Agrociência

Desenvolvimento de biocompósitos baseados em resíduos vegetais e fungos.

Guilhermina Marques (1.2,3), Alexandra Rebelo (2), Pedro Mendes (3), Daniela Silva (2), Tiago Pereira (2), Paula Luísa Silva (2,4) (1) Centro de Investigação e Tecnologias Agro-Ambientais e Biológicas, CITAB, UTAD, Vila Real; (2) Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro; (3) Spawnfoam, Lda., Regia-Douro Park, Parque da Ciência e Tecnologia de Vila Real; (4) Centro de Química de Vila Real, CQVR

Introdução
As preocupações ecológicas e os problemas associados aos combustíveis fósseis têm impulsionado o desenvolvimento de materiais menos poluentes e mais sustentáveis, como é o caso dos biocompósitos (Alemdar e Sain, 2008).
A utilização industrial de materiais de fibras naturais, à base de celulose e outros compostos orgânicos, apresenta grande interesse pelo menor custo, quando comparadas com os materiais convencionais como a fibra de vidro e outros materiais inorgânicos, mas sobretudo por serem materiais biodegradáveis (Alemdar e Sain, 2008).
São muito diversos os materiais que podem ser utilizados no desenvolvimento destes compósitos mais amigos do ambiente. Para além dos compostos de origem vegetal como a lenhina, a celulose e a hemicelulose, que são os recursos orgânicos mais abundantes, muitos outros polissacáridos estão já a ser extensivamente usados na agricultura, na indústria alimentar e na indústria farmacêutica (Hatakeyama e Hatakeyama, 2004).
Um compósito é usualmente definido como um material composto por duas ou mais fases: uma matriz (ou uma fase contínua) e pelo menos uma fase dispersa. A fase contínua é responsável pela estrutura principal do compósito e atua como um suporte para o material disperso. A fase dispersa é, geralmente, responsável pela melhoria de uma ou mais propriedades da matriz e o sinergismo entre estas duas fases permite a preparação de materiais com propriedades diferentes das exibidas pelos constituintes individuais (Baptista et al., 2013.).
No caso dos biocompósitos constituídos por resíduos florestais, estes funcionam como matriz que pode ser colonizada pelo micélio dos fungos que vai assumir o papel de fibras de reforço. Na produção de biocompósitos baseados em fungos, existe a necessidade de que o substrato possua uma composição favorável ao seu crescimento. As fontes de carbono para os fungos podem ser glucose, sacarose, dextrose e polissacáridos complexos como o amido, a celulose e a lenhina. Materiais como varas de podas, palhas, restos de culturas agrícolas, corte de matos, serrins e farelos são ricos em celulose, hemicelulose e lenhina, constituindo boas matrizes para o crescimento de muitos fungos, em particular os fungos da podridão branca (Dias et al., 2010).
O crescimento de um fungo numa matriz rica em celulose, funcionando como material disperso, garante a biodegradabilidade e também todas as propriedades mecânicas indispensáveis para determinadas aplicações industriais. São várias as propriedades que tornam estes materiais promissores para aplicações tecnológicas: 1) são ambientalmente seguros por não conterem compostos tóxicos; 2) não são derivados de petróleo; 3) não competem com a produção de alimentos; 4) são materiais leves, renováveis e biodegradáveis; 5) permitem a obtenção de formas complexas (apenas dependente do molde utilizado); 6) possibilidade de obtenção de materiais com densidade e outras propriedades variáveis; 7) podem ser revestidos para melhor acabamento final; 8) possibilidade de incorporação, na sua estrutura, de compostos para diversas aplicações, como adubos ou biofertilizantes.
Estes biocompósitos constituem alternativas mais ecológicas e sustentáveis devido à redução da dependência de combustíveis fósseis e das emissões gasosas, para além da biodegradabilidade e da possibilidade de, no final do uso, poder retomar ao início do processo incorporando a matriz de novo biocompósito. As características do material final, como elasticidade, resistência mecânica, densidade, estabilidade térmica ou impermeabilidade, podem variar com os fungos e as matérias-primas utilizadas, embora existam ainda poucos estudos nesta área.
Neste trabalho é apresentada a produção de compósitos biodegradáveis baseados em fungos e resíduos florestais e a avaliação de algumas propriedades químicas e mecânicas.

Preparação dos biocompósitos
Preparação da matriz. Para a preparação da matriz foram utilizados serrins de diversas espécies lenhosas, nomeadamente pinheiro, castanheiro e faia, isoladamente ou em misturas, adicionados ou não de aditivos. As misturas de materiais foram mergulhadas em água durante algumas horas, ou durante a noite, e posteriormente introduzidas nos moldes rectangulares. Alguns aditivos utilizados foram café, farinha de ossos, amido e nanocelulose. Os moldes foram introduzidos em sacos termorresistentes e autoclavados durante 30 minutos a 121 °C.

Inoculação Após o arrefecimento, os substratos foram inoculados com os fungos. Duas espécies adequadas para a produção de biocompósitos e que têm sido utilizadas neste trabalho são Ganoderma lucidum e Pleurotus ostreatus, pela grande capacidade lenhinolítica que apresentam. Estes podem ser cultivados em meio de cultura líquido ou em meio sólido em grãos de cereais, para uma boa dispersão do micélio no substrato (Figura 1). O inóculo foi distribuído no substrato e o saco novamente fechado.

