Bioplásticos: como são produzidos, tipos, vantagens, desvantagens - Ciência - 2023

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o bioplásticos São quaisquer materiais maleáveis a base de polímeros de origem petroquímica ou biomassa que sejam biodegradáveis. Semelhante aos plásticos tradicionais sintetizados a partir do petróleo, eles podem ser moldados para produzir vários objetos.

De acordo com sua origem, os bioplásticos podem ser obtidos a partir da biomassa (de base biológica) ou ser de origem petroquímica. Por outro lado, dependendo do grau de decomposição, existem bioplásticos biodegradáveis e não biodegradáveis.

A ascensão dos bioplásticos surge em resposta aos inconvenientes gerados pelos plásticos convencionais. Isso inclui o acúmulo de plásticos não biodegradáveis nos oceanos e nos aterros sanitários.

Por outro lado, os plásticos convencionais possuem uma grande pegada de carbono e um alto teor de elementos tóxicos. Em contraste, os bioplásticos apresentam várias vantagens, uma vez que não produzem elementos tóxicos e são geralmente biodegradáveis e recicláveis.

Entre as principais desvantagens dos bioplásticos estão o alto custo de produção e a menor resistência. Além disso, algumas das matérias-primas utilizadas são alimentos em potencial, o que coloca um problema econômico e ético.

Alguns exemplos de objetos bioplásticos são sacolas biodegradáveis, bem como peças de veículos e telefones celulares.

Características dos bioplásticos

Importância econômica e ambiental dos bioplásticos

Recentemente, tem havido mais interesse científico e industrial na produção de plásticos a partir de matérias-primas renováveis e biodegradáveis.

Isso se deve ao fato de que as reservas mundiais de petróleo estão se esgotando e há uma maior conscientização quanto aos graves danos ambientais causados pelos petroplásticos.

Com a crescente demanda por plásticos no mercado mundial, a demanda por plásticos biodegradáveis também está aumentando.

Biodegradabilidade

Resíduos de bioplásticos biodegradáveis podem ser tratados como resíduos orgânicos de degradação rápida e não poluentes. Por exemplo, eles podem ser usados como corretivos de solo na compostagem, pois são reciclados naturalmente por processos biológicos.

Limitações de bioplásticos

A fabricação de bioplásticos biodegradáveis enfrenta grandes desafios, pois os bioplásticos possuem propriedades inferiores aos petroplásticos e sua aplicação, embora crescente, é limitada.

Melhoria das propriedades dos bioplásticos

Para melhorar as propriedades dos bioplásticos, misturas de biopolímeros estão sendo desenvolvidas com vários tipos de aditivos, como nanotubos de carbono e fibras naturais quimicamente modificadas.

Em geral, os aditivos aplicados aos bioplásticos melhoram propriedades como:

Rigidez e resistência mecânica.
Propriedades de barreira contra gases e água.
Termoresistência e termoestabilidade.

Essas propriedades podem ser incorporadas ao bioplástico por meio de métodos de preparação e processamento químicos.

Como os bioplásticos são produzidos?

-Breve história

Os bioplásticos são anteriores aos plásticos sintéticos convencionais derivados do petróleo. O uso de polímeros de matéria vegetal ou animal para a produção de material plástico remonta ao século 18 com o uso da borracha natural (látex de Hevea brasiliensis).

O primeiro bioplástico, embora sem esse nome, foi desenvolvido em 1869 por John Wesley Hyatt Jr., que produziu um plástico derivado da celulose do algodão como substituto do marfim. Da mesma forma, no final do século 19, a caseína do leite era usada para a produção de bioplásticos.

Na década de 1940, a Ford explorou alternativas para o uso de matérias-primas vegetais na fabricação de peças de seus automóveis. Essa linha de pesquisa foi motivada pelas restrições ao uso do aço pela guerra.

Como resultado disso, durante o ano de 1941 a empresa desenvolveu um modelo de carro com carroceria construída principalmente com derivados de soja. No entanto, após o fim da guerra, esta iniciativa não foi continuada.

Em 1947, o primeiro bioplástico técnico foi produzido, a Poliamida 11 (Rilsan como marca registrada). Posteriormente, na década de 1990, surgiram o PLA (ácido polilático), o PHA (polihidroxialcanoatos) e os amidos plastificados.

-Matéria prima

Bioplásticos de base biológica são aqueles que são feitos de biomassa vegetal. As três fontes básicas de matéria-prima para biobased são as seguintes.

Polímeros naturais de biomassa

Você pode usar polímeros naturais feitos diretamente por plantas, como amido ou açúcares. Por exemplo, "Plástico de batata" é um bioplástico biodegradável feito de amido de batata.

