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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.74.2022.tde-02082022-160722
Documento
Autor
Nombre completo
Lucas Luiz Messa
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
Pirassununga, 2022
Director
Tribunal
Faez, Roselena (Presidente)
Fajardo, André Ricardo
Pastre, Adriana de Campos
Pessan, Luiz Antonio
Waldman, Walter Ruggeri
Título en portugués
Desenvolvimento de fertilizantes de eficiência aprimorada: uso de biopolímeros como matrizes para liberação de nutrientes
Palabras clave en portugués
Celulose fosforilada
Fósforo
Macronutrientes de plantas
Métodos de secagem
Nanofibras de celulose
Nitrogênio
Potássio
Quitosana
Resumen en portugués
Fertilizantes de eficiência aprimorada (FEA) são sistemas capazes de retardar a disponibilidade do conteúdo nutricional de plantas, minimizando a poluição ambiental ao reduzir a perda de insumos agrícolas durante a aplicação. Pesquisas recentes destacam o uso de várias fontes naturais e biodegradáveis no desenvolvimento desses FEAs, em especial biopolímeros, devido à suas características intrínsecas de biodegradabilidade, caráter atóxico e renovabilidade a custo relativamente baixo. No entanto, o uso de biopolímeros no desenvolvimento de FEA comumente requer a adição de produtos químicos extras, abrangendo a incorporação de polímeros sintéticos, agentes de reticulação, iniciadores de polimerização, solventes orgânicos, líquidos iônicos, etc., ou processos de produção complexos e caros para aplicações agrícolas. Tendo isso em vista, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver novos FEAs à base biopolímeros com um mínimo uso de compostos químicos adicionais. Para isso, diversos experimentos foram conduzidos visando: i) desenvolver FEAs à base de quitosana e celulose individualmente ou em combinação; ii) caracterizar as propriedades em busca da melhor condição para sintetizar FEAs; iii) propor soluções para os desafios encontrados durante o processo de produção; iv) e elucidar a relação da estrutura química e mecanismos de liberação. Em suma, celulose foi extraída do bagaço de cana-de-açúcar empregando três métodos de extração bem estabelecidos na literatura, e depois derivados celulósicos foram facilmente produzidos via hidrólise ácida e fosforilação química para posterior uso no desenvolvimento de FEA. A combinação de quitosana, nanofibras de celulose sulfatada (S-CNF) e fertilizante NPK, seguido da secagem por spray-drying rendeu micropartículas com comportamento de liberação ajustável em função do teor de fertilizante e da concentração de S-CNF na composição, liberando um máximo de 48, 78, e 96% de H2PO4-, NH4+ e K+ no período de 24 h, respectivamente. Como uma estratégia mais simples e sem requerer produtos químicos adicionais, FEAs foram produzidos a partir de suspensões aquosas de celulose fosforilada carregadas com fertilizante NPK seguido de secagem via spray-, freeze- ou oven-drying. As diferentes estruturas sólidas obtidas, sendo elas: micropartículas, sólidos porosos tridimensionais (3D) e filmes tiveram comportamento de liberação regulado pela razão de cargas aniônicas/catiônicas (celulose-O-HPO3-/cátion+) juntamente com os métodos de secagem, atingindo 58, 60 e 89% de íons NH4+, K+ e H2PO4- liberados após 7 dias. Em conclusão, tais abordagens demonstraram ser eficazes no controle das propriedades de liberação de sistemas à base de celulose e/ou quitosana, para ser biodegradável e renovável, aumentando assim o potencial de uso de biopolímeros no desenvolvimento de FEA. Esses resultados são de grande importância e claramente indicam que os materiais biopoliméricos desenvolvidos possibilitam melhorias significativas em tecnologias para a liberação de fertilizantes.
Título en inglés
Development of enhanced efficiency fertilizers: use of biopolymers as matrices for nutrient release
Palabras clave en inglés
Cellulose nanofibers
Chitosan
Drying methods
Nitrogen
Phosphorus
Phosphorylated cellulose
Plant macronutrients
Potassium
Resumen en inglés
Enhanced efficiency fertilizers (EFFs) are systems capable of delaying the availability of plant nutritional content minimizing environmental pollution by reducing the loss of agricultural inputs during application. Recent research highlights the use of natural and biodegradable sources for EFFs development, particularly biopolymers, due to their intrinsic biodegradability, non-toxicity, renewability at relatively low cost. However, the use of biopolymers in the EFFs development commonly requires the addition of extra chemicals, including the incorporation of synthetic polymers, crosslinking agents, polymerization initiators, organic solvents, ionic liquids, etc., or complex and expensive production process impairing their application in agriculture. Therefore, the present work aimed to develop new biopolymer-based EEFs with a minimal additional chemical. For this, several experiments were carried out aiming to: i) develop EEFs based on chitosan and/or cellulose individually or in combination; ii) characterize their properties to find the optimal condition to synthesize EEFs; iii) propose solutions for the challenges encountered during the production process; iv) and elucidate the relationship between the chemical structure and release mechanisms. In short, cellulose was extracted from sugarcane bagasse using three well-established extraction methods, and then cellulosic derivatives were easily produced via acid hydrolysis and chemical phosphorylation for further use in the EEFs development. Combining solubilized chitosan, sulfated cellulose nanofibers (S-CNF), and NPK fertilizer, followed by spray-drying yielded microparticles with tunable release behavior depending on the fertilizer content and the concentration of S-CNF in composition, releasing a maximum of 48, 78, 96% of H2PO4-, NH4+ and K+ within 24 h, respectively. As a simpler strategy and without requiring additional chemicals, EEFs were produced from aqueous suspensions of phosphorylated cellulose loaded with NPK fertilizer followed by spray, freeze- or oven-drying. The different solid structures built, i.e., microparticles, three-dimensional porous solids, and films, had release behavior tunable by the ratio of anionic/cationic charges (cellulose-O-HPO3-/cation+) along with the drying methods, releasing 58, 60, 89% NH4+, K+, and H2PO4- ions released after 7 days. Thus, these approaches have shown to be effective in controlling the release properties of systems based on cellulose and/or chitosan to be biodegradable and renewable, increasing the potential for using biopolymers in the EEFs development. These results are of great importance and clearly indicate that the biopolymer materials developed allow significant improvements in technologies for the release of fertilizers.
 
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Fecha de Publicación
2022-08-03
 
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