Obtenção de nanocelulose por hidrólise ácida e enzimática de fibras de algodão de resíduo de tecido tingido com corante índigo

Texto

(1)Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnológia Programa de Pós-Graduação em Engenharia mecânica Doutorado Acadêmico em Engenharia Mecânica. Obtenção de nanocelulose por hidrólise ácida e enzimática de fibras de algodão de resíduo de tecido tingido com corante índigo. Luciani Paola Rocha Cruz Barros. Natal-RN Agosto de 2017.

(2) Luciani Paola Rocha Cruz Barros. Obtenção de nanocelulose por hidrólise ácida e enzimática de fibras de algodão de resíduo de tecido tingido com corante índigo. Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia mecânica do Centro de Tecnológia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do grau de Doutora em Engenharia Mecânica.. Orientador. Dr. José Daniel Diniz Melo Coorientador. Dr. José Heriberto Oliveira do Nascimento. PPGEM – Programa de Pós-Graduação em Engenharia mecânica CT – Centro de Tecnológia UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal-RN Agosto de 2017.

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(4) Ao meu grande amor Júnior. Muito obrigada não só pela grande ajuda na realização desse trabalho, mas, principalmente, por me ensinar a ser uma pessoa melhor. Te amo!!!.

(5) Agradecimentos A Deus por estar sempre me guiando, dando força de vontade e discernimento para contornar os obstáculos encontrados ao longo do caminho e poder chegar até onde se deseja. Ao professor Jose Daniel pela dedicação nas correções e orientações neste período de aprendizado e por me aceitar a ser sua orientanda mesmo não me conhecendo. Obrigada pela paciência, por compreender minhas dificuldades e ajudar a superá-las. Ao professor José Heriberto pela sua ajuda, incentivo e amizade no desenvolvimento desse projeto. Agradeço a professora Gorete Ribeiro e ao Professor Everaldo Silvino que abriram as portas do LEB com muito carinho. Nunca vou esquecer! Aos Professores do departamento de Engenharia têxtil, que sempre incentivam meu desenvolvimento e crescimento acadêmico, em especial aos professores Rasiah Ladchumanandasivam, Kesia Karina, Marcos Silva e Michelle Feitor. A todos os meus colegas do Laboratório de Engenharia Têxtil e Engenharia Bioquímica pelas sugestões, apoio e pelas horas agradáveis no laboratório. Em especial, aos meus amigos queridos Sergio, Pedro, Felipe e Rodrigo pela ajuda tão importante durante esta pesquisa. Muito obrigada pela parceria, por escutar minhas reclamações, choros e por me fazerem sorrir. Adorei conhecer vocês. Ao técnico responsável pelo laboratório de caracterização de materiais, Igor Zumba, fica meu sincero agradecimento por toda a ajuda concedida, pela prontidão em caracterizar minhas amostras e pela atenção que sempre me dispensou. Vou lembrar sempre. Aos meus pais pelas lições de amor, honestidade e humildade. Amo vocês. Meu muito obrigada a meu marido Júnior, por todo carinho, dedicação e acima de tudo amor que foi imprescindível durante esta pesquisa. Tenho certeza que foi só por amor que não se cansou de me ouvir falar em nanocristais de celulose, te amo! Aos meus filhos, Leonardo e Maria Luiza, pelo sorriso de cada dia que me dá força e.

(6) inspira na busca de novos conhecimentos. Vocês são minha vida, meu tudo. Aos meus irmãos, tias, primos e sobrinhos pelo apoio durante todo o meu trabalho, incentivando-me a sempre ir em frente e mantendo firme a idéia de que um dia todo o esforço será recompensado. Aos amigos Rubens e Iris pela torcida, amizade e partilhas durante este trabalho. A Capes pelo apoio financeiro..

(7) Penso no que faço, com fé. Faço o que devo fazer, com amor. Eu me esforço para ser cada dia melhor, pois bondade também se aprende. Mesmo quando tudo parece desabar, cabe a mim decidir entre rir ou chorar, ir ou ficar, desistir ou lutar; porque descobri, no caminho incerto da vida, que o mais importante é o decidir. Cora Coralina.

(8) Resumo Nanocristais de celulose são nanoestruturas derivados da celulose, que é um recurso renovável e abundante na natureza. Por apresentarem uma combinação de propriedades como alta resistência mecânica e módulo de elasticidade, superfície reativa e biodegradabilidade, esses materiais têm recebido grande interesse para aplicações que incluem desde reforço em materiais poliméricos, embalagens alimentares, a aplicações na área farmacêutica. A produção de celulose nanométrica a partir de fibras de algodão tem sido relatada em vários trabalhos publicados na literatura. O objetivo desta pesquisa foi estudar a obtenção de nanocelulose a partir do resíduo de tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo, devido possuir alto conteúdo de celulose, pelas vias de hidrólise ácida e enzimática. Nanocelulose foi obtida com e sem a realização de pré-tratamento para remoção do corante e os efeitos do pré-tratamento nas características da nanocelulose foram avaliados. Na hidrólise ácida, foram avaliadas duas condições de tratamento para isolamento de nanocristais de celulose: concentrações de ácido sulfúrico de 55% m/m a 60◦ C ou 65% m/m a 45◦ C, com tempos de 30 e 60 min. Na hidrólise enzimática foram estudadas as influências do tipo de complexo enzimático (Trichoderma reesei ATCC 26921 ou Aspergillus fumigatus), o tempo (0 a 48h) e a carga enzimática (7,5 ou 12 FPU). As suspensões obtidas após hidrólise foram caracterizadas pelas técnicas de potencial zeta, microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão, espectrofotometria de infravermelho, difração de raios X, análise termogravimétrica, açúcares redutores totais e cromatografia líquida de alto desempenho. Os resultados comprovaram a obtenção de nanocelulose a partir do tecido de algodão tingido com corante índigo, tanto no processo via hidrólise ácida, como no de via enzimática. As imagens de microscopia indicaram nanocristais de celulose com formato alongado (agulhas) a partir da hidrólise ácida. No caso da hidrólise enzimática, as imagens mostraram a presença de nanocelulose com formato esférico. A hidrólise ácida realizada na condição de 65% a 45◦ C e tempo de 60 min resultou em nanocristais com menor comprimento e diâmetro, tanto para o tecido pré-tratado como para o sem pré-tratamento. Com relação a hidrólise enzimática, a realização de pré-tratamento não alterou significativamente as características das estruturas micro e nanocristalina. O tamanho médio das nanoceluloses obtidas foram na faixa de 80 a 230nm. Os resultados do processo de hidrólise enzimática indicam que as melhores conversões de celulose em glicose ocorreram utilizando o complexo enzimático produzido por Trichoderma reesei ATCC 26921 com carga de enzima de 12 FPU e tempo de hidrólise de 48h. Este trabalho demonstrou que nanocristais de celulose podem ser obtidos a partir do tecido de algodão tingido com corante índigo, sem a necessidade de pré-tratamento para remoção do co-.

