Biossurfactantes são a primeira classe ecologicamente correta

Uma visão geral dos surfactantes

Química e Derivados - Biossurfactantes são a primeira classe ecologicamente correta ©QD Foto: iStockPhoto

Artigo técnico – Biossurfactantes são a primeira classe de surfactantes ecologicamente corretos

No último século, a performance de praticamente todos os produtos de limpeza doméstica e cosméticos foi obtida de surfactantes derivados de fontes petroquímicas.

Em resposta ao aumento da demanda dos consumidores por produtos sustentáveis, o mercado global de surfactantes, que está em crescimento e hoje representa mais de US$ 40 bilhões, está passando por uma rápida transição para surfactantes verdes que são totalmente biodegradáveis, minimizam as emissões de CO2 e não são prejudiciais para organismos aquáticos ou outros organismos naturais.

No entanto, as primeiras gerações de surfactantes de base biológica desenvolvidas desde 2000 têm enfrentado vários desafios relacionados ao fornecimento e fabricação de matérias-primas que constituem suas credenciais verdes. Acima de tudo, houve poucos, se houve, surfactantes de base biológica que foram capazes de gerar as propriedades funcionais de limpeza e geração de espuma das matérias-primas tradicionais.

Para suprir essas necessidades não atendidas do mercado, a Evonik, uma das líderes mundiais em especialidades químicas e inovadora no mercado de biossurfactantes verdes usados em produtos de limpeza doméstica, desenvolveu um novo portfólio de biossurfactantes que atendem aos mais altos padrões em sustentabilidade e funcionalidade.

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Uma visão geral dos surfactantes

Surfactantes são moléculas anfifílicas com propriedades de tensão superficial que permitem uma quebra eficiente da interface entre a água e outras partículas. As moléculas apresentam partes hidrofóbicas (repelentes de água) e hidrofílicas (atração à água) que naturalmente se ligam umas às outras para formar micelas esféricas. Cada uma dessas partes trabalha em uníssono, com a cauda hidrofóbica sendo atraída por substâncias como óleo ou sujeira, enquanto a cabeça hidrofílica, em seguida, atrai essas partículas para o núcleo da micela.

Esta reação físico-química, seguida pela rápida dissolução dessas partículas na água, torna os surfactantes ingredientes ativos atraentes para uso com uma gama de aplicações de cuidados pessoais e limpeza.

Em produtos como detergentes para louça, os surfactantes podem representar até cerca de 30% do volume total de conteúdo. Sua eficácia funcional desempenha um papel importante na determinação das taxas de preferência da marca entre os consumidores. Assim, o mercado global de surfactantes, avaliado em US$ 40 bilhões em 2020 e que deve aumentar para US$ 52 bilhões até 2025, com um CAGR de 4,5%, é altamente competitivo (referência 1).

Química e Derivados - Biossurfactantes são a primeira classe ecologicamente correta ©QD Foto: iStockPhoto

A primeira geração de surfactantes sintéticos era conhecida como alquilbenzeno sulfonato ramificado (BAS). Foram usados desde a década de 1930 até serem eliminados na maioria dos mercados internacionais na década de 1960. Na maioria das regiões do mundo e na maior parte das aplicações, BAS foi substituído por outra classe aniônica de surfactantes conhecidos como alquilbenzeno sulfonato linear (LAS) que tem propriedades de biodegradabilidade superiores.

Derivados do benzeno (petróleo), os surfactantes LAS precisam degradar dentro de quatro semanas, segundo as exigências legais de grande parte dos países. Embora a esmagadora maioria dos LAS possa ser removida da água de abastecimento durante o processamento inicial em estações de tratamento de esgoto, estudos indicam que maiores concentrações de LAS podem ser tóxicas para certos organismos aquáticos e do solo, como bactérias, algas, peixes e crustáceos (referência 2). Além disso, os LAS derivados da petroquímica podem contribuir com emissões de gases de efeito estufa de 2,36 kg de CO2 eq/kg LAS até o fim da vida útil (EoL) (referência 3).

