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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS
CAMPUS POÇOS DE CALDAS (MG)
DAIANE CRISTINA BORGHESI
MAÍRA FERNANDA MOLINA
ESTUDO DA BIODEGRADAÇÃO DA PCL
UTILIZANDO PALHA DE CAFÉ COMO CARGA
Poços de Caldas/MG
2014
DAIANE CRISTINA BORGHESI
MAÍRA FERNANDA MOLINA
ESTUDO DA BIODEGRADAÇÃO DA PCL
USANDO PALHA DE CAFÉ COMO CARGA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
como parte dos requisitos para obtenção do
diploma de Engenharia Química pela
Universidade Federal campus Poços de Caldas.
Orientadora: Professora Doutora Maria Gabriela
Nogueira Campos.
Poços de Caldas/MG
2014
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaríamos de agradecer a Deus que nos permitiu a realização deste sonho e
por nos acompanhar e amparar a todo momento.
A professora Dra. Maria Gabriela Nogueira Campos, pela colaboração neste TCC.
A nossa família por todos os ensinamentos, pelo amparo e força dada para atingirmos nossos
objetivos, além do companheirismo e amor.
Agradecemos a Fábio e Juliano pela disposição em nos ajudar sempre que foi necessário e por
estarem sempre ao nosso lado.
As nossas companheiras de moradia Sabrina Sarkis, KesseTonon, Layara Ferreira, Eliane
Zaparolli e Maquely Vicente pela grande amizade construída e por todos os bons momentos
passados juntas.
Pelos amigos sempre presentes: Marcelo, Thiago, Paulo, Rodrigo, Jouber.
Ao Marcos Guerra, sua equipe e a empresa M&G Fibras Brasil S/A, do grupo
Mossi&Ghisolfique nos ajudou na confecção dos corpos de prova e nos ensaios de DSC.
A Senhora Ivanilda que nos cedeu seu terreno para realizar o teste de biodegradação.
A Profa. Rosana Siqueira, a aluna Bianca Cabello e a Faculdade Metrocamp de Campinas que
nos ajudou e permitiu que a análise microbiológica fosse realizada.
A toda turma de Bacharelado Interdisciplinar 2009/2011 e a turma de Engenharia Química
2009/2013, pela companhia diária e experiências obtidas durante o curso.
RESUMO
A produção mundial de plástico vem crescendo a cada ano, e este cenário se torna alarmante
quando se leva em consideração o longo tempo que estes levam para se degradarem no meio
ambiente. Frente à preocupação com o acúmulo destes nos lixões e aterros sanitários surgem
os polímeros ambientalmente degradáveis, que possuem vida útil compatível com os
polímeros convencionais, porém tempo de degradação mais curto no meio ambiente. Neste
trabalho, objetivou-se estudar a potencialidade da incorporação da palha de café a
policaprolactona com o intuito de aumentar sua taxa de degradação no solo. A fim de avaliar a
perda de massa dos corpos de prova aplicou-se o teste de biodegradação em solo. Utilizando
tratamentos estatísticos foi possível observar que tanto as amostras com 5% de Palha de Café
quanto na amostra com 1% de Palha de Café apresentaram perda de massa significativamente
diferente da policaprolactona pura. Além disso, foi realizada a análise granulométrica e
microbiológica do solo e através destas pode-se observar que o este apresentou condições
favoráveis a biodegradação das amostras.
Palavras-chave: Policaprolactona; Palha de Café; Biodegradação.
ABSTRACT
The world production of plastic is growing every year, and this scenario becomes alarming
when the long time this material takes to degrade in the environment is considered. Due the
accumulation of plastic in dumpsters and landfills, environmentally degradable polymers
emerge, with useful life compatible with conventional polymers, but shorter degradation in
the environment. In this research, we aimed to study the potential of incorporation of coffee
straw to polycaprolactone, aiming to increase its rate of degradation in soil. In order to
evaluate the mass loss of the specimens, a test of biodegradation in soil was applied. By
means of statistical treatments, it was observed that both the samples with 5 % and 1% of
coffee straw showed significantly mass loss, differently from pure polycaprolactone.
Additionally, both the microbiologic and granding examination of the soil were conducted,
and through these it can be seen that the soil showed favorable biodegradation of the samples.
Keywords :Polycaprolactone ; Coffee Straw ; Biodegradation .
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 9
2.1 Polímeros Ambientalmente Degradáveis ............................................................... 9
2.2 Policaprolactona ....................................................................................................... 9
2.3 Palha de Café .......................................................................................................... 10
2.4 Biodegradação ........................................................................................................ 11
2.4.1 Etapas do processo de biodegradação .................................................................... 12
2.5 Influência do solo na biodegradação .................................................................... 13
2.5.1 Distribuição Granulométrica .................................................................................. 13
2.5.2 Comunidade microbiana do solo ............................................................................ 13
3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 15
3.1 Corpos de Prova ..................................................................................................... 15
3.1.1 Composição e processamento dos corpos de prova ................................................ 15
3.1.2 Caracterização ......................................................................................................... 15
3.1.2.1 Análise Visual .......................................................................................................... 16
3.1.2.2 Calorimetria Exploratória Diferencial .................................................................... 16
3.1.3 Teste de biodegradação em solo ............................................................................. 16
3.1.3.1 Determinação da perda de massa dos filmes........................................................... 17
3.2 Análise do Solo ....................................................................................................... 17
3.2.1 Análise Granulométrica .......................................................................................... 17
3.2.2 Análise Microbiológica do solo .............................................................................. 17
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 19
4.1 Caracterização ........................................................................................................ 19
4.1.1 Análise Visual ......................................................................................................... 19
4.1.2 Calorimetria Exploratória Diferencial ................................................................... 19
4.2 Teste de biodegradação em solo ............................................................................ 20
4.3 Análise do Solo ....................................................................................................... 22
4.3.1 Análise Granulométrica .......................................................................................... 22
4.3.2 Análise Microbiológica ........................................................................................... 24
4.3.2.1 Contagem total de microrganismos – Plaqueamento de Profundidade .................. 24
4.3.2.2 Contagem de bolores e leveduras – Plaqueamento de Superfície ........................... 25
4.3.2.3 Contagem de coliformes totais, termotolerantes e E.coli ........................................ 25
4.3.2.4 Contagem de coliformes totais ................................................................................. 25
4.3.2.5 Contagem de termotolerantes e E.coli ..................................................................... 26
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 27
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 28
ANEXO A ................................................................................................................................ 30
ANEXO B ................................................................................................................................ 31
ANEXO C ................................................................................................................................ 33
ANEXO D ................................................................................................................................ 34
7
1 INTRODUÇÃO
Os plásticos são de fundamental importância na sociedade moderna, possuem inúmeras
aplicações, inclusive atuam substituindo diversos materiais como metais, vidros, madeira,
entre outros (CORDI, 2008).
