NANOCELULOSE EXTRAÍDA DE FIBRAS VEGETAIS

Agricultura e Pecuária

Análise do processo da nanocelulose extraída da fibra vegetal, tendo como específico o abacaxi e a bananeira.

índice

1. RESUMO

A Nanocelulose é a parte dos materiais lignocelulósicos que envolve a celulose cristalina e a celulose amorfa, cuja unidade fundamental está na ordem de 1 a 100 nanômetros. O objetivo deste trabalho é analisar o processo da nanocelulose extraída da fibra vegetal, tendo como específico o abacaxi e a bananeira. E para o desenvolvimento deste trabalho, será usado estudos bibliográficos em que será feita uma abordagem qualitativa sobre o tema, utilizando materiais de artigos científicos, livros, pesquisas e manuais técnicos para que possamos compreender os resultados até então obtidos. A nanocelulose possui um papel muito importante para a indústria e meio ambiente, principalmente por ser obtida através de resíduos agrícolas, madeiras e fibras vegetais, como por exemplo, coco, bananeira, eucalipto e abacaxi. Uma das suas vantagens é por ser encontrada em abundância na natureza, e tem sido cada vez mais estudada e procurada pela comunidade cientifica, por trazer inúmeros benefícios para indústria e meio ambiente. Conclui-se com esta pesquisa que a nanocelulose se destaca por possuir propriedades e desempenho melhores em relação as demais fibras de celulose, além das vantagens para a diminuição de resíduos no meio ambiente.

Palavras-chave: Nanotecnologia. Fibra vegetal. Extração. Nanocelulose.

ABSTRACT

Nanocellulose is the part of lignocellulosic materials that contains crystalline and amorphous cellulose, whose fundamental unit which is about 1 to 100 nanometers. It has a paramount importance in industry, as well as in its impacts on environment, mainly because it is obtained from agricultural waste, wood and vegetable fibers, such as coconut, banana, eucalyptus and pineapple. One of its positive aspects is that is can be easily found in nature and has been increasingly studied and sought by the scientific community for bringing numerous benefits to industry and the environment. The objective of this work is to analyze the process of nanocellulose extracted from vegetable fiber, specifically pineapple and banana. Therefore, it will be made a quantitative analysis of the literature, in order to reviw books, papers technical, manual and thus understand the results obtained so far. Therefore, this research concludes that nanocellulose stands out for having better properties and performance in relation to other cellulose fibers, in addition to the advantages for the reduction of waste in the environment.

Keywords: Nanotechnology; Plant fiber; Extraction; Nanocellulose.

2. INTRODUÇÃO

Neste presente trabalho, temos como objetivo geral analisar o processo de extração da nanocelulose a partir da fibra vegetal do abacaxi e da bananeira, identificar benefícios e aplicações, investigar a eficiência da nanocelulose na produção de papel, e relatar a diminuição dos impactos ambientais causados pelos resíduos. Deste modo, pesquisaremos a extração da nanocelulose a partir desses vegetais, que tem sido um material revolucionário, com variadas aplicações, como na criação de plásticos, curativos especiais; próteses; tintas; revestimentos; cosméticos; entre outros.

A comunidade cientifica busca cada vez mais a utilização de materiais sustentáveis, como por exemplo, as fibras naturais, que é um polímero de origem animal ou vegetal, que podem ser extraídas da natureza sem ter que passar por reações químicas de síntese ou de modificações estruturais. As fibras naturais podem ser encontradas no abacaxi, na bananeira, coco, mandioca, entre outros materiais. A fibra vegetal além de ser um material revolucionário apresenta inúmeras vantagens por ser um material abundante na natureza, de baixo custo, atóxico, biodegradável e ainda ajuda diminuir o excesso de resíduos gerado no meio ambiente, pois a matéria prima para obtenção são partes de frutas que seriam descartadas pela sociedade, como por exemplo, o abacaxi e a bananeira.

O abacaxi que é uma fruta originária da América, uma das frutas mais produzidas no mundo, sendo consumida por todos os continentes, destacando o Brasil com o maior número de produção. E a bananeira, encontrada em abundância por todo território nacional, sendo uma das frutas mais conhecidas e utilizadas, com um rápido cultivo.

Apesar de tantas vantagens e aplicações, a nanocelulose possui um custo elevado comparado com outras fibras, e para reverter este cenário é preciso desenvolver novos meios de produção, mais em conta e com eficácia. E mostraremos com base em pesquisas o quão eficiente esse tipo de extração pode ser para a comunidade cientifica, industrial e, principalmente, para a população e meio ambiente..

3. FIBRAS

Segundo Eastwood (2005) et. al. a fibra pode ser catalogada em três partes distintas: químico, botânico ou fisiológico. No conceito químico, a fibra é, por definição, o resíduo obtido depois do tratamento dos vegetais com ácido e alcalino, assim na literatura é definida como fibra crua. Em princípio, os valores obtidos da fibra crua não expressam a quantidade total de fibras no alimento, pois correspondem a quantidade de fezes sólidas formadas a partir de produtos alimentares não digeridos ou não absorvidas. Por sua vez, o conceito botânico considera que as fibras vegetais estão relacionadas aos elementos fibrosos da parede vegetal ou da estrutura intercelular da planta. Por fim, a sociedade American of Cereal Chemists – AACC (2001) define que toda fibra alimentar possui a função fisiológica, independente da sua origem ou estrutura.

A American of Cereal Chemists – AACC (2001) mantém que a fibra alimentar é a parte comestível das plantas ou análogos aos carboidratos, chamadas de ligninas, que são resistentes a digestão e absorção pelo intestino delgado, com o auxílio total ou parcial do intestino grosso humano.

O Institute of Medicine - IOM (2001) completou essa definição, incluindo substâncias que são fisiologicamente semelhantes às fibras como a inulina, fruto oligossacarídeos (FOS) e amidos resistentes, e ainda as fibras sintéticas e as de origem animal, como a quitosana que são derivadas das cascas de camarões e crustáceos e os glicosaminoglicanos.

