DESENVOLVIMENTO DE FILME BIODEGRADÁVEL COM FARINHA E CASCA DE ARROZ VIA TÉCNICA TAPE-CASTING

Autores

Betti, T.D. (ULBRA) ; Schmitt, M.A. (ULBRA)

Resumo

O impacto ambiental ocasionado pelo acúmulo de materiais plásticos, têm gerado grande procura por materiais alternativos com cunho ecológico. O mercado dos polímeros biodegradáveis se encontra em ascensão pelo seu potencial ecológico, sendo uma ótima alternativa para a redução do consumo de fontes fósseis e a produção de materiais que se degradam mais rapidamente. Este trabalho propõe um filme biodegradável utilizando farinha e a casca de arroz como matérias-primas e glicerol como plastificante. Foram obtidos três filmes, dois somente com farinha de arroz e outro com a incorporação da casca de arroz, todos utilizando o glicerol através da técnica tape-casting. Os filmes foram ensaiados para resistência à tração, sendo observado deformação plástica e elástica dos corpos- de-prova.

Palavras chaves

filme biodegradável; farinha de arroz; tape-casting

Introdução

Em meados de 1900, o plástico começou a trilhar a sua história e desde então tem tido um papel importante no mundo. Isso se deve as boas propriedades mecânicas existentes nos plásticos, proporcionando materiais extremamente versáteis e com grande potencial para indústria, além do baixo custo de produção. (ABIPLAST, 2018; PLASTICS EUROPE, 2020). Embora os plásticos possam proporcionar grandes vantagens para indústria, precisa-se levar em consideração que, a sua utilização em larga escala, causa muitos problemas ambientais, principalmente se o seu descarte não for correto. Isso se deve em razão desse material ser um derivado de petróleo, combustível fóssil que não é biodegradável, levando assim muito tempo para se decompor (KIRWAN e STRAWBRIDGE, 2003). Por esse fato, o estudo para a criação de materiais ecologicamente corretos vem crescendo e nos últimos anos, os plásticos biodegradáveis começaram a ter pesquisas cada vez mais promissoras (UNEP, 2018). Os plásticos biodegradáveis, diferentemente dos plásticos de origem fóssil, se degradam mais rapidamente no meio ambiente por meio de microrganismos que se alimentam de matéria orgânica de origem natural presente nesses plásticos (FRANCHETTI e MARCONATO, 2006), reduzindo assim a contaminação do meio ambiente e mortes de animais (WWF, 2019). Os plásticos biodegradáveis têm origem a partir de polímeros naturais, entre os mais comuns, na forma de amido e celulose (KOLYBABA et al., 2003). Uma grande fonte de amido são os produtos provenientes da agricultura, dentre eles, o milho, a batata, o trigo, a mandioca e o arroz (REVISTA ADITIVOS & INGREDIENTES, 2001). O arroz, um cereal bastante consumido no mundo é uma grande fonte de nutrientes, devido principalmente a grande quantidade de amido presente no grão (LOPES e LOPES, 2008). O arroz é o terceiro cereal mais produzido no mundo, ficando atrás apenas do milho e trigo (FAO, 2020a), além disso, o arroz tem um grande destaque na produção brasileira, especialmente na região sul, detentora de 80% da produção do país (MAGALHAES JUNIOR et al, 2004; CONAB, 2019). Com o beneficiamento do arroz, vários subprodutos são gerados diretamente ao final do processo, entre eles, a casca, o farelo e o arroz quebrado (LORENZET et al, 2010). Aproximadamente, os subprodutos representam cerca de 2/3 do beneficiamento, sendo desses, 20-22% representados pela casca que não é comercializada para consumo (LOPES e LOPES, 2008; VELASQUEZ et al, 2012). A partir do arroz quebrado, pode ser produzido a farinha de arroz, rica em amido, podendo ser consumida ou vendida in natura para fabricação de ração animal (LORENZET et al, 2010; CORREA e CORREA, 2016). Já a casca não pode ser consumida e seu destino é basicamente para obtenção de energia, pois possui um alto poder calorífico, porém ainda existe um grande problema quanto ao seu descarte inadequado (ROSA et al., 2009; CORREA e CORREA, 2016). A utilização de matérias-primas que apresentam amido na sua estrutura vem sendo amplamente estudadas para o desenvolvimento dos plásticos biodegradáveis (VELASCO et al., 2012). Sendo assim, os subprodutos do arroz que são ricos em amido, entre eles a farinha de arroz, é uma potencial matéria-prima para o desenvolvimento de plástico biodegradável (ZHOU et al., 2002). Além disso, algumas literaturas vêm realizando pesquisas quanto a adição de casca de arroz como reforço em plástico biodegradável, devido a presença de fibras na sua estrutura (STEUDNER et al, 2004). Este trabalho se justifica pelo fato de os resíduos agroindustriais surgirem como grandes potenciais para a produção de plástico biodegradável, pois apresentam grande quantidade de amido e fibras na estrutura, além disso, também é um destino ecologicamente correto para esses resíduos. Logo, o presente estudo visa avaliar as possibilidades do desenvolvimento de filmes biodegradáveis a partir de subprodutos do processo de beneficiamento do arroz que apresentam baixo valor comercial e com grandes quantidades disponibilizadas anualmente, como é o caso da farinha e a casca de arroz.