(9) rante, e as características dos nanomateriais obtidos dependem do processo de hidrólise utilizado. Palavras-chave: nanocristais de celulose, corante índigo, tecido de algodão, hidrólise ácida, hidrólise enzimática..

(10) Abstract Cellulose nanocrystals are nanomaterials derived from cellulose, which is a renewable and abundant resource in nature. Due to combination of properties such as high mechanical strength and modulus of elasticity, reactive surface and biodegradability, these materials have received great attention for applications ranging from reinforcement in polymeric materials, food packaging, to applications in the pharmaceutical area. The production of nanometric cellulose from cotton fibers has been reported in several works published in the literature. The objective of this research was to study the production of nanocellulose from indigo-dyed cotton fibers from waste fabric, via acid and enzymatic hydrolysis routes. Nanocellulose was obtained with and without pre-treatment for dye removal and the effects of the pre-treatment on the characteristics of the nanocellulose were evaluated. For the acid hydrolysis, two treatment conditions for the isolation of cellulose nanocrystals were evaluated: sulfuric acid concentrations of 55% m / m at 60◦ C and 65% m/m at 45◦ C, for 30 and 60 min. For the enzymatic hydrolysis, the influence of enzyme complex type (Trichoderma reesei ATCC 26921 and Aspergillus fumigatus), time (0 to 48h) and enzymatic load (7.5 and 12 FPU) were studied. The suspensions obtained after hydrolysis were characterized by the techniques of zeta potential, atomic force microscopy, transmission electron microscopy, infrared spectrophotometry, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, total reducing sugars and high performance liquid chromatography. The results demonstrated that nanocellulose was obtained from indigo dyed cotton fibers, in both processing routes evaluated: via acid and enzymatic hydrolysis. Microscopy images indicated needle shaped celulose from the acid hydrolysis. For the enzymatic hydrolysis, the images showed the presence of nanocellulose with spherical shape. The acid hydrolysis carried out at 65% at 45◦ C for 60 min resulted in nanocrystals of smaller length and diameter, both for the pretreated fabric and the fabric without pretreatment. For the enzymatic hydrolysis, the pretreatment did not affect significantly the characteristics of the micro and nanocrystalline structures. The average size of the nanocellulose obtained was in the range of 80 to 230 nm. The results of the enzymatic hydrolysis suggest that the best cellulose to glucose conversions occurred using the enzymatic complex Trichoderma reesei ATCC 26921 with enzymatic load of 12 FPU and hydrolysis time of 48h. In summary, this study demonstrated that cellulose nanocrytals can be obtained from indigo-dyed cotton fibers from waste fabric, without the need for pretreatment for dye removal, and the characteristics of the nanomaterials obtained depend on the hydrolysis process used. Keywords: cellulose nanocrystals, indigo dye, cotton fabric, acid hydrolysis, enzymatic.

(11) hydrolysis..

(12) Lista de figuras 1. Etapas do processo produtivo têxtil de forma simplificada . . . . . . . .. 2. Fio 100% algodão tingido com corante índigo. (FIGUEIREDO; CAVALCANTE,. 3. 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 31. p. 32. Estrutura molecular de um corante têxtil. A- pertence ao grupo cromóforo e B – estrutura de fixação á fibra (ZANONI; CARNEIRO, 2001). . . .. p. 33. 4. Estrutura molecular do corante índigo blue (GŁOWACKI et al., 2012) . .. p. 34. 5. Redução química da espécie índigo a forma leucoíndigo (PASCHOAL; TREMILIOSI-FILHO,. 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 34. 6. Algodoeiro (Gossypium hirsutum L.) (EMBRAPA, 2011) . . . . . . . . .. p. 36. 7. Organização mais comum de uma fibra vegetal (SILVA; D’ALMEIDA, 2009) p. 37. 8. Estrutura da celulose formada pela união de moléculas de glicose (uma hexose) através de ligações β-1,4-glicosídicas, seus grupos terminais redutores e não redutores. (KLOCK et al., 2005) . . . . . . . . . . . . . . .. 9. p. 38. Reaçoes de hidrólise da celulose. R e R’ são as semicadeias do polímero de celulose. A ligação em zig-zag representa a ligação β-D (1-4) glicosídica. (RABELO et al., 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 39. 10. Estrutura parcial hipotética de uma lignina. (FENGEL; WEGENER, 1983). p. 41. 11. Mecanismo de hidrólise ácida. Fonte: (RINALDI; SCHÜTH, 2009) . . . . .. p. 44. 12. Evolução dos custos da celulase ao longo dos anos (DEAN et al., 2006). .. p. 47. 13. Representação esquemática da ação catalítica do complexo enzimático (celulase) sobre a celulose (OGEDA; PETRI et al., 2010) . . . . . . . . . .. 14. p. 48. Ação das celulases no algodão (SARAVANAN; VASANTHI; RAMACHANDRAN,. 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 49.

(13) 15. Estrutura de uma celobiohidrolases em destaque. Á esquerda, o domínio catalítico, mostrando uma cadeia de celulose no seu interior. Á direita, adsorção a um cristalito de celulose do domínio de ligação ao substrato, através dos três resíduos de tirosina (setas) (WOEHL, 2009).. 16. . . . . . .. Estrutura de uma endoglucanase, mostrando o domínio catalítico em forma de fendas (setas) (WOEHL, 2009). . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. p. 51. Ação da celulase em tecido de fibra de algodão com corante índigo (SARAVANAN; VASANTHI; RAMACHANDRAN,. 19. p. 50. Ação sinérgica do complexo celulásico de Trichoderma sp. na hidrólise da celulose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. p. 49. 2009). . . . . . . . . . . . . .. p. 53. Nanocristais de celulose unidos de forma a compor as microfibrilas (SILVA; D’ALMEIDA,. 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 54. 20. Etapas executadas durante a metodologia experimental . . . . . . . . .. p. 57. 21. Descrição do sistema utilizado na hidrólise ácida. . . . . . . . . . . . .. p. 59. 22. Fotografia dos Nanocristais de celulose (NCC) dispersos em água A NCC obtidos a partir de tecido com corante e B - NCC obtidos a partir de tecido pré-tratado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 60. 23. Incubadora rotativa utilizada na hidrólise enzimática . . . . . . . . . .. p. 61. 24. Suspensão da hidrólise enzimática após 6 horas de reação de hidrólise enzimá- tica A - celulose nanocristalina obtida a partir de tecido com corante utilizando enzima comercial; B - celulose nanocristalina obtida a partir de tecido com corante utilizando enzima não comercial; C celulose nanocristalina obtida a partir de tecido pré-tratado utilizando enzima comercial; D - celulose nanocristalina obtida a partir de tecido pré- tratado utilizando enzima não comercial. . . . . . . . . . . . . . .. 25. p. 61. Evolução do aspecto físico do tecido durante pré-tratamento A: Tecido Índigo Acabado; B: após adição de hidrossulfito e hidróxido de Sódio; C. 26. e D: após adição de hipoclorito de sódio. . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 66. Imagens de MEV da fibra de algodão: (A) tingido; (B) Pré-tratado . .. p. 67.

