Faculdade de Engenharia Química
THIAGO LOPES DA SILVA
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE PARTÍCULAS À BASE DE BLENDAS ENTRE SERICINA E ALGINATO PARA APLICAÇÃO
AMBIENTAL
Campinas/SP 2016
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Rose Meire da Silva - CRB 8/5974
Silva, Thiago Lopes da,
Si38d SilDesenvolvimento e avaliação de partículas à base de blendas entre sericina e alginato para aplicação ambiental / Thiago Lopes da Silva. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.
SilOrientador: Meuris Gurgel Carlos da Silva. SilCoorientador: Melissa Gurgel Adeodato Vieira.
SilTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
Sil1. Adsorção. 2. Alginatos. 3. Proteínas. 4. Prata. 5. Metais. 6. Metais pesados. 7. Metais nobres. I. Silva, Meuris Gurgel Carlos da,1955-. II. Vieira, Melissa Gurgel Adeodato,1979-. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Development and evaluation of particles produced from blends
between sericin and alginate for environmental applications
Palavras-chave em inglês: Adsorption Alginate Protein Silver Metals Heavy metals Noble metals
Área de concentração: Engenharia Química Titulação: Doutor em Engenharia Química Banca examinadora:
Meuris Gurgel Carlos da Silva [Orientador] Marcelino Luiz Gimenes
João Jorge Ribeiro Damasceno Maria Regina Wolf Maciel Sônia Maria Alves Bueno
Data de defesa: 25-08-2016
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Química
AGRADECIMENTOS
Agradeço inicialmente à minha família, meus pais Mara Rubia Ranzani Lopes e Laercio Lopes da Silva, e aos meus irmãos Diego Fernando Lopes da Silva e Ana Carolina Lopes da Silva, pelo apoio, por acreditarem sempre em mim e pela motivação que sempre estiveram dispostos a me oferecer. A saudade foi sempre constante em nossas vidas, mas mesmo distantes o amor de vocês me dava forças e me deixava mais forte.
Ao meu companheiro, Rafael Felipe Fransão, pelo amor e paciência durante todo o processo.
À minha orientadora prof. Meuris Gurgel Carlos da Silva e minha co-orientadora Melissa Gurgel Adeodato Vieira, pelo acompanhamento e orientação desse trabalho. A experiência e conhecimento foram fundamentais para o desenvolvimento dessa tese.
Ao prof. Marcelino Gimenes (UEM), pelo apoio ao trabalho e por sua solicitude. Também, aos professores que aceitaram participar das bancas de avaliação e que sempre contribuíram para o desenvolvimento de trabalho de maior qualidade com suas sugestões.
Aos atuais amigos de laboratório LEA/LEPA e aos que já passaram por ele: Manuella Cantuária, Danilo Dorini, Solenise Kamura, Absolon Carvalho, Emanuelle Freitas, Jacyara Vidart, Letícia Lima, Camila Stefanne, Saulo Cardoso, Jacqueline, Bárbara Gonçalves. Especialmente, agradeço a Livia Lima pelo apoio, ajuda em várias etapas do trabalho, amizade e companheirismo. Tenho certeza que vocês farão parte de minha vida para sempre.
Aos amigos que fiz ou reencontrei em Campinas e àqueles que dividiram meu lar por aqui: Rafael Cuerda, Allan Charles, Tiago Balbino, Sidmara Bedin, Raphael Machado (Raphinha), Glaucia Mardegan, Ana Dias, Simone Monteiro, Mario Izidoro, Jean e Juliana.
À Faculdade de Engenharia Química - UNICAMP e seus funcionários pela colaboração no desenvolvimento desse trabalho.
Ao CNPq pela bolsa concedida, e ao CNPq e a FAPESP pelo suporte financeiro.
À empresa de fiação BRATAC pela doação dos casulos utilizados nesse estudo.
RESUMO
A sericina é uma proteína constituinte do casulo do bicho-da-seda que usualmente é descartada no efluente do processo da manufatura e fiação da seda. O alginato é um polissacarídeo extraído de algas marrons, abundantes nas costas marítimas em todo o mundo, com capacidade de se gelificar na presença de Ca2+ formando
hidrogéis. Ambos são biopolímeros biodegradáveis que, devido às suas estruturas químicas, apresentam capacidade de interação com poluentes, como metais tóxicos, e metais nobres. Este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de partículas a partir da blenda entre sericina e alginato visando sua aplicação em processos de adsorção de metais tóxicos e nobres presentes em águas residuárias. O desenvolvimento do projeto envolveu as etapas de investigação dos métodos e das condições de extração da sericina do casulo (processo de degomagem) e dos processos de fracionamento da sericina da solução obtida na etapa de degomagem para ser utilizada na preparação de blendas para produção de partículas adsorventes. Avaliou-se a afinidade das partículas por metais tóxicos (Cu, Cd, Ni, Zn, Pb, Cr) e metais nobres (Au, Pt, Pd, Ag) e o estudo cinético e de equilíbrio foi realizado avaliando-se a adsorção de prata pelas partículas obtidas. Os processos de extração da sericina em autoclave, micro-ondas e chapa de aquecimento foram avaliados sendo que o processo de extração em autoclave (120ºC, 1 kgf/cm2) no
tempo de 40 min apresentou o maior rendimento. O aumento da concentração da sericina em solução foi avaliado por meio dos fracionamentos por precipitação por congelamento/descongelamento e por álcool etílico e por evaporação em aquecimento em estufa. O método de fracionamento por congelamento/descongelamento permitiu a obtenção da mais alta concentração de sericina na solução fracionada (28,65 g/L). A análise de distribuição de massa molar demonstrou que o método de degomagem empregado solubilizou sericina de alta massa molar (valores maiores que 400 kDa) sendo que o perfil foi mantido após o processo de fracionamento da proteína. Com relação à formação de blenda e produção de partículas, foram avaliadas diferentes proporções entre sericina e alginato na composição da blenda e também diferentes processos de reticulação: reticulação com radiação UV, reticulação com o agente reticulante dimetiluréia (DMU), reticulação térmica, processo de reticulação com polietilenoglicol diglicídico (PEG); e o efeito do processo da gelificação da blenda em solução aquosa e etanólica de cálcio também foram investigados. A proporção de 2 % m/V de alginato e 2,5 % m/V de sericina se mostrou a mais adequada para a produção das partículas e a reticulação térmica a 100 ºC foi a que forneceu a menor solubilidade das partículas e a maior capacidade adsortiva para os íons de zinco e cobre. A adição de PEG na blenda na mais baixa proporção (0,2 g de PEG /g de sericina) promoveu a menor solubilidade das partículas. A afinidade da partícula pelos metais tóxicos, com exceção do Ni, foi considerada satisfatória. A ordem de afinidade observada para os metais nobres foi Au > Pd > Pt > Ag, sendo que os resultados obtidos na afinidade de prata foram satisfatórios e os estudos cinéticos e de equilíbrio foram realizados com este metal. Os modelos de pseudoprimeira e pseudossegunda ordens ajustaram-se adequadamente aos dados experimentais e o modelo de difusão intrapartícula demonstrou que essa é também uma etapa limitante na velocidade de adsorção de prata. O estudo do equilíbrio indicou comportamento favorável com relação à adsorção sendo que o modelo de Freundlich apresentou os maiores valores de R2 e menores valores de desvios
médios relativos. A capacidade adsortiva máxima obtida pelo modelo de Langmuir foi de 1,750 mmol/g (188,8 mg de prata / g de partícula). No desenvolvimento dessa tese foi possível definir a condições dos processos de extração e produção de partículas a partir de blendas entre sericina, alginato e PEG; que apresentaram resultados satisfatórios quanto a adsorção de metais tóxicos e nobres. Os resultados obtidos indicaram o potencial uso das partículas em processos de descontaminação de águas contaminadas com metais.
Palavras chave: adsorção, sericina, alginato, metais, prata.