Segundo GOMES (2015) et. al. as fibras podem ser classificadas em três categorias distintas: naturais, artificiais e sintéticas, essas englobam grande parte das fibras encontradas e utilizadas no mercado de acordo com seus métodos de obtenção e produção, como mostra o arranjo esquemático na Figura:

Fonte: (GOMES et al., 2015, adaptada)

As fibras naturais podem ser de origem vegetal ou animal, isto é, os de origem animais e têm como características a hidrofilidade: capacidade de absorver e reter água, estas por sua vez, pode provir da secreção glandular de alguns insetos, como é o caso da seda que provem do bicho-da-seda (Bombyxmori), ou então de bolbos pilosos de alguns animais, como é o caso da lã, que é o pelo de carneiro (SOUSA, 2009).

Estrutura do interior da fibra vegetal

Fonte: (SILVA et. al., 2009)

As fibras vegetais são estruturas alongadas extraídas da natureza sem ter que passar por reações químicas de síntese ou de modificações estruturais. Algumas delas são partes integrantes de folhas, de caules, de sementes e de frutos. (GOMES, 2015).

Tendo por exemplo o algodão, extraído da semente, a juta e o linho são extraídos do caule, o sisal e a palma extraídos da folha e a fibra coco extraído do próprio fruto. (SOUSA, 2009).

Romero (1997) et al., esclarece que as fibras sintéticas e artificiais foram denominadas como fibras químicas, uma vez que, foram desenvolvidas inicialmente com o objetivo de copiar e melhorar as características e propriedades das fibras naturais.

À medida que suas aplicações foram se desenvolvendo, elas se tornaram uma necessidade, principalmente porque o crescimento da população mundial passou a demandar vestuários confeccionados com rapidez e a um custo mais baixo, reduzindo, ao mesmo tempo, a vulnerabilidade da indústria têxtil e eventuais dificuldades da produção agrícola. (ROMERO, 1997, pág. 55)

As fibras artificiais são obtidas através de transformação de um polímero natural utilizando-se artifícios físicos e químicos. Tendo como exemplo as fibras originadas da celulose como a viscose e o cupramónio (um derivado da celulose).

(GOMES, 2015).

As fibras sintéticas são produzidas a partir de matérias primas como o petróleo, com as quais se sintetiza o polímero que irá compor a fibra. Tais como o nylon (uma poliamida), o dracon (um poliéster) e o elastano (lycra). Estas fibras têm como principais características a hidrofobilidade; capacidade de repelir água, ou seja, capacidade de não absorver água. (GOMES, 2015).

4. ABACAXI

O abacaxizeiro (Ananas comosus L. Merril) é uma planta de origem tropical pertencente à família Bromeliaceae que possui características que são apreciadas por todo o mundo e cultivadas, principalmente, no continente americano. (GURGEL, 2017).

O fruto do abacaxi é caracterizado por um aglomerado por centenas de pequenos frutos, em que cada escama da casca do abacaxi é um fruto que cresceu a partir de uma flor, que posteriormente darão origem aos chamados frutos verdadeiros do abacaxi, também conhecidos como gomos e estes se fundem em um grande corpo, esse processo é chamado de infrutescência, a união desses gomos formará frutos do tipo baga. (SILVA et al., 2001)

De forma geral, a propagação do abacaxi é vegetativa e assexuada e as mudas que darão origem há novos plantios e são classificadas de acordo com a posição que surge na planta, sendo as que se desenvolvem a partir de gemas axilares localizadas no talo (chamadas de rebentões e as localizadas no pedúnculo de filhotes). As coroas, por sua vez surgem no topo dos frutos e podem ser empregadas na formação de novas plantas para o plantio. (CUNHA, 2005).

Conforme percebido por Almeida (2002), o ciclo do abacaxizeiro é influenciado pelas condições ambientais e pelo manejo da cultura. Normalmente, o primeiro ciclo cultural, em regiões tropicais, varia de 13 a 18 meses.

No Brasil ela é cultivada em diversas regiões, principalmente, na região Nordeste, que segundo os dados do Levantamento Sistemático da Produção Agrícola – LSPA é a maior produtora de abacaxi do país, com área plantada de 23.2 mil hectares, respondendo por 37,1% do total da área a ser colhida no Brasil. Esse que por sua vez, é uma área de clima seco, quente e pluviometria irregular. Na década de 90 o plantio teve um pico de crescimento que alavancou a economia brasileira. (CABRAL et. al., 2000)

Como observado por Cunha (1994), o abacaxizeiro é uma das principais frutas exploradas no Brasil, não só pelas suas qualidades nutricionais e propriedades organolépticas, mas também pela sua rentabilidade econômica e importância social, visto que seu cultivo requer intensiva mão-de-obra rural, gerando diversos empregos principalmente para a da agricultura familiar.

O abacaxizeiro é uma planta que possui uma grande demanda de consumo em todo o mundo, na sua forma in natura e em produtos industrializados, podendo ser usada em diversos produtos, tais como: pedaços em calda, sucos, refresco, xarope, pedaços cristalizados, geleia, licor, vinho, vinagre e aguardente. (CABRAL, 2010).

Para Medina (1978) apud Cabral (2010), ele também pode ser consumido na forma de sorvetes, cremes, balas e bolos e serve de matéria prima para a extração de álcool e ração animal, pela utilização dos resíduos da industrialização.

Abacaxi (Ananas comosus L. Merrill).

Fonte: (MRSRAFHAEL, 2017)

A literatura cita as propriedades abortiva, diurética e vermífuga do fruto do abacaxi enquanto o fruto está verde. Além disso, pode ser destacada a substância obtida do resíduo da industrialização do abacaxi: a bromelina, enzima proteolítica muito usada na composição de medicamentos por possuir propriedades medicinais que auxiliam na digestão. É diurética e depurativa, que elimina toxinas, além de possuir ação anti-inflamatória, sendo utilizadas no tratamento de hematomas, contusões e como solvente de mucosidades no sistema respiratório (CRESTANI, 2010).

