Desenvolvimento e validação de método acelerado para avaliação de biodegradabilidade de polímeros

Abstract

Polímeros naturais foram os primeiros materiais poliméricos utilizados pelo ser humano, até que foram desenvolvidos polímeros sintéticos, não-biodegradáveis, que acabaram se tornando um grande problema ambiental. Ilhas de plástico formadas nos oceanos, microplásticos presentes na água, em animais marinhos e até no sal de cozinha, são exemplos dos efeitos do consumo e descarte desenfreado de plásticos no mundo, principalmente os chamados de plásticos de uso único ou descartáveis. Neste contexto, polímeros biodegradáveis se apresentam como uma solução a este problema, tornando-se objeto de interesse de empresas e consumidores. A produção mundial de plásticos biodegradáveis atingiu 2,8 milhões de toneladas em 2022 e deve crescer para 4,5 milhões de toneladas em 2027, sendo a Europa o maior produtor, seguida pela Ásia, América do Norte e América do Sul. O crescente interesse no desenvolvimento de alternativas biodegradáveis traz também a necessidade por métodos confiáveis de avaliação desta propriedade, visando a comprovação do seu menor impacto ambiental. As normas ASTM D6400 e ISO 17088 apresentam os requisitos para classificar um polímero como biodegradável, além de estabelecer os testes respirométricos definidos pelas normas ASTM D5338 e ISO 14855, respectivamente, como métodos padronizados para determinação de biodegradabilidade. No entanto, o elevado custo de dispositivos e de execução, aliados ao longo tempo necessário para realização destes testes (45 a 180 dias), representam uma dificuldade relevante na avaliação da biodegradabilidade e acabam por elevar o custo e o tempo de desenvolvimento de polímeros biodegradáveis. Assim, o objeto de estudo desta pesquisa é o desenvolvimento de um método alternativo, mais rápido e mais simples, para a avaliação da biodegradabilidade de polímeros. O método proposto combina o uso de respirômetros Bartha e bioestimulação com extrato de levedura, visando acelerar o processo de biodegradação e ter uma resposta mais rápida do que os métodos padronizados. O método desenvolvido apresentou resultados coerentes com os dados da literatura, em menos tempo (28 dias), o que representa uma economia de 84,4% em tempo e custo de mão de obra de execução, além de uma necessidade de investimento cerca de 50% inferior. Após o estabelecimento do método, um estudo cinético do processo de biodegradação foi realizado para, através de modelagem matemática, estabelecer um modelo que se ajustasse aos dados obtidos por ambos os métodos e com isso permitir a busca de uma correlação entre os mesmos. Para isso, cinco modelos cinéticos de biodegradação descritos na literatura foram aplicados aos dados experimentais do método desenvolvido e aos dados coletados da literatura para os mesmos polímeros, testados de acordo com as normas padronizadas. Finalmente, o método foi empregado em produtos comercializados como oxibiodegradáveis, sendo realizados testes adicionais de degradação biótica e abiótica. Observaram-se diferenças mínimas nos níveis de degradação, destacando a necessidade urgente de uma avaliação mais abrangente da eficácia dos produtos oxibiodegradáveis e regulamentação do seu uso, uma vez que nenhum dos materiais testados demonstrou biodegradação satisfatória.

Natural polymers were the first polymer materials used by humans until the development of synthetic, non-biodegradable polymers, which have created a significant environmental problem. Plastic islands in the oceans, microplastics in water, marine animals and even table salt are examples of the consequences of the rampant consumption and disposal of plastics worldwide, especially single-use or disposable plastics. In this scenario, biodegradable polymers are emerging as a solution and are attracting the interest of companies and consumers. Global production of biodegradable plastics reached 2.8 million tons in 2022 and is expected to grow to 4.5 million tons by 2027, with Europe being the largest producer, followed by Asia, North America, and South America. The growing interest in biodegradable alternatives also underscores the need for reliable methods to assess this property and ensure their reduced environmental impact. The ASTM D6400 and ISO 17088 standards outline the criteria for classifying a polymer as biodegradable and establish the respirometric tests defined by the ASTM D5338 and ISO 14855 standards, respectively, as the standardized methods for determining biodegradability. However, the high cost of equipment and execution, combined with the long duration of these tests (45 to 180 days), pose a significant challenge to the evaluation of biodegradability, consequently increasing the cost and development time of biodegradable polymers. Therefore, this research focuses on developing a faster and simpler alternative method for evaluating polymer biodegradability. The proposed method combines Bartha respirometers with yeast extract biostimulation to accelerate the biodegradation process and provide faster results than standard methods. The developed method showed results consistent with existing literature data, in a shorter time frame (28 days). This represents a time and labor cost reduction of 84.4%, in addition to requiring approximately 50% less investment. Once the method was established, a kinetic study of the biodegradation process was carried out to establish, through mathematical modeling, a model that would fit the data obtained by both methods, thus allowing the search for transparency between them. To achieve this, five biodegradation kinetic models from the literature were applied to experimental data from the developed method and to data from the same polymers tested by standardized methods. Finally, the method was applied to products marketed as oxo-biodegradable. Additional biotic and abiotic degradation tests were carried out, and minimal differences in degradation levels were observed. This highlights the urgent need for a more comprehensive assessment of the effectiveness of oxo-biodegradable products and regulation of their use. None of the materials tested demonstrated satisfactory biodegradation.