BR102019011216A2 - Filme biodegradável e uso do filme biodegradável - Google Patents

Abstract

filme biodegradável e uso do filme biodegradável. a presente invenção refere-se a um filme biodegradável elaborado a partir de amido e/ou fécula modificados por ozônio e sua aplicação em embalagens plásticas, produtos descartáveis ou revestimentos de superfícies. dito filme biodegradável mostra-se uma alternativa de baixo custo, de produção sustentável, e de impacto mínimo ao meio-ambiente.

Description

FILME BIODEGRADÁVEL E USO DO FILME BIODEGRADÁVEL Campo da invenção:

[001] A presente invenção refere-se a um filme biodegradável elaborado a partir de amido e/ou fécula modificados por ozônio e sua aplicação em embalagens plásticas, produtos descartáveis ou revestimentos de superfícies.

[002] Dito filme biodegradável mostra-se uma alternativa de baixo custo, de produção sustentável, e de impacto mínimo ao meio-ambiente.

Fundamentos da invenção:

[003] Um dos principais problemas ambientais contemporâneos é, sem dúvida, a grande quantidade de resíduos gerados pela população. Anualmente, o Brasil produz, mais de 78,3 milhões de toneladas de resíduos sólidos, dos quais 13,5% (o equivalente a 10,5 milhões de toneladas) são de plásticos. A quantidade é três vezes maior do que a produção de grãos de café, um dos principais artigos agrícolas do país. Por se tratar de um material de difícil decomposição e considerando ainda a baixa proporção de reciclagem, o plástico acaba se acumulando na natureza, com relevantes impactos ambientais.

[004] Ainda, os plásticos representam aproximadamente 40% do valor bruto de produção de embalagens no Brasil, sendo o setor mais representativo em comparação a outros materiais.

[005] A demanda pelo desenvolvimento de plásticos biologicamente degradáveis é crescente, principalmente devido às preocupações ambientais sobre o descarte dos materiais não degradáveis e às oportunidades de novos mercados para as matérias-primas.

[006] Consequentemente, houve um aumento de interesse por biopolímeros para aplicação em embalagens, devido ao crescimento da demanda por produtos ecologicamente corretos. Os filmes biodegradáveis podem atender as necessidades atuais, pois estes, geralmente, são produzidos com materiais biológicos, tais como polissacarídeos, proteínas, lipídeos e seus derivados. Nesse particular, a escolha do material a ser utilizado na formulação dos filmes é muito importante, pois as interações entre os componentes dos materiais poderão interferir nas propriedades de barreira e mecânicas dos filmes. Entre estes, o amido tem se destacado por ser mais abundante, de menor custo e apresenta propriedades termoplásticas.

[007] Dos filmes biodegradáveis presentes no mercado, 85% a 90% são oriundos, principalmente de amido. Entre os materiais de embalagens à base de amido, incluem-se os fabricados com amidos nativos ou modificados. No entanto, raramente os amidos nativos possuem as propriedades desejadas, sendo necessário realizar modificações para atendimento a estas necessidades.

[008] De fato, as exportações brasileiras de amidos modificados em novembro de 2016 foram de 3 mil toneladas, com um valor médio de US$ 1.000 por tonelada (CEPEA, 2016). Diferentes métodos de modificação produzem amidos com propriedades e características diferentes. A acetilação, reticulação, hidroxipropilação, esterificação e oxidação são alguns métodos utilizados para modificar as propriedades de amido nativo (CHAN et al., 2011) .

[009] Entretanto, há desvantagens na adoção de tais processos de modificação, uma vez que são utilizados reagentes que levam à geração de grandes quantidades de águas residuais (CHAN et al,. 2011), as quais contêm substâncias que devem ser tratadas para não causar impacto negativo ao meio ambiente, dificultando a recuperação de grandes volumes de águas residuais. De fato, uma das maiores indústrias de modificação de amido investiu em 2012 no Brasil em torno de R$ 19,5 milhões no tratamento de efluentes, e mais R$ 4,5 milhões foram dispostos para ações na recuperação e proteção do meio ambiente (CARGILL, 2012) .

[010] Em contrapartida, o uso do ozônio para a modificação de amidos é considerado uma tecnologia verde de oxidação, exige procedimentos mínimos de purificação, devido à rápida decomposição em oxigênio, sem deixar resíduos poluentes tóxicos, tornando-a uma tecnologia amigável para o meio ambiente e para a preservação/conservação de alimentos (CHAN et al. 2011) .

