Aplicações da Biotecnologia na Industria de Papel e

Celulose

Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão

Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°8

2009

Biotecnologia aplicada nas diversas áreas de produção de papel

a) Reflorestamento modificação genética das plantas

b) Produção fermentação de açúcares de hemicelulose, biopolpação, biobranquemento, controle de resinas, Tratamento de efluentes.

c) Reciclagem destinamento e reconstituição do papel

A aplicação de processos biotecnológicos na produção de papel e celulose envolve perfeita integração de áreas como química, bioquímica, microbiologia, genética e engenharia química que são a base da biotecnologia moderna.

Madeira – composição química e ultra-estrutura Grande disponibilidade, renovabilidade Constituição: celulose, polioses, lignina, pequenas quantidades de extrativos e sais minerais

CeluloseComponente + abundante (50%), polímero linear (parte amorfo, parte cristalino), formado exclusivamente por moléculas de anidro-glicose unidas através de ligações ß-(1-4)-glisosídicas. Composta por unidades monoméricas de celobiose, apresentando o oxigenio que ligam os anéis glicosídicos na posição equatorial.

A utilização da celulose como substrato de

bioconversão depende da acessibilidade às enzimas

celulolíticas o que está relacionado à estrutura da

celulose.

Assim pode-se distinguir uma porção mais exposta

ao ataque enzimático e portanto mais facilmente

hidrolisável chamada de região amorfa e outra

resistente à hidrólise conhecida como região cristalina.

HemicelulosesConstitui 20-35% do peso da madeira e de resíduos agrícolas e serve como fonte abundante e barata de carboidratos fementáveis.

A hemicelulose, solúvel em meio básico, está localizada na parede das células vegetais e é constituída principalmente de D-galactose, D- manose, D-xilose, L-arabinose, outros açúcares e seus acidos urônicos. homopolímeros (ex. xilana, formado por xilose) e heteropolímeros (ex. glicomanana, formado por glicose e manana).

Consideráveis diferenças apresentam-se nas hemiceluloses de tecidos lenhos de diferentes espécies, assim madeiras duras são ricas em pentosanas (xilose), e madeiras moles são ricas em hexanas (manose).

Lignina

Composta basicamente de unidades de fenilpropano formando uma macromolécula tridimensional e amorfa, representando 20-30 % do total da madeira.

O acomplamento da unidades de fenilpropano não ocorre de forma regular e respectiva, o que é atribuído ao mecanismos de biossíntese da lignina, que se processa por via radicalar a partir das reação de três diferentes álcoois cinamílicos precursores.

Os diferentes tipos de acoplamento entre os precursores dão origem a vários tipo de ligações entre as unidades de fenilpropano. Mais abundantes são: ß-O-4 e α-O-4 (50-65%) , ß-5 (6-15%), ß-1 (9-15%), 5-5 (2-9%) e ß-ß (2-5%).

Existe ainda uma fração menor da madeira, formada basicamente de composto fenólicos e resinas que comumente são chamados de extrativos (solúveis em solventes orgânicos e água) compreendem cerca de 2-4%.

Biodegradação da madeira e seus componentes

• Os M.O. + efetivos na biodegradação da madeira na natureza são os fungos de decomposição branca (degradam todos os constituintes da madeira) e os fungos de decomposição parda (degradam principalmente polissacarídeos) basidiomicetos.

• Ascomicetos e fungos imperfeitos fungos de decomposição branda (podem degradar a lignina e carboidratos, porém em velocidades muito baixas).

Mecanismo da biodegradação Biodegradação da celulose

3 grupos de enzimas que atuam sinergicamente endo-1,4-ß glucanases, as exo-1,4-ß-glucanases e as 1,4-ß-glucosidases:

As endo-glucanases rompem a molécula de celulose ao acaso e liberam fragmentos menores, que servem como substrato para as exo-glucanases.

As exo-glucanases hidrolisam, pelas pontas os fragmentos de menor massa molar.

E as ß-glucosidases hidrolisam a celobiose até glicose.

Os diversos produtos finais exercem efeitos inibitórios sobre cada uma das enzimas relacionadas a hidrólise de celulose: Por ex. a celobiose é inibidora da ação de celobioidrolase e também de algumas endo-celulases, dependendo da fonte enquanto que a glicose é um poderoso inibidor da ação de celobiases e de algumas celulases.

A primeira etapa no processo de utilização da celulose é a conversão em glicose.

A glicose pode ser posteriormente fermentada a etanol industria química, como intermediário de outros produtos químicos ou como combustível.

A degradação de celulose por M.O. pode ocorrer através de produção de enzimas extracelulares que se difundem ao meio para quebrar a cadeia de celulose ou por contato direto entre as enzimas do M.O presentes na superfície ou na fibra de celulose.

Porém a maioria das enzimas celulolíticas são extracelulares.

Biodegradação da HemiceluloseOcorre de forma semelhante à da celulose finalidade obtenção de

mistura de açúcares simples, componente principal a D-xilose.Xilose

Furfural

Condições acidasCondições reduzidas

Xilitol etanol

fermentação

Hidrólise da celulose sistema enzimático que hidrolise ligações ß-1,4 –glicosídicas

x

Hidrólise hemicelulose requer conj. de enzimas bem mais complexo!

Enzimas envolvidas hidrolases específicas, que clivam determinados tipos de ligações existentes no polímero:

Xilanases rompem ligações glicosídicas entre as unidades monoméricas de xilose

Mananases atuam sobre as ligações glicosídicas entre moléculas de manose

Glucuronidases ligações entre os ácido urônico com moléculas de açúcar.

