Os plásticos são muito utilizados no setor da saúde porque atendem a altos requisitos de higiene, possuem as propriedades mecânicas necessárias e são econômicos. Entretanto, os produtos farmacêuticos e médicos feitos com polímeros, e que muitas vezes são usados em grandes quantidades, não atendem aos princípios da sustentabilidade porque são feitos a partir de recursos fósseis e, principalmente, porque muitas vezes a reciclagem não é possível, gerando assim grandes quantidades de resíduos. Para se resolver esse problema, várias soluções foram discutidas em um estudo conjunto de caso entre a empresa Roche e o Instituto de Ecoempreendedorismo da Universidade de Ciências Aplicadas do Noroeste da Suíça. Em particular, está sendo considerado o uso de polímeros de base biológica e biodegradáveis como materiais descartáveis em diagnósticos clínicos. 

O estudo de caso em questão possui alta relevância para aplicações práticas porque foi conduzido em um cenário da vida real. 

Os experimentos foram realizados sob as mesmas condições de produção dos produtos reais, com os ferramentais normalmente usados na produção. Além disso, nos próximos anos, a redução da pegada de carbono assumirá grande importância para muitas empresas. A indústria pode considerar o uso de bioplásticos como uma solução para enfrentar esse desafio ambiental. As experiências com esse tipo de material que se encontram descritas aqui têm como objetivo ajudar outras empresas em seus esforços e decisões no âmbito da sustentabilidade. 

Uso de plásticos na área da saúde 

O uso generalizado de plásticos na área da saúde e os problemas dele resultantes são bem descritos na literatura. Estima-se que, só no Reino Unido, o Serviço Nacional de Saúde gere a cada ano 133.000 toneladas de resíduos plásticos ⁽¹⁾. A nível global, isso significa que, se o setor da saúde fosse um país, seria o quinto maior emissor de gases com efeito estufa no mundo, fato que demonstra claramente a necessidade de mudança ⁽²⁾. 

No entanto, os plásticos oferecem propriedades e funções ideais para produtos usados em diagnósticos in vitro. Eles podem ser facilmente fabricados em diferentes tamanhos e formatos e, portanto, são adequados para o design de produtos de diagnóstico muito diferentes. Seu baixo peso os torna fáceis de transportar e manusear. Os plásticos são inertes, o que significa que não reagem com os componentes típicos dos reagentes (produtos químicos solúveis em água e biomoléculas) e matrizes (fluidos corporais) usados nos diagnósticos in vitro. Os plásticos também permitem vedações herméticas e à prova d’água. Portanto, eles são ideais para uso em dispositivos médicos onde contaminação ou reações químicas não intencionais podem levar a resultados incorretos de testes. Além disso, os plásticos apresentam baixo custo e são amplamente disponíveis, o que os torna uma excelente solução para produtos de diagnóstico descartáveis. 

Entretanto, as grandes quantidades de resíduos plásticos gerados pelos diagnósticos in vitro representam um fardo significativo para o gerenciamento de resíduos, com seu descarte atual consistindo principalmente de incineração controlada devido à potencial contaminação biológica que eles representam. Além disso, a produção de plástico consome quantidades significativas de combustíveis fósseis que, junto com sua combustão posterior, contribui para as emissões de gases de efeito estufa e mudanças climáticas. 

Polímero biodegradável para fabricação de produtos descartáveis usados nos diagnósticos in vitro 

A Roche, empresa multinacional da área de saúde, quer resolver esses problemas e está procurando matérias-primas alternativas mais sustentáveis para seus produtos de diagnóstico ⁽³⁾. Nesta área, são necessários produtos plásticos descartáveis para garantir resultados de testes de diagnóstico in vitro com alta qualidade. Existem várias abordagens para resolver esse desafio, desde materiais alternativos até soluções técnicas, como reciclagem química, e mudanças no design do produto de forma a usar menor quantidade de plástico. 

Outra opção é o uso de polímeros biodegradáveis, que podem ser facilmente compostados após seu uso e, portanto, não poluem o meio ambiente, desde que não estejam contaminados. Foi investigada a adequação desta solução para a substituição ao poliestireno convencional de alto impacto originalmente usado pela Roche em um suporte (rack) de pipetas usado em testes de diagnósticos (figura 1). 

 

Fig. 1 – Foi testado um bioplástico na produção de suportes (racks) descartáveis para pontas de pipetas e recipientes de reação, conforme exigido no processo automatizado do diagnóstico in vitro (© Roche).