A mudança de mercado para surfactantes verdes

Cada vez mais, a demanda global por surfactantes usados em produtos de limpeza doméstica e em cuidados pessoais está sendo determinada não apenas pelo desempenho funcional do ingrediente ativo, mas também pela sua sustentabilidade à medida que consumidores e agências reguladoras buscam soluções mais ecológicas. Essa demanda por produtos com foco em limpeza mais sustentáveis deu origem a uma nova era de surfactantes criados a partir de matérias-primas biológicas. O mercado mundial anual para esses surfactantes de base biológica (surfactantes parcialmente de base biológica, surfactantes totalmente de base biológica e os biossurfactantes, que serão detalhados em seguida) foi estimado em US$ 5,52 bilhões em 2022, com um CAGR de 5,6% de 2017 a 2022.

Existem três classes separadas de surfactantes de base biológica. Os primeiros são surfactantes parcialmente de base biológica, onde álcoois e ácidos graxos são derivados das gorduras e óleos de fontes naturais, incluindo soja, palma e palmiste, colza, girassol, sebo e coco.

Exemplos de surfactantes parcialmente de base biológica incluem alquil éter sulfatos e o derivado do óleo de coco cocoamidopropil betaína (CAPB). No entanto, a maioria dos óleos utilizados para criar esses surfactantes é proveniente de regiões tropicais, onde pode ser desafiador obter certificações que confirmem o uso de práticas sustentáveis para a colheita, ou o uso de práticas de contratação que não prejudicam trabalhadores e comunidades locais. Além do uso de matérias-primas perigosas durante a colheita, o processamento adicional é normalmente requerido para obter a funcionalidade necessária para seu uso com a maioria das aplicações de cuidados pessoais e para limpeza doméstica. Essas etapas adicionais de processamento podem envolver o uso de substâncias petroquímicas ou partes que também são menos sustentáveis.

A segunda categoria são surfactantes totalmente de base biológica, como alquil poliglicosídeos (APGs), que são à base de plantas, mas ainda fabricados por um processo químico. Como surfactantes parcialmente de base biológica, eles podem ser derivados de óleos tropicais e envolvem o uso de matérias-primas ou processos perigosos. Certas deficiências de funcionalidade, como serem menos suaves para a pele, também podem afetar o desempenho e a preferência do consumidor por tais surfactantes.

 

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A terceira e mais recente categoria de surfactantes são conhecidas como biossurfactantes. Estes surfactantes 100% naturais são produzidos por um organismo durante a síntese biológica. Empresas como a Evonik podem utilizar processos estabelecidos baseados em fermentação para criar biossurfactantes a partir de óleos, açúcares ou uma combinação dos dois.

Os biossurfactantes são a primeira classe de surfactantes que não são apenas ecologicamente corretos, mas capazes de fornecer taxas de funcionalidade equivalentes ou até mesmo superiores aos surfactantes tradicionais de origem petroquímica. Além de serem obtido de matérias-primas renováveis e não tropicais, os biossurfactantes são suaves na pele, resistentes à água dura, possuem excelentes características de limpeza e espuma, são 100% biodegradáveis e bem tolerados por organismos aquáticos.

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Portfólio de biossurfactantes verdes para uso em uma variedade de aplicações

A Evonik desenvolveu duas plataformas de biossurfactantes à base de glicolipídios, conhecidos como soforolipídeos e ramnolipídeos. Esse portfólio dá à empresa flexibilidade significativa para atender requisitos específicos de uma gama de aplicações de cuidados pessoais e de limpeza doméstica. Consistindo em uma metade de carboidrato ligado a ácidos graxos, as duas plataformas à base de glicolipídios são fabricadas em escala comercial em eficiências que as tornam atraentes para uso por empresas que buscam marcas mais sustentáveis e também querem atingir altos níveis de funcionalidade.