O abacaxi apresenta grande importância econômica não só pelas suas qualidades nutricionais e sensoriais, mas também por sua rentabilidade e importância social, devido seu cultivo exigir intensiva mão de obra. (CABRAL, 1994, p.28).

O fruto do abacaxizeiro é abundante em açúcar, e muito rico em sais minerais e vitaminas A, B1, B2 e C, cerca de 100g da polpa fresca do abacaxi contêm aproximadamente 50 quilocalorias, 89% de água, 0,3% de proteína, 0,5% de lipídios, 5,8% de glicídios, 3,2% de celulose e 0,3% de sais, apresentando quantidade considerável de potássio, ferro, cálcio, manganês e magnésio (GOMES, 1976).

5. BANANEIRA

A bananeira (musa ssp.) é originária das línguas serra-leonesa e liberiana (costa ocidental da África), a qual foi simplesmente incorporada pelos portugueses à sua língua. É uma das frutas mais consumidas no mundo, sendo cultivada na maioria dos países tropicais. O seu centro de origem é o sul e o sudeste do continente asiático. (BORGES e SOUZA, 2004).

É uma planta que se desenvolve em vários tipos de solo, porém tem maior capacidade para produzir em solos areno-argilosos, férteis, profuncos, ricos em matéria orgânica e em cálcio e magnésio, que estejam drenados e com boa capacidade de retenção de água. (LEITE, 2001).

É rica em nutrientes, sendo eles, carboidrato e potássio, possui médio teor em açucares e vitamina A, e baixo em proteínas e vitaminas B e C. Ela pode ser consumida in natura, frita, assada, cozida, em caldas, em doces caseiros ou em produtos industrializados. (NETO e MELO,2003).

As variedades da banana mais difundidas no Brasil são: nanicão, prata, pacovan, prata-anã, maçã e terra. Elas são responsáveis por quase 60% área cultivada com banana no Brasil. (LEITE, 2011).

Segundo Dias (2011), a bananeira é uma planta herbácea, que possui características marcantes em suas formas e dimensões das folhas. Possui tronco curto e subterrâneo, denominado de rizoma, servindo de órgão de reserva, onde se inserem as raízes adventícias e fibrosas. O pseudocaule termina com uma copa de folhas longas e largas, com nervura central desenvolvida. Do centro da copa emerge a inflorescência com brácteas ovaladas de coloração normalmente roxo avermelhada, em cujas axilas nascem as flores.

Cada grupo de flores reunidas forma uma penca (mão) com um número variável de frutos (dedos), originados por partenocarpia. Os frutos inicialmente são verdes, tornando-se amarelos com a maturação, posteriormente começam a escurecer e nesse estádio diz-se que a planta morreu. Entretanto, durante o desenvolvimento há formação de rebentos, que surgem na base da planta, possibilitando a constante renovação e a vida permanente dos bananais.

A produção de bananeira é muito importante para a economia brasileira, e foi observado por Ferreira (2012) et al., que:

O Brasil é o quarto produtor mundial e sua produção, de 7,1 milhões de toneladas de banana, é praticamente destinada ao consumo interno, o que o transforma no primeiro consumidor mundial de banana. Não obstante sua posição de destaque como grande produtor, o Brasil exporta apenas 1,5% de sua produção. (FERREIRA et al., 2012, p. 13)

Ela obtém grande importância para os agronegócios internacionais, pois é uma atividade lucrativa e desenvolvida em todo o território nacional, numa demonstração irrefutável de sua amplitude, possui uma grande importância socioeconômica e uma abrangência geográfica. (DIAS, 2011).

Bananeira (musa spp.)

Fonte: (SCHUMUCKI, 2015)

6. MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS

Os materiais de composição lignocelulosicas são definidos como materiais de origem vegetal, que apresenta em sua composição a celulose, hemicelulose e lignina. O uso do termo materiais lignocelulósicas ou materiais não-madeira, é adotado para permitir a inclusão de outros materiais de origem vegetal que não incluem na categoria de madeira, como casca, resíduos florestais em geral, palhas e outros materiais que apresentam composição lignocelulósicas. Os materiais lignocelulósicas são a fonte mais abundante de carboidratos da natureza, se destacando também como matériasprimas de grande interesse industrial. (ANWAR; GULFRAZ; IRSHAD, 2014)

Igbal et. al. (2011) afirma que a maior parte da biomassa lignocelulósica agrícola é composta de cerca de 10 a 25% de lignina, 20 a 30% de hemicelulose e 40 a 50% de celulose.

Rocha et. al. (2012), diz que somente no Brasil foram produzidos cerca de 208 milhões de toneladas de bagaço de cana. Considerando outros resíduos de colheita ou de processamentos de culturas, como o arroz, milho, trigo, soja, dendê, coco, entre outros. Assim o Brasil encontra-se em uma posição privilegiadas para o desenvolvimento de produtos renováveis inovadores e de alto valor econômico.

6.1. Celulose

A celulose (C6H10O5)n é um bio-polímero que possui em abundancia na terra com uma produção anual de mais de 50 bilhões de toneladas, é obtida a partir de fontes renováveis e classificada como carboidrato, ou seja, uma substância que possui carbono, hidrogênio e oxigênio. (SILVA et. al., 2009)

Para Francisco Junior (2008), a celulose é um nutriente que pertence aos grupos dos hidratos de carbono complexos, como o amido e o glicogênio, que constitui a estrutura dos vegetais.