O mercado de plásticos está em constante expansão nos dias atuais. Segundo dados da
ABIPLAST (Associação Brasileira da Indústria do Plástico) em 2011 a produção mundial de
plástico chegou a ser de 280 milhões de toneladas, sendo que o Brasil é responsável por 6
milhões.
Os dados de produção mundial de plásticos chegam a ser preocupantes quando se leva em
consideração que estes materiais demoram em média cem anos para se decompor no meio
ambiente, implicando assim em um grave problema ambiental. O acúmulo destes em lixões e
aterros sanitários tem tornado estes locais de descarte limitados (MARIANI, 2010).
Uma das alternativas para a diminuição dos resíduos plásticos no ambiente é a reciclagem de
alguns destes materiais. No entanto mesmo com aplicação da reciclagem o problema dos
resíduos plásticos no meio ambiente ainda é preocupante, pois no Brasil, em 2011, reciclou-se
apenas 22% de todo plástico pós-consumo descartado de acordo com os dados da
ABIPLAST.
É neste cenário que surgem os polímeros ambientalmente degradáveis (PADs) que
apresentam a vantagem de se manterem estáveis durante sua vida útil e serem degradados em
um curto período de tempo após o descarte no meio ambiente (MARIANI, 2010).
Alguns PADs já são comercializados, no entanto, as suas aplicações ainda são limitadas por
apresentarem propriedades deficientes e alto custo quando comparados aos polímeros
convencionais. Entretanto, diversas pesquisas vêm sendo realizadas com o intuito de
desenvolver novos polímeros e melhorar os já existentes quanto às suas propriedades e
também diminuir seu custo de obtenção (CORDI, 2008).
Dentre os PADs existentes a poli (ε-caprolactona) tem despertado interesse quanto à
substituição de polímeros convencionais, visto que esta apresenta boas propriedades e
também compatibilidade com outros materiais (MARIANI, 2005).
Uma alternativa para aumentar a biodegradabilidade dos polímeros é a adição de cargas
orgânicas durante o processamento destes materiais. Sendo que este processo também acarreta
na diminuição do custo do produto final, pois com isto se utiliza menos material polimérico
na formulação deste. No entanto muitas das vezes o polímero não apresenta boa adesão entre
a carga adicionada e a estrutura polimérica, prejudicando assim as propriedades do material.
8
Por isso, muitas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de descobrir quais são as
cargas mais adequadas ao polímero e qual deve ser a porcentagem em massa utilizada das
mesmas.
A palha de café é uma opção de carga orgânica para ser incorporada em polímeros, pois é
totalmente biodegradável, no entanto, ainda não foram realizados estudos quanto à
incorporação deste resíduo em polímeros. Outro fator que potencializa a utilização da palha
de café como carga é o fato desta ser produzida em larga escala, visto que esta compõe cerca
de 50 % do grão de café (valor que pode variar dependendo do tipo de processamento do
grão) (BRAHAN, 1978) e segundo dados da Associação Brasileira da Indústria do Café
(ABIC) foram produzidos no Brasil em 2012 cerca de 3 mil toneladas de café. Deste modo,
este resíduo apresenta-se como uma potencial carga orgânica para ser incorporada em
polímeros, visto que não apresenta custos e não tem quase nenhum reaproveitamento.
Neste contexto em que se faz cada vez mais necessário o desenvolvimento de materiais que
não prejudiquem o meio ambiente propôs-se este trabalho. O objetivo geral deste foi estudar a
potencialidade de uso e incorporação da palha de café como carga orgânica à policaprolactona
com o intuito de aumentar sua taxa de degradação no solo. Os objetivos específicos foram:
Avaliar a biodegradação da policaprolactona após a adição da palha de café como carga
orgânica através da perda de massa por teste de biodegradação em solo. Uma vez que a
policaprolactona é um polímero biodegradável, o teste de biodegradação aplicado teve o
propósito de avaliar se a perda de massa dos corpos de prova com palha de café é
significativamente diferente em relação à policaprolactona pura.
Caracterização dos corpos de prova por Calorimetria Exploratória Diferencial a fim de
avaliar se há miscibilidade entre a palha de café e a policaprolactona.
Caracterização do solo em que será realizado o teste de biodegradação através de análises
granulométrica e microbiológica com intuito de se avaliar a influência deste no processo
de biodegradação das amostras.
9
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Polímeros Ambientalmente Degradáveis
O aumento no consumo de polímeros sintéticos vem despertando a atenção mundial quanto ao
acúmulo e a poluição ocasionada pelo descarte de lixo proveniente de materiais plásticos no
meio ambiente. O aumento descontrolado destes resíduos no ambiente causa a
impermeabilização do solo e aumento do volume de lixo. E diante deste contexto vem-se
buscando o desenvolvimento de polímeros ambientalmente degradáveis ou polímeros
biodegradáveis (MARIANI, 2010).