Polímeros sintetizados a partir de monômeros de biomassa

Uma segunda alternativa é sintetizar polímeros a partir de monômeros extraídos de fontes vegetais ou animais. A diferença entre esta rota e a anterior é que uma síntese química intermediária é necessária aqui.

Por exemplo, Bio-PE ou polietileno verde é produzido a partir do etanol obtido da cana-de-açúcar.

Os bioplásticos também podem ser produzidos a partir de fontes animais, como os glicosaminoglicanos (GAGs), que são proteínas da casca do ovo. A vantagem dessa proteína é que ela permite a obtenção de bioplásticos mais resistentes.

Biotecnologia baseada em culturas bacterianas

Outra forma de produzir polímeros para bioplásticos é por meio da biotecnologia por meio de culturas bacterianas. Nesse sentido, muitas bactérias sintetizam e armazenam polímeros que podem ser extraídos e processados.

Para isso, as bactérias são cultivadas massivamente em meios de cultura adequados e, em seguida, processadas para purificar o polímero específico. Por exemplo, PHA (polihidroxialcanoatos) é sintetizado por diferentes gêneros bacterianos crescendo em um meio com excesso de carbono e sem nitrogênio ou fósforo.

As bactérias armazenam o polímero na forma de grânulos no citoplasma, que são extraídos pelo processamento das massas bacterianas. Outro exemplo é o PHBV (PolyHydroxyButylValerate), que é obtido a partir de bactérias alimentadas com açúcares obtidos de restos vegetais.

A maior limitação dos bioplásticos obtidos dessa forma é o custo de produção, principalmente devido aos meios de cultura necessários.

Combinação de polímero natural e polímero biotecnológico

A Universidade de Ohio desenvolveu um bioplástico bastante forte combinando borracha natural com bioplástico PHBV, peróxido orgânico e triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA).

-Processo de produção

Os bioplásticos são obtidos por diversos processos, dependendo da matéria-prima e das propriedades desejadas. Os bioplásticos podem ser obtidos por meio de processos elementares ou processos industriais mais complexos.

Processo básico

Pode ser feito cozimento e moldagem no caso do uso de polímeros naturais, como amido ou amido de milho ou batata.

Assim, uma receita elementar para produzir um bioplástico é misturar amido de milho ou amido de batata com água, adicionando glicerina. Posteriormente, essa mistura é cozida até engrossar, moldada e deixada secar.

Processos de média complexidade

No caso de bioplásticos produzidos com polímeros sintetizados a partir de monômeros de biomassa, os processos são um pouco mais complexos.

Por exemplo, o Bio-PE obtido a partir do etanol de cana-de-açúcar requer uma série de etapas. A primeira coisa é extrair o açúcar da cana para obter o etanol por meio da fermentação e destilação.

Em seguida, o etanol é desidratado e obtido o etileno, que deve ser polimerizado. Por fim, por meio de máquinas de termoformação, são fabricados objetos a partir desse bioplástico.

Processos complexos e mais caros

Quando se trata de bioplásticos produzidos a partir de polímeros obtidos por biotecnologia, a complexidade e os custos aumentam. Isso ocorre porque as culturas bacterianas estão envolvidas, o que requer meios de crescimento e condições específicas.

Esse processo se baseia no fato de que certas bactérias produzem polímeros naturais que podem armazenar em seu interior. Portanto, a partir dos elementos nutricionais adequados, esses microrganismos são cultivados e processados para a extração dos polímeros.

Bioplásticos também podem ser feitos de algumas algas, como Botryococcus braunii. Essa microalga é capaz de produzir e até excretar hidrocarbonetos no meio ambiente, a partir do qual são obtidos combustíveis ou bioplásticos.

-Fabricação de produtos à base de bioplásticos

O princípio básico é a moldagem do objeto, graças às propriedades plásticas desse composto por meio de pressão e calor. O processamento é feito por extrusão, injeção, injeção e sopro, sopro de pré-forma e termoformação e finalmente é submetido ao resfriamento.

Tipos

As abordagens para a classificação dos bioplásticos são diversas e geram controvérsias. Em qualquer caso, os critérios usados para definir os diferentes tipos são a origem e o nível de decomposição.

-Origem

De acordo com uma abordagem generalizada, os bioplásticos podem ser classificados por sua origem como de base biológica ou não. No primeiro caso, os polímeros são obtidos de biomassa vegetal, animal ou bacteriana e são, portanto, recursos renováveis.

Já os bioplásticos de base não biológica são aqueles produzidos com polímeros sintetizados a partir do petróleo. Porém, por se tratar de um recurso não renovável, alguns especialistas consideram que não devem ser tratados como bioplásticos.

- Nível de decomposição

Quanto ao nível de decomposição, os bioplásticos podem ser biodegradáveis ou não. Os biodegradáveis se decompõem em períodos relativamente curtos de tempo (dias a alguns meses) quando submetidos a condições adequadas.