A celulose é uma substância fibrosa, resistente e insolúvel em água, sendo formada por unidades de glicose conectadas mediante ligações (β1→ 4), que lhe impele propriedades estruturais características. Na celulose, as unidades de glicose formam cadeias retas e estendidas as quais se dispõem lado a lado, engendrando uma estrutura em fibras estabilizada por ligações de hidrogênio intra e intercadeias. Tal estrutura em fibras confere maior resistência à celulose. (SIQUEIRA, 2008, p. 03).

D’Almeida (2013) et al., confirma que a celulose é um polímero pertencente à classe dos glicídios, por conter um grupo alcoólico ligado a um átomo de carbono e na subclasse dos monossacarídeos, portando uma celulose é formada por unidades de monossacarídeo β-D-glicose. Onde o prefixo D representa a atividade óptica e o prefixo β refere-se à posição do grupo hidroxila no carbono 1. Na formação da molécula de celulose ocorrem reações entre hidroxilas do carbono 1 da β-D-glicose com as hidroxilas do carbono 4 de outras β-D-glicose, tendo uma ligação β 1,4 glicosídicas, formando um polímero linear tendo a formula geral (C6H10O5)n. A figura 5 representa uma estrutura clássica do polímero da celulose.

Estrutura molecular do polímero natural celulose.

Fonte: (COSTA, 2011)

Klemm et. al., (1998), mostra que a molécula celulose apresenta uma forte tendência para formar ligações hidrogênio intra e intermoleculares. Esse tipo de arranjo é responsável pela rigidez da cadeia e formação das macrofibrilas (ou fibrilas) de celulose, que apresentam regiões cristalinas alternadas com regiões amorfas.

Representação das ligações hidrogênio intra e intermoleculares das cadeias de celulose

Fonte: (WU et al., 2012).

Segundo Perez (2005) et. al., a celulose vai formando longas cadeias, chamadas fibras elementais, com ligações intermoleculares por pontes de hidrogênio e forças de Van der Walls, envoltas em uma matriz de hemicelulose e lignina que impedem os ataques químicos.

Entretanto D’Almeida (2013) et al., diz que embora a estrutura da celulose aparenta ser simples (polímero linear formado por um único monômero) o arranjo de suas moléculas dando origem à fibra faz com que a celulose seja uma substância bastante complexa e que tenha sua reatividade governada por sua estrutura química e física.

A degradação do polímero de celulose produz moléculas com grau de polimerização menor, afetando a propriedade do produto, como a viscosidade e resistência mecânica. (D’ALMEIDA et al. 2013.).

Esse polissacarídeo é encontrado na parede celular vegetal, perfazendo grande parte da massa da madeira e quase 100% da massa do algodão. A fixação do CO2 pelos vegetais leva quase exclusivamente à produção de celulose. (FRANCISCO JUNIOR, 2008).

A obtenção de celulose é feita a partir de diversos tipos de matrizes lignocelulósicas que envolve uma série de processo que tem como principal objetivo isolar a fibra de celulose. (SILVA, 2009)

D’ALMEIDA (2013) et. al., mostra que este polímero é suscetível a alguns tipos de reações, quando separados de outros compostos do lignocelulósicos, tais como reações de substituição e de degradação. Sendo eles:

Reações de substituição: As reações de substituições produzem outras moléculas de celulose, pois a esterificação do grupo hidroxila, fornecendo importantes produtos na ala comercial, como por exemplo, o Xantatos e o Caboximetilcelulose.

Reações de degradação: A degradação do polímero de celulose produz moléculas com grau de polimerização menor, afetando a propriedade do produto, como a viscosidade e a resistência mecânica. Estes tipos de degradação podem ocorrer quimicamente, onde é chamada de degradação hidrolítica, por meio básico, ácido ou por degradação oxidativa e fisicamente, por degradação microbiológica, onde a uma hidrolise enzimática catalisada pela celulose e pela degradação através da luz, quando a temperatura atinge acima de 140 °C, a umidade e acidez residual também aceleram a degradação.

6.2. Hemicelulose

A hemicelulose é um polímero carboidrato complexo de peso molecular inferior ao da celulose, é usado para os polissacarídeos que ocorrem normalmente associados à celulose. (PEREIRA, 2010)

São materiais brancos sólidos que não tem natureza cristalina ou formam estrutura fibrosa, mas estão nas fibras intimamente associada a celulose. (D’ALMEIDA, 2013)

A hemicelulose não possui uma fórmula química definida, é altamente ramificada e aleatória, formada de diferentes tipos de sacarídeos, tais como a Dxilose, a D-manose, a D-galactose, a D-glucose, a L-arabinose, ácidos 4-O-metilglucorônico, D-galacturônico e D-glucorônico, é também facilmente hidrolisável. (PEREIRA, 2010).

Representação esquemática das hemiceluloses

Fonte: (Scheller e Ulvskov, 2010).

Silva (2009) confirma que a hemicelulose é bastante hidrofílica, contém considerável grau de ramificação entre suas cadeias, com natureza altamente amorfa e DP (Degree of Polimerization) variando entre menos de 100 a no máximo 260.

O efeito de agentes químicos empregados no processamento de materiais lignocelulósicos sobre a hemicelulose é de grande importância tanto no rendimento como das propriedades da pasta celulósica obtida. A resistência das fibras não pode ser totalmente explicada apenas como base na composição e no teor de hemicelulose presentes. A sua distribuição interna e as mudanças físicas efetuadas na celulose durante seu processo de obtenção também são responsáveis pelas propriedades das fibras e do papel. (D’ALMEIDA et. al.,2013)

6.3. Lignina

A lignina está associada com a celulose e a hemicelulose na composição de materiais lignocelulósicos, depois da celulose, é o segundo polímero mais abundante na natureza e está presente na parede celular, conferindo suporte estrutural, impermeabilidade e resistência contra-ataques microbiano e estresse oxidativo. Estruturalmente, a lignina é um material hidrofóbico com estrutura dimensional altamente ramificada, é heteropolímero amorfo, não solúvel em água e opticamente inativo, que consiste em unidades de fenilpropanos unidos por diferentes tipos de ligações. (SILVA et. al.,2009)

A lignina é uma substância de estrutura molecular bastante complexa, sendo um produto polimérico natural, cuja estrutura principal provém da polimerização dehidrogenativa de três precursores primários, sendo eles: álcool coniferílico, álcool sinapílico e álcool paracumárico. (D’ALMEIDA et. al., 2013).