Os PADs se mostram como uma nova geração de polímeros ambientalmente sustentáveis.
Para ser um considerado um PAD o polímero deve apresentar após degradação significativa
produtos finais compatíveis com o ambiente, ou seja, gás carbônico água e biomassa
microbiana (MARIANI, 2010).
No entanto, as aplicações destes polímeros ainda são muito limitadas devido ao seu alto custo,
uma vez que possuem um baixo volume de produção e necessitam de altos investimentos à
pesquisa e desenvolvimento (MARIANI, 2010).
Os PADs podem ser classificados em duas categorias de acordo com a sua fonte de obtenção:
sintéticos ou naturais.
Os PADs sintéticos são aqueles sintetizados em laboratório pelo homem de modo a possuírem
grupos suscetíveis ao ataque de microrganismos (CORDI,2008). Os mais conhecidos são:
policaprolactona, poliesteramidas, copoliésteres alifáticos e copoliésteres aromáticos.
A segunda categoria traz os PADs naturais que são produzidos por algumas plantas e
microrganismos. Em relação aos polímeros provenientes das plantas podem ser citados o
amido e a celulose. Já o outro grupo possui polímeros sintetizados por bactérias a partir de
pequenas moléculas, citando como exemplo o polihidroxibutiratoe os polihidroxialcanoatos
(BRITO, 2011).
2.2 Policaprolactona
A poli(ε-caprolactona) também conhecida como PCL é um poliéster alifático, hidrofóbico e
semi-cristalino, podendo ser lentamente biodegradada por microorganismos presentes no solo
(CORDI,2008). A Figura1 ilustra a unidade de repetição da policaprolcatona.
10
Figura 1-Mero caprolactona.
Fonte: (CORDI, 2008)
Um dos processo para obtenção da policaprolactona consiste na polimerização por abertura do
anel do monômero ε-caprolactona, como ilustrado pela Figura 2. Esta polimerização requer
uso de um iniciador alcoólico em combinação com um ácido de Lewis (CORDI, 2008).
Figura 2-Reação de Obtenção da Policaprolactona.
Fonte: (CORDI,2008)
A PCL é um polímero termoplástico com peso molecular que pode variar entre 5000 e 80000
(BALZER, 2009). Possui baixa temperatura de fusão (Tm ≈ 60ºC) e temperatura de transição
vítrea abaixo da temperatura ambiente (Tg ≈-60º C) (MARIANI, 2005).
A policaprolactona é um polímero atóxico e devido a esta propriedade tem sido estudado para
a utilização como matriz de liberação de fármacos (BALZER, 2009). Além desta propriedade
este polímero ainda apresenta baixa viscosidade, propriedade que concede ao polímero a
característica de boa processabilidade (FREITAS Jr., 2004). Apresenta boas propriedades
mecânicas como tenacidade e flexibilidade além de possuir uma grande miscibilidade com
muitos tipos de polímeros (BALZER, 2009).
A biodegradação da PCL é realizada pela enzima lipase através da hidrólise das ligações éster.
Esta enzima é capaz de degradar tanto a fase amorfa como a fase cristalina deste
polímero(MARIANI, 2005).
2.3 Palha de Café
Segundo dados da Companhia Nacional de Abastecimento (Conab) o Brasil é o maior
produtor, consumidor e exportador mundial de café, sendo que nos últimos 14 anos o
consumo de café registrou um incremento de 55,74%. Na produção o aumento registrado em
relação à área plantada em formação, entre os anos de 2011 e 2012, foi de 24%, e nos últimos
cinco anos constatou-se um crescimento nas exportações de 14,6%.
11
Existem duas formas de beneficiamento do café: por via úmida e por via seca, sendo a ultima
a técnica mais simples e mais utilizada. Na via seca, os frutos são secos ao sol ou em
secadores artificiais e após são levados a uma máquina descascadora para a remoção do
material que envolve os grãos de café, sendo a casca o resíduo sólido obtido (OLIVEIRA,
2001).
Já o processamento por via úmida pode ocorrer de três modos diferentes, sendo o descascado
quando se retira apenas a casca e parte da mucilagem, o desmucilado quando se remove a
casca e após toda a mucilagem mecanicamente e o despolpado quando se retira a casca
mecanicamente e a mucilagem por fermentação biológica, sendo a polpa o resíduo sólido
obtido (BOREM, 2004).
A polpa de café obtida através do processo úmido representa 29%, em base seca,do peso do
fruto inteiro. Já quando esta é processada através do beneficiamento a seco dos grãos de café,
aproximadamente 50% em massa destes são considerados resíduos (BRAHAN, 1978). Sendo
assim, pode-se notar a grande quantidade de resíduos gerados durante o processamento do
café, além do que, a polpa do café e a casca contêm cafeína, taninos e matéria orgânica, que
quando descartados indevidamente no meio ambiente se tornam um poluente.
O resíduo ainda é pouco aproveitado em outros processos, mesmo este apresentando grande
quantidade de matéria orgânica. A polpa e a casca de café ainda se limitam a aplicações como
alimentação de animais, fertilizantes, entre outras utilizações simples. Porém, estas aplicações
utilizam apenas uma fração pequena do resíduo e não são tão eficientes tecnicamente
(PANDEY, 2000).
2.4 Biodegradação
Materiais biodegradáveis são todos aqueles que podem sofrer decomposição em dióxido de
carbono, água, metano, compostos inorgânicos ou biomassa, onde a ação enzimática de
microrganismos é o mecanismo que predomina nadecomposição. Um material será
biodegradado quando este for utilizado como nutriente por um determinado conjunto de
microorganismos (fungo, bactérias e algas) (BRITO, 2011). Estes microrganismos podem
realizar a degradação na presença ou na ausência de oxigênio, processos admitidos como
aeróbico e anaeróbico, respectivamente (MARINI, 2005). Os processos são mostrados a
seguir.