ABSTRACT
Sericin is a protein of silkworm cocoon that is usually discharged in the effluent from the silk manufacturing process. Alginate is a polysaccharide extracted from brown algae, which is abundant on coasts around the world. It presents gelation ability in the presence of Ca2+, forming hydrogels with low solubility. Both are biodegradable
biopolymers that due to their chemical structure have potential to interact with pollutants, such as toxic metals, and noble metals. This study aimed to evaluate the production of particles from the blend between degummed sericin and alginate and their ability to adsorb toxic and noble metals present in residual water. The development of the project involved the investigation of extraction methods and conditions (degumming processes) and techniques to increase the amount of sericin in the degummed solution. The concentrated solution obtained was used in the preparation of blends for the production of adsorbent particles. The affinity of the particles for toxic metals (Cu, Cd, Ni, Zn, Pb, Cr) and noble metals (Au, Pt, Pd, Ag) was evaluated. kinetic study and equilibrium study were carried out investigating silver adsorption by particles. The degumming processes of sericin in an autoclave, microwave and hot plate were evaluated in 40, 60 and 80 min. The extraction in autoclave (120 ºC, 1 kgf/cm2) exhibited the highest extraction percentages in all
evaluated times. The time of 40 min was more efficient in sericin removal from the cocoon. The processes to increase sericin concentration in degummed solution were evaluated via precipitation by freezing/thawing, precipitation with ethyl alcohol and heating in oven. The freezing/thawing method provided the highest concentration of sericin in the concentrated solution (28.65 g/L). The molar mass distribution analysis demonstrated that the degumming method employed was capable to solubilize high molar mass sericin (values greater than 400 kDa) and the molar protein profile was maintained after the protein was concentrated. The gelation technique, dripping blends in aqueous and alcoholic Ca2+ solutions, was applied to produce particles
with different blend proportions of sericin and alginate. Crosslinking processes were investigated: UV radiation crosslinking procedure, crosslinking with dimethylurea (DMU), thermal crosslinking; crosslinking process with poly(ethylene glycol) diglycidyl ether (PEG) in order to improve the articles properties. The proportion of 2 % w/V alginate and 2.5% w/V sericin proved be the most suitable for particles production. The particles crosslinked at 100 ºC reached the lower solubility and larger adsorptive capacity for zinc and copper ions. The addition of PEG to the blend at the lowest proportion (0.2 g PEG / g of sericin) decreased the particles water solubility. The order of affinity of metal to the particles for the noble metals was Au > Pd> Pt > Ag. With exception for Ni, to toxic metal achieve satisfactory percentage removal from metal solution. Since the results obtained for silver adsorption were satisfactory, kinetic and equilibrium studies were performed with this metal. Pseudo-first order and pseudo-second order models fit appropriately to experimental data and the intraparticle diffusion model showed that it is also a limiting step in the silver adsorption rate. The Freundlich model showed the highest R2 values and lower
values of relative average deviations. The maximum adsorption capacity obtained by Langmuir model was 1.750 mmol/g (188.8 mg silver/g particle). In the development of this thesis it has been possible to define the conditions of the extraction processes and particles from blends between sericin, alginate and PEG; which showed satisfactory results as the adsorption of toxic and noble metals. The results indicate
the potential use of the particles in water decontamination processes contaminated with metals.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1: Estágios de desenvolvimento do bicho-da-seda (Bombyx mori): ... 31
Figura 2.2: Ilustração do ciclo de vida do bicho-da-seda. ... 32
Figura 2.3: Estrutura da fibra da seda ... 33
Figura 2.4: Estrutura química do alginato de sódio: (a) os dois monômeros (sacarídeos) que compõem o alginato; (b) cadeia linear do alginato; (c) sequência de blocos das cadeias do polímero ... 45
Figura 2.5: Reticulação (cross-linking) iônico causado pelos íons cálcio entre as cadeias de alginato -Egg-box model. ... 46
Figura 2.6: Reticulação por ligação covalente do alginato com polietilenoglicol diamina. ... 49
Figura 2.7: Representação do processo de adsorção. ... 56
Figura 2.8: Principais comportamentos das isotermas (McCABE et al., 2000). ... 66
Figura 2.9: Classificação de Brunauer para isotermas. ... 67
Figura 3.1: Casulos do bicho-da-seda: A – forma recebida; B – casulo preparado . 74 Figura 3.2: Erlenmeyers preparados para a extração em autoclave ... 78
Figura 3.3: Representação do sistema de radiação UV. ... 87
Figura 3.4: Esquema simplificado do processo de gotejamento (gelificação iônica). ... 90
Figura 4.1: Porcentagem média de sericina extraída nas extrações em Autoclave, Chapa de Aquecimento e Micro-ondas nos diferentes tempos avaliados. 105 Figura 4.2: Concentração da sericina na solução inicial e final. ... 110
Figura 4.3: Solução de sericina submetida a evaporação em estufa a 100ºC. ... 111
Figura 4.4: Massas molares dos padrões pululana em função do tempo de retenção... 113
Figura 4.5: Distribuição de massa molar da sericina extraída em autoclave. ... 114
Figura 4.6: Distribuição de massa molar da sericina concentrada por precipitação em etanol e da sericina permeada no processo de filtração dos aglomerados proteicos. ... 115
Figura 4.7: Distribuição de massa molar das proteínas presentes na solução concentrada e permeada do processo de congelamento e descongelamento. ... 117
Figura 4.8: Partículas preparadas a partir de solução de sericina 5% m/V depositadas em placa de Petri contendo etanol. ... 120 Figura 4.9: Partículas formadas a partir do gotejamento, em solução aquosa e alcoólica de cloreto de cálcio, da blenda entre sericina 2% m/V e alginato de sódio 3% m/V em diferentes distâncias*. ... 121 Figura 4.10: Partículas formadas a partir do gotejamento da blenda entre sericina 2% e alginato de sódio 3% m/V em etanol anidro. ... 122 Figura 4.11: Micrografias das superfícies das partículas de sericina (2,5 % m/V) e alginato (1% - A, B; 2% - C, D; 3% m/V - E, F) gotejadas em solução aquosa (A, C, E) e alcoólica (B, D, F) de CaCl2 . ... 130
Figura 4.12: Espectro de FTIR das partículas secas A, B, C, D, E e F (Tabela 4.6). ... 131 Figura 4.13: Diagramas de especiação metálica em função do pH para os íons Zn2+
e Cu2+. ... 134
Figura 4.14: Capacidade adsortiva (qe) e redução da concentração (%) de Cu2+ nos
testes de afinidade metálica, para as partículas úmidas e reticuladas termicamente. ... 135 Figura 4.15: Capacidade adsortiva (qe) e redução da concentração (%) de Zn2+ nos
testes de afinidade metálica, para as partículas úmidas e reticuladas termicamente. ... 136 Figura 4.16: Estrutura química do éter polietilenoglicol diglicidil (PEG)... 139 Figura 4.17: Diagramas de especiação metálica em função do pH para o cobre (Cu2+), níquel (Ni2+), cádmio (Cd2+), chumbo (Pb2+), cromo (Cr3+) e prata
(Ag+) ... 143
Figura 4.18: Potencial Zeta em função do pH para as partículas de sericina/alginato/PEG (P7 – Tabela 4.9). ... 147 Figura 4.19: Cinéticas obtidas e as respectivas modelagens de pseudoprimeira e pseudossegunda ordens para as concentrações iniciais de prata:0,33; 0,90 e 1,65 mmol.L-1. ... 150
Figura 4.20: Cinéticas obtidas e as respectivas modelagens para o modelo de difusão intrapartícula para as concentrações iniciais de prata: 0,33, 0,90 e 1,65 mmol.L-1. ... 153
Figura 4.21: Curvas de isotermas obtidas experimentalmente para as temperaturas de 25 ºC, 40 ºC e 55 ºC. ... 155
Figura 4.22: Ajustes dos modelos de Langmuir e Freundlich aos resultados experimentais para as isotermas à 25 ºC, 40 ºC e 55 ºC. ... 156 Figura 4.23: Dados de equilíbrios isotérmicos em baixas concentrações. ... 160 Figura 4.24: Espectroscopia na região do infravermelho para a sericina, alginato, partícula de sericina/alginato, sericina/alginato/PEG e da partícula com prata adsorvida: sercicina/alginato/PEG/Ag. ... 162 Figura 4. 25: Análises térmicas TGA, DTA e DTG das partículas antes e após o processo de adsorção de prata: partículas (A) Sericina/Alginato/PEG e (B) Sericina/Alginato/PEG/Prata. ... 165
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Aminoácidos constituintes da sericina. ... 35 Tabela 2.2: Padrões para o lançamento de efluentes (CONAMA, Resolução no 430,
2011). ... 51 Tabela 2.3: Propriedades da prata (RSC, 2016). ... 52 Tabela 2.4: Tecnologias convencionais de remoção de metais tóxicos de efluentes líquidos (Volesky, 2001). ... 55 Tabela 2.5: Tabela comparativa entre a quimissorção e fisissorção (Ruthven, 1984).