Perez et. al., (2005) afirma que a força de adesão entre as fibras de celulose e a lignina é ampliada pela existência de ligações covalentes entre as cadeias de lignina e os constituintes da celulose e da hemicelulose. Existe uma grande dificuldade na elucidação química da estrutura da lignina devido ao fato de não haver um método bem estabelecido para isolar a lignina em sua forma nativa.

Ela é encontrada em muitas plantas do reino vegetal, porém sua constituição não é a mesma em todas elas. As ligninas estão presentes nas paredes celulares das plantas onde estão sempre associadas às hemiceluloses por meio da interação física e covalentes. (D’ALMEIDA et. al., 2013).

Estrutura esquemática da lignina

Fonte: (KIRK e FARRELL,1987)

7. NANOTECNOLOGIA

A nanotecnologia vem sendo apontada como uma nova revolução tecnológica, pois possui um enorme potencial de inovação para o desenvolvimento industrial e econômico. (SANT’ANNA et al, 2013).

O termo “nanotecnologia” compõe-se dos radicais gregos nános, que significa “anão”, techne, que equivale a “ofício”, e logos, que expressa “conhecimento”.

(HOHENDORFF et al., 2016)

Na nanotecnologia surgiu uma série de áreas “nano”, indicadas pelos termos nanobiotecnologia, nanofísica, nanoquímica, nano-óptica, nanoeletrônica, nanorrobótica e nanomedicina. (PYRRHO et al., 2012)

Nanotecnologia refere-se à engenharia e produção de materiais em escala atômica e molecular, visando a concepção, construção e manipulação de sistemas, podendo ser naturais ou artificiais, dos quais 50% ou mais das partículas possuem ao menos uma das dimensões entre 1 e 100 nm. (LE ROUX, 2019).

Essas partículas, conhecidas também como nanopartículas, apresentam uma grande área superficial e exibindo propriedades mecânicas, ópticas, magnéticas ou químicas distintas de partículas e superfícies macroscópicas. (QUINA, 2004).

Estão sendo preparados diversos tipos de nanomateriais como nanopartículas, nanofios, nanocompósitos, materiais nanoestruturados, nanoligas, nanotubos, entre outros. (AKARI, 2007)

A nanotecnologia atua no desenvolvimento de materiais e componentes para diversas áreas de pesquisa como medicina, eletrônica, ciência da computação e engenharia dos materiais, atingindo diversas aplicações no mercado industrial. (LE ROUX, 2019).

De acordo com o cientista, engenheiro e nanotecnólogo americano Eric Drexter, há duas formas de nanotecnologias: a nanotecnologia da fabricação em escala molecular e a nanotecnologia dos produtos manipulados em nanoescala. A ideia de nanofábricas produzindo com precisão atômica, foi desenvolvida por Drexter na década de 1980. (LE ROUX, 2019, p.06).

Quina (2004) afirma que o aproveitamento dessas propriedades em aplicações tecnológicas forma a base da nanotecnologia de materiais. Há, também, uma área ainda incipiente da nanotecnologia, denominada nanotecnologia molecular ou nanofabricação (“nanomanufacturing”), que almeja o desenvolvimento de sistemas nanométricos auto-replicantes (nano-robôs ou “nano-bots”) capazes de fabricar, sob medida, materiais ou objetos através da manipulação da matéria a nível molecular.

Esta nova tecnologia representa potencialmente um enorme mercado mundial, sendo que os países que mais investem em nanotecnologia são os Estados Unidos da América, Europa e Japão, entretanto países como a Rússia, China, Índia e Brasil têm feito investimentos significativos no setor nos últimos anos. (SANTT’ANNA et al., 2013).

A nanotecnologia nos possibilita à grandes avanços que permite melhorar a qualidade de vida e ajudar a preservar o meio ambiente. (QUINA, 2004).

Assim como nas demais áreas do conhecimento, a nanotecnologia é de extrema importância para o agronegócio de um modo geral. A nanotecnologia poderá gerar uma melhora de qualidade associado ao monitoramento e redução de danos ambiental. Beneficiará o emprego da agricultura de precisão, a rastreabilidade dos produtos, a certificação, a produção de biocombustíveis, a indústria de insumos (fertilizantes, pesticidas) e de medicamentos para uso veterinário, a indústria de alimentos, assim como vários outros setores vinculados à agroindústria serão inevitavelmente beneficiados pelos avanços da nanotecnologia. (EMBRAPA, 2019)

A nanotecnologia atualmente trabalha desenvolvendo diversas tecnologias inovadoras, tais como: biossensores e transdutores de alta sensitividade que permitem a identificação e quantificação de compostos químicos, orgânicos ou demais impurezas ou alterações de composição, sejam em plantas ou frutos, como também em solos. (EMBRAPA, 2019)

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No tratamento ou remediação de poluição a área superficial das nanopartículas possui excelentes propriedades de adsorção de metais e substâncias orgânicas. Possui benefícios também para a coleta das partículas e remoção de poluentes pode ser facilitada pelo uso de nanopartículas magnéticas. As propriedades redox ou de semicondutor de nanopartículas podem ser aproveitadas em processos de tratamento de efluentes industriais e de águas e solos contaminados baseados na degradação química ou fotoquímica de poluentes orgânicos. (QUINA, 2004)

Entretanto, como qualquer área da tecnologia que faz uso intensivo de novos materiais e substâncias químicas, ela tem seus benefícios e malefícios ao meio ambiente e à saúde humana. As mesmas características que tornam as nanopartículas interessantes do ponto de vista de aplicação tecnológica, podem ser indesejáveis quando essas são liberadas ao meio ambiente. (QUINA, 2004).