Figura 1 – Frutificação do fungo Pleurotus ostreatus (esquerda) e crescimento do micélio em grãos de cereais para produção do inóculo (direita)

Incubação. A incubação decorreu durante 2 a 3 semanas numa câmara com temperatura e humidade controlada, à temperatura de 28 °C e humidade relativa de 80%.

Secagem e tratamento térmico. Quando o substrato se apresenta completamente colonizado e coberto pelo micélio branco, considera-se terminado o processo. Para o acabamento submete-se o compósito à secagem em estufa ventilada, à temperatura de 50 °C durante 8 horas. Esta etapa tem como objetivo eliminar a água presente no compósito e inativar o fungo, impedindo o seu crescimento e atividade posterior. O compósito atinge as suas características finais de resistência e densidade após a secagem (Figura 2).

Figura 2- Aspeto do biocompósito após secagem em estufa

Figura 3 – Ensaios de tração/compressão

Caracterização química e Mecânica
A caracterização, química e morfológica, foi realizada utilizando as seguintes técnicas: Difração de Raios-X (DRX), Espectroscopia de Infravermelhos por Transformada de Fourier (FTIR-ATR), Microscopia Eletrónica de Varrimento (MEV) com “mapping” e análise química da composição dos substratos.
Na análise de resistência à compressão utilizou-se uma máquina de ensaios de tração/compressão, INSTRON 8801 (Figura 3).
Os resultados obtidos por DRX mostram tratar-se de um material com uma presença destacada de celulose e uma cristalinidade da ordem dos 55%, o que permite prever propriedades mecânicas adequadas às aplicações em causa. Através do FTIR verificou-se a presença de água, ligações C-H que podem ser associadas a moléculas de celulose, amidas e ligações associadas à lenhina, amorfa e rígida.
A análise química feita no substrato, antes da inoculação, mostrou que a relação C/N era próxima de 30, encontrando-se dentro do intervalo favorável ao crescimento dos fungos (20-50). As imagens de microscopia electrónica e “mapping” (Figura 4) representam duas localizações diferentes do substrato: interface e volume. Em ambas, é possível verificar a colonização do substrato pelas hifas do fungo e como o micélio desenvolve uma camada superficial rica em melanina. As imagens de MEV revelaram boa colonização fúngica do substrato, proporcionando a rigidez e consistência desejadas. O mapeamento indica que os principais nutrientes para o crescimento fúngico estão uniformemente dispersos.

Figura 4 – Fotomicrografias de MEV e “mapping”. O mapeamento revela que os elementos carbono (verde), oxigênio (vermelho), magnésio (roxo), fósforo (azul), potássio (azul), encontram-se bem dispersos por todo o substrato

Aplicações dos biocompósitos baseados em fungos
A produção agrícola e florestal, bem como diversas agro-indústrias produzem anualmente toneladas de resíduos que podem ver valorizados na produção de biocompósitos 100% biodegradáveis, permitindo dar um destino útil a estes resíduos e contribuir para a economia circular. A economia circular é um modelo de desenvolvimento que permite devolver os resíduos ao ciclo produtivo através da sua reutilização, recuperação e reciclagem, assegurando assim maior eficiência e sustentabilidade na utilização dos recursos (Ellen MacArthur Foundation, 2015).
Pelos princípios da economia circular, os resíduos transformam-se em matérias-primas, permitindo obter benefícios do ponto de vista ambiental e social mas também gerar benefícios económicos. Os desenvolvimentos recentes na área dos biocompósitos baseados em resíduos vegetais têm permitido a substituição de muitos polímeros derivados de petróleo, como o polietileno (PE) e o polipropileno (PP). Pelas suas propriedades, podem ser utilizados na insonorização e no isolamento térmico de edifícios, na construção civil, na constituição de componentes da indústria automóvel e na produção de embalagens em substituição do poliestireno expandido ou esferovite, que apresenta um elevado impacto ambiental.
Outras das áreas que podem beneficiar deste tipo de biocompósitos são os sectores agrícola e florestal, na produção de contentores e vasos biodegradáveis que facilitam a plantação, protegem a raízes e evitam os resíduos plásticos no solo.
Estes biocompósitos podem ser moldados em qualquer forma e assumir diferentes propriedades, como impermeabilidade ou anti-inflamabilidade, de acordo com algumas modificações no processamento ou no acabamento final.

REFERÊNCIAS Bibliográficas
Alemdar, A. e Sain, M., 2008. Biocomposites from wheat straw nanofibers: Morphology, thermal and mechanical properties. Composites Science and Technology, 68: 557–565.
Baptista, A., Ferreira, I. e Borges, J.P. 2013. Cellulose-based Composite Systems for Biomedical Applications. In Biomass-based Biocomposites. Smithers Rapra Technology (UK). Pp: 47-60.
Dias, A.A., Freitas, G.S., Marques, G.S., Sampaio, A., Fraga, I.S., Rodrigues, M.A.M., Evtuguin, D.V., Bezerra, R.M.F. 2010. Enzymatic saccharification of biologically pre-treated wheat straw with white-rot fungi. Bioresource Technology 101: 6045-6050.
Ellen MacArthur Foundation, 2015. Growth Within: A circular economy vision for a competitive Europe.
Hatakeyama, T. & Hatakeyama, H., 2005. Thermal Properties of Green Polymers and Biocomposites. Kluwer Academic Publishers.
Segal, L., Creely, J.J., Martin, A.E. e C. M. Conrad. C.M. , 1959. An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ray Diffractometer. Textile Research Journal, 29 (10): 786-794.

 

Publicado na Voz do Campo nº 201 (fevereiro 2017)