... 58 Tabela 2.6: Principais características dos adsorventes comerciais (Geankoplis, 2003). ... 59 Tabela 4.1: Porcentagem de extração de sericina dos casulos, extração máxima obtida e eficiência do processo, por três diferentes métodos. ... 104 Tabela 4.2: Avaliação estatística pela comparação das médias de extração de sericina para os três métodos avaliados. ... 105 Tabela 4.3: Aumentos da concentração de sericina na solução extraída em autoclave. ... 109 Tabela 4.4: Características das partículas formadas a partir do gotejamento de blendas com diferentes proporções entre sericina e alginato em solução aquosa e alcoólica de cloreto de cálcio. ... 123 Tabela 4.5: Porcentagem de umidade [ω (%)] e solubilidade [Sω (%)] das partículas úmidas produzidas em solução aquosa e alcoólica de CaCl2. ... 124
Tabela 4.6: Porcentagem de umidade das partículas úmidas (ω), Solubilidade em água das partículas úmidas (SW), Solubilidade das partículas secas (SD). 127
Tabela 4.7: Porcentagem de massa solubilizada (SD) das partículas reticuladas
termicamente. ... 132 Tabela 4.8: Solubilidade das partículas úmidas e secas produzidas a partir da blenda com o agente reticulante PEG. ... 138 Tabela 4.9: Composição das partículas utilizadas nos ensaios de afinidade. ... 142
Tabela 4.10: Porcentagem de remoção (%) dos metais nobres e tóxicos em solução monocomposta após o processo de adsorção. ... 144 Tabela 4.11: Capacidade adsortiva (qe – [mmol do metal/g de partícula]) de metais
tóxicos e nobres das partículas de sericina a alginato e sericina/alginato/PEG. ... 144 Tabela 4.12: Parâmetros obtidos com o ajuste dos modelos cinéticos aos dados experimentais nas concentrações iniciais de prata de 0,33 mmol.L-1, 0,90
mmol.L-1 e 1,65 mmol.L-1. ... 151
Tabela 4.13: Parâmetros obtidos nos ajustes dos modelos de Langmuir, Freundlich e Dubinin-Radushkevich aos dados experimentais para as isotermas de 25 ºC, 40 ºC e 55 ºC. ... 157 Tabela 4.14: Grandezas termodinâmicas obtidas para o processo de adsorção de prata por partículas de sericina/alginato/PEG. ... 159 Tabela 4.15: Densidade real e volume de poros das partículas de sericina/alginato/PEG antes e após o processo de adsorção da prata. .... 166
SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES ... 10 LISTA DE TABELAS ... 13 CAPÍTULO 1 ... 20 1. INTRODUÇÃO ... 20 1.1 Motivação da Pesquisa ... 20 1.2. OBJETIVOS ... 24 1.2.1 Objetivo Geral ... 24 1.2.2 Objetivos específicos ... 24 CAPÍTULO 2 ... 26
2. REVISÃO E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 26
2.1 Bicho-da-seda ... 30
2.2 Proteínas da seda ... 34
2.2.1 Fibroína ... 34
2.2.2 Sericina ... 34
2.3 Processos de extração da sericina – degomagem dos casulos ... 37
2.4 Fracionamento e métodos de separação da sericina ... 39
2.5 Agentes reticulantes da sericina ... 40
2.6 Aplicações da sericina ... 42
2.7 Alginato ... 44
2.8 Metais tóxicos ... 50
2.8.1. Efluentes contaminados com prata (Ag) ... 52
2.8.2. Métodos de remoção de metais tóxicos de efluentes ... 54
2.9. Adsorção ... 55
2.9.1. Adsorventes ... 58
2.10. Estudo da Cinética de Adsorção ... 61
Modelo de pseudoprimeira ordem ... 62
Modelo de pseudossegunda ordem ... 63
Modelo de difusão intrapartícula ... 63
Mecanismos de bioadsorção - Equação de Boyd ... 64
2.11. Isotermas de Adsorção – o estudo do equilíbrio ... 65
Modelo de Langmuir ... 67
Modelo de Freundlich ... 68
Modelo de Dubinin- Radushkevich (D-R) ... 69
2.12. Estudo Termodinâmico ... 70 Parâmetros termodinâmicos ... 70 2.13 Inovações no estudo ... 72 CAPÍTULO 3 ... 74 3. MATERIAIS E METODOLOGIA ... 74 3.1 Casulos do bicho-da-seda ... 74 3.2 Extração da sericina ... 74
3.2.1 Preparação dos casulos para extração ... 75
3.2.2 Processos de extração de sericina ... 75
3.2.2.1 Extração em chapa de aquecimento ... 76
3.2.2.2 Extração em forno de micro-ondas ... 77
3.2.2.3 Extração em autoclave ... 77
3.3 Métodos de aumento da concentração da sericina em solução ... 80
3.3.1 Fracionamento por congelamento/descongelamento ... 81
3.3.2 Fracionamento por precipitação com álcool etílico ... 82
3.3.3 Aumento da concentração de sericina por aquecimento (evaporação) em estufa ... 83
3.5 Processos de reticulação ... 84
3.5.1 Reticulação com dimetiluréia (DMU) ... 85
3.5.2 Reticulação com polietilenoglicol diglicídico (PEG) ... 86
3.5.3 Reticulação com radiação UV ... 87
3.6 Preparo das partículas ... 88
3.6.1 Blenda de sericina e alginato. ... 88
3.6.2 Avaliação da porcentagem de alginato na blenda... 92
3.6.3 Avaliação da temperatura de reticulação ... 92
3.7 Conteúdo de Umidade ... 93
3.8 Porcentagem de massa solubilizada em água ... 93
3.9 Preparo das soluções de metais ... 94
3.10 Especiação metálica ... 95
3.11 Adsorção dos íons metálicos ... 96
3.11.1 Avaliação da Afinidade ... 96
3.11.2 Avaliação Cinética ... 97
3.11.3 Avaliação do Equilíbrio e Obtenção das Grandezas Termodinâmicas . 98 3.12 Caracterização dos Materiais ... 99
3.12.1 Identificação de Grupos Funcionais ... 99
3.12.2 Variação de massa ... 100
3.12.3 Morfologia de superfície e diâmetro das partículas... 100
3.12.4 Potencial de carga superficial - Potencial Zeta (pHZPC) ... 101
3.12.5 Massa específica ... 101
3.12.6 Área superficial e volume de poros ... 101
3.13 Análise Estatística ... 102
CAPÍTULO 4 ... 103
4. RESULTADOS... 103
4.2 Fracionamento e concentração da sericina em solução ... 108
4.3 Avaliação das distribuições de massa molar das soluções concentradas e fracionadas ... 112
4.3 Produção de Partículas ... 118
4.3.1 Partículas de sericina ... 118
4.3.2 Avaliação dos processos de formação da blenda entre sericina e alginato ... 120
4.4. Caracterização das partículas da blenda entre sericina e alginato ... 123
4.4.1 Avaliação da radiação UV e da incorporação de DMU como agente reticulante ... 124
4.4.2 Avaliação da reticulação térmica nas partículas produzidas a partir de sericina e alginato ... 126
4.4.2.1 Efeitos da composição da blenda das partículas e da solução de CaCl2 na reticulação. ... 127
a) Morfologia da superfície das partículas ... 129
b) Identificação dos grupos funcionais ... 130
c) Avaliação da reticulação térmica ... 132
d) Teste de afinidade – Partículas reticuladas termicamente ... 134
e) Avaliação da incorporação de PEG à blenda de sericina e alginato ... 137
4.5 Afinidade metálica ... 140
4.6 Potencial de carga superficial ... 146
4.7 Avaliação cinética ... 149
4.8 Equilíbrio de adsorção ... 154
4.9 Avaliação termodinâmica ... 158
4.10 Caracterização das partículas – avaliação comparativa antes e pós processo ... 161
4.10.1 Identificação dos grupos funcionais ... 161
4.10.3 Densidade real, área superficial... 166
5. CONCLUSÕES ... 168
6. SUBMISSÃO DE TRABALHOS CIENTÍFICOS... 171
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 175
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Motivação da Pesquisa
Presente no casulo do bicho-da-seda (Bombyx mori), a sericina é uma proteína globular usualmente descartada nos efluentes líquidos dos processos de degomagem e fiação da seda, que pode, caso disposta incorretamente, impactar negativamente o ambiente.