[011] O processo de ozonização é uma técnica única de modificação de amidos, que promove tanto a modificação da distribuição do tamanho molecular como de cargas presentes.

[012] Apesar de a técnica de ozonização de amidos já ser conhecida, a aplicação desta tecnologia ainda é incipiente. Nesse sentido, a presente invenção apresenta um filme biodegradável obtido a partir de amido e/ou fécula modificado pela técnica de ozonização, o qual apresenta características únicas, tais como maior elasticidade, maior hidrofobicidade e maior transparência, resultando em uma alternativa interessante para o uso como embalagens biodegradáveis, produtos descartáveis e revestimentos de superfície, tendo como base matérias-primas atóxicas e de fonte renovável.

Estado da técnica:

[013] Alguns documentos do estado da técnica descrevem sobre o uso do ozônio na modificação do amido, assim como sobre filmes biodegradáveis elaborados a base de amido.

[014] O artigo "Progress in starch modification in the last decade", de Kaur et al., (2009) refere-se à revisão de técnicas de modificação do amido na última década, demonstrando que novos amidos obtidos através destas técnicas apresentam novas propriedades funcionais e de valor. São descritas técnicas de modificação química, física, enzimática, genéticas e outras (como, por exemplo, com ozônio) do amido. Já a presente invenção, se diferencia desta anterioridade, pois propõe um filme biodegradável com amido modificado pela técnica com ozônio.

[015] O artigo "Physicochemical and funcional properties of ozone-oxidized starch" de Chan et al., (2009) trata da caracterização do efeito de tratamento com ozônio nas propriedades físico-químicas e funcionais de amidos tais como milho, sago e tapioca. Embora o presente artigo apresente um estudo detalhado sobre o efeito do ozônio nos amidos, a aplicação destes materiais modificados não foi relatada. Por sua vez, a presente invenção não trata do processo de modificação do amido, mas à formação de filmes com amido modificado pela técnica com ozônio.

[016] Já o artigo "Filme biodegradável incorporado com glicerol e aditivos naturais" de Caribé et al., (2011) buscou mapear pesquisas desenvolvidas no processo de produção de filmes baseado na dispersão de amido e plastificantes em um solvente. Da mesma forma que no documento anterior, a presente invenção não se refere a produção de filmes a partir de amidos, simplesmente, mas sim a formação destes filmes com amidos modificados por ozônio.

[017] Por fim, o artigo "Filmes de amido: produção, propriedades e potencialização de utilização", de Mali et al., (2010) apresenta uma revisão bibliográfica sobre a caracterização e o potencial de utilização de filmes biodegradáveis a base de amido. São discutidas as propriedades mecânicas, de barreira e a cristalinidade dos filmes de amido e o efeito do uso de plastificantes sobre estas propriedades. Nessa revisão é descrito que existem grandes possibilidades de utilização de amidos como materiais de embalagens de alimentos que, no entanto, dependem da produção de materiais mais estáveis às condições de armazenamento e do desenvolvimento da tecnologia de produção em escala industrial. Adicionalmente, diferentes fontes de amido, glúten, pectina e polímeros derivados do petróleo são comparadas. Entretanto, a utilização do amido modificado pela técnica de ozônio não foi descrita, como revelado na presente invenção. Portanto, as propriedades dos filmes da presente invenção são únicas e não podem ser previsíveis a partir de filmes de amido de qualquer fonte (sem modificação ou qualquer outra modificação que não seja a ação pela técnica de ozônio) e muito menos com os filmes produzidos com glúten, pectina ou derivados de petróleo, devido à estrutura molecular do polímero (conteúdo dos grupos hidroxila, carbonila, carboxila) e das cargas moleculares próprias de cada polímero.

Breve descrição da invenção:

[018] A presente invenção trata de um filme biodegradável elaborado à base de amido e/ou fécula modificados por ozônio, e sua aplicação em embalagens plásticas, produtos descartáveis ou revestimentos de superfícies.

[019] Dito filme biodegradável mostra-se uma alternativa de baixo custo, de produção sustentável, e de impacto mínimo ao meio-ambiente.

Breve descrição das figuras:

[020] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.