12
Processo aeróbico
Cpolímero + O2 CO2 + H2O + Cresíduo + Cbiomassa + Sais
Processo anaeróbico
Cpolímero CO2 + CH4 + H2O + Cresíduo + Cbiomassa + Sais
A completa biodegradação ocorre quando não há mais nenhum resíduo, e a completa
mineralização é estabelecida quando o substrato original (Cpolímero) é completamente
convertido em gases e sais (BASTIOLI, 2005). O ambiente onde o processo será realizado
deverá ser propício para o crescimento de microrganismos, sendo fatores importantes
temperatura, umidade, pH e oxigênio (MARIANI, 2005).
2.4.1 Etapas do processo de biodegradação
A biodegradação pode ser antecedida de processos de degradação físicos e/ou químicos, como
ocorre com polímeros inertes ao ataque de microrganismos. Deste modo, para que o seu
carbono seja disponibilizado, inicialmente sua fragmentação é feita por reações abióticas, as
quais podem ser a fotodegradação por luz natural, a oxidação por aditivos químicos, a
degradação térmica e a degradação mecânica (MARIANI, 2005).
Quando não ocorre a fragmentação abiótica no início, ou seja, quando o processo é totalmente
biótico, dois passos principais ocorrem na degradação do polímero: a despolimerização ou
fragmentação, e a mineralização(MARIANI,2005).
O primeiro passo normalmente ocorre na superfície do polímero, devido o tamanho de sua
cadeia e da natureza insolúvel de muitos. As responsáveis por esta etapa são as enzimas
extracelulares liberadas pelos microrganismos, que podem ser classificadas como endo-
enzimas (que realizam a clivagem aleatória sobre as ligações internas da cadeia polimérica)
ou exo-enzimas (responsáveis pela clivagem sequencial nas unidades monoméricas terminais
da cadeia principal)(BASTIOLI, 2005).
Uma vez formados os fragmentos monoméricos, estes são transportados para dentro da célula,
onde serão mineralizados. Os produtos deste processo, além de triofosfato de adenosina
(ATP), são os gases (por exemplo, gás carbônico, metano, nitrogênio, hidrogênio), água, sais,
minerais e biomassa. Podem ocorrer muitas variações deste processo geral de biodegradação,
dependendo do polímero, do organismo, e do ambiente. No entanto, sempre haverá em um
estágio ou outro o envolvimento de enzimas (BASTIOLI, 2005).
13
2.5 Influência do solo na biodegradação
O solo pode variar muito de um local para o outro, uma vez que este é afetado por vários
parâmetros. Um destes é a temperatura que é diretamente dependente do clima da região.
Outro parâmetro é o quantidade de água no solo dependente das chuvas, irrigação (quando
aplicada) e também influenciada pela capacidade de retenção de água do solo. Além destes,
outros parâmetros a serem levados em consideração são a composição química do solo,
fatores geográficos e pH. Como consequência da ação destes diversos parâmetros, a atividade
microbiológica e consequentemente a atividade de biodegradação pode variar de região para
região (BASTIOLI, 2005).
Como o solo afeta diretamente na biodegradação faz-se necessário analisar algumas condições
deste para se obter resultados mais confiáveis quando se realiza testes de biodegradação em
solo.
2.5.1 Distribuição Granulométrica
A distribuição granulométrica de partículas do solo influencia diretamente na quantidade de
água que entra no solo, na difusão de gás na superfície do solo, na transferência de calor e na
porosidade.Todos esses fatores em ação conjunta influenciam no crescimento de
microrganismos e assim na atividade de biodegradação (BASTIOLI, 2005).
Em solos arenosos a difusão de gás é facilitada, deste modo neste estarão presentes
microrganismos aeróbios tais como fungos. No entanto, em solos argilosos ocorre a formação
de blocos, dificultando a areação do solo, o que também atrapalha o crescimento de
microrganismos aeróbios. Outro fator afetado pela distribuição granulométrica é a umidade do
solo, que pode favorecer ou não o desenvolvimento de vida microbiana, dependendo das
restrições necessárias para a sobrevivência de cada espécie (BASTIOLI, 2005).
Deve-se levar em consideração que a influência do solo na atividade de biodegradação não é
composta apenas de sua distribuição granulométrica, uma vez que as condições oferecidas
pelo solo ao crescimento de microrganismos dependem de diversos fatores como já citado
anteriormente (BASTIOLI, 2005).
2.5.2 Comunidade microbiana do solo
14
Os microrganismos que fazem parte da comunidade microbiana do solo pertencem aos
seguintes grupos: bactérias, fungos e protozoários. Sendo que as bactérias constituem uma
maior dominância (GENNARO, 2011).
Dentre os microrganismos citados, as bactérias e os fungos atuam na biodegradação de
plásticos biodegradáveis. As bactérias apresentam melhores possibilidades de colonização e
biodegradação, uma vez que são capazes de agir em ambientes aeróbios e anaeróbios, além de
apresentarem uma ampla escala de adaptação a temperatura (CORDI, 2008). Enquanto os
fungos na sua maioria são microrganismos aeróbios, mas mesmo assim tem uma alta
contribuição no processo de biodegradação.
É interessante realizar testes para analisar a população microbiológica do solo onde são feitos
os testes de biodegradação, visto que estes realizam a degradação dos polímeros
biodegradáveis.
15
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Corpos de Prova
3.1.1 Composição e processamento dos corpos de prova
Os corpos de prova foram confeccionados na empresa M&G Fibras Brasil S/A, localizada em
Poços de Caldas.
Para a incorporação da palha de café, primeiramente esta foi triturada e em seguida realizou-
se um peneiramento da mesma utilizando peneiras do tipo Tyler a fim de se realizar uma
separação granulométrica. A palha de café utilizada na incorporação a PCL possui
granulometria de 0,075mm.