Aproximadamente, um milhão de toneladas de casulos verdes são processadas anualmente no mundo. Estima-se que cerca de 50.000 toneladas de sericina sejam descartadas com o efluente líquido dos processos de fiação (ARANWIT et al., 2012, ZHANG, 2002). A presença de sericina confere ao efluente altas concentrações de DQO (Demanda Química de Oxigênio), DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) e teor de nitrogênio, sendo que os valores de DQO e DBO desses efluentes atingem concentrações em torno de 8870 mg/L e 4840 mg/L, respectivamente (VAITHANOMSAT e KITPREECHAVANICH, 2008), fato este que leva à contaminação ambiental caso o processo de depuração não seja aplicado de forma adequada. Os processos de estabilização desses efluentes, com alto teor de matéria orgânica, envolvem os processos de tratamento biológico com custos elevados (FABIANI et al., 1996).
A recuperação da sericina dos efluentes de processamento da seda representa, além da diminuição do impacto ambiental negativo, uma forma de agregar valor ao processo produtivo da seda. Incluem-se os benefícios diretos que os pequenos sericultores poderão usufruir, devido ao maior valor que o produto cultivado poderá atingir.
A sericina é uma proteína globular hidrossolúvel, que apresenta grande capacidade de absorção de água, além das propriedades anti-oxidantes, antibactericidas e de resistência à radiação UV (MONDAL et al., 2007; ZHANG, 2002). Apesar de tratada como resíduo do processo industrial, as propriedades físicas e químicas desta proteína possibilitam sua utilização em diversos materiais (ARAMWIT et al., 2010; KURIOKA et al., 2004).
As limitações no desenvolvimento de biomateriais à base de sericina são decorrentes da capacidade dessa proteína existir em várias formas, dependendo do seu método de extração e purificação. Dessa forma, aplicações específicas requerem que a forma de obtenção e preparo dos materiais sejam adequadamente investigados, como por exemplo, a obtenção de proteína de alta massa molar por fracionamento (ARANWIT et al., 2012, 2010a).
Dentre as aplicações da sericina, muitas pesquisas têm sido realizadas para o desenvolvimento de biomateriais na área médica, aproveitando-se da biocompatibilidade dessa proteína com as células animais. Aranwit et al. (2010a) investigaram a viabilidade da utilização de estruturas porosas de sericina para o crescimento de células, demonstrando ser possível a utilização desse material devido à baixa toxicidade apresentada. Mandal et al. (2009) avaliaram o crescimento celular de fibroblastos em estruturas porosas e filmes de sericina. Neste estudo, as células se mostraram cito-compatíveis com o material analisado indicando o potencial uso do biopolímero em enxertos.
Outros estudos têm sido realizados no desenvolvimento de biofilmes (GIMENES et al., 2007), membranas funcionais (ARANWIT et al., 2010), membranas de permeação seletiva entre água e álcool, compostos poliméricos, como agentes umectantes em cosméticos (SOTHORNVIT et al., 2010; ZHANG, 2002), dentre outros produtos.
Apesar do conhecimento da interação que o material proteico tem por metais e determinados corantes e da ampla quantidade de biomateriais produzidos à base de sericina, observa-se uma clara escassez de estudos que investiguem a utilização da proteína no desenvolvimento de biomateriais para aplicações ambientais. Até o presente momento, a utilização desse tipo de estrutura 3-D em processos de adsorção de metais e outros poluentes não foram reportados na literatura científica. Chen et al. (2011) estudaram a recuperação de metais tóxicos em solução a partir de sericina em pó. Xinqing et al. (2012), também utilizando sericina em pó, avaliaram a remoção de corantes em solução sintética. Robson (1985) reportou a complexação de metais em solução contendo sericina dissolvida. A utilização de material solubilizado ou em pó dificulta sua utilização em processos de adsorção industrial, devido, por exemplo, à impossibilidade de utilização de leitos contínuos.
A sericina apresenta fracas propriedades estruturais e alta solubilidade em água, motivo pelo qual seu uso e estudos voltados à área de formação de partículas 3-D para fins ambientais foram sempre negligenciados (DASH et al., 2009). Porém devido à facilidade de reticulação, copolimerização e de formação de blendas, muitas das limitações da sericina podem ser resolvidas (ARANWIT et al. 2012, 2010; ALTMAN et al., 2003).
Alginato de sódio, um polímero natural, pode ser utilizado juntamente com a sericina de modo a produzir materiais com melhores propriedades físicas e químicas. Também chamado de ácido algínico, este composto é um polissacarídeo coloidal hidrofílico proveniente de bactérias e, principalmente, de algas marrons, de onde sua extração é realizada na presença de álcali diluído. É o único polissacarídeo que contém, naturalmente, grupos carboxílicos em cada constituinte residual e possui várias habilidades funcionais. Alginato e seus sais carboxílicos apresentam características interessantes, como, biocompatibilidade, biodegradabilidade, capacidade de viscosificação e a capacidade de formar géis insolúveis (gelificação iônica) por meio de reações com cátions divalentes, especialmente cálcio (DAEMI E BARIKANI, 2012; GRASDALEN, 1983; GRASDALEN et al., 1979).
A ausência de pesquisas que investiguem a utilização da sericina e a formação de partículas adsorventes, e suas interações na formação de blendas, como é o caso do alginato, para remoção de metais presentes em águas residuárias motiva a realização deste trabalho. A facilidade de formação de blendas e a capacidade de reticulação desses materiais também foram importantes para justificar a pesquisa.
Metais tóxicos, de maneira geral, são perigosos devido aos problemas que podem causar no ambiente e nos seres vivos. Essas substâncias promovem danos a tecidos vivos e o desenvolvimento de inúmeras doenças e problemas fisiológicos, além de ser bioacumulados e representar um risco a todos os níveis tróficos do ecossistema. Metais nobres, como a prata, são empregados em muitas atividades industriais e a exposição a esse material é relacionada com o desenvolvimento de vários problemas de saúde. A remoção de formas solúveis desse metal em efluentes promove uma minimização do impacto ambiental relacionado à sua disposição incorreta. Além disso, sua recuperação apresenta um grande interesse
econômico, em comparação com outros metais, devido ao alto valor comercial dessa substância.
Assim, o objetivo deste estudo foi avaliar a remoção de metais nobres e tóxicos a partir do processo de adsorção por partículas formadas por sericina e alginato juntamente com o agente reticulante éter polietilenoglicol diglicídico (PEG).
