Production of cellulose-based bioplastics from agroindustrial residues

Abstract

O desenvolvimento de plásticos biodegradáveis e de base biológica desempenham um papel fundamental na transição para uma economia circular, nomeadamente em aplicações de caso único, como embalagens. Esta tipologia de materiais basia-se no uso de matérias-primas renováveis, na possibilidade de reciclagem orgânica e na economia de recursos por reprocessamento. A biomassa lignocelulósica destaca-se como uma fonte promissora de biopolímeros naturais, sendo os resíduos agroindustriais uma fonte atraente devido à sua disponibilidade, baixo custo e alto teor de celulose. Paralelamente, é igualmente importante que os produtos emergentes de base biológica acompanhem as tendências do mercado, nomeadamente no uso de técnicas de processamento ecológicas e no desenvolvimento de materiais com propriedades ativas. No presente trabalho pretendeu-se desenvolver bioplásticos de base celulósica a partir de resíduos agroindustriais. Estes foram identificados com base num diagnóstico e na implementação de um modelo linear, tendo siso selecionado o caroço do milho como matéria prima a estudar. Um pretratamento combinado de dois estágios (tratamento hhidrtérmico seguido da reação com solução diluída de hidróxido de sódio) foi realizado para extrair a sua fração celulósica. A celulose extraída foi utilizada para produção de acetato de celulose atavés de uma técnica acetilação sem a presença de um meio solvente para dissolução. Na síntese do acetato de celulose obteve-se um grau de substituição de 2,68 e um rendimento de 60%. O acetato de celulose produzido apresentou ainda características adequadas para a preparação de filmes com características mecanicas significativas. Avaliação do ciclo de vida foi realizada para contabilizar os impactos ambientais associados à aplicação conjunta das ténicas de pré-tratamento e acetilação. A análise de ciclo de vida mostrou que as técnicas utilizadas repercutiram em impactos ambientais menos significativos que os gerados por abordagens convencionais. Um bionanocompósito foi produzido através da dissolução do acetato de celulose sinterizado em uma suspensão coloidal contendo nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de magnesio, obtida a partir da ablação a laserdos metais percussores em diclorometano. A técnica utilizada possibilitou a produção de filmes bioplásticos sem o uso de qualquer outro reagente químico ou geração de subprodutos.

Bio-based and biodegradable plastics play a key role towards the successful transition to a circular economy, namely regarding the application of single-use products, such as packaging. The benefits brought by this class of materials rest on the use of renewable resources of raw-materials, organic recycling and resource-saving by reprocessing. Lignocellulosic biomass stands out as a promising source of natural biopolymers, being the agroindustrial residues are especially attractive alternative due to their availability, low-cost and high cellulose content. On top of that, it is likewise important that the emerged bio-based products keep up with the latest trends on the market, which are focused on the use of eco-friendly processing techniques and development of active materials. In this regard, the present thesis is intended to develop cellulose-based bioplastics from agroindustrial residues. Potential agroindustrial residues were identified based on a diagnosis study and on the implementation of a linear model, from which corncob was selected as the raw material to be studied. A combined two-stage liquid hot water/dilute-NaOH pretreatment was carried out to extract its cellulose content. Furthermore, cellulose acetate (CA), a recognized biodegradable polymer, was synthesized from the extracted cellulose by a solvent-free method using iodine as catalyst. The cellulose acetate synthesis resulted in substitution degree of 2.68 and yield of 60%. The synthesized CA was suitable to produce films with remarkable mechanical properties. A life cycle assessment (LCA) was modeled in order to count the environmental impacts resulting from the joint application of pretreatment/acetylation techniques. The LCA showed that, in response to the less consumption of chemicals and high yield of acetylation, the proposed techniques have environmental impacts less significant than those of conventional approaches. A bionanocomposite was produced via the direct dissolution of the synthesized CA in a colloidal suspension containing titanium dioxide and magnesium oxide, the latter obtained through the laser ablation of bare metal targets in an appropriate solvent. The processing technique used allowed the production of bioplastic films without the use of any other chemical reagent or generation of byproducts.