A PCL utilizada foi da marca Sigma-Aldrich com as seguintes características: temperatura de
fusão de 60°C, peso molecular médio 14000 e densidade de 1,146 g/mL.
Utilizou-se uma micro extrusora monorosca da marca AX para o processamento e a
temperatura de trabalho em todas as 3 zonas de aquecimento foi de 100ºC. Para este trabalho
optou-se por utilizar as composições demonstradas na Tabela 1.
Tabela 1 -Composição dos corpos de prova
Sigla PCL (%) Palha de café (%)
PCL 100 100,0 0,0
PCL+1%PC 99,0 1,0
PCL+5% PC 95,0 5,0
Uma vez que não se encontrou na literatura trabalhos em que a palha de café é utilizada como
carga orgânica para a PCL, optou-se por utilizar as composições dos corpos de prova com as
porcentagens de 1 e 5% de palha de café. Com isto pretende-se avaliar se a palha de café
apresenta alguma compatibilidade com a PCL.
Após a extrusão utilizou-se uma prensa aquecida a 100°C para a confecção dos filmes de
prova com massa de 1g. Posteriormente estes filmes foram cortados para serem utilizados no
teste de biodegradação.
3.1.2 Caracterização
16
3.1.2.1 Análise Visual
Para analisar visualmente os efeitos da adição da palha de café a PCL utilizou-se um
Estereoscópio da marca Olympus.
3.1.2.2 Calorimetria Exploratória Diferencial
Os corpos de prova foram submetidos à técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC)
antes do teste de biodegradação. Esta técnica foi utilizada para a identificação da temperatura
de fusão (Tm) e entalpia de fusão (ΔHm) dos materiais obtidos. Os parâmetros térmicos foram
determinados com o auxilio de um calorímetro DSC marca TA modelo Q-100. As amostras
da ordem de 1g foram aquecidas de 30 a 120ºC com uma razão de aquecimento de 10ºC/min,
sob atmosfera de nitrogênio. O grau de cristalinidade (Xc) foi calculado a partir da Equação
1(MARIANI, 2010):
(1)
: cristalinidade da amostra
: entalpia e fusão experimental (Jg-1
)
: entalpia de fusão da PCL 100% cristalina = 136 Jg
-1
: fração mássica de PCL na composição do corpo de prova
3.1.3 Teste de biodegradação em solo
O teste de biodegradação está ocorrendo na cidade de Andradas no estado de Minas Gerais.
Na realização do teste os corpos de prova foram enterrados à profundidade de 3 a 5 cm e este
terá duração de 180 dias, sendo que os corpos de prova foram retirados de 30 em 30 dias,
porém neste trabalho são analisados apenas os resultados do teste de biodegradação das
amostras retiradas até 120 dias As amostragens são realizadas em triplicata para cada
composição.
O teste se iniciou em 01 de setembro de 2013, com previsão de término no dia 28 de fevereiro
de 2013.
17
3.1.3.1 Determinação da perda de massa dos filmes
Antes de serem enterrados, os corpos de prova foram mantidos em um dessecador até peso
constante e então pesados. Após serem retirados do solo estes foram lavados com água e
etanol 70% e em seguidas foram colocados no dessecador novamente, onde permaneceram até
apresentarem massa constante. A massa final dos corpos de prova foi aferida e anotada. O
cálculo de perda de massa utilizada é dada pela Equação 2.
Perda de massa
(2)
Onde:
: Massa inicial do corpo de prova (g)
: Massa final do corpo de prova (g)
Os dados de perda de massa foram submetidos a tratamentos estatísticos baseados na análise
de variância (ANOVA) e diferença entre médias pelo teste de Tukey com nível de
significância de 5%. Através deste tratamento estatístico objetivou-se analisar se há diferença
significativa entre a perda de massa das amostras.
3.2 Análise do Solo
A fim de caracterizar o solo onde as amostras foram enterradas, este foi submetido à análise
granulométrica e análise microbiológica.
3.2.1 Análise Granulométrica
A análise granulométrica foi realizada seguindo as normas NBR 6457, Amostras de solo –
Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização, do ano de 1986 e NBR
7181, Solo – Análise Granulométrica, do ano de 1984.Todas as equações utilizadas para obter
os resultados foram retiradas das normas e se encontram no Anexo A.
3.2.2 Análise Microbiológica do solo
Toda a análise microbiológica foi realizada no laboratório de análises clínicas na Faculdade
Metrocamp de Campinas, segunda a metodologia proposta por Neusely Silva et. al,2010, no
Manual de Métodos de Análise Microbiológica de Alimentos e Água. Foram feitas
18
inoculações para realizar a contagem de microrganismos totais, bolores e leveduras,
coliformes totais, termotolerantes e E.coli. Os métodos utilizados para cada contagem foram:
plaqueamento em profundidade com meio de cultura Ágar Padrão para Contagem
(PCA),plaqueamento em superfície, com meio de cultura Agar Sabouraud com cloranfenicol e
método do número mais provável (NMP) utilizando o caldo Lauril Sulfato Triptose (LST)
para inoculação das alíquotas, respectivamente.
19
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Caracterização
4.1.1 Análise Visual
A Figura 3 mostra as fotos feitas dos corpos de prova com ampliação de 25 vezes. Pode-se
observar que quanto maior é a porcentagem de palha de café adicionada a PCL mais escura é
a coloração apresentada pela amostra. Ainda é possível visualizar que quanto mais baixa é a
porcentagem de palha de café maior é a miscibilidade com a PCL, no entanto esta análise
visual não é suficiente para comprovar esta afirmação.
Figura 3-Fotos dos corpos de prova: (A) PCL; (B) PCL+1%PC; (C) PCL+5%PC
4.1.2 Calorimetria Exploratória Diferencial
A Tabela 2 apresenta os parâmetros térmicos obtidos via DSC e a cristalinidade dos corpos de
prova, sendo esta última calculada através da Equação 1. As curvas DSC obtidas se
encontram no Anexo B, Figuras 5 a 7.
