material é total ou parcialmente proveniente de fontes renováveis, sendo o principal substrato a biomassa derivada de resíduos agroindustriais. A biomassa oferece uma fonte de carbono proveniente da biosfera como uma alternativa para o carbono fossilizado. Qualquer material biológico que cresça e esteja disponível pode ser classificado como biomassa, incluindo plantações, árvores, subprodutos animais e humanos, resíduos industriais e qualquer outro material biológico com capacidade de ser reabastecido em um curto espaço de tempo. Este material passa por uma ou mais etapas de transformação para a obtenção de pequenas “moléculas de plataforma”, que podem ser inseridas em processos industriais existentes sem necessidade de modificação da rota. O uso deste substrato como fonte de matéria-prima reduz a pegada de carbono e a emissão de gases nocivos, quando se considera que o material vegetal utilizado para obtenção do material de partida utilizou parte destes componentes, especialmente CO2, para seu desenvolvimento enquanto viva.

Entretanto, é importante salientar que uma vez produzido o polímeroverde”, eles apresentam os mesmos problemas relacionados com os polímeros petroquímicos convencionais no que tange a geração de resíduos e outros problemas. A própria definição de “biobaseado” (bio-based) da IUPAC ressalta que “um polímero biobaseado ou dispositivo polimérico não é necessariamente ambientalmente amigável, nem biocompatível, nem biodegradável, especialmente se possuir estrutura que remeta a polímeros baseados em petroquímicos”. Inclusive, o órgão recomenda a não utilização do termo bioplástico e sim o uso do termo biobaseado, uma vez que o nome bioplástico é uma terminologia enganosa pois sugere que qualquer polímero derivado de biomassa é ambientalmente amigável.

A figura abaixo ilustra as diferenças encontradas entre cada tipo de polímero, e seus principais representantes dentre os materiais conhecidos atualmente.

Tipos de polímeros produzidos industrialmente. Destaque biolplásticos

Figura: Tipos de polímeros produzidos industrialmente

 

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O que são biocompósitos?

Entenda o conceito de Biocompósitos, alguns exemplos e sua importância.

Biocompósitos são materiais constituídos por fases de origem natural, e, portanto, o seu desenvolvimento é primordial na redução dos impactos ambientais causados pelo intenso consumo de materiais sintéticos obtidos a partir de fontes fósseis, além de diminuir o acúmulo de resíduos naturais permitindo valorizar de forma sustentável a cadeia de produção agrícola e também na intenção de se reduzir custos de produção dos materiais plásticos.

As fibras naturais se dividem em fibras de origem animal, origem vegetal e origem mineral. O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de grãos e outros produtos vegetais. Dessa forma, gera-se uma grande quantidade de resíduos provenientes da colheita ou de seu beneficiamento. As fibras vegetais com grande potencial de modificar os polímeros termoplásticos são: fibras de sisal, coco, juta, curauá, bagaço da cana de açúcar, soja, casca de arroz, madeira, etc.

É importante destacar que as fibras e cargas de origem vegetal não possuem regularidade e padronização em sua qualidade, podendo promover diferentes níveis de modificação no polímero. O processamento desses biocompósitos é complexo devido à natureza higroscópica e hidrofílica das fibras naturais vegetais (lignocelulósicas), uma vez que a absorção de água causa vapores durante o processamento, promovendo porosidade (diminuição de propriedade mecânica), agravamento na degradação térmica do material celulósico e liberação de voláteis.

As principais vantagens das fibras ou cargas naturais nos biocompósitos são: disponibilidade ilimitada por serem provenientes de fontes renováveis; são menos abrasivas do que as fibras de vidro, gerando menor desgaste dos equipamentos; são menos agressivas ao meio ambiente; biocompósitos podem apresentar (dependendo do caso) aumento no módulo de elasticidade/rigidez; aumento na resistência mecânica (tração, flexão, compressão); aumento na temperatura de deflexão térmica (HDT), entre outras.

 

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