[021] A Figura 1 apresenta o fluxograma do processo de elaboração dos filmes pela técnica de "casting".

[022] A Figura 2 apresenta imagens do contato da primeira gota de água com o material quando o ensaio de molhabilidade dos filmes biodegradáveis foi realizado, em que (A) é o amido de batata nativo, (B) é o amido de batata modificado por ozonização por 15 minutos e (C) por 30 minutos.

[023] A Figura 3 apresenta a opacidade do filme de amido de batata, destacando o aumento da transparência no processo de ozonização. O logo da Universidade de São Paulo (USP) foi fotografada em quatro condições: sem filme, e com filmes de amido de batata sobrepostos. Os filmes foram confeccionados com amido de batata nativo e os ozonizados por 15 minutos e 30 minutos.

[024] A Figura 4 apresenta a morfologia dos filmes biodegradáveis produzidos a partir de amido de batata modificado por ozônio. As imagens foram obtidas por microscopia eletrônica de varredura.

Descrição detalhada da invenção:

[025] A presente invenção refere-se a um filme biodegradável produzido a partir de amido e/ou fécula modificado com ozônio.

[026] Dito filme pode ser utilizado na produção de embalagens e/ou suas partes, na elaboração de produtos descartáveis tais como pratos, talheres e similares e/ou como revestimentos de superfícies tais como, por exemplo, de frutas e vegetais, reduzindo o impacto causado ao meio ambiente pelos resíduos gerados de embalagens plásticas convencionais.

[027] Em particular, dito filme biodegradável compreende uma concentração que varia de 2 a 10% de amido e/ou fécula, mais preferivelmente, uma concentração de 5% de amido e/ou fécula.

[028] No filme biodegradável, a proporção de ozônio para amido varia de 0,001 a 1%, mais preferivelmente, 0,5%.

[029] O amido e/ou a fécula pode ser selecionado de qualquer fonte de amido, preferivelmente, mandioca, batata, milho, arroz e trigo.

[030] Adicionalmente, o filme biodegradável, além de compreender o amido e/ou fécula modificado por ozônio, pode compreender opcionalmente aditivos tais como plastificantes e nanopartículas de reforço. Tanto o plastificante quanto as nanopartículas de reforço foram incorporados de modo a garantir uma boa qualidade no filme biodegradável, já que melhoram suas propriedades termoplásticas.

[031] Assim, a concentração de plastificante no filme biodegradável varia de 0,1 a 5% e a concentração de nanopartículas de reforço varia de 0,5 a 1%, sendo mais preferível 1,25% de plastificante e 0,5% de nanopartículas de reforço.

[032] O plastificante pode ser selecionado do grupo que compreende glicerol, sorbitol e açúcar invertido e as nanopartículas de reforço podem ser selecionadas do grupo que compreende nanoargilas, nanofibras e nanocelulose.

[033] Para melhor entendimento do processo de produção do filme biodegradável utilizando a técnica de modificação do amido por ozônio, foram descritas as suas etapas e divididas em etapa A-C, como se segue:

ETAPA A:

[034] Na etapa A, a fonte de amido e/ou fécula tais como mandioca, batata, milho, arroz, trigo, entre outros é modificada através do processamento com ozônio, que pode ser realizado diretamente no produto seco ou em dispersão do amido e/ou fécula em água (em concentrações de até 40%). No reator, o amido e/ou fécula reage com o ozônio (em proporções de ozônio/amido entre 0,001-1%, mais preferivelmente 0,5%), a temperaturas entre 5-50°C, mais preferivelmente 25°C, pelo período necessário para a modificação desejada, mais preferivelmente 15-60 minutos.

[035] Após a ozonização, o amido e/ou fécula pode ser centrifugado e seco, ou, ainda, utilizado diretamente na etapa seguinte.

Etapa B:

[036] Na etapa B o filme começa a ser feito. Os componentes são adicionados: a fonte de amido e/ou fécula modificada pela tecnologia de ozônio, os plastificantes tais como glicerol, sorbitol, açúcar invertido e o solvente tais como água e/ou etanol. A concentração de amido pode variar de 2-10% de solução, mais preferivelmente 5% e, a concentração do plastificante de 0,1-5%, mais preferivelmente 1,25% de solução. Opcionalmente, a formulação dos filmes pode ter a incorporação de nanopartículas (0,5-1%, mais preferivelmente 0,5%) como alternativa de reforço das propriedades mecânicas tais como nanoargilas, nanofibras, nanocelulose.

