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Poliésteres e polissacarídeos : do Poliésteres e polissacarídeos : do xampu ao plástico biodegradável xampu ao plástico biodegradável
Michele Pepe [email protected]
08 de maio de 2012
Graduação em BiotecnologiaDisciplina de Biotecnologia Microbiana II
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PolissacarídeosOs polissacarídeos são macromoléculas formados pela união de muitos monossacarídeos. Podem ser hidrolisados em polissacarídeos menores, assim como em dissacarídeos ou monossacarídeos mediante a ação de determinadas enzimas.
Poliésteres Categoria de polímeros que contém o grupo funcional éster em sua cadeia principal. Dos poliésteres sintéticos (plásticos) pode-se destacar o policarbonato e especialmente o politereftalato de etila (PET).
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POLIÉSTERES
BACTERIANOS
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Plásticos• Produção plásticos no Brasil
2.000.000 toneladas/ano – 2% produção mundial
País Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano)
Brasil 10
EUA 70
Europa
46
Japão 54
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Problemas associados aos plásticos
• Descartabilidade muito rápida
• Dificuldade de degradação no ambiente
• Relação custo x benefício da reciclagem
• Uso de recursos não renováveis como matéria prima
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Problemas associados aos plásticos
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Problemas associados aos plásticos
IX - geradores de resíduos sólidos: pessoas físicas ou jurídicas, de direito público ou privado, que geram resíduos sólidos por meio de suas atividades, nelas incluído o consumo;
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Alternativas
• Reciclagem ( aplicação, custo)• Incorporação de materiais
biodegradáveis– Amido, polietileno aditivado com amido
• Plásticos fotodegradáveisCO2
atmosférico
Biodegradação
Plásticos biodegradáveis
Produtos agrícolas
Fotossíntese
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Plásticos biodegradáveis
• Apresentam propriedade termoplásticas
• Características de desempenho semelhantes aos plásticos convencionais
• Facilmente degradado pela ação dos microrganismo no ambiente – biodegradabilidade
• Exemplos: polilactato, poliglicolato, poli-e-caprolactona (PCL), álcool polivinílico (PVOH), polihidroxialcanoatos (PHAs)
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Polihidroxialcanoatos (PHAs)
• Grupo diversificado de poliésteres acumulados por inúmeras bactérias– Exemplos: poli-3-hidroxibutirado (PHB),
poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (P3HB-co-3HV)
• São termoplásticos biodegradáveis
• Sintetizados por fermentação submersa a partir de matérias-primas renováveis– Matérias-primas derivadas da agricultura
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Polihidroxialcanoatos (PHAs)
• Polímeros acumulados na forma de grânulos intracelulares– Grânulos: reserva de carbono e energia
• Até 80% da massa seca celular
• Síntese de PHA: ocorre quando há excesso de carbono e energia e limitação de algum nutriente (N, P, Mg, Fe)
• Formados por 90 monômeros diferentes
• Bactéria deve apresentar PHA sintase
• Podem ser eficientemente produzidos em OGM (ex:E. coli)
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PHAs sintetizados por bactérias
Bactérias Substratos Monômeros
Alcaligenes eutrophus Frutose 3HB
Alcaligenes eutrophus Ácido propiônico 3HB, 3HV
Alcaligenes eutrophus 1,5 – pentanodiol 3HB, 3HP
Alcaligenes eutrophus 1,4-butanodiol 3HB, 4HB
Alcaligenes eutrophus 5-clorovalerato 3HB, 3HV, 5HV
Pseudomonas oleovorans
Ácido octanóico 3HHx, 3HO, 3HD
Pseudomonas oleovorans
Ácido nonanóico 3HHx, 3HHp, 3HO
Pseudomonas oleovorans
Octeno 3HHx, 3HO
Pseudomonas oleovorans
Ácido 7-metil-octanóico
7Me3HO, 5Me3HHx
Pseudomonas putida Ácido 4-hidroxihexanóico
3HB, 3HHx e 4HHx
Rhodospirillum rubrum
Ácido 4-pentenóico 3HB, 3HV
Rhodococcus sp. Frutose 3HB, 3HV
Haloferax mediterranei
Amido 3HB, 3HV
Burkholderia sp. Ácido glicônico 3HB, 3HP
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Microrganismos - PHAs• Alcaligenes sp.
