Películas e revestimentos fabricados a partir de resíduos que contêm quitina
Biorefinaria para o processamento de quitina e produção de quitosano de alta qualidade
O processamento de crustáceos provenientes da pesca, a produção de proteínas de insectos ou o cultivo de cogumelos geram grandes quantidades de resíduos contendo quitina. O Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB estabeleceu uma cadeia de processos para o tratamento da quitina, a fim de utilizar estes fluxos de resíduos de uma forma que acrescente valor. As tecnologias permitem a produção de quitosana de elevada pureza, que pode ser utilizada, entre outras coisas, para revestimentos sustentáveis. As películas transparentes feitas de quitosano são adequadas como embalagens descartáveis biodegradáveis e poderiam substituir os plásticos feitos a partir de petróleo bruto.
O biopolímero quitina é formado como material estrutural principalmente por crustáceos, insectos e fungos e é o segundo biopolímero mais comum na Terra depois da celulose vegetal. Devido ao seu teor de azoto, a quitina já é utilizada como fertilizante e condicionador do solo na agricultura ou para a produção de quitosano. Até à data, no entanto, apenas a quitina extraída das carapaças de caranguejo tem sido utilizada comercialmente. No entanto, a indústria alimentar e a biotecnologia estão a produzir cada vez mais centenas de milhares de toneladas de resíduos contendo quitina em todo o mundo: Peles de insectos provenientes da produção de proteínas de insectos, resíduos miceliais da fermentação com fungos ou resíduos de poda do cultivo de cogumelos.
Os investigadores do Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB conseguiram agora utilizar exoesqueletos de insectos e resíduos de micélio da fermentação de fungos como fonte de quitina para a produção de quitosano. Para o efeito, o instituto estabeleceu uma cadeia de processos para a preparação de quitina, na qual os fluxos residuais e de resíduos são processados de acordo com o princípio de uma biorefinaria e convertidos em materiais valiosos.
As películas de quitosano são adequadas para aplicações de embalagem devido à sua elasticidade e transparência equilibradas.
© Fraunhofer IGB
Extração suave de quitina de várias fontes
A composição dos resíduos que contêm quitina difere de organismo para organismo. A quitina da carapaça do caranguejo e dos insectos, por exemplo, tem de ser libertada de depósitos de cálcio e proteínas, enquanto a quitina do micélio dos fungos está frequentemente ligada a glucanos. "Adaptámos os nossos processos de extração de quitina aos vários resíduos e adaptámos as etapas de separação e processamento necessárias à respectiva composição química", explica o Dr. Thomas Hahn, que há muitos anos investiga o processamento de quitina no Fraunhofer IGB. Isto também incluiu o desenvolvimento ou o aperfeiçoamento de métodos analíticos para avaliar o sucesso do processamento. Só conhecendo a composição química exacta da biomassa que contém quitina é que o processamento desta valiosa matéria-prima pode ser harmonizado. O investigador utiliza métodos analíticos recentemente estabelecidos para verificar o teor de quitina dos produtos intermédios após cada etapa individual de purificação.
Sustentável e económico ao mesmo tempo
A fim de preservar as propriedades físico-químicas da quitina, esta deve ser separada da restante biomassa o mais suavemente possível. Por isso, a Hahn prefere utilizar meios aquosos ou enzimas para remover seletivamente as impurezas. Para garantir que a implementação industrial subsequente também seja económica, o químico avalia e optimiza os passos individuais do processo à escala laboratorial no que diz respeito ao aumento de escala. "Se, por exemplo, os solventes, reagentes ou água de lavagem puderem ser reduzidos ou recirculados, isso tem um efeito positivo nos custos de todo o processo", diz Hahn.
Conversão optimizada de quitina em quitosana
A quitosana, solúvel em água e, portanto, versátil, é produzida pela desacetilação da quitina. No entanto, a produção de quitosano a partir da quitina não é trivial e requer experiência e requinte químico. O processo ocorre geralmente a altas temperaturas e em condições quimicamente drásticas. "No decurso dos nossos muitos anos de trabalho de investigação, conseguimos atenuar as condições de reação, optimizá-las ainda mais e aumentar o rendimento", diz Hahn. Com os passos de purificação adequados, o químico consegue obter quitosano com mais de 90% de pureza - a partir de carapaças de caranguejo, bem como de micélio de fungos e peles de insectos.
A análise subsequente do peso molecular, do grau de desacetilação e da purificação do respetivo produto de quitosano já fornece indicações iniciais de possíveis aplicações. A Hahn também detecta possíveis incompatibilidades com reticulantes no teste de placa de fundição em solvente especialmente desenvolvido, no qual a formação de filme e a capacidade de inchaço são testadas.
Quitosano: biopolímero versátil como substituto dos polímeros derivados do petróleo
O quitosano é extremamente versátil: tem um efeito antibacteriano e inibidor de odores, tem propriedades de adesão e de regulação da viscosidade, pode formar películas - e é completamente biodegradável. Devido às suas propriedades antimicrobianas e hemostáticas e à sua excelente biocompatibilidade, o quitosano é utilizado em pensos para feridas; a indústria cosmética já está a utilizar a sua capacidade de reter a humidade - sob a forma de componentes hidratantes e de cuidado da pele em cremes e loções.
Como o biopolímero fornece sítios de ligação para outras funcionalidades ou moléculas, Hahn também o modificou de várias formas em colaboração com o instituto. Por exemplo, pode ser utilizado como uma matriz para um acabamento hidrofóbico sem flúor para têxteis ou como um floculante de base biológica para o tratamento de águas residuais complexas.
A capacidade de formar películas predestina o biopolímero para revestimentos e películas para substituir os polímeros derivados do petróleo. A Hahn produziu películas transparentes após a adição de reticulantes de base biológica. "Graças à sua elasticidade e transparência equilibradas, as películas de quitosana são ideais como embalagens descartáveis sustentáveis, de base biológica e biodegradáveis, por exemplo, na indústria alimentar", explica Hahn. Outra vantagem é que a utilização industrial de recursos disponíveis localmente pode substituir as matérias-primas fósseis e reduzir a dependência das cadeias de abastecimento internacionais.
Abrigo de CHITIN [C8H13NO5]: Protótipos de design têxtil feitos de fibras fiadas
Inspirada pela origem natural e pelas propriedades do material, a equipa de design da SurrealLabor explorou o quitosano como matéria-prima para aplicações têxteis. No âmbito do projeto "CHITIN [C8H13NO5] shelter", financiado pela rede Fraunhofer "Science, Art and Design" e com o apoio científico de Thomas Hahn, foram fiados fios de quitosano num sistema de laboratório construído especificamente para este fim, utilizando processos de extrusão e fiação húmida, e transformados num tecido têxtil como protótipo de design. Com a produção, o desenvolvimento e a otimização da produção de fiação de quitosano, a equipa pretende desenvolver um novo recurso de base biológica para a indústria têxtil e contribuir para uma visão da economia circular do futuro.
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