 

O suporte foi escolhido para o teste porque não entra em contato direto com o material das amostras e possui requisitos de qualidade mais baixos. Todos os anos a Roche usa milhares de toneladas de poliestireno para produzir esse suporte, o que exerce um impacto significativo no meio ambiente. 

O plástico biodegradável usado neste estudo de caso consistiu principalmente de polilactídeo, ou seja, poli(ácido láctico) (PLA), o qual foi selecionado devido à alta similaridade de suas propriedades mecânicas em comparação com as do poliestireno. 

Além disso, este novo material é produzido a partir de matérias-primas de origem biológica. O fabricante dessa resina é uma empresa de médio porte que desenvolve e produz bioplásticos na Alemanha há mais de 20 anos e é um dos líderes nessa tecnologia. Esse material foi testado sob várias perspectivas para determinar sua adequação, como os requisitos do cliente, avaliação do ciclo de vida e biodegradabilidade. 

Consultando os requisitos do cliente 

Para garantir que o conceito a ser testado seja relevante em termos práticos e totalmente compreendido pelos usuários, foram visitadas em presas que atualmente usam esse suporte de pipetas. As empresas selecionadas foram diversos laboratórios de diagnóstico in vitro na Suíça, que processam diariamente desde muitas dezenas a muitos milhares de testes. Todas as partes concordaram que soluções sustentáveis são de grande interesse. Entretanto, análises de custo também foram consideradas como muito importantes, já que custos adicionais obviamente não podem ser repassados aos clientes, pelo menos não atualmente na Suíça. Consequentemente, se assim fosse, os laboratórios teriam que arcar com todos os custos incorridos. 

Balanço ecológico com avaliação do ciclo de vida 

Como o principal objetivo dessa mudança de material era melhorar a sustentabilidade do produto, foi conduzida uma avaliação do ciclo de vida usando uma abordagem do berço ao berço de acordo com a norma técnica ISO 14040. Foi demonstrado que o impacto ambiental do polímero biodegradável foi até 30% menor, desde que apenas as emissões de CO2 fossem consideradas, ou seja, sem incluir, por exemplo, o consumo de água no cultivo das plantas necessárias à obtenção dos monômeros. Entretanto, o impacto ambiental total ao longo de todo o ciclo de vida, que leva em consideração vários aspectos, como o uso da terra, a acidificação da água ou o impacto ambiental dos pesticidas, além das emissões de CO2 , foi quase duas vezes maior para a resina biodegradável do que para a convencional. As matérias-primas, em particular, causam uma elevada pegada ambiental (figura 2). 

 

Fig. 2 – Suporte convencional versus o que foi feito com bioplástico. Avaliação do ciclo de vida (Suíça): os impactos ambientais são mostrados, medidos em pontos de impacto ambiental (kPt). Menos é melhor. O biogás gerado durante a degradação biológica é creditado como um impacto ambiental positivo (valor negativo) (fonte: C. E. Lauber; Gráfico: © Hanser)

 

Isso se deve principalmente ao uso de milho, que, segundo se supõe (por falta de informações do fabricante), serve como matériaprima para a síntese do bioplástico, e que geralmente é cultivado com o uso intensivo de pesticidas. Tal situação exerce forte impacto no meio ambiente e leva a um resultado desfavorável na Análise de Ciclo de Vida. Por outro lado, o transporte de um único suporte é pouco significativo, pois quantidades muito grandes podem ser transportadas de uma só vez. O fato de o material ser biodegradável levou apenas a uma melhoria insignificante no balanço ecológico. Isso ocorre porque a degradação biológica produz apenas uma pequena quantidade de biogás utilizável em comparação com a energia usada na síntese do material. Este método de reciclagem de resíduos é, portanto, apenas um pouco mais ecológico do que a incineração direta do plástico, em que a energia pode ser gerada na forma de calor e eletricidade – especialmente porque o CO2 também é liberado durante a degradação biológica. Tal resultado mostra que o material testado não constitui uma alternativa sustentável ao plástico convencional que é usado atualmente. 

O PLA, que é o principal componente da resina aqui testada, pode ser produzido a partir de outras matérias-primas além do milho, principalmente da cana-deaçúcar. Com base na revisão da literatura que foi feita sobre o tema, presume-se que os impactos negativos na avaliação do ciclo de vida observados para o milho serão comparáveis aos da cana-de-açúcar ⁽⁴⁾. 

