Reciclagem de biopolimeros e a formação de substancias não intencionalmente adicionadas: uma abordagem para contato com alimento

dc.contributor.advisor-co1Nerín de La Puerta, Maria Consolacion Cristina
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-2685-5739
dc.contributor.advisor1Cruz, Sandra Andrea
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9632409046763256
dc.contributor.authorPaiva, Robert da Silva
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8013257464586377
dc.date.accessioned2025-08-20T12:30:52Z
dc.date.issued2025-04-02
dc.description.abstractThe increasing demand for sustainable solutions in the packaging industry has driven the adoption of biodegradable polymers such as poly (lactic acid) (PLA). However, the efficient recycling of post-consumer PLA remains a challenge due to contamination from food residues, cleaning products, automotive substances, and improper disposal. This study addresses the optimization of the PLA recycling process, focusing on the effects of washing, the formation of recycled material for food contact applications. The influence of washing parameters on PLA degradation was evaluated using the Design of Experiments (DoE) methodology. Variables such as sodium hydroxide concentration, temperature, washing time, and surfactant concentration were analyzed. Rheological studies, based on the Cox-Merz rule, revealed that material degradation can be minimized through precise adjustment to these parameters. Specifically, surfactant concentration exhibited a less aggressive effect, even when combined with high temperatures and prolonged times. Conversely, washing time was identified as the most critical factor, particularly when paired with high temperature and sodium hydroxide concentration. The results suggest that adapting washing parameters according to the contamination level of the precursor material enables a more efficient and sustainable recycling process. In parallel, the study examined the formation of Non-Intentionally Added Substances (NIAS) and the presence of contaminants during the recycling process, a critical aspect for meeting international food standards. PLA samples were intentionally contaminated in the laboratory, washed, and mechanically recycled under simulated industrial conditions. Using Headspace Solid-Phase Microextraction with Gas-chromatography coupled Mass spectrometry (HS-SPME-GC-MS) and olfactometric analysis (HS-SPME-GC-O-MS) methods, 34 volatiles compounds were identified, including NIAS such as benzaldehyde, benzyl alcohol, and dimethyl-1,4-dioxane-1,5-dione. Additionally, 14 odor-active compounds were detected and classified into four main groups: toasted, floral, green, and chemical. The study demonstrated a correlation between the recycling stages and NIAS formation, highlighting the importance of rigorous control to ensure compliance with safety standards. The efficiency of the recycling process in contaminant removal was also evaluated following FDA guidelines. PLA samples were contaminated with a standard cocktail composed of benzophenone, tetracosane, heptane, chloroform, and toluene. After washing and mechanical recycling steps, migration tests were conducted using two food simulants under various time and temperature conditions. Analysis using SPME-GC-MS and direct injection (DI-GC-MS) showed a significant reduction in contaminants after the complete recycling cycle, with decreases ranging from 73% to 80% for substances such as tetracosane, heptane, and toluene. In comparison, washing or mechanical recycling alone showed lower removal efficiency. Factors such as the molecular volume of contaminants, type of simulant, temperature, and the interactions between PLA and contaminants directly influenced the results. Theoretical calculations of molecular interactions supported these observations, proving a detailed understanding of the underlying mechanisms. Another focus of the study was mitigating molar mass loss and oligomer formation during the recycling cycle, common challenges for materials intended for direct food contact. To address these issues, carbodiimide (CDI) was added, using co-rotating twin-screw extruders. Results showed that CDI promoted an increase in PLA molar mass and reduced oligomer formation. Moisture played a key role, as carbodiimide reacts both with water molecules, preventing hydrolytic degradation, and with PLA chains, leading to increased molar mass. Oligomer migration tests were performed using three food simulants (ethanol 10%, acetic acid 3%, and ethanol 95%) and analyzed through ultra-high performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (UPLC-QTOF-MSE). Sixteen types of oligomers were identified, with linear oligomers detected in all simulants and cyclic oligomers predominantly found in the ethanol 95% simulant. Theoretical calculations of electronic structure confirmed the observed interaction and migration mechanisms, offering insights into the stability and behavior of the recycled material. The addition of CDI significantly reduced the total oligomer concentration, improving the physicochemical properties of PLA and ensuring its suitability for food contact applications. In conclusion, the study demonstrated that optimizing washing parameters, controlling contaminants and NIAS, and using additives such as carbodiimide are effective strategies for improving PLA recycling. These approaches not only ensure the quality and safety of recycled material but also align with circular economy principles, contributing to the reduction of the environmental impact associated with biodegradable plastics.eng