• Bactéria gram-negativa, aeróbicas
• Pseudomonas sp.• Bactéria gram-negativa, aeróbia, baciliforme
• Rhodospirillum sp.• Bactéria gram-negativa, anaeróbia facultativa
• Rhodococcus sp.• Bactérias aeróbicas, não-esporulantes, não móveis,
Gram-positivas
• Haloferax sp.• Halófilos de ambientes extremamente salinos
• Burkholderia sp.• Bacilos retos, gram-negativos, oxidase e catalase
positivos
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Aplicações - PHAs• Filmes para embalagem
• Plásticos convencionais
• Fios de sutura cirúrgica
• Implantes ósseos
• Fármacos de liberação lenta
• Produtos de liberação de reguladores de crescimento de plantas
• Produtos de liberação de pesticidas
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Polihidroxibutirado (PHB)
• O principal representante dos PHAs
• Possui propriedades físicas e químicas semelhantes ao polímero sintético (PP)
• Formado em monômeros de hidroxibutirato - biodegradável
• São sintetizados no interior de bactérias e armazenados no citoplasma em grânulos
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PHB
• Desafios para produção redução dos custos– Obtenção de linhagens altamente eficientes
na conversão dos substratos em produtos
– Utilização de substratos de baixo custo
– Desenvolvimento de processos que permitam explorar ao máximo o potencial da linhagem
– Desenvolvimento de processos de extração-purificação
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Biodegradação - PHAs
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Polissacarídeos
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Polissacarídeos
• Macromoléculas (carboidratos) de alta massa molar
• Ex: amido, alginatos, goma arábica, goma guar e goma algaroba
• Normalmente obtidos de produtos vegetais e de algas marinhas
• Aplicação na indústria de alimentos, farmacêutica e química
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Polissacarídeos - Exemplos
• Xantana• Escleroglucana• Zanflo• Gelana• Goma PS-7• Curdlana• Alginato bacteriano• Dextrana• Glucanas de leveduras de panificação
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Polissacarídeos microbianos - Vantagens
• Propriedades similares aos tradicionais
• Produção independente das condições climáticas, contaminação marinha, falha nas colheitas
• Utilização matérias-primas regionais
• Menos suscetíveis a variabilidade na qualidade
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Polissacarídeos microbianos
• LPS – lipopolissacarídeos constituintes PC
• CPS – polissacarídeos capsulares covalentemente PC
Marcadores biológicos
• EPS – exopolissacarídeos secretado extracelularAlimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil,
tintureira
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Características - EPS
• São polissacarídeos de cadeia longa
• Provenientes de bactérias, microalgas,
leveduras e fungos
• Superfície celular microbiana
• Aderência em superfícies sólidas
• Formação de biofilmes
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Aplicações - EPS
• Espessantes
• Estabilizantes
• Emulsificantes
• Coagulantes
• Formadores de filmes
• Gelificantes
• Agentes de suspensão
• Dispersantes
• Lubrificantes
Beneficios à saude – bactérias láticas
• Atividade imuno-estimulatória
• Atividade anti-tumoral
• Reduzir níveis de colesterol
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Aplicações - EPSFunção Uso (%)
Estabilizador, agente de suspensão e dispersante
25
Espessante 23
Agente formador de filmes 17
Agente de retenção de água 12
Coagulante 7
Colóide 6
Lubrificantes 5
Outros 5
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Aplicação de goma na indústria de alimentos
Propriedade Função
Aumento de viscosidade
Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões
Formação de géis Formar géis, suspender sólidos
Ligação de água Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação
Inibição de cristalização
Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez
Tensoativo Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas
Formação de filmes Fixar aromas, encapsulação
Reatividade com proteínas
Suspender sólidos, melhorar textura, estabilizar espumas, evitar separação de
soros
Mistura de propriedades
Evitar mascaramento de aromas, melhorar clarificação, promover floculação
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EPS - Microrganismos
• Xantana – Xanthomonas campestris
• Dextrana – Leuconostoc mesenteroides
• Curdlana – Alcaligenes faecalis
• Gelana – Sphingomonas paucimobilis