1.2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é avaliar a remoção de metais nobres (Au, Pt, Pd, Ag) e tóxicos (Cu, Cd, Ni, Zn, Pb, Cr) por partículas formadas a partir de sericina e alginato. O desenvolvimento do estudo foi dividido em três etapas. A primeira envolveu a determinação das condições experimentais da extração física (degomagem) da sericina dos casulos do bicho-da-seda – Bombyx mori, e o consequente fracionamento e concentração da sericina no extrato para obtenção de proteína de alta massa molar. A sericina obtida foi utilizada na segunda etapa para a preparação de partículas adsorventes, a partir da blenda entre a sericina e o alginato. Na terceira etapa foram realizados os experimentos de bioadsorção e aplicação dos modelos matemáticos apropriados.
1.2.1 Objetivo Geral
Avaliar o potencial de aplicação das partículas obtidas a partir da blenda entre alginato e sericina de alta massa molar visando à aplicação do bioadsorvente produzido na remoção de metais nobres e pesados, em baixas concentrações, presentes em águas residuárias.
1.2.2 Objetivos específicos
(A) Realizar experimentos de extração da sericina dos casulos do bicho-da-seda – Bombyx mori, avaliando diferentes metodologias. Diferentes métodos de extração e tempos de extração foram avaliados, no caso: extração em chapa de aquecimento, extração em micro-ondas, extração em autoclave em diferentes tempos. O método mais apropriado foi escolhido a partir do maior rendimento obtido, ou seja, o método que removeu a maior quantidade de sericina do casulo.
(B) Efetuar experimentos de fracionamento e concentração da sericina a partir da solução obtida na degomagem do casulo. Nessa etapa foram avaliados a
concentração da sericina por aquecimento em estufa, o fracionamento por precipitação com etanol e o fracionamento por congelamento e descongelamento.
(C) Avaliar a distribuição de massa molar da sericina obtida no processo de degomagem e fracionamento.
(D) Preparar partículas a partir da blenda entre a sericina e alginato e reticulantes (Dimetilureia - DMU, radiação UV).
(E) Avaliar as características das partículas produzidas: solubilidade, umidade. (F) Avaliar os processos de reticulação térmica das partículas em diferentes
temperaturas.
(G) Avaliar os processos de reticulação química covalente pela adição de éter polietilenoglicol diglicídico (PEG) à blenda.
(H) Caracterizar as partículas obtidas.
(I) Realizar ensaios de afinidade metálica monocomposto do bioadsorvente com diferentes íons metálicos nobres e tóxicos – Pd, Pt, Au, Ag, Cu, Cd, Ni, Pd, Cr. (J) Determinar o pH ideal para o processo de adsorção, considerando o pH mais
eficiente para a fase sólida (pHzpc) e para a fase fluida através de estudo de especiação metálica (aplicativo HYDRA).
(K) Realizar ensaios de bioadsorção em banho com prata: estudo cinético e de equilíbrio.
(L) Avaliar os modelos matemáticos de modo a avaliar e interpretar os resultados obtidos nos experimentos adsortivos.
CAPÍTULO 2
Neste capítulo serão apresentados a revisão bibliográfica e a fundamentação teórica dos assuntos relativos à realização dessa tese de doutorado.
2. REVISÃO E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A sericultura é uma das atividades agrícolas mais antigas da história. A atividade integrada sericultor-indústria abrange o cultivo das amoreiras (Morus sp.), utilizadas na alimentação do bicho-da-seda, e a produção, desde a obtenção dos ovos até o cultivo das lagartas e formação dos casulos (CONAB, 2012). Os casulos por sua vez são utilizados, principalmente, para a produção dos fios de seda na indústria têxtil.
A domesticação do bicho-da-seda foi estabelecida há milhares de anos (MENDONÇA et al., 2010). Desenvolvido primeiramente na China, frequentemente o processo de fabricação da seda é atribuído a Fo Xi, o Imperador Amarelo, que governou a China de 2677 a 2597 a.C. De acordo com a lenda, foi ele quem iniciou o cultivo do bicho-da-seda e das amoreiras para alimentação dos insetos. O desenvolvimento do método de degomagem e enovelamento dos fios é conferido à esposa do imperador, Xi Lingshi, que teria observado o que acontecia aos casulos quando um destes caiu de uma amoreira em sua xícara de chá quente (GOLDSMITH et al., 2005; KURIN, 2002).
A despeito das histórias enaltecedoras do Imperador Fo Xi, descobertas arqueológicas indicam que o cultivo da seda pode ser mais antigo do que se acredita. Fragmentos de tecido de seda e uma caneca com casulo do bicho-da-seda nela esculpido foram encontrados no Vale Yangzi, na China meridional, e datam de 4000 – 5000 anos a.C. Outras descobertas do período do Imperador Fo Xi como um pedaço de tecido de seda, encontrado no sudoeste da província de Zhejiang - China, e casulos do bicho-da-seda, encontrados no Vale do rio Amarelo no norte da China, são datadas de 3000 e 2500 anos a.C., respectivamente (KURIN, 2002).
Independentemente da datação exata do início do processo de fabricação da seda, o fato é que há milhares de anos o homem estabelece uma relação íntima
com o bicho-da-seda. O bicho-da-seda é o único inseto totalmente domesticado sendo completamente controlado e dependente dos seres humanos para a sobrevivência, alimentação e reprodução (GOLDSMITH et al., 2005).
Em 1848 ocorreu a introdução da sericultura no território brasileiro. No estado do Rio de Janeiro foi fundada a Companhia Seropédica Fluminense em Itaguaí, que mais tarde passou a se chamar Imperial Companhia Seropédica Fluminense tendo D. Pedro II como sócio majoritário da empresa. Posteriormente em 1922, em Campinas (SP), foi criada a indústria de Seda Nacional S.A. (SEAB, 2010).
Atualmente, a sericultura é uma importante atividade agroindustrial no Brasil, e em outros países produtores, principalmente para os pequenos produtores rurais, que encontram no cultivo do casulo uma melhoria na fonte de renda familiar. A produção de casulos é restrita a pequenas e médias propriedades rurais, onde predomina o trabalho familiar, já que demandam baixo investimento inicial e poucas pessoas para o cultivo, condições essas que são cumpridas por esses produtores. Dessa forma a sericultura contribui para a diminuição do êxodo rural, além de ser uma cultura de baixo impacto ambiental já que não se utilizam agrotóxicos no cultivo da amoreira devido à sensibilidade dos insetos (CONAB, 2012).
De acordo com Padamwar e Pawar (2004), o fato do cultivo dos casulos do bicho-da-seda ser restrita a pequenos produtores rurais, é devido ao fato que essas atividades ainda são mal remuneradas, o que não atrai grandes agricultores. As etapas do processo industrial, fora do ambiente agrícola, como processamento do casulo e fiação, são consideradas muito mais lucrativas e recebem mais atenção e investimentos de grandes empresas.
Embora a produção nacional ainda seja baixa, o Brasil é considerado o quarto maior produtor mundial de casulos verdes1 do bicho-da-seda (MENDONÇA
et al., 2010). De acordo com o relatório da SEAB - Secretaria da Agricultura e do Abastecimento (2013) o Paraná é o maior produtor nacional sendo que na safra de 2011/2012 este estado foi responsável por 98% da produção de casulos verdes no país, gerando aos agricultores um valor bruto de produção (VBP) de 27,6 milhões
1 Casulo verde: casulo constituído por casca, crisálida viva em seu interior e espólio (resíduo)
(HOLANDA et al., 2004). Está é a forma que o produtor rural vende seus casulos aos entrepostos das empresas de fiação.
de reais. Na exportação de fios e desperdícios2 de seda o estado do Paraná no
mesmo período foi responsável por 100% das exportações no Brasil. A diminuição da participação do estado de São Paulo na produção de casulos verdes nos últimos anos foi devido à queda no preço observada neste período, o que teria feito com que muitos agricultores abandonassem esse tipo de cultivo.
De acordo com Mendonça et al. (2010), no mundo são conhecidas oito espécies de bicho-da-seda, criados com a finalidade de produzir fios da seda, sendo que quatro tipos de seda natural são produzidas atualmente. Os fios produzidos pela Bombyx mori, lagarta que se alimenta exclusivamente de folhas de amoreira, é o que apresenta a maior contribuição com 95% de toda a produção. As sedas produzidas pelas espécies mouga, eri e tasar, todas da família selvagem Saturniidae, são responsáveis pelos 5% restantes.