Soforolipídeos – Um número seleto de microrganismos como a Candida bombicola pode ser utilizado para produzir soforolipídeos através de matérias-primas como açúcar e óleo de colza. Seu potencial de uso como surfactante foi identificado pela primeira vez na década de 1980, porém os processos originais desenvolvidos para sua produção eram inviáveis para uso comercial. Na última década, no entanto, a unidade de materiais de origem biológica da Evonik, que faz parte da divisão de Nutrition & Care, juntamente com outras partes, incluindo o centro de inovação de longo prazo, Creavis, procurou desenvolver um novo processo de produção biológica comercialmente escalável.

Em 2016, este projeto de P&D culminou no lançamento comercial bem sucedido da plataforma de soforolipídeos da Evonik. Fabricado na instalação da empresa em Fermas na Eslováquia, é utilizado um processo avançado e altamente eficiente para extração, síntese e purificação (Figura 3). Os microrganismos especiais são cultivados em um biorreator e se alimentam de açúcares e óleos à base de plantas, resultando na produção do material soforolipídico bruto durante o metabolismo. Em seguida, um processo de purificação separa o microrganismo do material soforolipídico até estar pronto para armazenamento e fornecimento.

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Um ingrediente ativo desenvolvido pela Evonik que é baseado em sua plataforma soforolipídeos é o Rewoferm® SL ONE. Esta composição apresenta uma mistura composta por 40% de lactonas de soforolipídeos e ácido soforolipídico combinados com água, 1% ácidos graxos livres e sal para criar uma solução aquosa de cor âmbar e de baixa viscosidade.

Em água dura, uma mistura com Rewoferm® SL ONE apresentou desempenho significativamente melhor na remoção de graxa em comparação com uma alternativa padrão à base de cocoamidopropil betaína (CAPB). A produção de espuma em misturas contendo Rewoferm® SL ONE também foi até 50% maior em condições sujas em comparação com a alternativa à base de CAPB. Comparado com a CAPB e outro surfactante comum, conhecido como sulfosuccinato, o Rewoferm® SL ONE foi considerado a opção mais suave analisando os testes de glóbulos vermelhos (RBC), com um valor L/D de 1000, o categorizando como um produto não irritante.

Em termos de sustentabilidade, ele atendeu facilmente a todos os requisitos, incluindo degradação aeróbica, biodegradação anaeróbica e baixa toxicidade aquática, ganhando o apreciado status de Ecolabel da UE.

Uma das primeiras empresas a vender produtos contendo os soforolipídeos da Evonik foi a Ecover, uma empresa belga líder global no fornecimento de produtos orgânicos para roupas e limpeza doméstica (Figura 6). Vários detergentes e produtos de limpeza contendo os soforolipídeos da empresa estão agora disponíveis nas prateleiras dos supermercados.

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Ramnolipídeos – Os ramnolipídeos consistem em um ou dois grupos de açúcar ramnose que se ligam a uma ou duas cadeias de ácidos graxos hidroxilados. Como biossurfactante, os grupos de açúcar cumprem a função hidrofílica de atrair água enquanto os ácidos graxos hidrofóbicos se prendem a óleos e outras substâncias. Cientistas descobriram na década de 1960 que certas bactérias da família Pseudomonas que habitam o solo poderiam produzir naturalmente os ramnolipídeos.

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No entanto, foi apenas após a decodificação do genoma da bactéria, em 2000, que a Evonik foi capaz de desenvolver um processo de fabricação baseado em fermentação que complementou suas capacidades comerciais estabelecidas. O processo converte açúcares em ramnolipídeos através do uso de uma bactéria bem pesquisada, conhecida como Pseudomonas putida. A fermentação ocorre em biorreatores à temperatura ambiente em condições de eficiência energética. Nenhum processamento químico ou derivatização são necessários uma vez que a substância tenha sido isolada no caldo de fermentação. O processo de fabricação para obtenção de soforolipídeos destacado acima necessita de uma purificação adicional para atender aos elevados requisitos de qualidade de uso para aplicações de cuidados pessoais e de limpeza doméstica.