Por sua vez, os bioplásticos não biodegradáveis se comportam como os plásticos convencionais de origem petroquímica. Nesse caso, o período de decomposição é medido em décadas e até séculos.

Também há controvérsia a respeito desse critério, uma vez que alguns estudiosos consideram que um verdadeiro bioplástico deve ser biodegradável.

-Origem e biodegradação

Quando os dois critérios anteriores são combinados (origem e nível de decomposição), os bioplásticos podem ser classificados em três grupos:

Provenientes de matérias-primas renováveis (de base biológica) e biodegradáveis.
Os obtidos a partir de matérias-primas renováveis (de base biológica), mas não são biodegradáveis.
Obtidos a partir de matérias-primas de origem petroquímica, mas biodegradáveis.

É importante observar que, para considerar um polímero como bioplástico, ele deve entrar em uma dessas três combinações.

Biobased-biodegradable

Entre os bioplásticos de base biológica e biodegradável temos o ácido polilático (PLA) e o polihidroxialcanoato (PHA). O PLA é um dos bioplásticos mais utilizados e é obtido principalmente do milho.

Esse bioplástico tem propriedades semelhantes ao tereftalato de polietileno (PET, um plástico convencional do tipo poliéster), embora seja menos resistente a altas temperaturas.

Por sua vez, o PHA tem propriedades variáveis dependendo do polímero específico que o constitui. É obtido a partir de células vegetais ou por meio da biotecnologia de culturas bacterianas.

Esses bioplásticos são muito sensíveis às condições de processamento e seu custo é até dez vezes superior ao dos plásticos convencionais.

Outro exemplo desta categoria é o PHBV (PolyhydroxyButilValerate), que é obtido a partir de restos vegetais.

Biobased-non-biodegradable

Nesse grupo temos o biopolietileno (BIO-PE), com propriedades semelhantes às do polietileno convencional. Por sua vez, o Bio-PET possui características semelhantes ao tereftalato de polietileno.

Ambos os bioplásticos são comumente fabricados a partir da cana-de-açúcar, obtendo-se o bioetanol como produto intermediário.

A bio-poliamida (PA), um bioplástico reciclável com excelentes propriedades de isolamento térmico, também pertence a essa categoria.

-Não-biodegradável de base biológica

A biodegradabilidade tem a ver com a estrutura química do polímero e não com o tipo de matéria-prima utilizada. Portanto, plásticos biodegradáveis podem ser obtidos a partir do petróleo com processamento adequado.

Um exemplo desse tipo de bioplástico são as policaprolactonas (PCL), que são utilizadas na fabricação de poliuretanos. Este é um bioplástico obtido a partir de derivados de petróleo como o polibutileno succinato (PBS).

Vantagem

São biodegradáveis

Embora nem todos os bioplásticos sejam biodegradáveis, a verdade é que para muitas pessoas essa é sua característica fundamental. Na verdade, a busca por essa propriedade é um dos motores fundamentais do boom dos bioplásticos.

Os plásticos convencionais à base de petróleo e não biodegradáveis levam centenas e até milhares de anos para se decompor. Esta situação representa um problema sério, pois aterros e oceanos se enchem de plásticos.

Por este motivo, a biodegradabilidade é uma vantagem muito relevante, pois esses materiais podem se decompor em semanas, meses ou alguns anos.

Eles não poluem o meio ambiente

Por serem materiais biodegradáveis, os bioplásticos deixam de ocupar espaço como lixo. Além disso, têm a vantagem adicional de, na maioria dos casos, não conterem elementos tóxicos que possam liberar para o meio ambiente.

Eles têm uma pegada de carbono menor

Tanto no processo de produção dos bioplásticos, quanto na sua decomposição, é liberado menos CO2 do que no caso dos plásticos convencionais. Em muitos casos, eles não liberam metano ou o fazem em pequenas quantidades e, portanto, têm pouco impacto sobre o efeito estufa.

Por exemplo, os bioplásticos feitos de etanol de cana-de-açúcar reduzem as emissões de CO2 em até 75% em comparação com os derivados do petróleo.

Mais seguro para transportar alimentos e bebidas

Geralmente, as substâncias tóxicas não são utilizadas na produção e composição de bioplásticos. Portanto, representam menos risco de contaminação dos alimentos ou bebidas neles contidos.

Ao contrário dos plásticos convencionais que podem produzir dioxinas e outros componentes poluentes, os bioplásticos de base biológica são inofensivos.

Desvantagens

As desvantagens estão principalmente relacionadas ao tipo de bioplástico utilizado. Entre outros, temos o seguinte.

Menos resistência

Uma limitação que a maioria dos bioplásticos tem em comparação com os plásticos convencionais é sua menor resistência. No entanto, essa propriedade é associada à sua capacidade de biodegradação.