Em 2010, a Organização Internacional do Trabalho publicou o “Relatório Riscos

Emergentes e Novos Modelos de Prevenção em um Mundo do Trabalho em Transformação”, no qual se reconhece que riscos novos e emergentes do trabalho podem ser provocados pela inovação técnica. E nele menciona que, em 2020, aproximadamente 20% de todos os produtos manufaturados no mundo se basearão, em certa medida, na utilização da nanotecnologia. Refere-se ainda aos riscos associados com a fabricação e a utilização de nanomateriais consideravelmente desconhecidos, de modo que é provável que os trabalhadores estarão entre os primeiros a experimentar altas taxas de exposição (INTERNATIONAL LABOUR ORGANIZATION, 2010).

Quina (2004) afirma que o pequeno tamanho das nanopartículas facilita sua difusão e transporte na atmosfera, em águas e em solos, ao passo que dificulta sua remoção por técnicas usuais de filtração. Pode facilitar também a entrada e o acúmulo de nanopartículas em células vivas. De modo geral, sabe-se muito pouco ou nada sobre a biodisponibilidade, biodegradabilidade e toxicidade de novos nanomateriais.

Martioli (2013) confirma que os riscos são devido ao seu tamanho, as nanopartículas podem penetrar através da corrente sanguínea e da pele sem que o sistema imunológico consiga detectá-las. Sendo assim, elas fogem dos mecanismos de controle e proteção do corpo, atravessando membranas como a da placenta e a do cérebro

Hohendorff (2016) et al., diz que ainda há pouco conhecimento sobre os devidos riscos da nanotecnologia. O atual estado de conhecimento das características das substâncias em tamanho maior não se aplica da mesma forma em relação aos mesmos elementos em tamanho nano, pois nele as propriedades dos elementos são diferentes, o que pode provocar consequências não pretendidas e desconhecidas quando em contato tanto com o meio ambiente quanto com o organismo humano.

Nolasco (2016) completa, ainda existem várias incertezas ligadas ao desenvolvimento da nanotecnologia, já que existem poucos estudos sobre os impactos do uso de nanopartículas. Os países que mantêm investimentos em pesquisas não se ocuparam da elaboração de leis e regras que controlem o desenvolvimento da tecnologia.

Apesar da crescente preocupação em relação às potencialidades negativas da nanotecnologia para o meio ambiente e/ou para a saúde humana, ela ainda não enfrenta nenhuma oposição tecnofóbica sistemática (algumas exceções isoladas incluem um pedido de moratória na pesquisa em nanotecnologia molecular, feito pelo ETC Group do Canadá, e uma obra de ficção sobre as consequências de liberação de nano-bots e auto-replicantes ao meio ambiente). (QUINA, 2004, p.02)

Atualmente, quase todos os simpósios e estudos que avaliaram os riscos da nanotecnologia para o meio ambiente tratam a questão com equilíbrio e em termos predominantemente científicos. (Quina, 2004)

8. NANOCELULOSE

A preocupação ambiental, a busca por fonte renovável e os resíduos agroindústria vem crescendo nessa última década, e despertando o interesse de pesquisadores, no sentido de utilizar estes resíduos para produzir novos materiais com valor agregado, ou seja, esse produto tem que ser economicamente viável e capaz de gerar menor impacto ambiental. Dessa forma, a produção de nanocelulose se torna um ponto importante neste meio, pois é obtida através de resíduos agrícolas e podem ser aplicadas em diversos setores. (VIEIRA, 2005)

A nanocelulose possui um papel muito importante para o mercado industrial e a sustentabilidade, principalmente por ser obtida através de resíduos agrícolas, madeiras e fibras vegetais. Ela se destaca por possuir propriedades e desempenho melhores em relação as demais fibras de celulose. (SORRENTINO, 2017).

Reckziegel (2017) confirma, que a nanocelulose se destaca em relação as fibras comuns, principalmente, pela sua origem que pode ser tanto de madeira de reflorestamento, quanto de sobras de madeira, bagaço de cana, bananeira, cascas de coco, abacaxi, de arroz e também de resíduos da produção de óleo de soja, sendo assim, fazendo uso de reaproveitamento de resíduos.

A nanocelulose é a parte dos materiais lignocelulósicos que compreende a celulose cristalina e a celulose amorfa, cuja unidade fundamental está na ordem de 1 a 100 nanômetros. (KLEMM et al., 2011)

A nanocelulose consegue alcançar um mercado bem amplo em relação a sua utilização, pois é um material encontrado com facilidade e possui diversas aplicações, como no reforço de plásticos e cimentos, na indústria de petróleo, têxtil, farmacêutica (na forma de placebos), na medicina, na área de cosméticos, tintas e revestimentos e é claro no ramo de papel, para a produção de embalagens e nanofilmes mais resistentes. (RECKZIEGEL, 2017)

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.

(COLOMBO, 2018)

De acordo com Reckziegel (2017) Apesar de todas as vantagens e aplicações, a nanocelulose ainda possui um custo elevado comparado com as fibras comuns e para reverter este cenário é preciso desenvolver novos meios de produção, cada vez mais baratos e eficientes.

Possuem três tipos de nanocelulose, cada uma com seu aspecto, composição cristalina e amorfa, sendo elas: celulose nanofibrilada, celulose nanocristalina e celulose bacteriana ou microbiana. (KLEMM et al., 2011)

A celulose nanofibrilada (CNF), ou nanofibrilas de celulose, é originada a partir da desintegração mecânica das fibras celulósicas, sobretudo de suas superfícies, promovendo o rompimento da parede celular e a posterior exposição das fibrilas e microfibrilas, que estavam anteriormente situadas no interior das fibras. (KLEMM et al., 2011).