A padronização da produção do bicho-da-seda no Brasil faz com que esta tenha qualidade superior à de outros países. De acordo com o relatório da SEAB (2010) o posto de melhor fio de seda do mundo foi conquistado com a implantação de um rigoroso processo de qualificação, o qual começa na seleção das larvas do bicho-da-seda. Diferentemente da China que domina 80% do mercado e onde cada etapa é feita por um intermediário, no Brasil, as duas indústrias de fiações de seda – Bratac S/A. e Fujimura do Brasil – detém o controle de todo o ciclo de produção, o que confere aos produtos nacionais uma qualidade superior quando comparado aos produtos dos outros países produtores. O relatório cita como fator responsável pela qualidade obtida o controle de qualidade em todo o processo e a classificação onde somente os casulos mais perfeitos são utilizados. O Brasil detém hoje o fio mais caro e sofisticado do mundo. Esses fios são vendidos principalmente por empresas especializadas em artigos de luxo internacional, destinadas às classes A e B.
Os casulos do bicho-da-seda (Bombyx mori) são compostos basicamente por duas proteínas principais: a fibroína e a sericina. A fibroína é a proteína responsável pela composição do filamento de seda, enquanto que a sericina é a proteína adesiva desses filamentos, sendo responsável pela forma, estabilidade estrutural do casulo e proteção do fio de fibroína (ARAMWIT et al., 2012; YANG et al., 2012, MONDAL et al., 2007; ZHANG, 2002). Na fabricação dos fios de seda, a partir dos
2 Desperdícios da seda são os casulos do bicho-da-seda impróprios para dobar, ou seja, impróprios
casulos secos do bicho-da-seda, a sericina é separada da fibroína pelo processo de degomagem, que consiste em aplicação de técnicas que solubilizem a sericina dos casulos de modo a ser possível o desenrolar do fio de seda (maiores detalhes sobre o processo de degomagem serão apresentados no tópico 2.3). A sericina é atualmente um subproduto da indústria têxtil que descartado no efluente líquido acaba por contaminar o ambiente devido aos elevados teores de matéria orgânica que confere a esta água residuária. Estima-se que um milhão de toneladas de casulos verdes sejam produzidos por ano, o que corresponde aproximadamente a 50.000 toneladas de sericina dispensada nos efluentes líquidos (ARAMWIT et al., 2012; LAMOOLPHAK et al., 2008).
Num estudo conduzido por Vaithanomsat e Kitpreechavanich (2008) foi constatado que o efluente convencional proveniente de processos de degomagem na Tailândia apresentava valores médios de demanda bioquímica de oxigênio (DBO) de 4840mg/L, valores de demanda química de oxigênio (DQO) em torno de 8870mg/L e valores de teor de nitrogênio (teor de azoto) em torno de 0,11%. Esses valores podem ser considerados extremamente elevados, ainda mais em comparação aos valores de efluentes domésticos, que apesar da menor quantidade de matéria orgânica já são capazes de produzir grandes danos ambientais caso os corpos receptores os recebam sem o devido tratamento de depuração. Para efeito comparativo, valores médios de DBO para efluentes domésticos variam entre 300mg/L (von SPERLING, 2005) e 350mg/L (METCALF e EDDY, 2003). Efluentes de processos de degomagem com altas concentrações de DQO, DBO e nitrogênio tornam o tratamento biológico complicado e com custos elevados (VAITHANOMSAT e KITPREECHAVANICH, 2008; FABIANI et al., 1996).
Soma-se aos problemas relacionados ao efluente do processo de degomagem o grande volume de efluente gerado. De acordo com Vaithanomsat e Kitpreechavanich (2008) a fabricação de seda é um dos setores industriais onde o consumo intensivo de água não pode ser evitado, o que resulta, portanto, em um grande volume de águas residuais.
Sendo assim, o desenvolvimento de produtos que utilizem essa proteína como matéria prima além de agregar valor a um resíduo que, atualmente, é quase totalmente descartado, pode reduzir os efeitos danosos que o efluente contendo essa substância pode provocar. De acordo com Kurioka et al. (2004) muitas
tentativas de reciclar os resíduos de sericina produzidos pelo processo de degomagem da seda têm sido realizados. Em alguns casos, os métodos têm sido desenvolvidos e patenteados para a recuperação de polipeptídios degradados de sericina a partir de águas residuais com um rendimento elevado, não só para reduzir o impacto ambiental, mas também para utilizá-los como um biomaterial com potencial industrial.
2.1 Bicho-da-seda
Larvas de alguns insetos e aranhas que fazem parte do filo Arthropoda são capazes de produzir a seda utilizada para a fabricação de fios. As fibras produzidas pela larva pertencente à ordem Lepidóptera da classe Insecta fazem os fios mais adequados para a exploração comercial. A mariposa domesticada Bombyx mori, pertencente à família Bombycidae, é o inseto mais utilizado em todo o mundo para a produção de fibra têxtil (PESCIO et al., 2006).
A Bombyx mori, durante sua vida passa por quatro estágios: ovo, larva, pupa (crisálida) e imago (mariposa) (HOLANDA et al., 2004). Usualmente o ciclo de vida da Bombyx mori tem duração de 55 a 60 dias, podendo variar de acordo com as condições de criação como umidade, luminosidade, temperatura, alimentação, tipo de ovo, etc (HARIZANIS, 2007; PESCIO et al., 2006). As Figuras 2.1 e 2.2 apresentam os estágios de desenvolvimento do bicho-da-seda.
Figura 2.1: Estágios de desenvolvimento do bicho-da-seda (Bombyx mori): A – Ovos após postura; B – ovos fecundados 48h após a postura; C, D – Eclosão
dos ovos com o nascimento das larvas; E,F – Larvas adultas; G – casulo rígido formado; H – Nascimento da mariposa (imago) após a metamorfose. Fonte: A, B, C, E, H (HARIZANIS, 2007); F (PESCIO et al., 2006); G (Site
Institucional da Sociedade Rural de Maringá – www.srm.org.br/noticias_det.php?not_id=MzQ0).
Após a postura dos ovos (Figura 2.1), estes se fecundados, em 48 horas mudam a coloração de amarelo (Figura 2.1 A) para uma tonalidade cinza chumbo (Figura 2.1 B) (PESCIO et al., 2006). A folha de amoreira picada é o alimento exclusivo da larva do bicho-da-seda após a eclosão. Num período de 25 a 30 dias a massa da larva aumenta de 0,45 mg para 45 g, e seu comprimento de 3 mm para 8 cm. O peso do bicho-da-seda aumenta gradualmente no início do ciclo e muito rapidamente a partir do décimo nono dia, quando a glândula responsável pela produção da fibra começa se tornar apta para a produção dos filamentos proteicos que constituem o casulo. Quando está construindo o casulo o bicho-da-seda produz os filamentos numa razão de 10 a 15 cm.min-1 (PESCIO et al., 2006; HOLANDA et
al., 2004; MAUERSBERGER, 1954).
Figura 2.2: Ilustração do ciclo de vida do bicho-da-seda. Fonte: (MAUERSBERGER, 1954).
Legenda: Linhas verticais: crescimento das larvas com o passar do tempo; Curva tracejada: (---): ganho de peso; Curva contínua (––––): ganho de peso das
glândulas produtoras de seda
O período de alimentação da larva pode ser dividido em cinco etapas, chamado de instars (Figura 2.2). Após esse período larval dá-se início a construção do casulo, processo que dura de 3 a 6 dias. A função do casulo, rígido, é a de proteção da larva dos agentes externos. Dentro do casulo a larva sofrerá a metamorfose transformando-se em pupa (ninfa ou crisálida) e, posteriormente, em mariposa. Nesta última etapa, a mariposa, secreta um líquido alcalino que dissolve
parte das fibras do casulo possibilitando assim o rompimento e saída da mariposa já formada, como observado na Figura 2.1 H (PESCIO et al., 2006;).
