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Título: Produção, caracterização e avaliação da degradação de compósitos poliméricos incorporados com lipase e estruturas metalorgânicas
Título(s) alternativo(s): Production, characterization and evaluation of degradation of polymeric composites incorporated with lipase and metalorganic frameworks
Autor(es): Castro, Michael da Conceicao de
Orientador(es): Baron, Alessandra Machado
Palavras-chave: Catálise heterogênea
Catalisadores
Biodegradação
Compostagem
Heterogeneous catalyses
Catalysts
Biodegradation
Composting
Data do documento: 20-Set-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Londrina
Citação: CASTRO, Michael da Conceicao de. Produção, caracterização e avaliação da degradação de compósitos poliméricos incorporados com lipase e estruturas metalorgânicas. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2024.
Resumo: Plásticos e materiais poliméricos derivados de combustíveis fósseis se tornaram um problema ambiental devido ao fato de serem mal geridos e demandarem muito tempo para se degradarem. Logo, a necessidade de substituição desses materiais por outros de fonte natural, de base biológica ou biodegradável tornou-se urgente. Estudar modelos de degradação desses polímeros por meio de incorporação de materiais que visem acelerar a degradação destes compostos pode auxiliar na resolução da problemática de poluição e estender para estudos com polímeros não biodegradáveis. A utilização de poliésteres biodegradáveis tem sido investigada em escala industrial por possuírem ligações ésteres passíveis de serem hidrolisadas. O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver compósitos poliméricos à base de poli (butileno adipato-co-tereftalato) (PBAT) e amido termoplástico (ATp), incorporados com lipase de Burkholderia lata (BLL) e estruturas metalorgânicas (MOF) Fe-BDC e verificar a degradação destes compósitos por compostagem. A lipase foi adicionada na forma livre (BLL) e imobilizada (BLL@BDC) com a mesma quantidade de unidades de atividade. A lipase foi imobilizada em MOF Fe-BDC simultaneamente por adsorção e encapsulamento. Estudos de estabilidade da BLL@BDC à temperatura (20 a 150 °C, até 1 h), e ao pH (2,5 a 10, 1 h) foram realizados antes da incorporação aos compósitos. Observou-se que a BLL@BDC apresentou atividade residual de 62,73 ± 5,03, 53,79 ± 6,46 e 43,28 ± 2,02% (120 °C) por 5, 8 e 10 minutos e atividade residual de 125 ± 8.36% em pH 4. Quatro tipos de compósitos foram produzidos por extrusão e injeção, POL (controle), que consiste na combinação dos polímeros PBAT/ATp. Estes dois polímeros estão na proporção 240:200 g em todos os compósitos produzidos. Para os demais, incorporou-se 21 g de lipase liofilizada (POL-BLL), 5 g de BDC (POL-BDC) e 5 g de BLL@BDC (POL-BLL@BDC). A menor densidade foi para POL-BDC (2,25 ± 1,6 g cm-3) e a maior para o POL (3,43 ± 0,12 g cm-3). A perda de massa em água (PMA) variou de 10,75 ± 1,00 % (POL) a 50,90 ± 0,84% (POL-BDC). A incorporação de FeBDC causou redução de 57% na capacidade de resistir à cargas e 68,5% na capacidade elástica do material, se comparado ao material controle. As análises de cor mostraram que os compósitos POL-BDC e POL-BLL@BDC apresentaram mudança de cor significativamente visível ao olho humano. Após a compostagem, os compósitos passaram por mudanças de coloração e redução de massa, tendo o compósito com incorporação de Fe-BDC apresentado aproximadamente 64% de redução de massa no período de 68 dias, o que constata o aumento na degradação do material se comparado ao material controle. O composto (substrato presente nas leiras de compostagem) atende aos parâmetros estabelecidos pela Instrução Normativa nº 61/2020 do MAPA, garantindo a segurança para o uso em agricultura e protegendo a saúde humana, animal e o meio ambiente.
Abstract: Plastics and polymeric materials derived from fossil fuels have become an environmental problem due to their poor management and long degradation times. Therefore, the need to replace these materials with others from natural, bio-based or biodegradable sources has become urgent. Studying degradation models of these polymers by incorporating materials that aim to accelerate the degradation of these compounds can help solve the pollution problem and extend to studies with nonbiodegradable polymers. The use of biodegradable polyesters has been investigated on an industrial scale because they have ester bonds that can be hydrolyzed. The main objective of this work was to develop polymeric composites based on poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) and thermoplastic starch (TPS), incorporated with Burkholderia lata lipase (BLL) and Fe-BDC metal-organic frameworks (MOFs), and to verify the degradation by composting of these composites. The lipase was added in free (BLL) and immobilized (BLL@BDC) form with the same amount of activity units. The lipase was immobilized in Fe-BDC MOF simultaneously by adsorption and encapsulation. Stability studies of BLL@BDC at temperature (20 to 150 °C, up to 1 h) and pH (2.5 to 10, 1 h) were performed before incorporation into the composites. It was observed that BLL@BDC presented residual activity of 62.73 ± 5.03, 53.79 ± 6.46 and 43.28 ± 2.02% (120 °C) for 5, 8 and 10 min and residual activity of 125 ± 8.36% at pH 4. Four types of composites were produced by extrusion and injection, POL (control), which consists of the combination of PBAT/TPS polymers. These two polymers are present in the proportion of 240:200 g in all composites produced. For the others, 21 g of lyophilized lipase (POL-BLL), 5 g of BDC (POL-BDC) and 5 g of BLL@BDC (POLBLL@BDC) were incorporated. The lowest density was for POL-BDC (2.25 ± 1.6 g cm-3) and the highest for POL (3.43 ± 0.12 g cm-3). The weight loss in water (WWL) ranged from 10.75 ± 1.00% (POL) to 50.90 ± 0.84% (POL-BDC). The incorporation of Fe-BDC caused a 57% reduction in the load-bearing capacity and 68.5% in the elastic capacity of the material, when compared to the control material. Color analysis showed that the POL-BDC and POL-BLL@BDC composites presented a color change significantly visible to the human eye. After composting, the composites underwent color changes and mass reduction, with the composite incorporating FeBDC presenting approximately 64% mass reduction in the period of 68 days, which confirms the increase in material degradation compared to the control material. The compost (substrate present in the composting windrows) meets the parameters established by Normative Instruction No. 61/2020 of MAPA, ensuring safety for use in agriculture and protecting human and animal health and the environment.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35700
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