Polímeros e plásticos de base biológica
No passado, quase todos os plásticos e polímeros eram derivados de fonte fóssil. Há alguns anos, no entanto, surgiram no mercado polímeros de base biológica. Estes são produzidos a partir de matérias-primas renováveis (biomassa). Polímeros de base biológica são produtos onde pelo menos uma parte do polímero é feita de materiais provenientes de fontes renováveis, como cana-de-açúcar ou milho. A parte restante do polímero pode ser composta por carbono obtido de recursos fósseis. O maior uso de materiais de base biológica pode ajudar a reduzir o impacto climático da produção de polímeros, tornando-a mais sustentável. Como fornecedora de polímeros de base biológica, a Kuraray preparou as seguintes informações sobre a situação atual deste pequeno, mas promissor, segmento da indústria de plásticos voltado para o futuro.
Plásticos de origem fóssil vs. plásticos de base biológica
Os polímeros de base biológica são polímeros sustentáveis sintetizados a partir de recursos renováveis, como biomassa, em vez de matérias-primas convencionais de origem fóssil, como petróleo e gás. Na maioria dos casos, a síntese é baseada em processos biológicos ou bioquímicos. Esses produtos de base biológica são neutros em carbono ou compensam as emissões de carbono. Em outras palavras, a combustão não aumenta a concentração de dióxido de carbono na atmosfera.
O uso intensivo de recursos fósseis, como petróleo, carvão e gás, afeta negativamente as mudanças climáticas. Existe uma correlação direta entre as mudanças climáticas e o efeito estufa, que é causado pelo aumento na concentração de gases de efeito estufa na atmosfera. O gás de efeito estufa mais comum é o dióxido de carbono (CO₂), que é liberado na combustão de recursos de origem fóssil. O uso de mais recursos renováveis reduziria o efeito estufa e as emissões de CO₂ na atmosfera.
Quando os seres humanos introduzem recursos de origem fóssil no ciclo do carbono, eles perturbam o equilíbrio natural. O aumento da liberação de dióxido de carbono proveniente de produtos de origem fóssil (combustíveis, produtos químicos, plásticos, etc.) aumenta a concentração de carbono na atmosfera, pois a maioria das emissões de carbono não pode ser compensada pela fotossíntese ou por outros processos naturais. Consequentemente, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera aumenta, levando ao efeito estufa. O resultado é a mudança climática global.
Os plásticos e polímeros convencionais são produzidos quase inteiramente a partir de matérias-primas de origem fóssil. O uso mais intensivo de recursos renováveis, como biomassa, na produção de polímeros ajudaria a reduzir o efeito estufa.
Benefícios dos polímeros de base biológica
Os polímeros de base biológica são produzidos utilizando recursos renováveis (biomassa) como substituto para matérias-primas de origem fóssil. O uso de matérias-primas de base biológica na cadeia de produção aumenta a proporção de substâncias biológicas nos produtos finais e potencializa seu “apelo verde” no mercado.
Base biológica nem sempre significa biodegradável
Muitas pessoas, incluindo stakeholders da indústria de plásticos, presumem que base biológica significa biodegradável. No entanto, base biológica e biodegradável não são necessariamente idênticas. Os polímeros de base biológica podem ser biodegradáveis, mas muitas vezes não são.
Base biológica refere-se à origem de um material. No caso de polímeros de base biológica, isso significa que os polímeros são baseados em matérias-primas renováveis. Por outro lado, biodegradável é um atributo funcional: significa que o material pode ser decomposto por microrganismos, pois serve como nutriente para eles.
O método de 14C pode ser utilizado para verificar se os materiais são de base biológica e, portanto, elegíveis para certificação conforme a norma ASTM D6866, desenvolvida pela American Society of Testing and Materials (ASTM). A certificação é concedida pela DIN CERTCO (na Alemanha) ou pela Vinçotte (na Bélgica). Os produtos finais podem receber diferentes logotipos de certificação, dependendo da porcentagem do carbono no polímero de base biológica que provém de fontes “verdes”.
A biodegradabilidade pode ser determinada usando testes padronizados que atendem aos requisitos das normas europeias DIN EN 13432 e DIN EN 14995 e da norma americana ASTM D6400. No futuro, a pesquisa terá como objetivo identificar se os polímeros são biodegradáveis e encontrar maneiras de tornar polímeros não degradáveis, biodegradáveis.
