Teste realizado em microreator construído a partir dos microcanais da planta de bambu (Foto: Divulgação)
Alto rendimento em pequenos espaços. A preocupação com o aumento da eficiência em processos químicos industriais tem resultado em inúmeras pesquisas de avaliação de desempenho em microrreatores. O italiano Omar Ginoble Pandoli, professor do Departamento de Química do Centro Técnico Científico da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (CTC/PUC-Rio) é um dos pesquisadores que se interessam pelo tema. Há uma década que ele se dedica ao estudo de reações químicas em pequena escala e na construção de dispositivos para que elas possam ser realizadas.
Contemplado no programa Jovem Cientista do Nosso Estado, da FAPERJ, Pandoli e uma equipe de pesquisadores da PUC-Rio, em parceria com a Universidade de Ferrara (Itália), publicaram recentemente um estudo comparativo do desempenho entre reatores químicos, na macro e micro escala, na revista Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry. O resultado foi a redução do tempo de 16 horas para 1 hora no processo de fotodegradação em microrreatores de compostos orgânicos utilizados no tingimento de papel, madeira, roupas, cosméticos e de compostos aromáticos – gerados em refinarias, gaseificadores de coque e plantas petroquímicas. Para tal, os pesquisadores usaram o semicondutor dióxido de titânio (TiO2) como fotocatalisador incorporado no dispositivo microfluidico (microrreator), sensível à luz ultravioleta, e atualmente o produto comercial mais utilizado no tratamento de contaminantes tóxicos em águas residuais, de origem doméstica ou industrial.
A pesquisa realizada também apresenta uma proposta de padronização da determinação da eficiência fotocatalítica de novos catalisadores em equipamentos de pequena escala. Por meio de equações matemáticas conforme à União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), foi possível estabelecer um parâmetro comparativo, estabelecendo a quantidade de energia consumida para o processo de fotodegradação de um determinado volume de água residual por unidade de tempo.
Para Pandoli, o paradigma de que um equipamento maior é naturalmente mais eficiente, em termos de capacidade de produção por um determinado processo químico, precisa ser revisto. Em reatores tradicionais a ampliação de escala, definido escalonamento da reação, ocorre por meio do aumento do volume do vaso reacional (em inglês scaling-up). Na área de tecnologia de microrreatores, a ampliação de escala de um determinado processo químico se denomina “numbering-up”, onde um número elevado de microrreatores é colocado um ao lado do outro, aumentando a produção com a multiplicação dos equipamentos, e, ainda assim, obtendo economia e eficiência. A explicação encontrada pelos pesquisadores é a de que em ambientes micrométricos o contato entre a substância que precisa ser degrada e o agente catalisador aumenta. “Moléculas orgânicas têm de ter uma íntima relação com o agente catalisador”, diz o químico italiano. Outra vantagem é a quantidade de luz necessária para ativar a superfície do catalisador sensível à luz ultravioleta. Enquanto uma lâmpada serve para um conjunto de microrreatores, mais de uma e de maior potência são necessárias para o funcionamento de um reator de médio e grande porte.
Outros destaques apontados pelo pesquisador são a maior eficiência de troca de calor e de massa, o que significa uma economia de energia e de materiais. Esta tecnologia tem atraído atenção das indústrias que olham com interesse para a possibilidade de redução de custos energéticos, de tempo e de recursos humanos para o desenvolvimento da fase de ampliação da produção. “Na microescala, as condições reacionais de temperatura, volume, concentração e velocidade de fluxo são controláveis com maior precisão, que induz uma maior seletividade e rendimento reacional”, prossegue Pandoli. Essa vantagem, explica o pesquisador, é particularmente útil quando o objetivo da reação é produzir um fármaco ainda na fase de desenvolvimento da nova molécula, por exemplo. "A indústria farmacêutica, inclusive, tem sido a principal interessada e está cada vez mais presente nas conferências da área. Por realizar testes com substâncias muito caras e em pequenas quantidades, as reações em escala reduzida se tornam imediatamente vantajosas."
A próxima etapa da pesquisa será trabalhar com elementos nanoestruturados da prata e do ouro a serem incluídos no semicondutor de dióxido de titânio. “O objetivo é explorar duas propriedades distintas destes materiais sensíveis em diferentes regiões espectrais da luz solar, ultravioleta e visível. Então esperamos obter resultados ainda melhores do que aqueles com dióxido de titânio puro”, conta.
Inspiração da natureza por microrreatores de bambu
Pandoli (à direita) com parte da equipe de seu laboratório: Gisele da Cruz, Christian de Oliveira e Druval Santos de Sá (Foto: Divulgação)
Entre 2009 e 2011, Pandoli realizou um pós-doutorado na Universidade de Shanghai, na China, e ficou encantado com as propriedades e usos variados do bambu. Agora, ele está em fase final de desenvolvimento de um microrreator obtido a partir da planta. Já com pedido de patente em elaboração, o projeto financiado pelo Instituto Serrapilheira, visa criar um dispositivo microfluídico feito a partir da matriz vegetal do bambu.
“Além de explorar a natureza química do bambu, queremos usar a estrutura anatômica da planta, ou seja, os microcanais dos feixes vasculares revestidos com diferentes catalizadores para realizar síntese orgânica em fluxo”, adianta. “O bambu desenvolve naturalmente um sistema de canais retos e paralelos entre eles, o que nos permite economizar todo o processo de prototipagem dos dispositivos no laboratório. Então, vislumbramos a ideia de transformar os microcanais vasculares do bambu em um reator químico em miniatura para realizar reações orgânicas em fluxo”, completa.
A opção pelo bambu também se deve à rápida reprodução da planta, capaz de crescer até um metro por semana. Com apenas uma seção de 30 centímetros de comprimento de um colmo de bambu é possível construir centenas de reatores. “Estes dispositivos microfluídicos serão mais baratos e sustentáveis em comparação aos dispositivos confeccionados artificialmente atualmente no mercado”, conclui. Neste mês de janeiro, o trabalho Fabrication of Lignocellulose-Based Microreactors: Copper-Functionalized Bamboo for Continuous-Flow CuAAC Click Reactions foi aceito para publicação na revista ACS Sustanaible Chemistry and Engineering.
Autor: Juliana Passos
Fonte: FAPERJ
Sítio Online da Publicação: FAPERJ
Data: 17/01/2019
Publicação Original: http://www.faperj.br/?id=3691.2.0
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