Uma alternativa para melhorar a sustentabilidade dos plásticos poderia ser o uso de polímeros convencionais, não biodegradáveis, mas com origem orgânica. Isso os torna mais fáceis de serem integrados à economia circular, por exemplo, por reciclagem química. Entretanto, essa alternativa só deve ser considerada se a matéria-prima desse plástico ser proveniente de fontes biológicas sustentáveis como, por exemplo, resíduos como óleo de cozinha usado (as chamadas matérias-primas de segunda gera ção) e não de culturas cultivadas especificamente para essa finalidade. 

Teste de biodegradabilidade 

Para testar a biodegradação industrial do material e obter valores para estabelecer comparações com as alegações de biodegradabilidade feitas pelo fabricante (certificação com OK para compostagem doméstica, OK compost home, ou seja, 90% de degradação ao longo de seis meses numa composteira de jardim doméstico), o material foi testado em pequena escala para biodegradação anaeróbica industrial (fermentador) sob temperatura de 58°C (figura 3). Para o teste foi usada a resina original em grânulos e não os suportes moldados por injeção, pois um agente desmoldante foi usado em sua produção (ver mais adiante). Tal agente é tóxico para microrganismos. 

 

Fig. 3 – Processo de biodegradação do bioplástico em um fermentador, sob condições anaeróbicas. Os grânulos podem ser vistos após 0 (A), 10 (B), 20 (C) e 30 (D) dias no fermentador (© C. E. Lauber).

O plástico contaminado com ele pode ter exercido impacto negativo na tentativa de degradação. 

Entretanto, os resultados foram considerados comparáveis, uma vez que, de forma padrão, todo o material usado nas usinas de biogás é triturado e os fragmentos individuais de plástico teriam tamanho semelhante aos grânulos aqui usados. 

O potencial do plástico para produção de biogás, que constitui matériaprima valiosa, também foi investigado. O material era de fato biodegradável, mas não completamente dentro do tempo necessário para tratamento industrial. Enquanto as plantas de digestão anaeróbica normalmente têm um tempo de retenção de sete a vinte dias para resíduos biológicos convencionais, neste experimento foram necessários trinta dias para que o material testado perdesse aproximadamente 50% de sua massa. Isso significa que este material não atende aos requisitos para degradação biológica dentro do prazo normal. 

Caracterização do material 

Como o fornecedor do material testado liberou pouquíssimas informações sobre sua composição, uma análise de isótopos de Carbono 14 foi feita para confirmar se o polímero foi feito a partir de matérias-primas com origem biológica. Ela mostrou que a fração atômica de carbono com origem biológica foi igual a 77%. Foi realizada uma caracterização detalhada do material para uma melhor compreensão deste resultado, a qual mostrou que o material era composto por dois polímeros, a saber, polilactida (PLA) e policaprolactona (PCL), em proporção de aproximadamente 2:1. 

Já era de se esperar que outro polímero fosse incorporado ao PLA, o bioplástico mais usado no mundo, porque essa resina pura é bastante quebradiça e inadequada para muitas aplicações. Em combinação com um plástico como o PCL, cuja temperatura de transição vítrea encontra-se abaixo da ambiente, a manifestação dessa propriedade do material pode ser reduzida, expandindo-se assim sua área de aplicação. Ambos os polímeros são biodegradáveis, embora o PLC seja geralmente sintetizado a partir de recursos fósseis. Também foi identificado o uso de silicato de magnésio (talco) como carga, em proporção de 15% em peso. Acreditase que ela foi adicionada para melhorar a resistência do material à temperatura. 

Resultados dos ensaios de moldagem por injeção 

Para determinar se o novo material é adequado para o processo de moldagem por injeção, foram feitos testes em uma injetora Allrounder 520 A da Arburg, usando molde com cavidade dupla usado na produção industrial. Os parâmetros do processo foram definidos de acordo com as especificações do fabricante do material, mas dificilmente foi possível obter resultados satisfatórios com o bioplástico. As peças moldadas por injeção permaneceram presas ao molde, tendo sido rasgadas pelo mecanismo de ejeção (figura 4). 

Supõe-se que isso se deva ao alto módulo de elasticidade desta resina, o que indica que o material é pouco flexível. Além disso, muitas vezes o molde não foi completamente preenchido, de modo que certos elementos do componente permaneciam sem serem devidamente preenchidos. 