Material e métodos

Inicialmente foi necessário realizar o preparo da casca de arroz para posteriormente ser incorporada na suspensão de farinha. As cascas foram moídas no moinho de facas rotativas. Após as cascas serem moídas, elas foram levadas ao peneirador vibratório a seco a fim de realizar a sua distribuição granulométrica. O peneirador foi programado sob agitação de 7 Hz e temporizador de 15 minutos, além disso, as peneiras foram dispostas em ordem crescente de mesh, sendo respectivamente com a tampa, 20, 30, 100, 140 e prato coletor. O método aplicado para a preparação da casca de arroz foi baseado na dissertação e tese de ROSA (2007, 2012) e no trabalho de conclusão de curso de CERVEIRA (2018), com algumas modificações. A farinha de arroz não precisou passar por nenhuma preparação inicial, visto que ela foi adquirida pronta. O filme biodegradável de farinha de arroz reforçada com a casca de arroz foi produzido através da técnica tape-casting. Para se obter a suspensão filmogênica, foi necessário 5 g de farinha de arroz para 100 g de solução filmogênica (contabilizando água destilada, glicerol e Hidróxido de Sódio (NaOH)), utilizou-se o NaOH para fazer o ajuste do pH com o auxílio de um peagâmetro até a solução atingir 10 para que as proteínas presentes na farinha se dissolvessem no filme. Na sequência foi adicionado o glicerol na quantidade de 1,5 g/100 g de solução para atuar como plastificante e pôr fim, foi adicionado 1 g de casca de arroz/100 g de solução. Em sequência, a solução filmogênica foi aquecida e agitada com o auxílio de um agitador magnético. Esse processo se deu até a solução filmogênica atingir 78 °C, pôr fim a solução filmogênica foi mantida à 78 ºC durante cerca de 5 minutos. Para a finalização do desenvolvimento do filme, a solução filmogênica foi espalhada ainda quente sobre uma placa de vidro (25 x 30 mm), onde essa placa foi recoberta com um filme de poliéster (popularmente conhecido por saco para assar) com 0,025 mm de espessura para facilitar a retirada do filme após estar seco. A altura da placa é de 4 mm, para assim obter-se filmes com espessuras entre 0,10 e 0,26 mm após estarem secos. A secagem desse filme foi realizada na própria placa do tape-casting colocada em uma estufa à 30 ºC. O tempo total de secagem gira em torno de 10 horas. O dispositivo do tape-casting foi desenvolvido no Laboratório da Universidade Luterana do Brasil e é de autoria do autor deste trabalho. Ele foi produzido de acordo com dispositivos já desenvolvidos em outros trabalhos. Os ensaios realizados nos filmes foram espessuras determinadas com o auxílio de um micrômetro, com leituras aleatórias ao longo de cada amostra e o ensaio mecânico de tração, sendo os filmes cortados em corpos-de-prova com 25 x 100 mm de dimensão, a tensão na ruptura, o alongamento na ruptura e o módulo de Young dos corpos-de-prova foram determinados com base no método ASTM D882-00 (ASTM, 2001).