(14) 27. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos à 60◦ C; B – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos à 60◦ C; C – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦ C; D – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45◦ C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. p. 71. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrolise ácida do tecido pré-tratado em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos à 60◦ C; B – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos à 60◦ C; C – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦ C; D – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45◦ C . . . . . . . . . . .. 29. p. 72. Micrografias de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos a 60◦ C; B - Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos a 60 C; C - Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦ C; D - Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45 C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. p. 74. Micrografias de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão pré-tratado em diferentes condições a e b – Hidrólise ácido sufúrico (55%) 60 minutos à 60◦ C; c e d - Hidrólise ácido sufúrico (65%) 60 minutos 45◦ C . . . . . . . . .. 31. p. 75. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão com corante e após hidrólise ácida em diferentes condições: A – tecido com corante, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos, D hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. p. 78. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão pré- tratado e após hidrólise ácida em diferentes condições: A – tecido pré-tratado, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos, D – hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 78.

(15) 33. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão com corante índigo e nanocristais de celulose após hidrólise ácida em diferentes condições. A – tecido com corante; B – hidrólise H2 SO4 55% 30 minutos 60◦ C; C – hidrólise H2 SO4 55% 60 minutos 60 C; D – hidrólise H2 SO4 65% 30 minutos 45◦ C; E – hidrólise H2 SO4 65% 60 minutos 45◦ C . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. p. 82. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de algodão pré-tratado e nanocristais de celulose após hidrólise ácida em diferentes condições. A – tecido pré-tratado; B – hidrólise H2 SO4 55% 30 minutos 60◦ C; C – hidrólise H2 SO4 55% 60 minutos 60◦ C; D – hidrólise H2 SO4 65% 30 minutos 45◦ C; E – hidrólise H2 SO4 65% 60 minutos 45◦ C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. p. 83. Análise termogravimétrica (esquerda:TG e direita: DTG): A - tecido com corante, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. p. 84. Análise termogravimétrica (esquerda: TG e direita: DTG): A - tecido com corante, D – hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. p. 84. Análise termogravimétrica (esquerda: TG e direita: DTG): A + tecido pré-tratado, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. p. 85. Análise termogravimétrica (esquerda: TG e direita: DTG): A - tecido pré-tratado, D – hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. p. 86. Concentração de açúcares redutores totais do tecido com corante índigo durante a hidrólise enzimática com enzima comercial Trichoderma reesei e não-comercial Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. p. 88. Concentração de açúcares redutores totais do tecido pré-tratado durante a hidrólise enzimática com enzima comercial Trichoderma reesei e nãocomercial Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. p. 89. Conversão celulósica durante o processo de hidrólise do tecido com corante índigo com enzima comercial Trichoderma reesei e não-comercial Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 90.

(16) 42. Conversão celulósica em glicose (%) durante o processo de hidrólise do tecido pré-tratado com enzima comercial Trichoderma reesei e não-comercial Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. Concentração de açúcares redutores do tecido com corante índigo durante a hidrólise com enzima não comercial Aspergillus fumigatus. . . . . . .. 44. p. 91. p. 92. Concentração de açúcares redutores do tecido com corante índigo durante a hidrólise com enzima comercial Trichoderma reesei A - (7,5 FPU) B (12 FPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. Concentração de açúcares redutores do tecido pré-tratado durante a hidrólise com enzima não-comercial Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . .. 46. p. 92. p. 93. Concentração de açúcares redutores do tecido pré-tratado durante a hidrólise com enzima comercial Trichoderma reesei A - (7,5 FPU) B - (12 FPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. p. 93. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidas após hidrolise enzi- mática do tecido de fibra de algodão com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise enzima comercial (7,5 FPU) 24h; B – Hidrólise enzima comercial (12 FPU) 24h; C – Hidrólise enzima comercial (12 FPU) 48h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. p. 95. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrolise enzimática do tecido de fibra de algodão pré-tratado em diferentes condições A – Hidrólise enzima comercial (7,5 FPU) 24h; B – Hidrólise enzima comercial (7,5 FPU) 48h; C – Hidrólise enzima comercial (12 FPU) 6h; D - Hidrólise enzima comercial (12 FPU) 24h; E - Hidrólise enzima comercial (12 FPU) 48h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. p. 96. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrolise enzimática do tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise enzima Aspergillus fumigatus (7,5 FPU) 24h; B – Hidrólise enzima Aspergillus fumigatus (7,5 FPU) 48h. .. 50. p. 98. Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrolise enzimática do tecido de fibra de algodão pré-tratado em diferentes condições A – Hidrólise enzima Aspergillus fumigatus (7,5 FPU) 24h; B – Hidrólise enzima Aspergillus fumigatus (7,5 FPU) 48h. . . . . . . . . .. p. 98.

(17) 51. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão com corante índigo e após hidrólise enzimática (Trichoderma reesei ATCC26921) 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido com corante índigo, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. p. 99. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de algodão com corante índigo e após hidrólise enzimática (Trichoderma reesei ATCC26921) 12 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido com corante índigo, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. p. 100. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão pré-tratado e após hidrólise enzimática (Trichoderma reesei ATCC26921) 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido pré-tratado, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. p. 100. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão pré- tratado e após hidrólise enzimática (Trichoderma reesei ATCC26921) 12 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido pré-tratado, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. p. 101. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão com corante índigo e após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido com corante, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 103.

(18) 56. Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão pré-tratado e após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise: A – tecido pré-tratado, B – hidrólise enzimática (6h), C – hidrólise enzimática (24h), D – hidrólise enzimática (48h). . .. 57. p. 104. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão com corante índigo e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Trichoderma reesei ATCC26921 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido com corante; B – hidrólise enzimática (6h); C hidrólise enzimática (24h); D –hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. p. 107. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão com corante índigo e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Trichoderma reesei ATCC26921 12 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido com corante; B – hidrólise enzimática (6h); C –hidrólise enzimática (24h); D –hidrólise enzimática (48h). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. p. 107. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão pré-tratado e da celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Trichoderma reesei ATCC26921 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido pré-tratado; B –hidrólise enzimática (6h); C –hidrólise enzimática (24h); D –hidrólise enzimática (48h).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. p. 108. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão pré-tratado e da celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Trichoderma reesei ATCC26921 12 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido pré-tratado; B –hidrólise enzimática (6h); C –hidrólise enzimática (24h); D –hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 108.

(19) 61. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão com corante índigo e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido com corante; B –hidrólise enzimática (6h); C –hidrólise enzimática (24h); D –hidrólise enzimática (48h). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. p. 110. Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão pré-tratado e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus 7,5 FPU em diferentes tempos de hidrólise. A – tecido pré-tratado; B – nanocelulose hidrólise enzimática (6h); C – nanocelulose - hidrólise enzimática (24h); D – nanocelulose - hidrólise enzimática (48h) . . . . . . . . . . . . . . .. 63. p. 111. Análise termogravimétrica (esquerda:TG e direita: DTG): A - tecido com corante índigo, B – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/6h), C – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/24h), D – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/48h). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. p. 112. Análise termogravimétrica (esquerda:TG e direita: DTG): A - tecido prétratado, B – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/6h), C – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/24h), D – nanocelulose - hidrólise enzimática (complexo comercial 12 FPU/48h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 113.