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EPS – Síntese e cultivo
• Extração, purificação – processos simples
• Produtividade elevada
• Custos de produção – dependente substratos• Glicose, sacarose fontes C preferenciais
• Fontes alternativas: melaço, resíduo soja
• Produção em todas fases de desenvolvimento
• pH influência na atividade de enzimas (glicosil-hidrolases)
• Temperatura ótima – 25 a 45°C
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EPS - Rendimento
• Obtenção de mutantes (recombinação gênica)
• Uso de tecnologia de DNA recombinante (inserção de genes específicos)
• Desenvolvimento e seleção de meios de cultivo
• Maximizar produção, minimizar custos
• Desenvolvimento de condições e sistema de cultivo mais adequadas
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Goma Dextrana
• Polissacarídeo extracelular• D-glucopiranosil
• Síntese ocorre extracelularmente– Subtrato é transformado sem penetrar na célula
• Enzima dextrana-sacarase, presença de sacarose– Enzima atua no meio de cultura
• Bactéria envolvida: Leuconostoc mesenteroides
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Síntese - Dextrana
Crescimento do microrganismo
Síntese e excreção de dextrana-sacarase
Síntese de dextrana pela ação da enzima
Precipitação dextrana por metanol/etanol
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Aplicações - Dextrana
Área Uso
Alimentícia Estabilizante e agente de viscosidade
Biomedicina Agentes de contraste para imagiologia
Fotografia Emulsões de prata para revelação
Farmacêutica Componentes de géis em colírios, anticoagulantes
Veterinária Estabilizantes
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Goma Gelana
• Polissacarídeo de cadeia linear, formado por glicose, ramnose e ácido glicurônio
• Gel termorreversível quando sofre alteração de temperatura
• Boa estabilidade – pH e calor
• Produção relacionada ao crescimento do microrganismo
• Sphingomonas paucimobilis, Pseudomonas elodea
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Aplicações - Gelana
Área Uso
Alimentícia Retenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados
Microbiologia Substituição do ágar, maior pureza e translucidez
Papel Resistência interna do papel e melhor impressibilidade
Farmacêutica Pílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal
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Goma Curdlana• Goma de cadeia linear, unidade ß-D-glicose
• Características variam de acordo com grau de acetilação
• Alcaligenes faecalis, Agrobacterium radiobacter
• Produz gel termorreversível quando submetidos a calor/frio– Gel low-set (50-60°C)
– Termorreversível; similar a agar-agar e gelatina
– Gel high-set (≥80°C)• Firme, resistente, não termorreversível, estabilidade em
ampla faixa de temp. congelamento
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Aplicações - Curdlana
Área Uso
Alimentícia Modificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer –maciez
e textura; sorvete - viscosidade
Farmacêutica Medicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente
anticoagulante e antitrombótico
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Goma Xantana
• Constituída por glicose, manose e ácido glicurônico
• 30% das ramificações possuem um grupo piruvato carregado
• Sua estrutura altamente ramificada e alto peso molecular confere alta viscosidade
• Completamente atóxica, usada como aditivo de alimentos
• Boa estabilidade em ampla faixa de pH e T
• Xanthomonas sp.
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Síntese - Xantana• Necessita elevada aeração e agitação
• Condições: pH neutro, temperatura 28°C
• Metabólico secundário, acumulação inicia após cessar o crescimento bacteriano
• Maior quantidade de carbono acúmulo de produto
• Tempo de fermentação 48-96 horas
• Produção industrial: Kelco, Pfizer, Mero-Rousselot-Satia,
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Aplicações - Xantana
Área Uso
Alimentícia Controlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de
sólidos e estabilização de emulsões
Higiene Suspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel
Agricultura Suspensão de compostos químicos
Petrolífera Aumento da recuperação de petróleo
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Polissacarídeos microbianos
• Possuem uma grande e crescente
importância no mercado
• Larga aplicabilidade na industria de
alimentos, industria petrolífera,
farmacêutica, têxtil, tintas
• Importância da pesquisa: descoberta de
novos biopolímeros e otimização de
processos de produção