(A) (B)
(C)
20
Tabela 2 -Parâmetros térmicos e cristalinidade das amostras
Amostra Tm (°C) ΔH (J/g) Xc (%)
PCL 60,95 59,47 43,73
PCL + 1% PC 60,81 60,76 45,13
PCL + 5% PC 59,30 68,17 52,76
Observa-se que a temperatura de fusão da PCL diminui com a adição de palha de café. Isto é
um fator importante, uma vez que para polímeros semicristalinos a diminuição do ponto de
fusão é um método muito utilizado para se estudar a miscibilidade entre os componentes do
polímero. Segundo Mariani (2010, p.60) uma vez que ocorra alguma miscibilidade entre os
componentes do polímero há uma diminuição da temperatura de fusão no equilíbrio.
Em relação à entalpia de fusão, pode-se notar que há indícios de que esta aumenta com a
adição de palha de café e consequente a isso a cristalinidade também apresenta o mesmo
comportamento. Sugere-se que este efeito esteja relacionado ao aumento da compatibilidade
da PCL e a palha de café. No entanto, os dados obtidos não são suficientes para suportar essa
afirmação, pois não foram feitas repetições do DSC, a fim de se avaliar se este
comportamento se repetiria.
De acordo com Canevarolo (2006) a cristalização pode ser favorecida devido a existência de
grupos capazes de formar fortes ligações intermoleculares secundárias, sendo assim seria
necessário um estudo mais detalhado da composição química da palha de café para se
identificar quais e como estes grupos influenciam na cristalinidade da PCL.
4.2 Teste de biodegradação em solo
As fotos dos corpos de prova antes e depois do teste de biodegradação se encontram no
Anexo C.
A análise estatística da perda de massa dos corpos de prova foi aplicada apenas ao teste de
biodegradação de 30, 60, 90 e 120 dias, pois este ainda está em andamento. A perda de massa
foi calculada a partir da Equação 2.
A partir das médias das triplicatas de perda de massa, observou-se através da análise de
variância (ANOVA) que há uma diferença significativa com intervalo de confiança de 95%
entre os três tipos de corpo de prova. Uma vez que o resultado da análise de variância foi
21
positivo realizou-se o teste de Tukey para identificar quais corpos de prova apresentam tal
diferença significativa de perda de massa. O resultado da análise estatística através do teste de
Tukey se encontra na Tabela 3.
Tabela 3 -Porcentagem de perda de massa médias dos corpos de prova em função do tempo de
incubação em solo
Amostra Perda de massa média do polímero (%)
30 dias 60 dias 90 dias 120 dias
PCL 1,56 ± 0,25A 2,56 ± 0,08
A 4,53 ± 1,76
A 6,18 ± 1,41
A
PCL + 1%PC 1,90 ± 0,10A 4,96 ± 0,73
A 9,14 ± 0,61
B 13,96 ± 2,16
B
PCL + 5%PC 3,25 ± 0,54B 7,45 ± 1,67
B 11,60 ± 1,21
B 14,80 ± 2,69
B
Médias com letras sobrescritas diferentes na mesma coluna diferem entre si (Teste Tukey, P<0,05)
Analisando os dados da Tabela2pode-se observar que desde o teste de biodegradação de 30
dias o filme PCL+ 5%PC foi o que apresentou a maior média de perda de massa. E isto se
evidencia quando se analisa os resultados do Teste de Tukey, pois uma vez em que em uma
mesma coluna uma das médias apresenta uma letra sobrescrita diferente das demais, esta é
considerada diferente. Assim, pode-se dizer que desde a primeira retirada do solo o corpo de
prova PCL+ 5%PC apresentou perda de massa média significativamente diferente dos outros.
Analisando a perda de massa média do polímero PCL + 1%PC, pode-se perceber que nos
testes de biodegradação de 30 e 60 dias este não apresentou perda de massa
significativamente diferente da PCL pura. Porém, nota-se que no teste de 90 dias este corpo
de prova apresentou uma alta perda de massa, e como resultado do Teste de Tukey apresentou
uma letra sobrescrita diferente da PCL pura, portanto a sua perda de massa foi
significativamente diferente, assim como o filme PCL+5%PC.
No teste de 120 dias, as amostras com palha de café incorporada em sua estrutura
apresentaram perda de massa significativamente diferente da PCL pura, assim como no teste
de 90 dias. No entanto pode-se observar nos dados da Tabela 3 que estas últimas amostras
retiradas do solo apresentam um alto desvio padrão quando comparadas as demais. Isto é
explicado pela dificuldade em se recuperar todos os fragmentos das amostras conforme passa-
se o tempo que estas ficam enterradas no solo.
Analisando todos os resultados de uma maneira geral, pode-se dizer que a incorporação da
palha de café aumentou a biodegradação da PCL.
22
A partir do teste de 90 dias é possível notar que não há mais diferença significativa entre as
duas amostras com palha de café em sua composição, o corpo de prova PCL+1%PC se mostra
como melhor opção por possuir uma coloração mais aceitável.
Visto que a PCL é um polímero biodegradável, analisou-se apenas se houve diferença
significativa entre as perdas de massa da PCL pura e com a incorporação carga a fim de se
avaliar se a palha de café influenciaria na perda de massa da PCL no teste de biodegradação
em solo.
4.3 Análise do Solo
4.3.1 Análise Granulométrica
Utilizando a Equação 3 do Anexo Afoi possível calcular a umidade higroscópica do solo
analisado, sendo que o valor encontrado foi de 18,28%. Os valores de massa do solo úmido e
do solo seco se encontram na Tabela 4.