Teste de biodegradabilidade
A biodegradabilidade de um polímero é determinada por sua estrutura química, não pela matéria-prima a partir da qual é produzido. Mais da metade dos polímeros de base biológica são biodegradáveis nas condições adequadas, oferecendo uma solução para plásticos que acabam no meio ambiente porque não podem ser coletados e reciclados. Além disso, se esses plásticos forem biodegradáveis, eles não causam poluição por microplásticos.
Entre os polímeros que não são biodegradáveis por conta própria, alguns podem ser modificados por aditivos para facilitar sua biodegradação.
O papel fundamental do isótopo 14C
Cientistas desenvolveram um processo especial para identificar o conteúdo de base biológica dos polímeros. Esse método é baseado na medição da concentração do isótopo natural de carbono 14C no polímero. Uma concentração muito baixa desse isótopo está presente nos tecidos de todos os organismos vivos. Embora o isótopo 14C seja instável, sua concentração permanece constante devido à interação contínua entre o organismo e o ambiente.
Quando um organismo morre, ele deixa de absorver átomos de 14C da atmosfera, e a concentração do isótopo em seus tecidos começa a diminuir. A meia-vida do isótopo 14C é de 5.700 anos. Após 50.000 anos, sua concentração em um material é tão baixa que se torna indetectável. Portanto, os combustíveis fósseis (petróleo, gás, carvão) já não contêm quantidades detectáveis do isótopo 14C, assim como os produtos fabricados a partir deles. Em contrapartida, produtos fabricados com matérias-primas renováveis possuem uma concentração mensurável de 14C. Dessa forma, é possível distinguir entre plásticos de origem fóssil e plásticos de base biológica e determinar a concentração de biomassa em um plástico como o polietileno.
Métodos de teste padrão
Propriedades como biodegradabilidade e compostabilidade são definidas em várias normas internacionais. Para garantir a conformidade com essas normas, um produto deve ser totalmente biodegradável por microrganismos que ocorrem naturalmente.
No entanto, mesmo polímeros de base biológica que não atendem aos padrões formais podem ser escolhas atraentes de material, desde que seu desempenho atenda ao uso pretendido: eles substituem parcialmente os recursos fósseis e aumentam a proporção de substâncias biológicas nos produtos finais.
Produção de polímeros de base biológica
Existem duas maneiras diferentes de produzir polímeros de base biológica: produção direta de polímeros ou produção de monômeros de base biológica seguida de polimerização (bio)química.
A rota de produção direta envolve a biossíntese por microrganismos, algas, plantas e um tipo de organismo conhecido como autotróficos. O biopolímero de origem vegetal mais comum é a celulose, disponível em grandes quantidades. Outros tipos comuns incluem hemicelulose, amido, inulina e pectina. Os principais polissacarídeos são quitina e quitosana, que são produzidos por animais. Esses biopolímeros naturais são encontrados no exoesqueleto de insetos e crustáceos, e também são produzidos por alguns tipos de fungos. Microrganismos também são fontes importantes, especialmente de polissacarídeos extracelulares (EPS). As principais fontes de polímeros de base biológica incluem bactérias, fungos e algas.
O segundo método de obtenção de polímeros de base biológica é a polimerização de monômeros de base biológica. O ponto de partida aqui é 1,3-propanodiol (PDO). Esse álcool divalente é um dos produtos mais antigos conhecidos da fermentação anaeróbica. Ele é produzido a partir de glicerina, um subproduto do biodiesel, com a ajuda de bactérias. Embora se tenha assumido que o uso generalizado de biodiesel poderia resultar em superprodução de glicerina, ela ainda é mais cara do que a glicose.
O sucesso do PDO é considerado um marco importante porque levou à pesquisa de outras formas de acoplar monômeros de base biológica e monômeros convencionais, o que poderia aumentar o uso de materiais de base biológica em polímeros. O desenvolvimento do PDO levou à síntese de novos polímeros a partir de monômeros de base biológica. Exemplos incluem a produção de polilactídeo (PLA) a partir de ácido lático, poli(butileno succinato) (PBS) a partir de ácido succínico, polietileno a partir de etanol de base biológica e copolímeros em bloco de estireno-farneseno hidrogenado (HSFC) a partir de estireno e beta-farneseno, um produto desenvolvido pela Kuraray.
