Efeito da espessura do bioplástico de amido-xilana nas propriedades físico-químicas, e proposta de reaproveitamento com produção de biogás

Abstract

O presente relatório apresenta os resultados do projeto desenvolvido no âmbito do estágio pós-doutoral no Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN/Unesp), cujo foco foi a avaliação da biodegradabilidade e valorização energética de bioplásticos à base de xilana e amido. Inicialmente, foram produzidos e caracterizados filmes bioplásticos com diferentes espessuras (C1, C2 e C3), sendo avaliadas propriedades mecânicas, térmicas e estruturais. Com base nesses resultados, C1 e C2 foram selecionados para os ensaios de digestão anaeróbia, representando extremos contrastantes na relação resistência e elasticidade. A biodegradabilidade foi avaliada em dois sistemas: fermentação escura para produção de hidrogênio e digestão anaeróbia para produção de metano, sob regimes mesofílicos e termofílicos. Nos ensaios de fermentação escura (55 °C), os filmes apresentaram remoção de carboidratos superior a 87% e produção de H₂ de até 1162,3 mL H₂/L, com rendimentos molares de até 2,3 mol H₂/mol carboidrato removido. A análise da comunidade microbiana revelou predominância de gêneros termofílicos hidrogenogênicos (Clostridium sensu stricto e Thermoanaerobacterium) em condições ótimas de carga orgânica. Nos ensaios de digestão anaeróbia, as duas espessuras testadas (C1 e C2) apresentaram remoção de carboidratos acima de 98,7%, confirmando a completa degradação da matriz polimérica. A digestão mesofílica resultou em maiores potenciais metanogênicos (~ 409 mL CH₄), enquanto a termofílica apresentou maiores taxas de produção, mas com menor conversão final devido ao acúmulo de metabólitos intermediários. A influência da espessura foi mais perceptível na taxa e no perfil de liberação de intermediários do que na degradação total. Adicionalmente, foram avaliadas hipóteses de bioaumentação do inóculo com Parageobacillus caldoxylosilyticus e uso de água residuária de amido de batata como co-substrato. Além dos avanços técnicos, o projeto contribuiu para a formação e capacitação da pesquisadora, com atuação em atividades de pesquisa, orientação e produção científica, fortalecendo competências técnicas e acadêmicas. De forma quantitativa, no período 4 artigos foram publicados, e um artigo científico foi escrito/submetido e uma consulta de patente apresentada para a Agência de Inovação da Unesp com tema referente ao presente projeto.

This report presents the results of the project developed during the postdoctoral fellowship at the Institute for Research in Bioenergy (IPBEN/Unesp), focused on evaluating the biodegradability and energy recovery potential of xylan- and starch-based bioplastics. Initially, bioplastic films with different thicknesses (C1, C2, and C3) were produced and characterized in terms of their mechanical, thermal, and structural properties. Based on these results, C1 and C2 were selected for anaerobic digestion assays, representing contrasting extremes in strength–elasticity performance. Biodegradability was assessed in two systems: dark fermentation for hydrogen production and anaerobic digestion for methane production, under mesophilic and thermophilic conditions. In the dark fermentation assays (55 °C), the films exhibited carbohydrate removal above 87% and hydrogen production of up to 1162.3 mL H₂/L, with molar yields reaching 2.3 mol H₂/mol of carbohydrate removed. Microbial community analysis revealed the predominance of thermophilic hydrogen-producing genera (Clostridium sensu stricto and Thermoanaerobacterium) under optimal organic loading conditions. In the anaerobic digestion assays, both tested thicknesses (C1 and C2) achieved carbohydrate removal above 98.7%, confirming complete degradation of the polymeric matrix. Mesophilic digestion resulted in higher methane potentials (~409 mL CH₄), whereas thermophilic digestion showed higher production rates but lower final conversion due to the accumulation of intermediate metabolites. The influence of film thickness was more pronounced in the production rate and intermediate release profile than in total degradation. Additionally, hypotheses involving inoculum bioaugmentation with Parageobacillus caldoxylosilyticus and the use of potato starch wastewater as a co-substrate were evaluated. Beyond the technical advances, the project contributed to the researcher’s professional development through involvement in research activities, student supervision, and scientific production, strengthening both technical and academic competencies. Quantitatively, during the period, four articles were published; one scientific article was written and submitted; and one patent application related to this project was filed with the Unesp Innovation Agency.