(20) Lista de tabelas 1. Conteúdo médio de celulose. (KLOCK et al., 2005). . . . . . . . . . . . .. 2. Dimensões dos nanocristais de acordo com a origem da celulose (HABIBI; LUCIA; ROJAS,. 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 39. p. 55. 3. Quantificação dos componentes do tecido de algodão tingido e Pré-Tratado p. 68. 4. Resultados de comprimento, diâmetro, fator de forma e potencial zeta de nano-cristais de celulose obtidos a partir do tecido com corante. . . . .. 5. Resultados de comprimento, diâmetro, fator de forma e potencial zeta de nanocristais de celulose obtidos a partir do tecido pré-tratado. . . . . .. 6. p. 76. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido com corante índigo e os nanocristais de celulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. p. 76. ResultadosResultados de comprimento, diâmetro e fator de forma dos nanocristais de celulose obtidos a partir do tecido pré-tratado. . . . . .. 8. p. 69. Resultados de comprimento, diâmetro e fator de forma dos nanocristais de celulose obtidos a partir do tecido com corante. . . . . . . . . . . . .. 7. p. 69. p. 80. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido pré-tratado e os nanocristais de celulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 80. 10. Valores de temperatura da decomposição de cada evento térmico . . . .. p. 85. 11. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática Trichoderma reesei ATCC26921). . . . . . . . . . . . . . . .. 12. p. 105. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido de fibra de algodão pré-tratado e celulose nanocristalina após hidrólise enzimática (Trichoderma reesei ATCC26921) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 106.

(21) 13. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido de fibra de algodão com corante índigo após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. p. 109. Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido de fibra de algodão pré-tratado após hidrólise enzimática com Aspergillus fumigatus. p. 109. 15. Valores de temperatura da decomposição de cada evento térmico. . . .. p. 112. 16. Valores de temperatura da decomposição de cada evento térmico . . . .. p. 113.

(22) Lista de siglas e símbolos NCC – nanocristais de celulose v/v – volume/volume NREL – Nacional Renewable Energy Laboratory (%)Ext – percentual de extraíveis m/v – massa/volume FPU – Atividade enzimática em Unidades de Papel Filtro MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura PZ – Potencial Zeta MFA – Microscopia de Força Atômica MET – Microscopia Eletrônica de Transmissão FTIR – Espectroscopia na Região do Infravermelho DRX – Difração de Raios-X θ – Ângulo de incidência na difração de Raio-X IC(%) – percentual do Índice de Cristalinidade I002 – Intensidade do pico no plano cristalográfico 002 (2θ, 22,6◦ ) Iam – Intensidade do vale entre os picos dos planos cristalográficos 002 e 001 TG – Análises Termogravimétricas CLAE – Cromatografia Líquida de Alta Eficiência ARTs – Açúcares Redutores Totais DNS – Ácido 3,5-Dinitrosalicílico Microscópia Eletrônica de Varredura (MEV).

(23) Sumário. 1 Introdução. p. 25. 2 Objetivos. p. 28. 2.1. Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 28. 2.2. Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 28. 2.3. Contribuições Científicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 29. 3 Fundamentação Teórica. p. 30. 3.1. Cadeia Têxtil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 30. 3.2. Corantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 32. 3.2.1. Tipos de Corantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 32. 3.2.2. Índigo Blue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 33. Fibras Lignocelulósicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 35. 3.3.1. Fibras Vegetais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 35. 3.3.2. Celulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 36. 3.3.3. Hemicelulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 40. 3.3.4. Lignina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 40. Hidrólise das fibras de celulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 41. 3.4.1. Hidrólise ácida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 42. 3.4.1.1. Hidrólise ácida X Corante índigo . . . . . . . . . . . .. p. 46. Hidrólise Enzimática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 46. 3.4.2.1. p. 52. 3.3. 3.4. 3.4.2. Hidrólise enzimática X Corante índigo . . . . . . . . ..

(24) 3.5. Nanocristais de celulose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4 Materiais e Procedimentos. p. 53 p. 56. 4.1. Materiais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 56. 4.2. Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 56. 4.2.1. Pré-Tratamento: remoção do corante índigo do tecido . . . . . .. p. 57. 4.2.2. Caracterização lignocelulósica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 58. 4.2.3. Hidrólise ácida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 59. 4.2.4. Hidrólise enzimática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 60. 4.2.5. Caracterização físico-química da celulose nanocristalina . . . . .. p. 62. 4.2.5.1. Microscopia Eletrônica de Varredura . . . . . . . . . .. p. 62. 4.2.5.2. Potencial Zeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 62. 4.2.5.3. Microscopia de Força Atômica . . . . . . . . . . . . . .. p. 63. 4.2.5.4. Microscopia Eletrônica de Transmissão . . . . . . . . .. p. 63. 4.2.5.5. Espectroscopia na Região do Infravermelho . . . . . .. p. 63. 4.2.5.6. Difração de Raios-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 63. 4.2.5.7. Análise Termogravimétricas . . . . . . . . . . . . . . .. p. 64. 4.2.5.8. Cromatografia Líquida de Alta Eficiência . . . . . . . .. p. 64. 4.2.5.9. Açúcares Redutores Totais . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 64. 5 Resultados e Discussão 5.1. 5.2. p. 66. Caracterização do tecido de fibra de algodão tingido e pré-tratado . . .. p. 66. 5.1.1. Pré-tratamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 66. 5.1.2. Microscópia Eletrônica de Varredura . . . . . . . . . . . . . . .. p. 67. 5.1.3. Composição química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 67. Hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo e prétratado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 68. 5.2.1. p. 68. Caracterização dos nanocristais . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

(25) 5.2.1.1. Morfologia, dimensão e fator de forma dos nanoscristais de celulose. 5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 68. 5.2.1.2. Microscopia Eletrônica de Transmissão . . . . . . . . .. p. 73. 5.2.1.3. Espectroscopia na Região do Infravermelho . . . . . .. p. 77. 5.2.1.4. Difração de Raios X . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 80. 5.2.1.5. Análises Termogravimétricas. p. 83. . . . . . . . . . . . . . .. Hidrólise enzimática de tecido de fibra de algodão com corante índigo e pré-tratado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 88. 5.3.1. Caracterização dos nanocristais . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 88. 5.3.1.1. Açúcares Redutores Totais . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 88. 5.3.1.2. Conversão celulósica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 90. 5.3.1.3. Morfologia e dimensão dos nanoscristais de celulose . .. p. 94. 5.3.1.4. Espectroscopia na Região do Infravermelho . . . . . .. p. 99. 5.3.1.5. Difração de Raios X . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p. 105. 5.3.1.6. Análises Termogravimétricas. p. 111. . . . . . . . . . . . . . .. 6 Conclusões. p. 116. 7 Trabalhos Futuros. p. 118. Referências. p. 119.