dc.description.resumoA crescente demanda por soluções sustentáveis na indústria de embalagens tem impulsionado a adoção de polímeros biodegradáveis, como o poli(ácido lático) (PLA). No entanto, a reciclagem eficiente do PLA pós-consumo continua sendo um desafio devido à contaminação causada por resíduos alimentares, produtos de limpeza, resíduos automotivos e descarte inadequado. Este estudo aborda a otimização do processo de reciclagem do PLA, como foco nos efeitos da lavagem, na formação de substancias adicionadas não intencionalmente (NIAS) e no uso de aditivos para garantir a segurança do material reciclado em aplicações de contato com alimentos. Avaliou-se a influência dos parâmetros de lavagem na degradação do PLA por meio da metodologia de Design de Experimentos (DoE). Variáveis como a concentração de hidróxido de sódio, a temperatura, o tempo de lavagem e a concentração de tensoativos foram analisadas. Estudos reológicos, baseados na regra de Cox-Merz, revelaram que a degradação do material pode ser minimizada mediante o ajuste preciso desses parâmetros. Em particular, a concentração de tensoativo apresentou efeito menos agressivo, mesmo em combinação com outros fatores, sendo considerada a variável mais crítica, especialmente quando associada a altas temperaturas e concentrações de hidróxido de sódio. Os resultados sugerem que adaptar os parâmetros de lavagem de acordo com o nível de contaminação do material possibilita uma reciclagem mais eficiente e sustentável. Paralelamente, examinou-se a formação de NIAS e a presença de contaminantes durante o processo de reciclagem – um aspecto crucial para o cumprimento das normas internacionais de segurança alimentar. Amostras de PLA foram intencionalmente contaminadas em laboratório, submetidas à lavagem e à reciclagem mecânica, simulando condições industriais. Utilizando a técnica de microextração de fase solida com espaço de cabeça acoplada à cromatografia gasosa com espectrometria de massas (HS-SPME-G-MS) e análises olfatométricas (HS-SPME-GC-O-MS) foram identificados 33 compostos voláteis, incluindo NIAS como benzaldeído, álcool benzílico e dimetil-1,4-dioxano-1,5-diona. Além disso, foram detectados 14 compostos odoríferos, classificados em quatro grupos principais: tostado, floral, verde e químico. O estudo demonstrou uma correlação entre as etapas de reciclagem e a formação de NIAS, reforçando a necessidade de controle rigoroso para garantir a segurança do material reciclado. Também foi avaliado a eficiência do processo de reciclagem na eliminação de contaminantes, em conformidade com as diretrizes da FDA. As amostras de PLA foram contaminadas com um coquetel de referência composto por benzofenona, tetracosano, heptano, clorofórmio e tolueno. Após as etapas de lavagem e reciclagem mecânica, realizaram-se testes de migração com dois simulantes alimentícios em diferentes temperaturas e tempos de exposição. As análises por SPME-GC-MS e DI-GC-MS mostraram reduções significativas dos contaminantes após o ciclo completo de reciclagem, com diminuições de 73% a 80% para substâncias como tetracosano, heptano e tolueno. Em comparação, as etapas de lavagem ou reciclagem mecânica isoladas apresentaram menor eficiência de remoção. Fatores como o volume molecular dos contaminantes, o tipo de simulante, a temperatura e as interações entre o PLA e os contaminantes influenciaram os resultados. Cálculos teóricos de interações moleculares sustentaram essas observações, fornecendo uma compreensão detalhada dos mecanismos envolvidos. Além disso, abordou-se a questão da perda de massa molar e da formação de oligômeros durante a reciclagem, desafios comuns em materiais reciclados destinados ao contato com alimentos. Para mitigar esses efeitos, utilizou-se a carbodiimida (CDI), um aditivo bifuncional, como agente anti-hidrólise e extensor de cadeia. A reciclagem mecânica foi realizada em amostras de PLA úmido e seco com diferentes concentrações de CDI, utilizando extrusora dupla rosca co-rotacional. Os resultados mostraram que a adição de CDI aumentou a massa molar do PLA e reduziu a formação de oligômeros. A umidade desempenhou papel essencial, pois a CDI reagiu tanto com moléculas de água – prevenindo a degradação por hidrolise – quanto com as cadeias de PLA, promovendo o aumento da massa molar. Testes de migração de oligômeros foram realizados com três simulantes alimentares (etanol 10%, ácido acético 3% e etanol 95%) e analisados por cromatografia liquida de ultra-alta eficiência acoplada à espectrometria de massas (UPLC-QTOF-MSE). Foram identificados 16 tipos de oligômeros, predominando os oligômeros lineares em todos os simulantes e os cíclicos no simulante de etanol a 95%. Cálculos teóricos de estrutura eletrônica confirmaram as interações observadas, fornecendo informações sobre os mecanismos de migração e estabilidade do material reciclado. A incorporação de CDI permitiu uma redução significativa da concentração total de oligômeros, melhorando as propriedades físico-químicas do PLA e assegurando sua adequação para aplicações em contato com alimentos. Em conclusão, o estudo demonstrou que a otimização dos parâmetros de lavagem, o controle de contaminantes e NIAS, bem como o suo de aditivos como a CDI, são estratégias eficazes para melhorar a reciclagem do PLA. Esses enfoques não apenas garantem a qualidade e a segurança do material reciclado, mas também promovem práticas alinhadas com os princípios da economia circular, contribuindo para a redução do impacto ambiental dos plásticos biodegradáveis.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipId001
dc.description.sponsorshipId200096/2022-2
dc.identifier.citationPAIVA, Robert da Silva. Reciclagem de biopolimeros e a formação de substancias não intencionalmente adicionadas: uma abordagem para contato com alimento. 2025. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22595.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/22595
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQ
dc.relation.urihttps://link.springer.com/article/10.1007/s10924-023-03075-7
dc.relation.urihttps://link.springer.com/article/10.1007/s10924-024-03409-z
dc.relation.urihttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.4c02230
dc.relation.urihttps://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsapm.4c03030
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectBiopolimeros
dc.subjectReciclagem
dc.subjectEconomia circular
dc.subjectSustentabilidade
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.titleReciclagem de biopolimeros e a formação de substancias não intencionalmente adicionadas: uma abordagem para contato com alimento
dc.title.alternativeRecyling of biopolymers and the formation of Non-itentionally added substances: an approach for food contacteng
dc.typeTese

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