Resultado e discussão

Os filmes de farinha de arroz obtidos pela técnica tape-casting foram transparentes, homogêneos e brilhantes, conforme apresentado na figura 1. O filme de farinha de arroz foi desenvolvido considerando proporção final de 100 g, sendo 5 % de farinha de arroz, 1,5 % de glicerol e o restante distribuído em NaOH suficiente para deixar pH igual a 10 e água destilada. Em relação ao filme incorporado com a casca de arroz, também se manteve a proporção de 100 g final de solução. No entanto, adicionado 1 % de casca de arroz, sendo usada a casca retida da peneira de mesh 100, e mantendo a quantidade dos demais componentes da solução, com exceção água destilada, que teve menor quantidade para fechar a proporção final de 100 g. Os filmes de farinha de arroz e casca de arroz obtidos pela técnica tape-casting não foram transparentes e homogêneos como os filmes somente com a farinha, uma vez que as partículas da casca ficaram evidentes no filme, não se homogeneizando com a solução. Para a caracterização do filme, foram produzidas duas amostras A1, ou seja, dois filmes somente com farinha produzidos em momento distintos e outra amostra A2 representando o filme com casca de arroz incorporada. A espessura do filme contendo casca de arroz foi de 0,258 ± 0,011 mm e a do filme somente com farinha variou de 0,207-0,216 ± 0,011 mm. Foram medidos 10 pontos aleatórios ao longo do filme para encontrar um valor médio. A espessura do filme com a casca de arroz é maior com relação ao filme somente com a farinha, devido às partículas da casca que se encontram incorporadas no filme. Com o nível de 4 mm utilizado na placa, foi possível obter-se filmes com as espessuras desejadas, conforme descrito no material e método. Uma ampla faixa de valores de espessuras para filmes biodegradáveis foi encontrada na literatura, como é possível visualizar na tabela 3. SCHEIBE (2012), por exemplo, que utilizou a mesma técnica, obteve filmes com espessuras variando de 0,100 a 0,180 mm em filmes de amido de mandioca variando o tipo e a quantidade de fibras. Já RODRIGUES (2019), que utilizou uma técnica diferente, encontrou espessura média de 0,133 mm em filmes produzidos com farinha de arroz. Foi utilizada o método da ASTM D-882-00 (2001) para a realização do ensaio, com distância inicial das garras de 100 mm e velocidade de tração de 0,8 mm.s-1. Foram produzidas duas amostras em momentos distintos para o filme somente com farinha de arroz, gerando duas amostras A1 para análise e apenas uma amostra para o filme incorporado com a casca de arroz, gerando assim uma amostra A2. A amostra A1 foi dividida em A11 e A12, cada um com 3 corpos-de-prova e uma amostra A2 com 5 corpos-de-prova. Relacionando as amostras A11 e A12, a primeira amostra teve uma tensão bem superior à da segunda amostra e isso pode estar relacionado pelo aspecto extremamente visível dos corpos-de-prova de cada uma das amostras. Os corpos-de- prova da amostra A11 apresentaram um aspecto mais resistente ao toque e menos maleável, já a os corpos-de-prova A12 eram bem mais maleáveis. Quando analisamos graficamente, é possível notar ainda mais essa resistência dos corpos-de-prova da amostra A11, precisando de uma tensão maior, em média de 8,90 MPa para a sua ruptura, enquanto os corpos-de-prova da amostra A12 necessitaram em média de 3,67 MPa. Os dados gráficos mostram uma falta de homogeneização dos grânulos de amido na solução, deixando-o mais rígido e resistindo mais a tensão, porém apresentando pouco alongamento. Já a amostra A2, foram menos resistentes a tração do que a amostra A11, porém mais resistentes que a amostra A12, suportando em média 7,28 MPa de tensão aplicada. Esse valor maior de tensão está relacionado as partículas de casca de arroz presentes na amostra necessitando de uma tensão maior para a sua ruptura. Quanto ao alongamento, o melhor valor obtido foi para os corpos-de-prova da amostra A12 que apresentaram a menor tensão necessária para ruptura, mas em contrapartida sofreu o maior alongamento, com média de 31 %. Os corpos-de-prova da amostra A11 tiveram um menor alongamento e embora necessitaram de uma tensão bem maior para o rompimento, apresentaram um comportamento elástico muito pequeno, em relação a amostra A12. Já os corpos-de-prova da amostra A2, não tiveram praticamente nenhum alongamento, isso pode ter ocorrido pelo aspecto grosseiro das partículas da casca de arroz no filme, deixando assim o filme menos elástico. Por fim, o módulo de Young ou também conhecido por módulo de elasticidade, nos mostra o quão rígido é o material. Com isso, através dos valores dessa propriedade foi possível constatar que as amostras A11 e a A2 são materiais rígidos, com média de 197,30 e 266,50 MPa, demonstrando uma alta deformação plástica, porém baixa deformação elástica, ou seja, um baixo alongamento. Se for entrar na parte de viabilidade comercial, a produção de sacolas com esses materiais não seria muito atrativa, uma vez que suportaria mais peso, no entanto, no momento que atingisse seu limite romperia rapidamente. Diferentemente da amostra A12, que apresentou um módulo de elasticidade em média de 75,67 MPa, um filme que possui uma deformação elástica muito maior. É possível notar que a amostra A11 tensiona com valores maiores, no entanto, assim que atinge o limite plástico se rompe, diferentemente da amostra A12, que chegou com uma tensão menor na sua deformação plástica e apresentou uma deformação elástica por maior tempo. Comparando com trabalhos já desenvolvidos encontrados na literatura, RODRIGUES (2019) que também utilizou farinha de arroz, encontrou valor para tensão de ruptura menor, média de 1,52 MPa e um alongamento ainda maior, média de 90 %, DIAS (2008) também encontrou valores similares a RODRIGUES (2019), mostrando que o filme da amostra A12 realmente estava mais homogêneo, comparado a amostra A11. DIAS (2009) e RODRIGUES (2019) utilizaram uma outra técnica para a produção dos seus filmes, a técnica casting, que também pode interferir na homogeneidade do filme, pois não a necessidade de um espalhamento. Outra possível causa seria a temperatura, como foi usada uma chapa de aquecimento não é possível ter um controle preciso, pois muito calor acaba se dissipando no ar levando mais tempo para atingir a temperatura, assim causando interferência na gelatinização do amido. Na tabela 1 também é possível visualizar os resultados de filmes produzidos com PEBD, material bem difundido no mercado e comumente utilizado para a produção, por exemplo, de saquinhos plásticos. Analisando os dados é possível afirmar que eles possuem uma resistência à tensão relativamente similar a filmes desenvolvidos a base de amido, no entanto, apresentam maior alongamento. O PEAD apresenta cadeias carbônicas ramificadas permitindo uma maior flexibilidade.