(26) 25. 1. Introdução. A economia global hoje depende muito dos derivados de petróleo e sua exploração não é sustentável a longo prazo. As fontes de energia não renováveis têm um impacto ambiental considerável (NIKOLIĆ et al., 2017). Elas devem ser substituídas por recursos naturais de forma que se possa cumprir o requisito para o desenvolvimento sustentável (MORIANA; VILAPLANA; EK, 2016b; CHEN et al., 2012). O uso de biopolímeros para o desenvolvimento sustentável e preservação ambiental tornou-se muito presente nos últimos 20 anos, devido às suas diversas vantagens, incluindo a ampla disponibilidade, renovabilidade e a biocompatibilidade principalmente quando comparada a seus homológos sintéticos (MIRI et al., 2015). A celulose é o biopolímero mais abundante da terra. Além disso, é um recurso renovável e atraente para satisfazer a demanda de redução do impacto ambiental, oferecendo uma enorme vantagem no custo de produção com propriedades físicas e químicas desejáveis (QIAO et al., 2016). As plantas produzem cerca de 180 bilhões de toneladas de celulose por ano em nível mundial, tornando este polissacarídeo o maior reservatório de carbono no mundo (FESTUCCI-BUSELLI; OTONI; JOSHI,. 2007).. Dentre as fontes de celulose, as fibras e resíduos de algodão destacam-se em comparação com outros materiais lignocelulósicos devido ao alto teor de celulose e pequena quantidade de lignina (NIKOLIĆ et al., 2017; GUPTA; VERMA, 2015). Diferentes resíduos de algodão são gerados a partir da fase inicial até a fase final do processo têxtil para a produção de tecidos (NIKOLIĆ et al., 2017). Dentre estes, destacam-se pela sua alta produção, tecidos de fibra de algodão com corante índigo que não alcaçaram os padrões de qualidade exigidos para comercialização e as peças de vestuário que são descartadas após uso em lixões e aterros sanitários. O aproveitamento desses resíduos, além de reduzir o impacto ambiental, contribui para a sua utilização em alternativas tecnológicas mais viáveis. Dentre as alternativas para aproveitamento destes resíduos, destacam-se a produção de etanol de segunda geração, celulose microcristalina e nanocristais de celulose (MEYABADI.

(27) 26 et al.,. 2014). Os NCC têm despertado grande interesse no campo da nanotecnologia, tanto. na indústria como na academia devido a sua baixa densidade (cerca de 1,566 gcm-3 ), enorme área superficial específica (estimada em várias centenas de m2 g-1 ), abundância de grupos hidroxilas (proporciona locais ativos para ligação química com matrizes poliméricas ou contribui para a possibilidade de modificação química), natureza altamente cristalina, capacidade de reforço, menor custo de produção em relação a nanofibras de vidro e carbono (BOUJEMAOUI et al., 2015; TAN et al., 2015; SHANMUGANATHAN et al., 2010; DUFRESNE, 2003; MORIANA; VILAPLANA; EK, 2016a). Estes materiais podem encontrar aplicações em embalagens alimentares, farmacêutica, eletrônica e reforço em materiais poliméricos devido à significativa melhoria das propriedades (mecânicas, barreira e ópticas) dos materiais em escala nanométrica (KAMAL; KHOSHKAVA,. 2015; MORIANA; VILAPLANA; EK, 2016b; TAN et al., 2015).. No contexto de obtenção de nanocristais a partir de materiais lignocelulósicos podemse citar alguns trabalhos realizados conforme destacado a seguir. (LU; HSIEH, 2010) estudaram a obtenção de nanocristais de celulose a partir do algodão. Os resultados mostram suspensões homogêneas e estáveis devido a introdução de cargas negativas na superfície dos nanocristais gerados pelo ácido sulfúrico. Estes autores obtiveram nanocristais na forma de agulhas e esferas como produto da hidrólise ácida. Conclui-se que a hidrólise ácida foi eficaz para produzir estruturas nanocristalinas com cargas de superficie, o que o tornam materiais promissores para serem utilizados em diversas aplicações. Outro estudo (CHEN et al., 2012) concentrou-se em fibras de algodão naturais prétratadas com dimetilsulfóxido (DMSO), hidróxido de sódio (NaOH), e tratamento ultrassom, que foram hidrolisadas pela enzima celulase de Trichoderma viride G a fim de obter nanocristais de celulose. A pesquisa demonstrou que houve um intumescimento das fibras após pré-tratamento e que foi favorável à hidrólise enzimática para obtenção de NCC. Os resultados mostraram que o pré-tratamento influenciou apenas morfologia dos materiais obtidos após hidrólise enzimática. Fibras de algodão tratadas com DMSO apresentaram morfologia na forma de agulhas com comprimento entre 70-280 nm e largura (10-40 nm). Já fibras de algodão tratadas com NaOH e ultrassom produziram nanopartículas esféricas com tamanho 20 nm e 6 nm, respectivamente. Dessa forma, a hidrólise com celulase pode ser considerada um método promissor para o desenvolvimento verde e sustentável na obtenção de nanocristais de celulose. Não se tem registro de nenhum estudo para obtenção de nanocelulose a partir do resí-.

(28) 27. duo industrial do tecido de fibra de algodão com corante índigo. Logo, torna-se necessário estudar o efeito da presença do corante no isolamento de celulose nanocristalina. Essa estrutura celulósica pode ser extraída de plantas. Os principais processos existentes para a produção de celulose nanocristalina a partir de resíduos lignocelulósicos são: hidrólise ácida (RANBY, 1951; TEIXEIRA et al., 2010a; MORAIS et al., 2013; ELAZZOUZIHAFRAOUI et al.,. 2007; HABIBI; LUCIA; ROJAS, 2010) e hidrólise enzimática (CHEN et al.,. 2012; MEYABADI et al., 2014; TEIXEIRA et al., 2015). A hidrólise ácida consiste na quebra da região amorfa das moléculas de celulose, presentes nas fibras, em função da adição de ácido em condições reacionais específicas. O catalisador ácido utilizado nesse tipo de hidrólise age de maneira rápida no que diz respeito à conversão da celulose em açucares, e por isso, a reação deve ser controlada. As principais variáveis que influenciam no processo de hidrólise ácida são: concentração de ácido, tempo e temperatura (SILVA; D’ALMEIDA, 2009). A hidrólise enzimática de fibras celulósica é realizada por enzimas chamadas celulases. Este complexo enzimático (extrato) atua hidrolisando as ligações glicosídicas das moléculas de celulose em fragmentos menores (oligossacarídeos, celobiose e/ou glicose), isolando assim nanopartícula de celulose cristalina (MEYABADI et al., 2014). As principais variáveis que afetam a hidrólise enzimática são: tipo de enzima, pH, carga enzimática, temperatura e tempo de tratamento (GEORGE et al., 2011). Este trabalho está dividido em seis capítulos, iniciando com esta introdução, na qual faz-se uma descrição geral do tema deste trabalho, seguida dos objetivos e contribuições científicas. O capítulo 3 traz a revisão da literatura, abordando os aspectos teóricos diretamente relacionados à cadeia têxtil, corante índigo, fibras lignocelulósicas e mecanismos de hidrólise; O capítulo 4 consta de materiais e procedimentos aplicados a pré-tratamento, hidrólise ácida, enzimática e técnicas de caracterização. Os resultados obtidos experimentalmente são apresentados e discutidos no capítulo 5 e, em seguida, são apresentadas as conclusões..