Exemplos de polímeros de base biológica
A linha SEPTON™ BIO-series é polimerizada a partir de beta-farneseno – um monômero de base biológica obtido da cana-de-açúcar – e blocos de estireno (HSFC) com teor de biomassa de 50-80 por cento. Este produto versátil tem boa performance de aderência, força adesiva e propriedades de amortecimento. O uso do SEPTON™ BIO-series pode aumentar o conteúdo de biomassa do produto final.
A Kuraray Liquid Farnesene é polimerizada a partir de beta-farneseno (homopolímero) ou beta-farneseno e butadieno (copolímero de farneseno-butadieno). E Ela é usada principalmente em pneus e outros componentes automotivos, contribuindo assim para um futuro mais sustentável.
Status atual da indústria de polímeros de base biológica
A produção de polímeros de base biológica tornou-se muito mais profissional e diversificada nos últimos anos. Muitos produtores e fornecedores começaram a desenvolver alternativas de base biológica para praticamente todas as aplicações. Como já existem diversos produtores de polímeros de base biológica, é difícil monitorar todas as capacidades planejadas e instaladas e verificar se estão operacionais.
Um panorama realista do mercado é agora possível graças a pesquisas detalhadas do nova-Institute na Alemanha, incluindo entrevistas com especialistas internacionais e profissionais que trabalham com polímeros de base biológica. De acordo com o relatório de mercado e tendências “Bio-based Building Blocks and Polymers – Global Capacities, Production and Trends 2019-2024”, publicado pelo nova-Institute, os polímeros de base biológica ainda representam um pequeno nicho de mercado. Segundo o relatório, a produção total de polímeros de base biológica foi de 3,8 milhões de toneladas em 2019. Isso representa apenas 1% da produção total de plásticos de origem fóssil, mas cerca de 3% a mais do que em 2018. No entanto, a taxa de crescimento anual composta (CAGR) para a capacidade de produção e o output de polímeros de base biológica é estimada em aproximadamente 13,8% entre 2020 e 2027.
Baixa aceitação política de polímeros de base biológica
Atualmente, há uma falta de apoio político para os polímeros de base biológica. Até agora, os políticos têm ignorado os dois principais benefícios dos polímeros de base biológica: primeiro, o uso de carbono renovável obtido de biomassa em vez de carbono fóssil no processo de produção; e segundo, o fato de que muitos deles são biodegradáveis. Polímeros de base biológica são atualmente considerados um compromisso de baixo nível entre sustentabilidade e eficiência econômica.
Em 2019, a União Europeia legislou para proibir plásticos de uso único para os quais existem alternativas viáveis a partir do verão de 2021. Nenhuma exceção é feita para produtos que são biodegradáveis e/ou produzidos a partir de materiais de base biológica. Quase todos os plásticos de base biológica e biodegradáveis receberam o mesmo status dos plásticos de origem fóssil e foram proibidos. Apenas os chamados “polímeros naturais”, ou seja, polímeros produzidos pela natureza, estão isentos da proibição.
Em resumo, o mercado de polímeros de base biológica continua sendo desafiador no momento devido aos baixos preços do petróleo e à falta de apoio político.
Olhando para o futuro
A produção de biomateriais totalmente bio-baseados sob medida (como polihidroxialcanoatos [PHA], polissacarídeos, etc.) ainda não é uma tarefa simples. Isso levou à pesquisa de versões parcialmente bio-baseadas de polímeros petroquímicos estabelecidos (como PET) e ao desenvolvimento de novos polímeros parcialmente bio-baseados.
O desenvolvimento de ferramentas genéticas oferece esperança de que plásticos totalmente bio-baseados possam ser desenvolvidos no futuro. No entanto, com base no estado atual do conhecimento, esses materiais ainda são considerados o menor denominador comum no compromisso entre sustentabilidade e eficiência de custo. No mercado globalizado e em rápida mudança de hoje, nem o preço nem o idealismo podem ser considerados verdadeiros motores para o futuro dos polímeros de base biológica. Em última análise, a chave para o sucesso desses materiais será seu desempenho e propriedades específicas. A médio prazo, esses aspectos provavelmente serão o foco da pesquisa.
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