Tabela 4 -Dados utlizados no cálculo da umidade higroscópica
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Solo úmido 33,10 33,37 33,51
Solo seco 28,04 28,23 28,26
Umidade higroscópica (%) 18,05 18,21 18,58
Umidade higroscópica média (%) 18,28
Foram realizados dois peneiramentos, os dados obtidos a partir do peneiramento grosso estão
dispostos na Tabela 5. Os valores de porcentagem de massa de solo que passou por cada
peneira foi calculado a partir das Equações4 e 5 do Anexo A.
Tabela 5 -Dados obtidos através do peneiramento grosso
Abertura da
peneira (mm)
Massa de solo retido
acumulado (g)
% de massa que passa
pela peneira
50,00 0,00 100,00%
38,00 0,00 100,00%
25,00 0,00 100,00%
29,00 0,00 100,00%
9,50 5,70 99,39%
4,75 22,42 97,59%
23
Realizou-se também o peneiramento fino e assim como para o peneiramento grosso pode-se
calcular a porcentagem de massa de solo que passou por cada peneira utilizando a Equação 6
do Anexo A. Os dados calculados para este peneiramento podem ser encontrados na Tabela 6.
Tabela 6 -Dados obtidos através do peneiramento fino
Abertura da peneira (mm) Massa de solo retido
acumulado (g)
% que passa pela
peneira
1,180 11,42 80,72%
0,600 32,55 63,51%
0,425 45,16 53,24%
0,250 61,33 40,07%
0,150 71,87 31,49%
0,075 80,36 24,58%
< 0,075 81,98 23,26%
Através dos dados encontrados nos dois peneiramentos foi possível construir uma curva de
distribuição granulométrica (Figura 4) do solo analisado.
Figura 4-Curva de distribuição granulométrica do solo
24
A norma NBR 7181, 1984 propõe que além do peneiramento do solo seja realizado o ensaio
de sedimentação, a fim de caracterizar as partículas mais finas do solo. Porém, analisando a
curva de distribuição de análise granulométrica pode-se perceber que cerca de 65% do solo é
composto de areia, por esse motivo optou-se por realizar apenas o peneiramento do solo.
Analisando os dados obtidos através do peneiramento pode-se dizer que o solo analisado se
classifica como arenoso, o que significa dizer a fração de areia (cerca de 65%) é maior do que
as outras, sendo a maior parte dela (28%) do tipo média. A Tabela 7 dispõe a composição
granulométrica do solo em estudo
Tabela 7 -Composição granulométrica do solo
Classificação Porcentagem em massa
Pedregulho 11%
Areia
Fina 12%
Média 28%
Grossa 25%
Silte e Argila 24%
4.3.2 Análise Microbiológica
4.3.2.1 Contagem total de microrganismos – Plaqueamento de Profundidade
Nas placas com diluição menor (10-1
, 10-2
e 10-3
) cresceram colônias de microrganismos, só
que nestas foi impossível contar, já que houve espalhamento destes. Na diluição 10-4
foi
possível realizar a contagem de colônias, nas duas amostras utilizadas, sendo esta a diluição
utilizada para a contagem de microrganismos totais. Já nas placas com diluições 10-5
, 10-6
e
10-7
não houve crescimento de microrganismos. A Tabela 8 mostra a contagem de UFC/ml
(Unidades Formadoras de Colônia/ml)
Tabela 8 -Contagem de microrganismos totais
Número de colônias nas placas de diluição Contagem
UFC/ml 10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
Amostras
1 e 2 Inc – Inc Inc – Inc Inc – Inc 77 – 30 0 – 0 0 – 0 0 – 0
[(77+30)/2]x104 =
53,5x104 =
5,4x105
Sendo assim, no solo analisado, notou-se a presença de 5,4x105 UFC (unidades formadoras de
colônias) de microrganismos totais/ml.
25
4.3.2.2 Contagem de bolores e leveduras – Plaqueamento de Superfície
Em relação aos bolores e leveduras, na placa de diluição 10-1
houve o crescimento de
colônias, porém estas estiveram incontáveis devido ao seu espalhamento.
As placas das amostras 1 e 2 de diluição 10-2
foram as únicas onde cresceram colônias
contáveis e a partir desta placa foi possível calcular as Unidades Formadoras de Colônias/ml
dos bolores e leveduras.
Nas diluições seguintes não houve formação de colônias. A Tabela 9 mostra a contagem de
UFC/ml (Unidades Formadoras de Colônia/ml) para os bolores e leveduras.
Tabela 9 -Contagem UFC para bolores e leveduras
Número de colônias nas placas de diluição
Contagem UFC/ml 10
-1 10
-2 10
-3 10
-4 10
-5 10
-6 10
-7
Amostras
1 e 2 Inc–Inc 19 – 13 0 – 0 0 – 0 0 – 0 0 – 0 0 – 0
[(19+13)/2]x102x10 =
16x103 =
1,6x104
Sendo assim, no solo analisado, notou-se a presença de 1,6x104 UFC de bolores e
leveduras/ml.
4.3.2.3 Contagem de coliformes totais, termotolerantes e E.coli
Todos os tubos tiveram produção de gás e turvação nos dois testes, sendo assim, foram
feitas as contagens para coliformes termotolerantes e E.coli separadamente.
4.3.2.4 Contagem de coliformes totais
Todos os tubos contendo caldo Verde Brilhante 2% tiveram resultados positivos, ou seja,
produção de gás e turvação do meio. Como a análise foi feita em triplicata, utilizou-se a tabela
do Anexo D para a contagem de coliformes totais. A Tabela 10 mostra os resultados obtidos.
26
Tabela 10 - Cálculo dos resultados para tubos VB usando a tabela NMP
Número de tubos positivos nas alíquotas (g ou ml) Combinação
considerada
Resultados
(NMP/ml) 0,1 0,01 0,001
3 3 3 3-3-3 >1100 =
>1,1x103
Sendo assim, para os coliformes totais encontrou-se uma quantidade maior do que 1,1x103
NMP/ml.