(29) 28. 2. Objetivos. 2.1. Objetivo Geral. Estudar a obtenção de nanocelulose a partir do resíduo de tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo, usando hidrólise ácida e enzimática.. 2.2. Objetivos Específicos. • Estudar o efeito do pré-tratamento para remoção do corante na obtenção e características da nanocelulose, a partir do tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo; • Estudar o efeito do tempo em duas condições de tratamento na hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão tingida com e sem pré-tratamento para remoção do corante; • Estudar o efeito do tipo de enzima, carga de enzima e tempo de tratamento na hidrólise enzimática do tecido de fibra de algodão tingida com e sem pré-tratamento para remoção do corante..

(30) 29. 2.3. Contribuições Científicas. 1. Contribuir com dados científicos para o entendimento do efeito do pré-tratamento na obtenção de celulose nanocristalina por hidrólise ácida e enzimática; 2. Contribuir para o entendimento do efeito do pré-tratamento na composição química (teor de celulose) do tecido de fibra de algodão com corante índigo em relação a sua viabilidade como fonte de obtenção de celulose nanocristalina; 3. Apresentar dados científicos do efeito do tempo em duas condições de tratamento (concentração e temperatura) na obtenção de nanocristais de celulose por hidrolise ácida, a partir do tecido de fibra de algodão com e sem pré-tratamento para remoção do corante. Serão fornecidos dados de morfologia, cristalinidade, estabilidade térmica e grupos funcionais para cada variável estudada na hidrólise ácida; 4. Apresentar dados científicos do efeito do tipo de enzima (comercial produzida por Trichoderma reesei e não comercial produzida por Aspergillus fumigatus), tempo e a carga de enzima na obtenção de celulose nanocristalina por hidrólise enzimática, a partir do tecido de fibra de algodão com e sem pré-tratamento para remoção do corante. Serão fornecidos dados de conversão de celulose em glicose, morfologia, cristalinidade, estabilidade térmica e grupos funcionais para cada variável estudada na hidrólise enzimática..

(31) 30. 3. Fundamentação Teórica. Neste capítulo são apresentados conceitos fundamentais e uma revisão da literatura sobre obtenção de nanocelulose, destacando os processos de hidrólise ácida e enzimática. Inicialmente, é apresentada uma visão geral da cadeia têxtil com ênfase no corante índigo. Em seguida as fibras lignocelulósicas são discutidas, onde foram abordados tópicos sobre fibras vegetais, celulose, hemicelulose e lignina. Os principais processos de hidrólise de fibras lignocelulósicas são também descritos, destacando a hidrólise ácida e enzimática. Por fim, as principais características e propriedades da nanocelulose são apresentadas.. 3.1. Cadeia Têxtil. A estrutura da cadeia têxtil inicia-se com a matéria-prima que são as fibras têxteis. Cada fibra possui suas características e propriedades, sejam as dimensões de suas cadeias moleculares, cristalinidade, cor, massa específica, hidrofilicidade e muitas outras que vão conferir ao tecido aplicações diversas (NETO; PITA, 1996). Esta matéria prima é transformada em fio no processo de fiação. O fio é um agrupamento de fibras lineares ou filamentos, que formam uma linha contínua com características têxteis. Dentre as principais características têxteis dos fios, destacam-se a resistência mecânica e flexibilidade (ARAÚJO; CASTRO, 1987). A etapa seguinte é a preparação para a tecelagem, onde os fios serão urdidos, isto é, reunidos em um mesmo comprimento e tracionados, para serem enrolados em carretéis e engomados. Para tecidos denim (tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo), a fase de preparação para a tecelagem inclui a etapa de tingimento dos fios de urdume utilizando o corante índigo. O tecido denim foi a matéria-prima utilizada para desenvolvimento desse estudo. Estes fios seguem para a tecelagem onde são produzidos os tecidos planos. Posteriormente esses tecidos são processados em uma etapa de beneficiamento com o objetivo.

(32) 31. de melhorar as características físico-químicas dos substratos. Estes processos e etapas são definidos de melhorar as características físico-químicas dos substratos. Estes processos e etapas são definidos de acordo com as necessidades de aplicação. A Figura 1 ilustra de forma simplificada as etapas do processo têxtil para a produção de tecido de fibra de algodão tingido com corante índigo.. Figura 1: Etapas do processo produtivo têxtil de forma simplificada O tecido denim é um material à base de fios de fibras naturais lignocelulósicas (algodão), produzido pelo entrelaçamento de um conjunto de fios de urdume e outro conjunto de fios de trama, formando um ângulo de 90◦ (ARAÚJO; CASTRO, 1987; RODRIGUES, 1996). Os fios de urdume deste tecido são tingidos com corante índigo. O tecido índigo tem como principal característica seu princípio de fixação do corante na fibra, realizado por meio de um processo de redução do tamanho da molécula do corante através de alcalinidade e oxidação desse corante por meio do oxigênio, que faz as moléculas se fixarem na superfície das fibras (RODRIGUES et al., 2006). A Figura 2 mostra um fio 100% algodão tingido com corante índigo..

(33) 32. Figura 2: Fio 100% algodão tingido com corante índigo. (FIGUEIREDO; CAVALCANTE, 2010). 3.2 3.2.1. Corantes Tipos de Corantes. As cores são resultado da absorção de radiação eletromagnética na faixa da luz visível e estão relacionadas com comprimentos de onda particulares. O vermelho, por exemplo, corresponde à faixa entre 610 a 700 nm, e o azul, de 430 a 485 nm (SALEM, 2010). Os compostos orgânicos podem absorver radiação eletromagnética. Porém, a absorção de radiação na faixa da luz visível deve-se à presença de grupos cromóforos, ligações duplas conjugadas na estrutura dos compostos. Estruturalmente, um dos únicos aspectos comuns a praticamente todos os corantes é a presença de um ou mais anéis benzênicos. Com essa propriedade, os químicos podem criar substâncias ou misturas de substâncias (corantes) com as mais variadas cores e com os mais variados empregos. Corantes e pigmentos orgânicos podem ser definidos como substâncias intensamente coloridas que aplicadas a um material lhe conferem cor. Os corantes compreendem dois componentes principais (Figura 3): o grupo cromóforo, responsável pela cor que absorve a luz solar, e o grupo funcional que permite a fixação nas fibras do tecido (MORAES; FREIRE; DURAN,. 2000). A fixação da molécula do corante a essas fibras geralmente é. feita em solução aquosa e pode envolver basicamente quatro tipos de ligações: ligação iônica, de hidrogênio, de van der waals e covalentes (SALEM, 2010). Os corantes podem ser classificados de diferentes formas, pela maneira como se ligam às fibras têxteis, pela sua estrutura química ou com base na sua solubilidade (GUPTA et al., 2009)..