Bombyx mori produzem uma delicada dupla de fibras de fibroína que é revestida por uma capa protetora de sericina, como ilustrado na Figura 2.3. As proteínas de seda (fibroína e sericina) são geralmente produzidas dentro das glândulas sericígenas especializadas. Após a biossíntese em células epiteliais, ocorre a secreção para o lúmen destas glândulas onde as proteínas são armazenadas antes da fiação em fibras (ALTMAN et al., 2003).
Figura 2.3: Estrutura da fibra da seda Fonte: (HO et al., 2012, adaptado)
As glândulas produtoras de proteínas da seda, fibroína e sericina, se dividem em três partes: na secção posterior da glândula a fibroína é sintetizada, na secção intermediária ela é armazenada e é onde a sericina se deposita em camadas em torno da fibroína (nessa secção há também secreção de uma fina camada de cera cuja função é evitar que as duas proteínas se misturem) e, por fim, na última secção é onde ocorre a extrusão do fio (MAUERSBERGER, 1954).
As proteínas fibrosas, tais como, colágenos e sedas são caracterizadas por uma sequência altamente repetitiva primária que conduz à homogeneidade significativa na estrutura secundária, por exemplo, triplas-hélices, no caso de colágenos e folhas-β, no caso de muitos tipos das sedas. Estes tipos de proteínas geralmente exibem importantes propriedades mecânicas (ALTMAN et al., 2003).
2.2 Proteínas da seda
Como dito anteriormente, as cascas do casulo da seda são constituídas por duas proteínas principais, a fibroína e a sericina. A sericina contribui com cerca de 20 a 30% do total da massa do casulo, que liberada em sucessivas camadas envolve a fibroína assegurando a coesão da formação do casulo mantendo unidas as fibras. A fibroína contribui com 70 a 80% da massa restante do casulo (PADAMWAR e PAWAR, 2004; ZHANG, 2002).
2.2.1 Fibroína
A fibroína é uma glicoproteína fibrosa, insolúvel em soluções aquosas, composta por três subunidades, uma de cadeia pesada: cadeia H (350 kDa); e as outras duas de cadeia leve: a cadeia L (26 kDa) e a glicoproteína P25 (30 kDa). A razão molar entre as três subunidades proteicas; cadeia H, cadeia L e P25; na composição da fibroína é de 6:6:1, sendo que a interação da P25 com as demais proteínas, parece ocorrer posteriormente à produção do filamento de fibroína. Após ser separada da sericina pelo processo de degomagem, a fibroína pode ser utilizada para fins têxteis, médicos, dentre outras aplicações industriais. A fibra da seda é longa, fina, brilhosa e macia, além de ser conhecida pela sua facilidade de tingimento e termo tolerância (MONDAL et al., 2007; ALTMAN et al., 2003).
A estrutura secundária da fibroína inclui as formas α-hélice, β e folhas-β cruzadas. As duas últimas formas são as responsáveis pela cristalinidade dessa proteína e conferem a ela, dentre outras propriedades, a insolubilidade em água (PANDAMWAR e PAWAR, 2004).
2.2.2 Sericina
A sericina é uma proteína globular que apresenta uma ampla faixa de distribuição de massa e tamanho podendo variar de 10 a 400 kDa (ZHANG, 2002), sendo que sua aplicação está relacionada com o tamanho dessas macromoléculas (WU et al., 2007). Ela apresenta excelentes propriedades antioxidantes, antibacterianas, resistência à radiação ultravioleta, capacidade de absorver e liberar
umidade facilmente, é altamente solúvel em água além de ser biodegradável (TURBIANI, 2011; DASH et al., 2009; LI e XIE, 2005; ALTMAN et al., 2003).
De acordo com Zhang (2002) a sericina é uma molécula hidrofílica que quando extraída em solventes polares, hidrolisada em soluções alcalinas ou ácidas, ou ainda degradadas por proteases, terá seu tamanho dependente de fatores tais como: temperatura, pH e tempo de processamento. A sericina com massa molar menor que 20 kDa é utilizada em cosméticos, incluindo produtos para pele e cabelos. Já a sericina com alta massa molar é comumente utilizada em biomateriais médicos, biomateriais degradáveis, compostos poliméricos, hidrogéis, membranas, fibras funcionais e em tecidos. A sericina é composta por 18 tipos de aminoácidos diferentes (WU et al., 2007; LI e XIE, 2005; PANDAMWAR e PAWAR, 2004). Wu et al. (2007), num trabalho de caracterização da sericina obtida por precipitação em álcool etílico, determinaram a quantidade percentual média de cada um dos aminoácidos, como apresentado na Tabela 2.1.
Tabela 2.1: Aminoácidos constituintes da sericina. Aminoácido Porcentagem média (%)*
Serina 27,3 Ácido aspártico 18,8 Glicina 10,7 Treonina 7,5 Ácido glutâmico 7,2 Arginina 4,9 Tirosina 4,6 Alanina 4,3 Valina 3,8 Lisina 2,1 Histidina 1,7 Leucina 1,7 Fenilalanina 1,6 Isoleucina 1,3 Prolina 1,2 Metionina 0,5 Cisteína 0,3 Triptofano 0,4 % do total de aminoácidos Grupo Hidrofílico 70% Grupo Hidrofóbico 30% Grupo Aromático 6,60%
Como observado na Tabela 2.1, o principal aminoácido presente na sericina é a serina com 27,3 % do total, seguido pelo ácido aspártico e glicina com 18,8 e 10,7%, respectivamente. A maioria dos aminoácidos constituintes apresenta grupos fortemente polares como hidroxil, carboxil e grupos amino (LI e XIE, 2005) sendo que apenas 12,2% dos constituintes são de grupos apolares (PANDAWAR e PAWAR, 2004). Essa alta porcentagem de grupos polares facilita a reticulação e copolimerização e formação de blendas com outros polímeros para formar materiais biodegradáveis (WU et al., 2007; ZHANG et al., 2002).
A sericina apresenta uma estrutura secundária dependente da forma que ela é preparada, ou extraída, porém ela é constituída principalmente por bobina aleatória (randômica) e pouca quantidade de estrutura folha-β. Iuzuka (1969), apud Mondal et al. (2007), reportou que a sericina extraída de uma variação mutante de bicho-da-seda, que produzia apenas sericina, continha bobina aleatória com 5 – 10% de folhas-β e nenhuma estrutura α-hélice. Outros estudos citados por Mondal et al. (2007) corroboraram os resultados de Iuzuka (1969).
Como a sericina é disposta em camadas sobre fibroína, a solubilidade tende a diminuir quanto mais próxima da fibroína a camada de sericina se encontra. Isso ocorre devido a quantidade de folhas-β na estrutura da sericina aumentar nessas camadas próximas a fibroína (MONDAL et al., 2007; ROBSON, 1985).
A sericina tem sido dividida em várias classificações baseadas em sua solubilidade. Várias frações de sericina são designadas pelos pesquisadores em sericina A e B, ou sericina I, II, III e IV, ou sericina S1, S2, S3 e S4, ou ainda, sericina α, β, ou γ modificada. A estrutura molecular de bobina aleatória permite uma alta solubilidade à proteína, enquanto que a conformação organizada tipo folhas-β dificultam a solubilização (PAMDAWAR e PAWAR, 2004).
A solução extraída de sericina apresenta um estado gel quando resfriada ou quando em temperatura ambiente. De acordo com Teramoto e Miyazawa (2005) esse estado ocorre devido ao aumento da quantidade de estrutura folha-β. Quando aquecida, a solução tende a retornar ao estado sol. O estado sol é uma solução coloidal que pode ser gelificada para formar um sólido, cuja mudança de estado sol-gel envolve a transição de um sistema a partir de um líquido (a “solução” coloidal) e uma fase sólida (o “gel”).
Devido ao seu caráter hidrofílico e à sua configuração randômica, a sericina apresenta uma alta solubilidade em água, o que pode limitar sua aplicação em diversas áreas da engenharia e de desenvolvimento de produtos, como por exemplo, o desenvolvimento de biofilmes e partículas. A fim de melhorar essas características estudos têm sido realizados no sentido de incorporar substâncias que possam tornar mais resistentes e menos solúveis os materiais a base de sericina.
