Bacterial cellulose green composites

Abstract

Os setores de embalagem alimentar e têxtil utilizam intensivamente materiais à base do petróleo, ressaltando a necessidade urgente de explorar alternativas mais sustentáveis. A celulose bacteriana (CB), produzida por fermentação, oferece vantagens importantes em relação aos materiais mais convencionais, sendo um material biodegradável e com alto desempenho mecânico. No entanto, a CB apresenta algumas limitações para as referidas aplicações: a alta afinidade pela água representa um obstáculo no desenvolvimento de embalagens não hidrofílicas; o elevado grau de polimerização coloca desafios na produção de fibras celulósicas regeneradas, para aplicações têxteis. Neste trabalho foi desenvolvido um compósito laminado, usando CB plasticizada e poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV), para aplicação na área das embalagens alimentares. O alto desempenho mecânico da CB e a hidrofobicidade do PHBV permitiram o desenvolvimento de um material com aplicação promissora como embalagem para produtos à base de carne. A CB também foi usada como material de suporte de agentes ativos, onde foi desenvolvido com sucesso um filme de CB funcionalizado, com elevadas concentrações de nanopartículas de ZnO produzidas in situ. A atividade antimicrobiana do ZnO (seu mecanismo de ação) e a migração de Zn para o alimento foram caracterizadas. O CBZnO foi altamente eficaz contra Campylobacter spp. em pele de frango (testada como modelo alimentar), tendo-se observado também baixos níveis de migração de Zn à temperatura de armazenamento refrigerado 4 °C. Como alternativa às fibras têxteis, considerou-se o desenvolvimento de fibras celulósicas regeneradas usando CB. As tecnologias Lyocell e Ioncell foram adotadas para avaliar a dissolução da CB e a capacidade de fiação das soluções obtidas. Foram realizados ensaios de fiação bem-sucedidos após a dissolução da CB em N-metilmorfolina-N-óxido e 1,5-diazabiciclo-[4.3.0]-non-5-eniumacetato). Os filamentos desenvolvidos apresentaram bom desempenho mecânico, com elevada rigidez e elasticidade competitiva. Além disso, a mistura da CB com outras fibras (celulósicas) em fim de vida (como por exemplo fibras de viscose) melhora o desempenho mecânico geral, promovendo assim reciclabilidade destas fibras.

Food packaging and textile sectors have long relied on petroleum-based materials, facing nowadays the urgent need to explore more sustainable alternatives. Bacterial cellulose (BC), produced by fermentation, offers key advantages over conventional materials, including high mechanical performance and biodegradability. Yet, certain challenges must be addressed to fully explore its potential. In this work, applications of BC were developed for nonhydrophilic packaging solutions and man-made cellulosic fibre (MMCF) for textile materials. For food packaging applications, a layered composite based on plasticized BC and poly (3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) was developed. The good mechanical performance of BC and hydrophobicity of PHBV allowed to develop a composite with promising application as packaging for meat-based products. BC can also act as a carrier for substances with an active role in food packaging. A functionalized BC film with high concentrations of in situ produced ZnO nanoparticles was successfully developed. The antimicrobial activity of ZnO (its mechanism of action) and the pattern of Zn migration onto food were characterised. BCZnO was highly effective against Campylobacter spp. and low Zn migration levels into chicken skin as a food model were obtained at refrigeration temperatures (> 4 °C). Seeking for an alternative source of textile fibres, the development of MMCF using BC was performed. Lyocell and Ioncell® technologies were used to assess BC dissolution as well as the spinnability of the obtained dopes. Successful spinning trials were achieved after BC dissolution on N-methylmorpholine-N-oxide and 1,5-diazabicyclo-[4.3.0]-non-5-eniumacetate. The resulting filaments offered competitive mechanical performance, with improved stiffness and competitive elasticity. The Ioncell-BC fibre & yarn properties allowed the development of a fabric. Additionally, the BC blending with end-of-life cellulosic fibres (such viscose fibres) improves the overall mechanical performance, promoting recyclability. Overall, the high potential and great technical performance of BC-based materials is demonstrated.