Materiais celulósicos: isolamento de nanocristais a partir da biomassa de café e funcionalização de membranas para remoção de contaminantes em águas residuais

Abstract

Esta tese é apresentada em forma de artigo e divide-se em dois capítulos distintos. Assim sendo, são apresentados neste trabalho na secção “resumo” dois resumos de artigos, cada resumo refere-se a um artigo em específico desta tese.

Grãos de café de baixa qualidade como nova fonte de biomassa de nanocristais de celulose: extração e aplicação em embalagens.

Resíduos vegetais gerados a partir de processos industriais ou agroindustriais podem resultar em produtos de alto valor agregado. Devido à presença de compostos funcionais com grande potencial tecnológico, como celulose, lignina, hemicelulose, metabólitos secundários, entre outros. Além disso, o reaproveitamento da biomassa contribui para a criação de alternativas verdes para o descarte do grande volume de biomassa gerado. Neste trabalho, foram extraídos nanocristais de celulose a partir de grãos de café arábica de baixa qualidade descartados durante o processamento de grãos de café na agroindústria. Os grãos de café arábica foram coletados, higienizados, triturados, clarificados por tratamento alcalino e submetidos à hidrólise ácida com ácido sulfúrico 65% m/v. Os nanocristais de celulose extraídos apresentaram formato de agulha, com altura e comprimento médios de 7,27 nm e 221,34 nm, respectivamente. Esses nanocristais mostraram-se estáveis em meio aquoso em pH 7 e 8, com um potencial elétrico de 22,5 mV e 20,5 mV, nessa ordem. O seu índice de cristalinidade foi de 67,75% e a sua taxa de degradação térmica de apenas 8%. Por fim, os nanocristais de celulose de café produzidos neste trabalho foram adicionados a matriz polimérica de metil celulose para avaliar sua capacidade como agente de fortalecimento térmico. Os resultados demonstraram que a presença de nanocristais de celulose de café não afetou significativamente a resistência à degradação térmica dos filmes produzidos. No entanto, foram capazes de diminuir o teor de umidade desses filmes, não afetou o grau de transparência dos mesmos, e ainda, agiram como barreira de proteção contra a luz ultravioleta. Palavras-chave: nanocristais de celulose, café, reaproveitamento de resíduos, cristalinidade, hidrólise ácida, bioplásticos, metil-celulose.

Otimizando a eficiência da remoção de material genético de SARS-CoV-2 de águas residuais sintéticas usando UVC e membranas de celulose derivadas.

Os SARS-CoV-2 são transmitidos principalmente por gotículas respiratórias e partículas de aerossóis. No entanto, como para outros CoVs, esse vírus também pode ser eliminado de pacientes sintomáticos ou assintomáticos por meio das fezes, uma excreção comumente descartada em águas residuais. Assim, neste trabalho foi avaliada a capacidade de remoção de material genético SARS-CoV-2 de efluentes sintéticos usando um protótipo de baixo custo contendo uma membrana de celulose funcionalizada com grupos alquilamônia e alquilamina acoplada à luz UVC. O protótipo utilizado mostra que um curto tempo de exposição ao UVC (5 min) já é possível degradar mais de 60% do gene N-SARS-CoV-2. Além disso, observamos uma remoção de aproximadamente 100% do material genético avaliado quando a membrana de celulose foi derivatizada com QASN+(CH2)3. Portanto, esse protótipo pode ser utilizado tanto para a remoção de material genético de microrganismos patogênicos, quanto para a retirada dos próprios microorganismos patogênicos viáveis, de águas residuárias. Especialmente, em áreas onde o saneamento básico é deficiente ou inexistente, além disso, sua aplicação em efluentes hospitalares pode minimizar o risco de contaminação em épocas de surtos epidêmicos, garantindo a segurança da população.

Palavras-chaves:

membrana de celulose, Covid, tratamento de efluente, UV, aminas quaternárias.

This thesis is presented in the form of an article and is divided into two distinct chapters. Therefore, two article summaries are presented in this work, each summary refers to a specific article from this thesis.

Low quality coffee beans as a new source of cellulose nanocrystal biomass: extraction and application in packaging.

Plant residues generated from industrial or agro-industrial processes can result in products with high added value. Due to the presence of functional compounds with great technological potential, such as cellulose, lignin, hemicellulose, secondary metabolites, among others. Furthermore, the reuse of biomass contributes to the creation of green alternatives for disposing of the large volume of biomass generated. In this work, cellulose nanocrystals were extracted from low-quality Arabica coffee beans discarded during the processing of coffee beans in the agribusiness. Arabica coffee beans were collected, sanitized, crushed, clarified by alkaline treatment and subjected to acid hydrolysis with sulfuric acid 65% w/v. The extracted cellulose nanocrystals were needle-shaped, with an average height and length of 7.27 nm and 221.34 nm, respectively. These nanocrystals were stable in aqueous media at pH 7 and 8, with an electrical potential of 22.5 mV and 20.5 mV, in that order. Its crystallinity index was 67.75% and its thermal degradation rate was only 8%. Finally, the coffee cellulose nanocrystals produced in this work were added to the methyl cellulose polymeric matrix to evaluate their capacity as a thermal strengthening agent. The results demonstrated that the presence of coffee cellulose nanocrystals did not significantly affect the resistance to thermal degradation of the films produced. However, they were able to reduce the moisture content of these films, did not affect their degree of transparency, and also acted as a protective barrier against ultraviolet light.

Keywords:

cellulose nanocrystals, crystallinity, acid hydrolysis, thermogravimetry.

Optimizing the efficiency of removal of SARS-CoV-2 genetic material from synthetic wastewater using UVC and derived cellulose membranes.

SARS-CoV-2 is mainly transmitted by respiratory droplets and aerosol particles. However, as for other CoVs, this virus can also be shed from symptomatic or asymptomatic patients through feces, an excretion commonly discarded in wastewater. Thus, in this work, the ability to remove SARS-CoV-2 genetic material from synthetic effluents was evaluated using a low-cost prototype containing a cellulose membrane functionalized with alkylammonium and alkylamine groups coupled to UVC light. The prototype used shows that a short exposure time to UVC (5 min) is already possible to degrade more than 60% of the N-SARS-CoV-2 gene. Furthermore, we observed a removal of approximately 100% of the genetic material evaluated when the cellulose membrane was derivatized with QASN+(CH2)3. Therefore, this prototype can be used both for the removal of genetic material from pathogenic microorganisms, and for the removal of viable pathogenic microorganisms themselves, from wastewater. Especially in areas where basic sanitation is deficient or non-existent, in addition, its application in hospital effluents can minimize the risk of contamination in times of epidemic outbreaks, ensuring the safety of the population.

Keywords:

cellulose membrane, Covid, effluent treatment, UV, quaternary amines.