Consiste em nanofibras de celulose longas, flexíveis e emaranhadas, com diâmetro variando entre 1 e 100 nm, e comprimento na escala micrométrica. Seu aspecto visual é o de um gel viscoso, de coloração esbranquiçada. (LAVORATTI, 2015)

A celulose nanocristalina (CNC) é similar a pequenos cilindros ou bastonetes de caráter cristalino, isolados a partir da hidrólise ácida das fibras. Ela é também conhecida como whiskers ou nanocristais de celulose. O mecanismo de obtenção da CNC por meio de hidrólise ácida envolve a remoção das regiões amorfas das fibrilas elementares de celulose por hidrólise, restando apenas as regiões cristalinas.

(LAVORATTI, 2015)

Há também a celulose microbiana (NCB), ou também chamada de celulose bacteriana, possui uma nanoestrutura fibrilar única que determina propriedades físicas e mecânicas características, tornando-a muito importante para a medicina moderna e pesquisas biomédicas. (JOZALA et al., 2011)

A celulose microbiana é produzida por microrganismos do gênero Gluconacetobacter, porém o mais utilizado para a área biomédica é o microrganismo Gluconacetobacterxylinus (Acetobacerxylinus). O processo de produção da NCB é classificado como bottom-up, pois a celulose, nesse caso, é sintetizada a partir de pequenas unidades, formando as fibrilas na escala nanométrica.

O cultivo é feito em meio abundante em glicose, sob condições aeróbias e com temperatura controlada (KLEMM et al., 2011).

De acordo com Lavoratti (2015), durante a biossíntese, as cadeias de glicose produzidas são perfiladas pelos poros que compõem a parede celular do microrganismo. A combinação dessas cadeias origina estruturas fibrilares, que se agregam formando uma rede de nanofibras cujo diâmetro compreende uma faixa entre 20-100 nm.

8.1. Extração da Nanocelulose

A nanocelulose pode ser obtida a partir de métodos químicos, físicos e biológicos, de maneira muito eficaz e utilizando diversos equipamentos e combinações de tratamentos químicos, enzimáticos e/ou mecânicos, como por exemplo, o electrospinning (eletrofiação), hidrólise ácida e enzimática, sonicação, refinação e ultrassom. (FRONE et al., 2011).

Esta obtenção da nanocelulose a partir de fibras lignocelulósicas é dividida em duas fases. A primeira fase é a etapa de pré-tratamento, onde ocorre a remoção parcial da lignina e hemicelulose, seguido do branqueamento onde acontece a remoção total da lignina e hemicelulose, deixando apenas a celulose exposta e homogeneização da matéria-prima (MOON, 2011).

Este pré-tratamento é composto por três etapas, sendo elas o pré-tratamento físico, químico e biológico.

O pré-tratamento físico tem como objetivo a fragmentação da biomassa lignocelulósica, através de pulverização, trituração ou moagem. Esse processo tem a capacidade de reduzir o tamanho e o grau de cristalinidade da fibra celulósica, e causam a quebra de longas cadeias moleculares, no entanto, não há remoção da lignina e nem de celulose. (SANTOS et al., 2012).

O pré–tratamento químico é o que utiliza soluções alcalinas diluídas em condições especiais, senda elas moderadas de temperatura e pressão. É realizada utilizando uma solução de hidróxido de sódio (NaOH), e tem como objetivo remover ceras, graxas e parcialmente lignina e hemicelulose que estão presentes na superfície da fibra. (BARBOSA, 2011).

E a última etapa é a do pré-tratamento biológico que tem como princípio a inoculação utilizando microrganismos, como por exemplo, bactérias e fungos, degradando principalmente a lignina, sem ocasionar uma grande perda de celulose e hemicelulose. Esse tipo de tratamento não utiliza altas temperaturas e contribui com o meio ambiente, pois não tem necessidade de adição de produtos químicos, tais como hidróxido de sódio, hipoclorito, entre outros. (SCHMIDT et al., 2003).

Segundo Siqueira (2010) et al., a segunda fase desse processo consiste no isolamento dos domínios cristalinos da estrutura celulósica, e isso acontece utilizando normalmente processos mecânicos, hidrólise enzimática e a hidrólise ácida.

Esses métodos mecânicos para obtenção da nanocelulose têm como principal função a quebra de ligações de hidrogênio por meio da força de cisalhamento, esse processo de fibrilação acontece na parede celular do vegetal. (SANTOS et al., 2012).

Esquema resumido dos métodos de obtenção da nanocelulose de fibras vegetais.

Fonte: (PÄÄKKÖ et al,.2007).

8.2. Extração da nanocelulose da fibra vegetal do abacaxi

De acordo com a pesquisa e experimento realizado pelo Roni Marco Santos, a extração de nanocelulose a partir da folha do abacaxi, que é um resíduo agrícola gerado durante a colheita da safra anual do abacaxi apresentam propriedade como cristalinidade e razão de aspectos que os qualificam como potenciais agentes de reforços em matrizes poliméricas. A nanocelulose obtida desse resíduo agrícola subutilizado tem potencial para aplicações comerciais que podem agregar valores ao cultivo do abacaxi, gerar renda extra para os agricultores e ajudar na diversificação do agronegócio. E principalmente alcançar o objetivo dos pesquisadores, que é a reutilização destes resíduos permitindo uma redução significativa, tanto no volume de resíduos acumulados no meio ambiente, como na extração de matérias-primas. (SANTOS, 2013)

8.3. Extração da nanocelulose da fibra vegetal da bananeira

De acordo com a pesquisa e experimento realizado pelo Pereira et al., a nanocelulose extraída das fibras do pseudocaule da bananeira exibem um alto conteúdo de extrativos e cinzas, que são em grande parte removidos pela mercerização e pelo branqueamento, purificando a fibra, e agregando valor. Os teores de lignina e hemicelulose também diminuíram, em especial o de hemicelulose, aumentando a quantidade de celulose da amostra tratada. A nanocelulose gerada apresentou resistência acima da fibra natural, embora parte desta tenha sido atribuída à lignina residual.