(34) 33. Figura 3: Estrutura molecular de um corante têxtil. A- pertence ao grupo cromóforo e B – estrutura de fixação á fibra (ZANONI; CARNEIRO, 2001). De acordo com o modo de fixação, os principais grupos de corantes são: reativos, diretos, azoicos, ácidos, básicos, à tina ou à cuba, sulfurosos, dispersos, pré-metalizados e branqueadores (GUARATINI; ZANONI, 2000). Nesta revisão, o grupo de corantes à cuba receberá destaque devido o corante índigo fazer parte deste grupo e também por ter sido utilizado para tingimento do resíduo têxtil usado nesta pesquisa. Corantes à tina ou à cuba são uma grande e importante classe de corantes baseada nos índigos, tioindigóides e antraquinóides. O índigo, corante de larga aplicação na indústria do vestuário devido à sua cor e às propriedades de solidez peculiares, pertence à classe dos corantes à cuba. Podemos apontar, como principal característica desta classe de corantes, o fato de ser, em sua forma original, insolúvel em água, não possuindo, portanto, afinidade por qualquer fibra têxtil. Por isso, para que ocorra o tingimento da fibra é necessário que seja solubilizado através de uma reação de redução em meio alcalino (forma reduzida leucoderivado). Na forma reduzida, o corante migra para a fibra, uma vez completa a migração, o substrato é lavado e o corante é re-oxidado à sua forma insolúvel dentro da fibra (GUARATINI; ZANONI, 2000).. 3.2.2. Índigo Blue. O índigo blue é usado no tingimento de fios de algodão empregados na manufatura do tecido conhecido como jeans (PASCHOAL; TREMILIOSI-FILHO, 2005). É um composto azul, que tem ponto de fusão em 390◦ - 392 ◦ C. É insolúvel em água, álcoois ou éteres mas solúvel em clorofórmio, em nitrobenzeno, ou em ácido sulfúrico concentrado. A estrutura química do índigo corresponde à fórmula C16 H10 N2 O2 e está apresentado na Figura 4..

(35) 34. Figura 4: Estrutura molecular do corante índigo blue (GŁOWACKI et al., 2012) O índigo é obtido somente na sua forma trans, pois ocorrem interações do tipo ponte de Van der Walls entre os átomos de hidrogênio dos grupo aminas e os átomos de oxigênios dos grupos carbonilas que conferem uma maior estabilidade à molécula. A forma cis desta mesma molécula não é obtida devido às interações entre os hidrogênios das aminas e os oxigênios das carbonilas causando repulsão, gerando um sistema de maior energia e, portanto, não preferencial, se convertendo invariavelmente na forma trans. A característica química deste corante é a presença do grupo cetônico (C=O), sendo este insolúvel em água, mas, quando se altera para a forma reduzida (C–OH), tornase solúvel e o corante passa a ter afinidade química pela fibra celulósica (PASCHOAL; TREMILIOSI-FILHO, 2005). Dessa forma, o processo de tingimento na indústria têxtil ocorre. por meio da reação de oxi-redução, na qual o corante é reduzido à forma leucoíndigo. Essa forma entra em contato com o tecido, sendo fixada a fibra pela reoxidação com ar, retornando a forma original do Índigo Blue, colorindo a fibra de azul. A reação de oxi-redução está apresentada na Figura 5.. Figura 5: Redução química da espécie índigo a forma leucoíndigo (PASCHOAL; TREMILIOSIFILHO, 2005) O índigo é o corante mais produzido no mundo (GŁOWACKI et al., 2012), amplamente utilizado pela indústria têxtil, e como precursor para a síntese de outros corantes de estrutura química semelhante, classificados como indigóides. Os resíduos de tecido com corante índigo formado a partir de fibras naturais ligno-.

(36) 35. celulósicas apresentam grande potencial de uso nas mais variadas aplicações industriais (produção de bioetanol de segunda geração, celulose microcristalina/ nanocristalina e reforço de compósitos), o que torna estas fibras objetos de muitas pesquisas na academia e indústria.. 3.3 3.3.1. Fibras Lignocelulósicas Fibras Vegetais. Fibras têxteis possuem diversas origens, sendo este um dos critérios usados para a sua classificação. Desta forma, as fibras podem ser de origem natural sob uma forma que as tornam aptas para o processamento têxtil, ou de origem não natural, sendo produzidas a partir polímeros naturais transformados pela ação de reagentes químicos (fibras regeneradas ou artificiais), ou por polímeros obtidos por síntese química (LADCHUMANANANDASIVAM,. 2002). Dentre essas fibras, as fibras naturais de origem vegetal merecem. destaque pela sua abundância, baixo custo, biodegradabilidade e renovabilidade. Estas fibras são produzidas em praticamente todos os países e usualmente são designadas por biomassa lignocelulósicas. Uma estimativa da FAO (Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação) sugere que, do total de fibras produzidas ao redor do mundo, cerca de 25 milhões de toneladas é de origem vegetal, tendo como principal destaque o algodão (SONESSO et al., 2011). O algodão é uma fibra branca ou esbranquiçada obtida dos frutos de algumas espécies do gênero Gossypium hirsutum L. (Figura 6) sendo considerado a mais importante das fibras têxteis (SONESSO et al., 2011). Normalmente é constituída em cerca de 90 a 95% de celulose, sendo a maior parte restante constituída por ceras, gorduras ou minerais, etc (SATYAMURTHY et al., 2011; JEIHANIPOUR; TAHERZADEH, 2009; MEYABADI et al., 2014)..

(37) 36. Figura 6: Algodoeiro (Gossypium hirsutum L.) (EMBRAPA, 2011) O algodão é uma matéria-prima tradicional para a obtenção de nanocristais de celulose, mas a composição química desses materiais lignocelulósicos não é algo uniforme, ou seja, varia de uma planta para outra (MORAIS et al., 2013), até mesmo pelo fato de haver a influência de alguns fatores tais como, idade de colheita, condições de crescimento, parte da planta escolhida entre outros. As fibras de celulose podem ser consideradas como substâncias de origem natural denominadas de fibras naturais lignocelulósicas. Essa biomassa lignocelulósica é definida como um material complexo formado por essencialmente três componentes orgânicos: celulose, hemicelulose e lignina. Nas plantas a celulose encontra-se na forma de microfibrilas embebidas em uma matriz composta de hemicelulose e lignina, cuja função estrutural é agir como barreira natural à degradação enzimática e/ou microbiana e servir como proteção mecânica (CANILHA et al., 2010). Suas características estruturais estão relacionadas à natureza da celulose e à sua cristalinidade. A organização mais comum da parede celular vegetal está representada na Figura 7. Além destes principais componentes (celulose, hemicelulose e lignina) são encontrados também compostos inorgânicos e moléculas extraíveis com solventes orgânicos, como pectinas, carboidratos simples, terpenos, alcalóides, saponinas, polifenólicos, gomas, resinas, gorduras e graxas, entre outros (MARTINS et al., 2011).. 3.3.2. Celulose. A celulose, que corresponde isoladamente a aproximadamente 40% de toda reserva de carbono disponível na biosfera, é a fonte mais abundante deste elemento base dos componentes orgânicos. Está presente em todas as plantas, desde árvores altamente de-.

