Funcionalização de Nanocelulose Bacteriana (NCB) com Cinza Leve de Carvão Mineral (CL)
Data
2019-07-12
Autores
Kramer, Loise Rissini
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Editor
Resumo
A nanocelulose produzida a partir de bactérias, conhecida como nanocelulose bacteriana (NCB), ganhou um papel promissor como fonte alternativa em comparação às demais classes de celulose. Devido as propriedades excelentes como alta capacidade de retenção de água, alto grau de polimerização, nanoestrutura única, alta cristalinidade e alta resistência mecânica, esse material vem sendo amplamente estudado. As descobertas mostram que a NCB e seus derivados surgiram como um biomaterial avançado e proporcionam um futuro promissor em vários campos, como biomédico e farmacêutico, cosméticos, alimentos, têxteis e eletrônico. Em outra linha, a cinza leve de carvão mineral (CL), resíduo produzido em grandes volumes por termelétricas, é fonte de óxidos de silício e alumínio, aplicada por exemplo na construção civil e na síntese de zeólitas. Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi funcionalizar a NCB com CL (NCB-CL), mais especificamente, avaliar as técnicas de funcionalização in situ e ex situ, e caracterizar os materiais, a fim de investigar as possíveis aplicações do compósito. A NCB foi produzida em cultura estática pela bactéria Komagataeibacter xylinus a 30 °C, em meio Hestrin & Schramm (HS). A metodologia avaliou a incorporação através de duas abordagens, in situ e ex situ, e os seguintes parâmetros: meios de incorporação (água, acetato de polivinila, ácidos nítrico e sulfúrico); temperatura; tempo de processo e concentração de CL. Foram caracterizados por difração de raio X e microscopia eletrônica de varredura a NCB, a CL e a NCB-CL produzida na melhor condição (ex situ, imersa em solução de 500 g CL/L, sob agitação em ultrassom à 60 °C, durante 1 hora). Além disso, a composição e a granulometria da CL foi avaliada por espectroscopia por dispersão de energia de raio X e granulometria a laser, respectivamente. Os resultados mostraram que através da funcionalização in situ houve uma limitação para o desenvolvimento do compósito. Por outro lado, a abordagem ex situ permitiu a incorporação da CL em biofilmes de NCB e foi mais efetiva em temperaturas mais elevadas, com alta concentração de CL. A CL possui majoritariamente mulita e quartzo, sendo as partículas em sua maioria esféricas e 90% com diâmetros menores que 120,059 ± 3,166 µm. A NCB foi produzida com alta pureza e o método ex situ resultou na incorporação de 6,0 g CL/g NCBseca no caso dos biofilmes de 24 poços e 6,9 g CL/g NCBseca para os de 96 poços, estando a CL incorporada entre as nanofibras de NCB. O comportamento observado por meio dos parâmetros avaliados na produção de NCB-CL são o primeiro passo para o estudo desse compósito.
Nanocellulose produced from bacteria, known as bacterial nanocellulose (NCB), has gained a promising role as an alternative source in comparison to the other classes of cellulose. Due to excellent properties such as high water retention capacity, high degree of polymerization, unique nanostructure, high crystallinity and high mechanical strength, this material has been extensively studied. The findings show that NCB and its derivatives have emerged as an advanced biomaterial and provide a promising future in many fields, including biomedical and pharmaceutical, cosmetics, food, textiles and electronics. In another line, coal fly ash (CL), a residue produced in large volumes by thermoelectric plants, is a source of silicon and aluminum oxides applied, for example, in civil construction and zeolite synthesis. In this way, the objective of this work was to functionalize NCB with CL (NCB-CL), more specifically, to evaluate in situ and ex situ functionalization techniques, and to characterize the materials, in order to investigate the possible applications of the composite. The NCB was produced in static culture by the bacterium Komagataeibacter xylinus at 30 °C in Hestrin & Schramm (HS) medium. The methodology evaluated the incorporation through two approaches, in situ and ex situ, and the following parameters: incorporation media (water, polyvinyl acetate, nitric and sulfuric acids); temperature; process time and CL concentration. The NCB, CL and NCB-CL produced in the best condition (ex situ, immersed in 500 g CL/L solution, under ultrasonic stirring at 60 °C for 1 hour) were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. In addition, the composition and particle size of CL were evaluated by X-ray energy dispersion spectroscopy and laser granulometry, respectively. The results showed that through in situ functionalization there was a limitation for the development of the composite. On the other hand, the ex situ approach allowed the incorporation of CL in NCB biofilms and it was more effective at higher temperatures, with high CL concentration. CL particles are mostly mullite and quartz, and they are predominantly constituted by spherical particles, being 90% with diameters smaller than 120,059 ± 3,166 μm. NCB was produced with high purity and the ex situ method resulted in the incorporation of 6.0 g CL/g NCB dried in the case of the biofilm produced in 24 well plates and 6.9 g CL/g NCB dried for the 96 wells, with CL being incorporated between the NCB nanofibers. The behavior observed through the parameters evaluated in the production of NCB-CL are the first step to the study of this composite