De acordo com Dash et al. (2007) a sericina, apesar de seu alto potencial de aplicação, sempre foi negligenciada devido às suas fracas propriedades estruturais e devido a sua alta solubilidade em água. Materiais à base de sericina são conhecidos por formar películas (biofilmes) frágeis e estruturas 3D que são difíceis de serem obtidas, devido a sua natureza gelatinosa e ampla faixa de tamanhos. Além disso, de acordo com o mesmo autor, muitos processos de extração parecem desnaturar as proteínas, conferindo a elas propriedades biofísicas inferiores.
Porém, as características químicas da sericina têm permitido que essas dificuldades sejam contornadas por processos de reticulação, formação de blendas e processos químicos específicos de preparo dos biomateriais.
2.3 Processos de extração da sericina – degomagem dos casulos
Durante a manufatura da seda, a sericina é removida dos casulos pelo processo de degomagem, por vias físicas, químicas ou ainda utilizando-se enzimas, se tornando um resíduo junto ao efluente (MANDAL et al., 2009).
Como a sericina é uma proteína hidrossolúvel, convencionalmente o processo de degomagem é realizado com água quente na presença de alguma substância química que promova o aumento da solubilidade da sericina. A degomagem em água quente ou em água quente sob pressão apresenta a vantagem de gerar um efluente com sericina sem impurezas, porém o processo não é tão eficiente devido ao longo tempo de processamento necessário e à possibilidade de danos às fibras de fibroína (ARAMWIT et al., 2012; LAMOOLPHAK et al., 2008). Embora menos frequentes, os processos industriais que não utilizam produtos químicos para a remoção da sericina recorrem usualmente a autoclaves
(com temperatura de 120º C e pressão de 1 atm) para o tratamento da fibra (TURBIANI, 2011).
Alternativamente, o processo pode ser catalisado por ácidos, bases, sais ou enzimas. A utilização de ácidos aumenta a eficiência de remoção da sericina, porém, causa danos significativos às fibras, além de seu uso ser relativamente perigoso em comparação à utilização de soluções alcalinas (ARAMWIT et al., 2012). A utilização de enzimas representa uma forma eficiente de remoção de sericina com uma geração menor de efluente, um menor consumo de água, economia de energia e outros produtos químicos, contudo seu alto custo inviabiliza sua aplicação em escala industrial (LAMOOLPHAK et al., 2008).
Atualmente, quase todos os processos de degomagem empregam sabões e detergentes para a remoção da sericina dos casulos. A utilização dessas substâncias representa uma desvantagem quanto à utilização do efluente para a recuperação da sericina. Neste caso, para a utilização da sericina é necessária uma etapa de remoção desses compostos do efluente. Além disso, o uso dessas substâncias químicas na degomagem sejam elas ácidas ou básicas, ou mesmo salinas, promovem a degradação parcial da sericina diminuindo assim sua qualidade e tamanho molar.
Naturalmente, a sericina é uma mistura de proteínas que apresenta uma ampla faixa de massas molares, variando de 10 a 400 kDa (TAKASU et al., 2002; ZHANG, 2002). A sericina com baixa massa molar (massa menor que 20 kDa) é solúvel em água fria e pode ser recuperada nos primeiros estágios de degomagem, enquanto que a sericina de alta massa molar é solúvel em água quente e é removida em estágios posteriores de degomagem do casulo (ZHANG, 2002). Quando extraídas sob calor ou em soluções ácidas sua massa molar fica compreendida na faixa de 35 a 150 kDa, e quando extraída em condições alcalinas a faixa é ainda menor, de 15 a 75 kDa (ARAMWIT et al., 2012).
A dependência do calor, pH e tempo do processo deve ser considerada caso se deseje recuperar e dar um destino mais nobre à sericina após o processo de degomagem. O desenvolvimento de produtos que agreguem valor a sericina depende de que essa apresente boa qualidade e altas massas molares para usos além dos cosméticos, o que faz com que os processos que utilizam produtos
químicos para sua extração sejam preteridos. Apesar da menor eficiência de extração, a indústria pode preferir o método de geração de efluentes sem produtos químicos caso vejam ali um potencial gerador de lucros extras a fiação. Em função disso, o desenvolvimento de produtos à base dessa proteína é primordial para que seja implantada uma produção mais limpa no que se refere à geração de efluentes nos processos de fiação de seda.
2.4 Fracionamento e métodos de separação da sericina
A baixa concentração da sericina na solução após o processo de degomagem faz com que seja necessário concentrar ou separar a sericina da solução obtida.
Diversos processos são estudados e utilizados para a separação ou concentração da sericina, dependendo da concentração final que se deseja. Dentre os métodos utilizados pode-se citar: concentração da sericina em solução por meio da filtração por membranas; concentração da solução por aquecimento; processos de liofilização; secagem por spray-dryers; concentração da sericina em rota-evaporadores operando em temperaturas não muito altas (em torno de 50 ºC); fracionamento por solventes nos quais a sericina é insolúvel como álcool etílico, metanol, dentre outros; fracionamento por congelamento e descongelamento da solução, etc.
Vaithanomsat e Kitpreechavanich (2008) concentraram a solução de sericina em membranas de ultra-filtração e posteriormente liofilizaram a solução para, após a moagem, obter sericina em pó. Sothornvit et al. (2010) após a extração da sericina em água fervente e em autoclave retiraram a sericina da solução por meio de um spray-dryer, obtendo a proteína em pó que, posteriormente, foi utilizada para a preparação de biofilmes.
Li e Xie (2005) e Kurioka et al. (2004) utilizaram a liofilização para obter sericina em pó para diferentes fins. Aramwit et al. (2010) utilizaram processo de filtração por membrana para concentrar a sericina em solução até 7% m/V. Dash et al. (2009), após a degomagem dos casulos, centrifugaram a solução e o sobrenadante foi utilizado para preparar a solução de sericina concentrada.
Dutta et al. (2012) e Khandai et al. (2010) utilizaram etanol para promover a precipitação da sericina em solução (numa proporção de [3:1] de [álcool: solução de sericina], que posteriormente foi filtrada e seca. Tomadon (2011) estudando vários métodos de concentração e fracionamento de sericina obteve resultados semelhantes quando utilizou a razão [1:1] e [3:1] de [álcool: solução de sericina] na precipitação com etanol. No estudo de Tomadon (2011) investigou-se também a concentração da solução por membranas e o fracionamento por congelamento e descongelamento, sendo que este último foi considerado pelo autor o método mais vantajoso.
Dependendo do método que se use para a obtenção da sericina pura, ou concentração da sericina na solução extraída, diferentes mudanças nas estruturas secundárias da proteína ocorrem. Lee (2005) observou que ao tratar a 110 ºC a solução extraída de sericina com álcool etílico e acetona algumas das estruturas randômicas mudaram para a estrutura folhas-β, demonstrando, assim, que quimicamente é possível alterar a configuração secundária da sericina.
2.5 Agentes reticulantes da sericina
Com o objetivo de melhorar as propriedades químicas e mecânicas dos produtos à base de sericina, o uso de agentes reticulantes têm sido investigados. Esses agentes promovem a ligação cruzada entre as cadeias polipeptídicas e, consequentemente, alteram a conformação química da sericina, permitindo, dentre outras mudanças, uma menor solubilidade em água (TURBIANI, 2011).
Gimenes et al. (2007), trabalhando com a blenda entre sericina e PVA (álcool polivinílico) para a produção de filmes utilizaram a dimetiluréia como agente reticulante obtendo melhores propriedades físicas nos biofilmes obtidos após a reticulação.
Li e Xie (2005) prepararam estruturas 3D porosas a partir de sericina reticulada com éter polietilenoglicol diglicídico (PEG) submetendo o material a liofilização. Os resultados obtidos nesse estudo demonstraram um aumento da quantidade de folhas-β na sericina reticulada em comparação com a sericina não reticulada com PEG.