4.3.2.5 Contagem de termotolerantes e E.coli
Os tubos contendo caldo E.coli também tiveram detecção positiva em todos, ou seja, foi
produzido gás e houve turvação do meio. Sendo a análise feita em triplicata, utilizou-se a
tabela do Anexo D para contagem de coliformes termotolerantes e E.coli. A Tabela 11 traz os
resultados obtidos.
Tabela 11 - Cálculo dos resultados para tubos EC usando a tabela NMP
Número de tubos positivos nas alíquotas (g ou ml) Combinação
considerada Resultados
0,1 0,01 0,001
3 3 3 3-3-3 >1100
=>1,1x103
Sendo assim, para os coliformes termotolerantes encontrou-se uma quantidade maior do que
1,1x103 NMP/ml. Além de ser confirmada a presença de E.coli.
27
5 CONCLUSÃO
Através da Calorimetria Exploratória Diferencial foi possível observar indícios de que houve
miscibilidade entre a palha de café e a policaprolactona através da análise do ponto de fusão
das amostras. Além disso, a análise da cristalinidade das amostras também mostrou que este
parâmetro aumentou com a adição da palha de café, indicando a compatibilidade entre o
polímero e a carga.
O ensaio de biodegradação em solo mostrou que desde o teste de 30 dias a amostra
PCL+5%PC já apresentava perda de massa significativamente diferente da policaprolactona
pura, já a PCL+1%PC mostrou o mesmo comportamento apenas no teste de 90 dias. Mesmo
que o teste de biodegradação continue em andamento, obtiveram-se resultados positivos desde
a primeira retirada das amostras do solo. Assim, pode-se concluir que a incorporação da palha
de café como carga orgânica a PCL aumentou a sua taxa de biodegradação no solo. Visto que
ambas as composições com palha de café se mostraram mais biodegradáveis que a
policaprolactona pura, conclui-se que a PCL+1%PC é a opção mais viável, sendo que tal
composição não afeta tanto a coloração do polímero. Não foi possível realizar testes de
biodegradação a nível laboratorial, porém o teste de biodegradação em solo foi satisfatório
para este trabalho, apesar da policaprolactona já ser um polímero biodegradável, foi
verificado que esta apresentou maior perda de massa com a incorporação da palha de café.
A utilização da palha de café como carga orgânica para a PCL se mostrou uma opção viável,
uma vez que esta carga é encontrada em abundância e não apresenta custo algum. Além de
aumentar à perda de massa da PCL no meio ambiente a incorporação da palha de café
também proporciona uma diminuição do custo do polímero, sendo que utilizando a mesma a
quantidade de PCL empregada será menor. Outro ponto positivo na utilização da palha de
café é a retirada desta do meio ambiente, pois quando descartada inadequadamente se torna
um poluente.
Em relação ao solo, após a análise granulométrica e microbiológica classificou-se o solo
como um solo arenoso, e conforme dito no desenvolvimento do trabalho, nos solos arenosos a
difusão de gás é facilitada, sendo assim houve confirmação de uma grande quantidade de
microrganismos aeróbicos, como os bolores e leveduras (fungos) que são grandes
decompositores. Através da análise microbiológica foi possível notar uma grande quantidade
de bactérias presentes, que também são grandes decompositores. Assim pode-se dizer que
devido às características analisadas que o solo utilizado pode ter contribuído para os
resultados finais de biodegradação.
28
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Acesso em: 15 de agosto de 2013.
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Disponível em:
http://file.abiplast.org.br/download/estatistica/perfil2012_versao_eletronica.pdf. Acesso em:
15 de agosto de 2013.
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Química) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, 2009.
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BRITO, G. F.et al. Biopolímeros, Polímeros Biodegradáveis e Polímeros Verdes. Revista
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29
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FREITAS Jr., N. da F. de. Estudo das propriedades termomecânicas e morfológicas de
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SILVA, N. et. al. Manual de Métodos de Análise Microbiológica de Alimentos e Água. 4
ed. São Paulo, 2010.
30
ANEXO A –Cálculos para Análise Granulométrica
Umidade higroscópica
(3)
h = umidade higroscópica (teor de umidade) em %
m1 = massa do solo úmido
m2 = massa do solo seco
Massa total da amostra seca
(4)
ms= massa total da amostra seca
mt = massa da amostra seca ao ar
mg = massa do material seco retido na peneira de 2,0 mm
h = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm
Porcentagem de materiais do peneiramento grosso
(5)
Qg = porcentagem de material passado em cada peneira
ms= massa total da amostra seca
mi = massa do material retido acumulado em cada peneira
Porcentagem de materiais do peneiramento fino
( )
(6)
Qf = porcentagem do material passado em cada peneira
mh = massa do material úmido submetido ao peneiramento
h = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm
mi = massa do material retido acumulado em cada peneira
Q2,0mm = porcentagem de material que passa na peneira de 2,0 mm calculado segundo a
Equação 5.
31
ANEXO B – Curvas de DSC
Figura 5-Curva DSC para PCL 100
Figura 6-Curva DSC para PCL+1%PC
32
Figura 7-Curva DSC para PCL+5%PC
33
ANEXO C – Fotos dos corpos de prova antes e depois do teste de biodegradação
PCL 100 PCL+1%PC PCL+5%PC
Antes do teste
de
biodegradação
Teste de
biodegradação
30 dias
Teste de
biodegradação
60 dias
Teste de
biodegradação
90 dias
Teste de
biodegradação
120 dias
34
ANEXO D–Tabelas de NMP
Tabela 12 -Número Mais Provável (NMP) e intervalo de confiança a nível de 95% de
probabilidade, para diversas combinações de tubos positivos em série de três tubos.
Quantidade inoculada da amostra: 0,1 – 0,01 – 0,001 ml.
Fonte: BacteriologicalAnalytical Manual (SILVA, 2010).