[037] O aquecimento da solução é realizado acima da temperatura de gelatinização, específica para cada fonte de amido.

Etapa C:

[038] A solução é então transformada no filme através da técnica "casting" ou extrusão. A técnica de "casting" é baseada na dispersão ou solubilização do biopolímero em um solvente e acréscimo dos plastificantes ou agente de liga obtendo-se uma solução ou dispersão. A elaboração dos filmes também pode ser realizada pelo processo de extrusão, sendo a metodologia mais utilizada no processamento de materiais poliméricos na indústria.

[039] Após a gelatinização, a solução opcionalmente pode ficar em repouso ou, ainda, passar por processo de eliminação de bolhas.

[040] No "casting", verte-se a solução em moldes, procedendo-se com secagem. Na extrusão, a solução é extrudada ou até mesmo formada dentro da extrusora. Em ambos os casos, diferentes formatos e dimensões podem ser obtidos.

[041] De modo a exemplificar a presente invenção, são apresentados os exemplos a seguir. No entanto, deve ser ressaltado que os referidos exemplos têm a finalidade de facilitar o entendimento da invenção, sem, contudo, limitá-la aos mesmos. Dessa forma, variáveis similares aos exemplos também estão dentro escopo invenção.

EXEMPLO

[042] Amido nativo de batata foi modificado quimicamente com ozônio por 15 e 30 minutos, segundo os procedimentos descritos em Castanha et al., (2017). Uma suspensão de amido em água (10% m/m em base seca) foi ozonizada por 15 e 30 minutos, sob agitação constante, com um fluxo de gás de 0,5 L-min-1 e uma concentração de ozônio na corrente de gás de 47 mg O3-L-1. Após o processamento, os amidos foram centrifugados e secos com circulação de ar a 35°C até ~ 12% de umidade.

[043] Os filmes de amido de batata ozonizado foram então produzidos pela técnica de "casting", baseada na dispersão ou solubilização do biopolímero com acréscimo do plastificantes em uma solução ou dispersão.

[044] Uma solução contendo 5 g/100 g do amido em água destilada foi homogeneizada com agitador magnético por 10 min. Em seguida, a solução foi aquecida durante 45 minutos até gelatinização do amido que ocorreu a ~70°C. O glicerol foi adicionado (1,25 g de plastificante/100 g de solução) e a suspensão foi aquecida por mais 15 minutos, totalizando 60 minutos. Em seguida, a solução filmogênica foi colocada em banho ultrassônico por 30 min para eliminação das bolhas. A solução foi vertida em placas Petri acrílicas (0,15 g/cm2), e deixada de repouso por aproximadamente 12 h. Em seguida, as placas Petri foram secas a 35°C, por aproximadamente 8 h em estufa convectiva.

[045] Os filmes foram condicionados por pelo menos 48 horas em dessecadores contendo uma solução saturada de NaCl (75 % UR) para avaliações.

[046] As propriedades mecânicas foram avaliadas segundo a metodologia ASTM D882-12 (2012), a permeabilidade ao vapor de água segundo ASTM E 96/E 96M-15 (2016), a molhabilidade através da determinação do ângulo de contato segundo ASTM D 7334 -08 (2013). A opacidade foi determinada no colorímetro em escala CIELab (L*, a*, b*), de acordo com a metodologia ASTM D 2244-16 (2016).

[047] Durante o processo de ozonização, os teores de carboxila e carbonila aumentaram com o tempo de exposição ao ozônio, bem como o tamanho das moléculas foi reduzido, resultando em maior integridade estrutural na matriz polimérica. Diferentes condições de ozonização resultaram em filmes com diferentes propriedades.

[048] Os filmes biodegradáveis obtidos com o processo de ozonização de 15 minutos apresentaram menor opacidade (maior transparência) e menor interação com água (maior ângulo de contato), sem impacto na sua resistência mecânica (Módulo de Young), na solubilidade e permeabilidade ao vapor de água, como apresentado nas Tabelas 1 e 2 e Figuras 1 a 3.