filme biodegradável de farinha de arroz


comparação de ensaios de tração com a literatura

Conclusões

Foram desenvolvidos três filmes por meio da técnica tape-casting, dois deles somente com farinha de arroz para atuar como controle, especificados como A11 e A12 e um com a incorporação de 1 % de casca de arroz, especificado como A2. Por fim, foram obtidos 3 corpos-de-prova para amostra A11 e 3 corpos-de-prova para a amostra A12, já para a amostra A2 foram obtidos 5 corpos-de-prova. Quanto a caracterização do filme, primeiramente foi analisada a sua espessura e de modo geral, todos os filmes atenderam a espessura desejada, pré-estabelecida entre 0,10 e 0,26 mm. Foi constatado que o filme com farinha apresentou uma menor espessura do que o filme que havia incorporação da casca. Sobre a resistência à tração os filmes com e sem adição da casca de arroz são promissores, no entanto, precisa haver alterações tanto nos equipamentos utilizados para que ocorra uma melhor gelatinização do amido, quanto do tratamento prévio da casca de arroz para assim garantir que haja uma melhora na sua incorporação no filme e assim ocorra uma melhora nos resultados apresentados. Os desenvolvidos somente com farinha de arroz, mostraram que a falta de uma total gelatinização do amido e por consequência uma heterogeneidade de partículas no filme, interfere diretamente nas propriedades de resistência, os corpos-de-prova com melhores resultados foram àqueles que visualmente apresentavam aspecto mais flexível, mas ainda sim com resistência. Àqueles mais rígidos visualmente, de fato se portaram com maior rigidez no ensaio, porém com pouca deformação ao alongamento, por falta dessa flexibilidade. A incorporação da casca de arroz, também mostrou que a falta de homogeneização de fato prejudica a deformação elástica do filme. No entanto, a casca tornou o filme mais resistente à tensão, apresentando uma deformação plástica boa. Com isso, um tratamento prévio distinto para a casca de arroz, fazendo com que ela incorpore melhor no filme, poderá melhorar consideravelmente suas propriedades.

Agradecimentos

ULBRA LM - Learn with Maurício Schmitt

Referências

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