Os ramnolipídeos fabricados pela empresa são completamente biodegradáveis, independentemente da presença de oxigênio, e não requerem óleos tropicais como matéria-prima. Eles também são capazes de remover óleos ou sujeira de maneira tão confiável quanto surfactantes sintéticos de base petroquímica, mesmo em água dura. Têm propriedades excepcionais de formação de espuma e proporcionam uma sensação suave na pele.

Rheance® One é um produto à base de ramnolipídeos disponível na Evonik dentro de sua plataforma glicolipídios Rheance® para uso em aplicações de limpeza, como cuidados bucais, limpeza facial e lenços umedecidos. Disponível como uma solução aquosa de baixa viscosidade de cor ligeiramente amarela, é fácil de manusear e de processar e tem uso recomendado em formulações entre 1% e 8% de concentração. As propriedades de espuma e viscosidade podem ser facilmente ajustadas para atender aos requisitos específicos de formulação, ajustando o valor do pH.

Rheance® One é totalmente biodegradável em condições aeróbicas e anaeróbicas, com níveis de toxicidade aquática muito inferiores à CAPB ou outras alternativas surfactantes comuns. Além disso, esta solução multifuncional apresenta excelente suavidade para a pele e mucosas e é altamente eficiente na solubilização de vários óleos essenciais, fragrâncias e aromas. Quando testado com maquiagem de longa duração para rosto e olhos, o Rheance® One demonstrou uma remoção de maquiagem significativamente maior do que as alternativas comuns.

Evonik e Unilever estão em uma colaboração de longo prazo para a fabricação comercial e fornecimento de ramnolipídeos para usar em uma gama de produtos “green” da Unilever para limpeza doméstica. Em 2019, a Unilever lançou no Chile seu primeiro lava-louças utilizando ramnolipídeos Evonik sob sua marca Quix (Figura 7). Este lançamento foi o primeiro produto de limpeza no mundo que utilizou um surfactante derivado de ramnolipídeos comercialmente.

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A parceria com a Evonik foi destacada pela Unilever no início deste ano como um dos pilares fundamentais de sua iniciativa Clean Future, que busca mudar fundamentalmente a forma como alguns dos produtos de limpeza e lavanderia mais conhecidos do mundo são criados, fabricados e embalados. A Clean Future é única em sua intenção de incorporar os princípios de uma economia circular em embalagens e formulação de produtos em escala comercial de marcas globais para eliminar ou reduzir sua pegada de carbono.

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Inovação contínua para um futuro sustentável

Química e Derivados - Biossurfactantes são a primeira classe ecologicamente correta ©QD Foto: iStockPhotoA empresa continuará a expandir seu portfólio de ingredientes derivados da biotecnologia para fortalecer sua posição como fornecedor líder de soluções sustentáveis que são capazes de despertar o interesse tanto de fornecedores quanto dos consumidores de produtos para cuidados pessoais e de limpeza doméstica.

Paralelamente, a principal empresa global de especialidades químicas continua comprometida em expandir suas capacidades de fabricação comercial para suportar a crescente demanda por surfactantes à base de glicolipídios, incluindo ramnolipídeos e soforolipídeos.

 

Referências Bibliográficas

1 – ResearchandMarkets. Surfactants Market by Type, Application, and Region – Global Forecast to 2025. June 30, 2020.

2 – Ivanković, Tomislav & Hrenović, Jasna. Surfactants in the Environment. Archives of Industrial Hygeine and Toxicology. March 2010.

3 – Daniel P. Fogliatti, Scott A. Kemppainen, Tom N. Kalnes, Jiqing Fan, and David R. Shonnard. Life Cycle Carbon Footprint of Linear Alkylbenzenesulfonate from Coconut Oil, Palm Kernel Oil, and Petroleum-Based Paraffins. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2014 2 (7), 1828-1834 DOI: 10.1021/sc5001622.

Texto: Daniel Coelho e Meris Milek

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