Custo mais alto

Em alguns casos, as matérias-primas utilizadas para a produção de bioplásticos são mais caras que as do petróleo.

Por outro lado, a produção de alguns bioplásticos implica em maiores custos de processamento. Em particular, esses custos de produção são maiores naqueles produzidos por processos biotecnológicos, incluindo o cultivo em massa de bactérias.

Conflito de uso

Bioplásticos produzidos a partir de matérias-primas alimentícias competem com as necessidades humanas. Portanto, como é mais lucrativo dedicar safras à produção de bioplásticos, estes são retirados do circuito de produção de alimentos.

No entanto, esta desvantagem não se aplica aos bioplásticos obtidos a partir de resíduos não comestíveis. Dentre esses resíduos estão resíduos de culturas, algas não comestíveis, lignina, cascas de ovos ou exoesqueletos de lagosta.

Eles não são fáceis de reciclar

O bioplástico PLA é muito semelhante ao plástico PET (tereftalato de polietileno) convencional, mas não é reciclável. Portanto, se os dois tipos de plástico forem misturados em um recipiente de reciclagem, esse conteúdo não pode ser reciclado.

Nesse sentido, há temores de que o uso crescente de PLA possa prejudicar os esforços existentes para reciclar plásticos.

Exemplos e seus usos de produtos produzidos com bioplásticos

- Objetos descartáveis ou descartáveis

Os itens que mais geram resíduos são recipientes, embalagens, pratos e talheres vinculados a fast food e sacolas de compras. Portanto, os bioplásticos biodegradáveis desempenham um papel relevante neste campo.

Por esse motivo, diversos produtos à base de bioplásticos foram desenvolvidos com o objetivo de influenciar na redução da geração de resíduos. Entre outros temos o saco biodegradável feito com Ecovio da BASF ou a garrafa de plástico de PLA obtida do milho pela Safiplast na Espanha.

Cápsulas de água

A empresa Ooho criou cápsulas biodegradáveis a partir de algas marinhas com água, em vez das tradicionais garrafas. Esta proposta foi muito inovadora e bem-sucedida e já foi testada na maratona de Londres.

agricultura

Em algumas culturas, como o morango, uma prática comum é cobrir o solo com uma folha de plástico para controlar as ervas daninhas e evitar o congelamento. Nesse sentido, o enchimento de bioplástico como o Agrobiofilm tem sido desenvolvido para substituir os plásticos convencionais.

-Objetos para aplicações duráveis

O uso de bioplásticos não se restringe a objetos de uso e descarte, mas pode ser utilizado em objetos mais duráveis. Por exemplo, a empresa de Zoë b Organic produz brinquedos de praia.

Componentes de equipamentos complexos

A Toyota usa bioplásticos em algumas peças automotivas, como componentes de condicionadores de ar e painéis de controle. Para isso, utiliza bioplásticos como Bio-PET e PLA.

Por sua vez, a Fujitsu usa bioplásticos para fazer mouses de computador e peças de teclado. No caso da empresa Samsung, alguns telefones celulares possuem invólucros feitos em grande parte de bioplástico.

-Construção e engenharia civil

Bioplásticos de amido têm sido usados como materiais de construção e bioplásticos reforçados com nanofibras em instalações elétricas.

Além disso, eles têm sido usados na elaboração de madeiras bioplásticas para móveis, que não são atacados por insetos comedores de madeira e não apodrecem com a umidade.

- Aplicações farmacêuticas

Cápsulas de recipientes de medicamentos e veículos de drogas que são liberados lentamente têm sido feitos com bioplástico. Assim, a biodisponibilidade dos medicamentos é regulada ao longo do tempo (a dose que o paciente recebe em um determinado tempo).

- Aplicativos médicos

Bioplásticos de celulose aplicáveis em implantes, engenharia de tecidos, quitina e bioplásticos de quitosana foram fabricados para proteção de feridas, engenharia de tecido ósseo e regeneração da pele humana.

Também têm sido fabricados bioplásticos de celulose para biossensores, misturas com hidroxiapatita para a fabricação de implantes dentários, fibras bioplásticas em cateteres, entre outros.

- Transporte aéreo, marítimo e terrestre e indústria

As espumas rígidas à base de óleos vegetais (bioplásticos) têm sido utilizadas em dispositivos industriais e de transporte; autopeças e peças aeroespaciais.

Componentes eletrônicos de telefones celulares, computadores, dispositivos de áudio e vídeo também foram produzidos a partir de bioplásticos.

-Agricultura

Os hidrogéis bioplásticos, que absorvem e retêm água e podem liberá-la lentamente, são úteis como mantas protetoras do solo cultivado, mantendo sua umidade e favorecendo o crescimento das plantações agrícolas em regiões secas e em períodos de baixa chuva.

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