Sendo assim, está extração de nanocelulose do pseudocaule da bananeira obteve resultados positivo e alcançou o objetivo daquilo que vem sendo estudado por pesquisadores, pois ela mostrou ser uma alternativa para o aproveitamento de resíduos agroindustriais, obtendo-se um produto de alto valor agregado e reduzindo a geração de resíduos. (PEREIRA et al, 2010)

9. CONFECÇÃO DE PAPEL A PARTIR DA EXTRAÇÃO DE NANOCELULOSE DO ABACAXI

A valorização da celulose no mercado internacional e brasileiro deve-se principalmente pela produção de papel, para Miranda et al. (2008), este recurso fomenta aproximadamente 5% na formação do PIB (Produto Interno Bruto), sendo o Brasil o 6° maior produtor de celulose e o 12° maior produtor de papel. Apenas em 2007 o Brasil exportou mais de 3 milhões de dólares em celulose e 1,7 milhões de dólares em papel (BRACELPA, 2008).

Segundo SILVA et. al. (2016) a uma grande necessidade de aproveitar melhor os resíduos agrícolas como fonte de fibras alternativas para a produção de celulose e agregar assim um maior valor aos produtos.

Um estudo feito por Ana Carla Moraes da Silva e André Luiz dos Santos Teixeira para o aproveitamento de resíduos vegetais para produção de papel artesanal mostrou-se como uma boa fonte alternativa de renda, além de estimular a população a desenvolver técnicas de reciclagem que visam a redução de lixo.

Para a confecção do papel artesanal a partir das fibras vegetais, utilizaram as coroas do Ananas comosus, comumente chamada de abacaxi. Foi necessário o cozimento da coroa em uma lata de 5L, contendo água por 30 minutos em fogo brando, sendo colocada para cada litro de água ½ de colher de hidróxido de sódio (NaOH). Após o resfriamento do caldo, obtido através do cozimento, foi realizada a filtração através de telas de nylon. Foram realizadas sucessivas lavagens com a finalidade de obter-se um licor claro e retirar resíduos de hidróxido de sódio (NaOH).

Um liquidificador foi utilizado para homogeneizar as fibras até obter uma consistência pastosa e transferidas para telas de madeiras de 30x40 cm. A tela foi introduzida de forma inclinada na cuba, para que as fibras se entrelacem. Em seguida, retirou-se verticalmente a tela permanecendo paralela, até escorrer toda água e verificar a quantidade de polpa que deve estar sobre a tela na faixa de 150 - 200 mL. A cada retirada de polpa em tela, são adicionados 150 a 200 mL de fibra e água para manter o volume inicial.

Após esse processo as folhas foram retiradas lentamente para sem prensadas e secas em varal ao ar livre. Por fim, os papéis passaram pelo processo de calandragem, cuja função é alisar a superfície da folha deixando-a mais uniforme. Segue abaixo um fluxograma representando todos os processos da confecção do papel artesanal:

Fluxograma do processo de confecção de papel artesanal

Fonte: (SILVA et al., 2016)

Como podemos observar na figura o estudo obteve bons resultados na produção de papel reciclado a partir do uso de resíduos agrícolas, apresentando novas perspectivas no âmbito socioeconômico e sustentável.

Papel confeccionado a partir da coroa do abacaxi

Fonte: (SILVA et al., 2016)

Os papeis produzidos a partir desse sistema pode ser utilizada normalmente para a confecção de caixas, capas de caderno, capas de agenda, papeis para envelopes e tantos outros, podendo também ser comercializado, tornando-se uma alternativa de renda extra para muitos brasileiros.

10. CONCLUSÃO

Conclui-se que o processo de extração da nanocelulose a partir das fibras vegetais é um método que vem sendo estudado pelo ramo cientifico e investido por diversos países, incluindo o Brasil. É um processo viável para o meio industrial, apesar do seu alto custo, ainda sim traz mais benefício referente ao desempenho das demais fibras, principalmente, por ser um material biodegradável e encontrado facilmente na natureza. Ela consegue alcançar um mercado amplo em relação a sua utilização, possui aplicações em diversos ramos, tais como: indústria farmacêutica, medicina, cosméticos, tintas, revestimentos, entre outros.

Entre seus diversos benefícios, destaca-se a redução significativa no volume de resíduos acumulados no meio ambiente e na extração de matéria prima, gerando renda extra para os agricultores e alavancando a economia do país. As fibras da bananeira e do abacaxi possuem maior resistência térmica e mecânica, comparada as demais fibras. O desempenho demonstrado nas pesquisas em relação a nanocelulose está cada vez mais alto para que seu custo benefício não seja mais um empecilho para a produção de novos materiais e que possa expandir ainda mais esse mercado.

Contudo, foi comprovado que é possível obter bons resultados na produção de papel utilizando resíduos agrícolas, apresentando novos recursos socioeconômicos e sustentáveis.

Sendo assim, podemos observar que a nanotecnologia vem sempre se renovando em relação ao meio tecnológico, trazendo diversos benefícios para o mercado industrial e meio ambiente, porém como toda a área tecnológica que faz uso intensivo de novos materiais e substâncias químicas ela também tem seus malefícios ao meio ambiente e saúde humana, que podem ser indesejáveis quando liberados no meio ambiente.

Alguns cientistas acreditam que é preciso tomar cuidado para que o uso irresponsável da nanotecnologia não acabe ofuscando os benefícios que ela pode trazer, apesar desses riscos ainda estar em estudos e não ser comprovados cientificamente.

Cabe à nossa comunidade avaliar continuamente as tecnologias em desenvolvimento, buscando soluções e alternativas que eliminem ou minimizem os possíveis danos ao meio ambiente ou à saúde.

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Publicado por: Vanessa Gonçalves

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