La nanocelulosa producida a partir de bacterias, conocida como nanocelulosa bacteriana (NCB), ganó un papel prometedor como fuente alternativa en comparación con las demás clases de celulosa. Debido a las propiedades excelentes como alta capacidad de retención de agua, alto grado de polimerización, nanoestructura única, alta cristalinidad y alta resistencia mecánica, este material ha sido ampliamente estudiado. Los descubrimientos muestran que la NCB y sus derivados surgieron como un biomaterial avanzado y proporcionan un futuro prometedor en varios campos, como biomédico y farmacéutico, cosméticos, alimentos, textiles y electrónicos. En otra línea, la ceniza volante de carbón mineral (CL), residuo producido en grandes volúmenes por termoeléctricas, es fuente de óxidos de silicio y aluminio, aplicada por ejemplo en la construcción civil y síntesis de zeolitas. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue funcionalizar NCB con CL (NCB-CL), más específicamente, evaluar las técnicas de funcionalización in situ y ex situ, y caracterizar los materiales, a fin de investigar las posibles aplicaciones del material compuesto. La NCB fue producida en cultivo estático por la bacteria Komagataeibacter xylinus a 30°C, en medio Hestrin & Schramm (HS). La metodología evaluó la incorporación a través de dos enfoques, in situ y ex situ, y los siguientes parámetros: medios de incorporación (agua, acetato de polivinilo, ácidos nítrico y sulfúrico); temperatura; tiempo de proceso y concentración de CL. Se caracterizó la NCB, la CL y la NCB-CL producida en la mejor condición (ex situ, inmersa en solución de 500 g CL/L, bajo agitación en ultrasonido a 60 °C, durante 1 hora) por los análisis de difracción de rayos-X y microscopía electrónica de barrido. Además, la composición y granulometría de la CL fue caracterizada por espectroscopia por dispersión de energía de rayos-X y granulometría a láser, respectivamente. Los resultados mostraron que a través de la funcionalización in situ hubo una limitación para el desarrollo del material compuesto. Por otro lado, el enfoque ex situ permitió la incorporación de la CL en biopelículas de NCB y fue más efectiva a temperaturas más elevadas, con alta concentración de CL. La CL posee mayoritariamente mulita y cuarzo, partículas predominantemente esféricas, siendo 90% con diámetros menores que 120,059 ± 3,166 μm. La NCB fue producida con alta pureza y el método ex situ resultó en la incorporación de 6,0 g CL/g NCB seca en el caso de las biopelículas de 24 pocillos y 6,9 g CL/g NCB seca para los de 96 pocillos, estando la CL incorporada entre las nanofibras de NCB. El comportamiento observado por medio de los parámetros evaluados en la producción de NCB-CL son el primer paso para el estudio de ese material compuesto
Nanocellulose produced from bacteria, known as bacterial nanocellulose (NCB), has gained a promising role as an alternative source in comparison to the other classes of cellulose. Due to excellent properties such as high water retention capacity, high degree of polymerization, unique nanostructure, high crystallinity and high mechanical strength, this material has been extensively studied. The findings show that NCB and its derivatives have emerged as an advanced biomaterial and provide a promising future in many fields, including biomedical and pharmaceutical, cosmetics, food, textiles and electronics. In another line, coal fly ash (CL), a residue produced in large volumes by thermoelectric plants, is a source of silicon and aluminum oxides applied, for example, in civil construction and zeolite synthesis. In this way, the objective of this work was to functionalize NCB with CL (NCB-CL), more specifically, to evaluate in situ and ex situ functionalization techniques, and to characterize the materials, in order to investigate the possible applications of the composite. The NCB was produced in static culture by the bacterium Komagataeibacter xylinus at 30 °C in Hestrin & Schramm (HS) medium. The methodology evaluated the incorporation through two approaches, in situ and ex situ, and the following parameters: incorporation media (water, polyvinyl acetate, nitric and sulfuric acids); temperature; process time and CL concentration. The NCB, CL and NCB-CL produced in the best condition (ex situ, immersed in 500 g CL/L solution, under ultrasonic stirring at 60 °C for 1 hour) were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. In addition, the composition and particle size of CL were evaluated by X-ray energy dispersion spectroscopy and laser granulometry, respectively. The results showed that through in situ functionalization there was a limitation for the development of the composite. On the other hand, the ex situ approach allowed the incorporation of CL in NCB biofilms and it was more effective at higher temperatures, with high CL concentration. CL particles are mostly mullite and quartz, and they are predominantly constituted by spherical particles, being 90% with diameters smaller than 120,059 ± 3,166 μm. NCB was produced with high purity and the ex situ method resulted in the incorporation of 6.0 g CL/g NCB dried in the case of the biofilm produced in 24 well plates and 6.9 g CL/g NCB dried for the 96 wells, with CL being incorporated between the NCB nanofibers. The behavior observed through the parameters evaluated in the production of NCB-CL are the first step to the study of this composite
La nanocelulosa producida a partir de bacterias, conocida como nanocelulosa bacteriana (NCB), ganó un papel prometedor como fuente alternativa en comparación con las demás clases de celulosa. Debido a las propiedades excelentes como alta capacidad de retención de agua, alto grado de polimerización, nanoestructura única, alta cristalinidad y alta resistencia mecánica, este material ha sido ampliamente estudiado. Los descubrimientos muestran que la NCB y sus derivados surgieron como un biomaterial avanzado y proporcionan un futuro prometedor en varios campos, como biomédico y farmacéutico, cosméticos, alimentos, textiles y electrónicos. En otra línea, la ceniza volante de carbón mineral (CL), residuo producido en grandes volúmenes por termoeléctricas, es fuente de óxidos de silicio y aluminio, aplicada por ejemplo en la construcción civil y síntesis de zeolitas. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue funcionalizar NCB con CL (NCB-CL), más específicamente, evaluar las técnicas de funcionalización in situ y ex situ, y caracterizar los materiales, a fin de investigar las posibles aplicaciones del material compuesto. La NCB fue producida en cultivo estático por la bacteria Komagataeibacter xylinus a 30°C, en medio Hestrin & Schramm (HS). La metodología evaluó la incorporación a través de dos enfoques, in situ y ex situ, y los siguientes parámetros: medios de incorporación (agua, acetato de polivinilo, ácidos nítrico y sulfúrico); temperatura; tiempo de proceso y concentración de CL. Se caracterizó la NCB, la CL y la NCB-CL producida en la mejor condición (ex situ, inmersa en solución de 500 g CL/L, bajo agitación en ultrasonido a 60 °C, durante 1 hora) por los análisis de difracción de rayos-X y microscopía electrónica de barrido. Además, la composición y granulometría de la CL fue caracterizada por espectroscopia por dispersión de energía de rayos-X y granulometría a láser, respectivamente. Los resultados mostraron que a través de la funcionalización in situ hubo una limitación para el desarrollo del material compuesto. Por otro lado, el enfoque ex situ permitió la incorporación de la CL en biopelículas de NCB y fue más efectiva a temperaturas más elevadas, con alta concentración de CL. La CL posee mayoritariamente mulita y cuarzo, partículas predominantemente esféricas, siendo 90% con diámetros menores que 120,059 ± 3,166 μm. La NCB fue producida con alta pureza y el método ex situ resultó en la incorporación de 6,0 g CL/g NCB seca en el caso de las biopelículas de 24 pocillos y 6,9 g CL/g NCB seca para los de 96 pocillos, estando la CL incorporada entre las nanofibras de NCB. El comportamiento observado por medio de los parámetros evaluados en la producción de NCB-CL son el primer paso para el estudio de ese material compuesto
Abstract
Descrição
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Instituto Latino-Americano de Tecnologia,
Infraestrutura e Território da Universidade Federal
da Integração Latino-Americana, como requisito
parcial à obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Química. Orientador: Prof. Dr. Márcio de Sousa Góes e Coorientadora: Profa. Dra. Samara Silva de
Souza
Palavras-chave
Biomateriais, Bactéria - Komagataeibacter xylinus, Nanocelulose bacteriana (NCB)
Citação
KRAMER, Loise Rissini. Funcionalização de Nanocelulose Bacteriana (NCB) com Cinza Leve de Carvão Mineral (CL). 2019. 67 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) – Universidade Federal da Integração Latino-Americana, Foz do Iguaçu, 2019