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Elas são partículas minúsculas, chegam a ter a espessura até dez mil vezes menor do que um fio de cabelo, mas possuem superpoderes: são as nanopartículas de celulose, partes extremamente pequenas de matéria vegetal que têm se revelado como um dos maiores avanços tecnológicos dos últimos tempos.
Na Escola de Engenharia de Lorena (EEL) da USP, no Laboratório de Biocatálise e Bioprodutos, estão sendo pesquisados novas rotas de obtenção e aplicação destas nanopartículas a partir de fibras celulose – o polímero natural mais abundante na Terra, de fonte 100% renovável, e encontrado no bagaço da cana-de-açúcar e no eucalipto, por exemplo.
O diferencial das pesquisas realizadas na EEL é o desenvolvimento de tecnologia de base biotecnológica para processos escalonáveis. Avanços nesta área podem viabilizar que estas nanopartículas sejam utilizadas de novas maneiras, por exemplo, resultando em materiais com inúmeras possibilidades de aplicação.
A partir da celulose é possível obter dois tipos de nanopartículas: a celulose nanocristalina e a nanofibrilada. A celulose nanofibrilada fica disposta em feixes paralelos organizados “como macarrões espaguete na embalagem”, enquanto a celulose cristalina (ou nanocristais) com aspecto de minúsculos bastonetes cristalinos “se assemelha a agulhas ou grãos de arroz, porém com espessura cerca de 200 mil vezes menor”, exemplifica o coordenador do grupo de pesquisa, o professor Valdeir Arantes.
A nanocelulose, com sua alta performance e versatilidade, é uma aliança entre nanotecnologia, biotecnologia e matéria-prima renovável.
Os poderes da nanocelulose são decorrentes de uma combinação única de propriedades físicas, químicas e biológicas, como elevada resistência mecânica, leveza, alta área superficial, biodegradabilidade, biocompatibilidade, entre outras. Arantes conta que, por isso, o interesse para aplicação de nanocelulose abrange vários setores da indústria, como papel, têxtil, construção civil, alimentícia, biomédica, farmacêutica, cosméticos, automotiva, aeroespacial, eletrônica, entre outras.
Um material, muitos usos
A indústria que mais tem investido em pesquisas na área é a de papel e celulose, que busca diversificação no portfólio de produtos. Já na indústria de óleo e gás está uma das aplicações inovadoras da nanocelulose, pois o material melhora aspectos da reologia (deformação e o escoamento) dos fluidos de perfuração, reduz o atrito no revestimento dos poços de petróleo e, devido à grande possibilidade de modificação, a celulose nanocristalina pode ser utilizada nas emulsões que estabilizam a interface óleo-água.
Na indústria de medicamentos, as nanopartículas obtidas da celulose servem como carreadores para liberação controlada de fármacos. Devido à sua elevada transparência e possibilidade de ser eletricamente condutora, podem ser utilizadas, por exemplo, como uma superfície para dispositivos eletrônicos flexíveis. Na medicina, podem fazer parte de um curativo inteligente ou pele artificial na cicatrização de feridas e queimaduras, acelerando o processo de cicatrização. Com algumas propriedades similares ou até superiores a populares supermateriais como grafeno e kevlar (usado em roupas à prova de bala), a nanocelulose, de oito a dez vezes mais forte e mais leve que o aço inoxidável, por exemplo, é um material muito atrativo para as indústrias aeronáutica e automotiva.
De acordo com o pesquisador, os estudos em Lorena estão focados em aplicar rotas ambientalmente corretas, mais eficientes do ponto de vista técnico, econômico, e ambiental, e em encontrar meios biotecnológicos que possam liberar as nanoceluloses de modo que seja vantajoso tanto para indústria, quanto para o meio ambiente. “Estamos trabalhando para desenvolver processos biotecnológicos utilizando enzimas específicas e combinações que possam extrair essas nanopartículas de forma eficiente e com propriedades diferenciadas”, declara Arantes.
Além da procura por um método ambientalmente aceitável e menos oneroso para extração das nanopartículas de celulose, o grupo também trabalha no desenvolvimento de técnicas que possibilitem a incorporação eficiente da nanocelulose em matrizes poliméricas, os chamados compósitos e nanocompósitos, que são materiais formados pela união de outros visando a obter maior qualidade. Busca-se criar o que Arantes chama de superplástico ou plástico inteligente, com melhores propriedades de barreira, podendo ser biodegradável, mais leve e mais resistente que os convencionais. Esse supermaterial poderá ser utilizado para embalagens alimentícias, componentes plásticos automobilísticos, ou embalagens em geral, um setor em constante crescimento em decorrência da expansão do comércio eletrônico.
“Fibria Insight”
Nesta linha de aplicação de nanocelulose, recentemente as pesquisas realizadas no Laboratório de Biocatálise e Bioprodutos da EEL tiveram destaque no Fibria Insight. Trata-se de um programa para identificar e estimular soluções inovadoras e novas oportunidades de negócio em parceria com outras instituições oferecido pela Fibria, empresa brasileira que lidera a produção de celulose de eucalipto no mundo. Entre 50 inscritos, o projeto da EEL foi um dos sete finalistas escolhidos para desenvolver, junto à empresa, aplicações inovadoras para a celulose microfibrilada produzida na planta piloto da empresa em Aracruz (ES).
Pelo sistema de imersão, com o objetivo de proporcionar oportunidades de negócios, o programa ofereceu, através de uma aceleradora de startups em Belo Horizonte (MG), um leque de conhecimentos e suporte aos 15 participantes pré-selecionados, focando em visão de custos, informações sobre linguagem comercial, propriedade intelectual, valorização de tecnologia e plano de negócio.
Arantes participou do Fibria Insight representando a equipe composta por Braz Marotti e Gabriela Berto, alunos de doutorado orientados pelo professor no programa de Biotecnologia Industrial da EEL. A equipe vê essa oportunidade como uma proveitosa aproximação do universo da pesquisa acadêmica da realidade industrial, o que é muito benéfico para universidade, pois dá ao docente uma amplificada visão de mercado e negócios. “A nossa participação, além de aproximar a pesquisa acadêmica da indústria, abriu novas portas para parcerias e troca de conhecimentos. Foi uma satisfação enorme poder participar desse desafio tecnológico e levar o nome da USP para uma competição de grande visibilidade”, diz Arantes.
A etapa final de seleção foi realizada em dezembro de 2017 e analisou de perto o potencial inovador e de negócio de cada projeto. A classificação do projeto entre os finalistas resultou em uma parceria entre a USP de Lorena e a Fibria. Ela prevê o desenvolvimento em conjunto de uma tecnologia que irá resultar na aplicação de micro/nanocelulose para obter embalagens plásticas mais resistentes e mais leves, inteligentes e com menor impacto ambiental. Além disso, o encontro com outros pesquisadores na área durante o programa resultou em uma outra parceria com o Instituto Federal do Amazonas, com a participação em um outro projeto finalista no programa para aplicação de micro/nanocelulose na área de sensores flexíveis para geração de energia.
Devido à versatilidade e potencial de ser produzido com baixo custo, pesquisas em nanocelulose têm atraído atenção das indústrias do mundo todo. Países como Canadá, Finlândia e EUA têm investido pesadamente nesta tendência. “Há uma grande expectativa no setor industrial de que a nanocelulose será o próximo supermaterial que irá mudar o mundo num futuro próximo”, conta Arantes.
Simone Colombo / Assessoria de Comunicação da EEL
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