(38) 37. Figura 7: Organização mais comum de uma fibra vegetal (SILVA; D’ALMEIDA, 2009) senvolvidas até em organismos mais primitivos sendo que seu conteúdo nestas espécies pode variar de 20 a 99% (RABELO et al., 2010). Este polímero natural é um homopolissacarídeo linear cuja unidade repetitiva é a celobiose que é formada pela união de duas moléculas de glicose através de ligações β-14-glicosídicas, de fórmula geral (C6 H10 05 )n, proporcionando crescimento linear de cadeia macromolecular levando a uma elevada massa molecular, considerável grau de cristalinidade, insolubilidade em água e estrutura rígida. Esta unidade repetitiva tem uma estrutura linear ou fibrosa, que contém seis grupos hidroxila que estabelecem interações do tipo ligações de hidrogênio intra e intermolecular, como pode ser visto Figura 8. Devido a essas ligações de hidrogênio, há uma forte tendência da celulose formar cristais que a tornam completamente insolúvel em água e na maioria dos solventes orgânicos. As ligações de hidrogênio inter e intramoleculares também são responsáveis pela manutenção das redes cristalinas e tornam a celulose resistente a tratamentos químicos e biológicos (GAMBARATO, 2010). As zonas cristalinas se alternam com zonas amorfas e apesar da natureza higroscópica das moléculas individuais de celulose, a adsorção de moléculas de água só é possível nas zonas amorfas, em função da falta de espaços vazios na estrutura cristalina, que tem alta.

(39) 38. Figura 8: Estrutura da celulose formada pela união de moléculas de glicose (uma hexose) através de ligações β-1,4-glicosídicas, seus grupos terminais redutores e não redutores. (KLOCK et al., 2005) densidade de empacotamento (HABIBI; LUCIA; ROJAS, 2010; TEODORO et al., 2011; SILVA, 2009). Quatro formas cristalinas foram identificadas para celulose, e são designadas como I, II, III e IV. Cada uma destas formas cristalinas apresenta características físicas e químicas pró-prias, como solubilidade, densidade, ponto de fusão, forma do cristal, além de proprieda-des ópticas e elétricas (OGEDA; PETRI et al., 2010). Na natureza, celulose I é a mais abundante e, logo, é chamada de celulose nativa. Celulose II é o polimorfo majoritário na indústria de processamento de celulose. Esta molécula por ser formada a partir de regeneração ou mercerização da celulose I, sendo também o alomorfo termodinamicamente mais estável (OGEDA; PETRI et al., 2010). A cristalinidade da celulose influencia a sua reatividade, ao controlar o acesso de compostos químicos ou enzimas aos grupos funcionais e às ligações químicas nas regiões cristalinas. O grau de cristalinidade da celulose (proporção entre a massa de domínios cristalinos e a massa total da celulose) e as dimensões típicas são dependentes de sua origem (LIMA; BORSALI, 2004). A celulose de algodão possui cadeias mais ordenadas, apresentando cristalinidade de aproximadamente 70%, enquanto a celulose de árvores.

(40) 39. apresenta índice de cristalinidade ao redor de 40%. Os grupos hidroxilas são os grupos funcionanis mais abundantes na molécula de celulose, seguidos pelas ligações acetal que formam o anel das piranoses. A hidrólise e a oxidação são os processos químicos degradativos mais importantes. Da hidrólise da celulose obtêm-se polímeros menores, oligossacarídeos com cadeias terminais redutoras e não redutoras (Figura 9) que, após reações mais extensas, decompõemse dando origem a celobiose (dissacarídeo redutor) e a glicose.. Figura 9: Reaçoes de hidrólise da celulose. R e R’ são as semicadeias do polímero de celulose. A ligação em zig-zag representa a ligação β-D (1-4) glicosídica. (RABELO et al., 2010) A celulose constitui o principal material de sustentação das plantas terrestres, possuindo também importância industrial, servindo de matéria-prima para indústrias têxtil e de papel, dentre inúmeras outras. Fibras longas de celulose podem ser extraídas de certas plantas com tratamento de purificação relativamente simples, sendo o algodão a principal entre estas fibras. O linho, cânhamo, juta, sisal, rami são outras fibras de origem celulósica de importância industrial. A Tabela 1 mostra a variação da quantidade de celulose com relação ao tipo de fonte de onde a mesma é extraída. Tabela 1: Conteúdo médio de celulose. (KLOCK et al., 2005). Planta Celulose(%) Algodão 95 - 99 Rami 80 - 90 Bambo 40 - 50 Madeira 40 - 50 Musgos 25 - 30.

(41) 40. 3.3.3. Hemicelulose. As hemiceluloses estão intimamente associadas à celulose na parede da célula vegetal e são compostas por diferentes unidades de açúcares (heteropolissacarídeos), formando cadeias ramificadas (FENGEL; WEGENER, 1983). As diferentes unidades de açúcares que formam as hemiceluloses são compostas por glicose, manose e galactose (hexoses), além da xilose e arabinose (pentoses), podendo ainda apresentar quantidades variáveis de ácidos urônicos e grupos acetilas em alguns tipos de vegetais (FARINAS, 2011). Estas unidades podem ser lineares ou ramificadas, são amorfas e possuem massa molecular relativamente baixa, o que facilita a adsorção de água contribuindo para intumescimento e flexibilidade das fibras (KLOCK et al., 2005), tornando-a mais facilmente hidrolisada que a celulose. O principal açúcar encontrado na maioria das hemiceluloses é a xilose (FENGEL; WEGENER, et al.,. 1983) a qual também pode ser utilizada para produção de etanol (BOMMARIUS. 2008). Xilanas são heteropolissacarídeos compostos por ligações 1,4 de resíduos de. D-xilanopiranosil com ramificações arabinosil e/ou acetil, dependendo do vegetal em que se encontra (BALAT; BALAT; ÖZ, 2008).. 3.3.4. Lignina. A lignina, apresentada na Figura 10, é formada por uma estrutura complexa de unidades de fenilpropano. A lignina apresenta em sua estrutura inúmeros grupos aromáticos e alifáticos, com diversos anéis fenilpropânicos substituídos ligados por meio de diferentes tipos de ligações, como do tipo éter (hidroxilas primárias e secundárias, carbonilas, carboxilas, ésteres e ligações etilênicas) ou carbono-carbono (FENGEL; WEGENER, 1983; RAMIRES, 2010). A massa molecular de uma lignina native típica é 20.000 g/mol (FILHO et al., 2007). Trata-se de uma substância amorfa que durante o desenvolvimento das células é incorporada como o último componente na parede, interpenetrando as fibrilas e assim fortalecendo e enrijecendo as paredes celulares, conferindo as plantas uma resistência mecânica (HENDRIKS; ZEEMAN, 2009)..