 

Fig. 5 – Suporte de bioplástico preso e rasgado durante os testes de moldagem por injeção (© C. E. Lauber).

Pode-se conceber que a cavidade pudesse ter sido completamente preenchida ao se aplicar maiores valores de temperatura ou pressão. Entretanto, isso exigiria ir muito além dos parâmetros do processo especificados pelo fabri cante, o que poderia ter influenciado as propriedades da resina. Concluiu-se que esse novo material não pode ser usado em equipamentos e ferramentais já existentes, sem que sejam feitas adaptações. O agente desmoldante precisou ser usado após cada injeção para se ter um ciclo completo. Entretanto, as poucas peças intactas assim obtidas apresentaram alta qualidade e suas dimensões estavam dentro dos valores definidos para a peça de referência feita com plástico convencional. 

Má relação custo-benefício 

Os cálculos mostraram que os custos podem aumentar em quase 50% em comparação com a solução atual. Grande parte desse aumento pode ser atribuída ao preço mais alto da resina. Mas a maior densidade do novo plástico também contribuiu significativamente para o aumento do preço, porque ela alongou o tempo do ciclo e consumiu mais massa para a mesma peça. Isso resultou em custos de cerca de 1.300 francos suíços (aproximadamente 1.350 euros) por tonelada de CO2 que poderia ser suprimida com o uso desse bioplástico. 

Com o número de suportes produzidos na casa dos dois dígitos de milhões, isso resultaria em alto ônus financeiro para a Roche. Mesmo em comparação com o valor de referência de 120 francos suíços por tonelada de CO2 (aproximadamente 125 euros) verificado em outros projetos de redução de emissões na Suíça, isso resulta em uma relação custobenefício muito baixa. 

Conclusões 

Os plásticos biodegradáveis podem parecer promissores e atraentes para os clientes, mas é preciso estar ciente de suas desvantagens. Este estudo mostrou que o material examinado, em sua forma atual, não é adequado para substituir o plástico usado atualmente, nem do ponto de vista técnico e nem do da sustentabilidade. É provável que um resultado satisfatório de moldagem por injeção seja alcançado pela otimização individual do plástico num trabalho conjunto com seu produtor. Entretanto, especialmente quando se trata de ferramental complexo, parece não haver praticamente nenhuma solução pronta disponível no momento. 

Pode ser mais fácil obter resultados perfeitos com outros polímeros de origem biológica, mas, no setor de moldagem por injeção, quase nenhum outro plástico além do PLA, que foi usado neste estudo de caso, está disponível atualmente em quantidades suficientes. 

A compostagem de plásticos usados na área da saúde não é prática por vários motivos, principalmente do ponto de vista da biossegurança (germes patogênicos). Assim, devem ser consideradas mais ativamente outras abordagens para melhorar sua sustentabilidade, como a reciclagem química e a captura e o uso de carbono (Carbon Capture and Utilization, CCU) ⁽⁵⁾. Mas, também surge a questão do custo envolvido. 

Os plásticos e processos atualmente usados foram otimizados ao longo de quase um século. Consequentemente, continua sendo um desafio inicial para os produtos alternativos de origem não fóssil não apenas exceder os custos e as características de aplicação dos processos de produção estabelecidos, mas também garantir a sustentabilidade ao longo de todo o ciclo de vida. Será necessário que haja pioneiros dispostos a assumir compromissos, que assumam os custos e se esforcem para superar possíveis obstáculos regulatórios. 

Áreas economicamente fortes, como o setor de saúde, serão de grande importância no avanço dessas soluções. 

Agradecimentos 

O Instituto de Ecoempreendedorismo da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Ciências Aplicadas do Noroeste da Suíça (Hochschule für Life Sciences der Fachhochschule Nordwestschweiz, FHNW) proporcionou apoio valioso a este trabalho. Os ensaios de moldagem por injeção foram feitos na empresa Hack Formenbau GmbH, na Alemanha. Os ensaios de biodegradabilidade foram feitos pelo Grupo de Biotecnologia Ambiental da Universidade de Ciências Aplicadas de Zurique (Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, ZHAW), na Suíça. A análise de isótopo Carbono 14 foi feita por Lukas Wacker, no Laboratório de Física de Feixe de Íons da Escola Superior Tecnológica Suíça de Zürich (Labor für Ionenstrahlphysik der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich – ETH Zurich). 

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

A literatura citada neste artigo pode ser encontrada em www.kunststoffe.de/ onlinearchiv.