[049] Por outro lado, os filmes biodegradáveis obtidos com o processo de ozonização de 30 minutos apresentaram menor opacidade (maior transparência) e menor interação com água (maior ângulo de contato), sem alteração significativa na permeabilidade ao vapor de água, com menor resistência mecânica (Módulo de Young), porém com maior solubilidade, como apresentado nas Tabelas 1 e 2 e Figura 1.

[050] A permeabilidade ao vapor de água não foi afetada pelo processo de modificação do amido de batata (Tabela 2). Apesar da maior hidrofobicidade superficial dos filmes ozonizados, observou-se um ligeiro aumento na solubilidade para o filme produzido com amido ozonizado por 30 min (Tabela 2). A distribuição dos grupos hidroxila, carbonila e carboxila, após a ozonização na matriz polimérica poderia ter influenciado a solubilidade do filme em água, que é avaliada após longo contato (após 24 h).

[051] De modo geral, a repulsão entre os grupos fosfato e os grupos carboxila e carbonila formados resultam em repulsão nas moléculas de amido de batata, o que, junto à redução do tamanho das moléculas devido ao processo de oxidação, aumentam a claridade da pasta dos amidos ozonizados. Portanto, os filmes produzidos com esses amidos foram menos opacos que os filmes produzidos com amido nativo, como apresentado na Tabela 2, que é claramente visível também na Figura 2. Essa característica é extremamente interessante para quase todas as aplicações de bioplásticos.

[052] Como apresentado na Figura 3, é possível observar nas imagens obtidas no MEV que os filmes produzidos com amido de batata ozonizado apresentam uma morfologia mais homogênea devido à despolimerização das moléculas de amido, que também influenciaram a interação entre o amido e o plastificante. No caso do filme produzido com amido nativo de batata, é possível visualizar uma estrutura mais irregular.

[053] Essas propriedades são interessantes na elaboração de diversos tipos de embalagens e produtos plásticos, como produção de sacos e sacolas, descartáveis, recobrimento de produtos (como frutas e vegetais) ou de superfícies, entre outras possíveis aplicações.
Tabela 1.Módulo de Young e elongação de filmes biodegradáveis produzidos a partir de amido modificado por ozônio.

Tabela 2.Molhabilidade (expressa em ângulo de contato), permeabilidade ao vapor de água, solubilidade e opacidade de filmes biodegradáveis produzidos a partir de amido modificado por ozônio.

[054] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims (12)

1. Filme biodegradável, caracterizado por compreender amido e/ou fécula modificado por ozônio.
2. Filme biodegradável, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma concentração que varia de 2 a 10% de amido e/ou fécula.
3. Filme biodegradável, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender mais preferivelmente uma concentração de 5% de amido e/ou fécula.
4. Filme biodegradável, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender a proporção de ozônio para amido que varia entre 0,001-1%.
5. Filme biodegradável, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de compreender mais preferivelmente uma proporção de 0,5% de amido/ozônio.
6. Filme biodegradável, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender opcionalmente uma concentração que varia de 0,1 a 5% de plastificante e uma concentração que varia de 0,5 a 1% de nanopartículas de reforço.
7. Filme biodegradável, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender mais preferivelmente uma concentração de 1,25% de plastificante e uma concentração de 0,5% de nanopartículas de reforço.
8. Filme biodegradável, de acordo com as reivindicações 6 e 7, caracterizado pelo plastificante ser selecionado do grupo que compreende glicerol, sorbitol e açúcar invertido.
9. Filme biodegradável, de acordo com as reivindicações 6 a 7, caracterizado pelas nanopartículas de reforço serem selecionadas do grupo que compreende nanoargilas, nanofibras e nanocelulose.
10. Filme biodegradável, de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracterizado por apresentar o módulo de Young de 60 a 65 MPa, uma taxa de elongação de 19 a 30%, uma taxa de molhabilidade de 60 a 70°, uma permeabilidade ao vapor d'água de 20 a 26 g-mm/dia-m2-kPa, uma solubilidade de 30 a 37% e uma opacidade de 7 a 10%.
11. Uso do filme biodegradável, conforme definido nas reivindicações 1 a 10, caracterizado por ser na produção de bioplásticos.
12. Uso do filme biodegradável de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelos bioplásticos pertencerem ao grupo que compreende embalagens, talheres descartáveis, recobrimentos de produtos e revestimento de superfície.

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