A caracterização de enzimas hemicelulolíticas é importante devido ao seu envolvimento nas bioconversões industriais e suas potencialidades de aplicação comercial em grande escala, como: na biopolpação da madeira, branqueamento de polpas, aumento na digestibilidade de rações animais...

As hemicelulases são divididas em grupos:

Endo-hemicelulases hidrolisam o polímero ao acaso e geram fragmentos de menor massa molar

Exo-hemiclulases hidrolisam os fragmentos gerados pelas endo-hemicelulases.

Xilosidases hidrolisam dímeros a açúcares monoméricos.

Biodegradação da Lignina + Eficiente: fungo de degradação branca Phanerochaete

chrysosporium

Aplicações das enzimas ligninolíticas: biopolpação, biobranqueamento de polpas, liberação de carboidratos a partir de resíduos ligninocelulósicos, bioconversão de materiais ligninocelulósicos em rações, tratamento de resíduos agroindustriais, tratamento de efluentes e solos contaminados com compostos recalcitrantes.

Enzimas englobadas em duas classes :

A-) Fenoloxidases Metaloproteínas Enzimas dependentes de peróxido (peroxidases: LiP e MnP) e Lacases (enzimas cuproproteínas que não dependem de peróxido para atuarem).

B-) Enzimas produtoras de peróxido de hidrogênio Geram H2O2

Enzimas produtoras de H2O2:

Glicose oxidase Glicose originária da biodegradação da celulose e das polioses que contêm glicose.

Metanoloxidase metanol produzido durante a biodegradação da própria lignina, através da remoção das metoxilas ligadas ao anel aromátcio da própria lignina.

+

Enzimas extracelulares (glioxal oxidase e aril-alcool oxidase)

+

Recentemente ...MnP gera H2O2 a partir da oxidação de ácidos orgânicos como malônico e o oxálico.

Outras enzimas e mediadores de massa molar !

Até o momento ….estudos desenvolvidos concluíram

que o sucesso da biodegradação da lignina:

1-) Ruptura oxidativa das cadeia laterais envolvendo os C

α e ß formação de ácidos carboxílicos.

2-) Ruptura das ligações ß-aril-éter modificações das

cadeias lateriais.

3-) degradação dos núcleos aromáticos abertura do anel

aromático.

Processamento de madeira na industria de papel e celulose

Troncos de madeira Cortador

Cavacos de madeira

Digestor Polpação quimica

Tanque de expansão

Lavagem

Classificação

Polpa não branqueada

Tanque de branqueamento

Branqueamento

CDEDPolpa branqueada

CELULOSE

(2,5 X 2 X 0,2 cm)

Processo kraft (N2S e NaOH em água a 170°C )

Resíduo de lignina (4%)

C= Cl, D= dióxido de Cl, E = extrações alcalinas)Alvura > 85%

O que é papel ?????

Processo sulfito sulfito ácido de cálcio, formado pela mistura de bisulfito de cálcio com um excesso de ácido sulforoso tendência moderna substituição do cálcio por sódio, amônia ou magnésio teor de hemicelulose, sendo especialmente adequada para papéis impermeáveis, tipo pergaminho, granado, fosco, etc.

Processos termomecânicos e quimiotemomecânicos madeira desfibriladas por processos mecânicos quantidade de lignina + consumo de energia + resistencia mecânica impressão de jornais ou catálogos, papéis e cartões para embalagens.

Aplicações da Biotecnologia na Aplicação do papel

Tratamento de efluentes em lagoas aeróbias

Fermentação de açúcares de hemicelulose para

a produção de proteína microbiana e etanol em

instalações que operam com o processo sulfito

Modificação genética das plantas Promoção de bosques homogêneos e madeira mais adequada ao

processo de polpação. Alteração da qualidade e quantidade de lignina

Genética ligada à produção de árvores de melhor qualidade para a polpação química manipulação gênica para produção de genomas ainda não existentes na natureza alteração da qualidade e quantidade de lignina presente (genética clássica)

Genética moderna Processo kraft Relação siringil/guaiacil (relação lignina: 2 metoxilas por anel aromático / lignina:1 metoxila por anel aromático). Madeiras duras teor de estruturas siringílicas x < grau de condensação entre os anéis aromáticos. Madeiras moles predominância de lignina com estruturas guaiacílicas e > grau de condensação de entre os anéis aromáticos.

1-) Alteração da via biossintética da lignina em gminospermas (madeiras moles) produção de lignina com estruturas siringílicas, e < grau de condensação fibras celulósicas longas e lignina mais adequada para a polpação química.

2-) produção de árvores com teor de lignina inibição de etapas iniciais de biossíntese ex. inibição dos genes codificadores da tirosina amonia –liase e fenilalanina amonia –liase

Etapas básicas da biossíntese de lignina, a partir de fenilalanina e tirosina, e as enzimas envolvidas em cada etapa.

E1 = fenilalanina amonia-liase; E2= tirosina amonia –liase; E3= fenolases; E4= fenolases; E5 = metiltransferases; E6= fenolases e E7 = metiltrasnferases.

BiopolpaçãoFungos podem degradar seletivamente a lignina!!! Preservam a

celulose biopolpação.

Microscopia eletrônica de varredura de um ponto microlocalizado em uma amostra de madeira de Pinus radiata, biodegrada por Basidiomiceto Ganoderma australe por 140 dias.

Aumento de 155 x

Reformulação no conceito de biopolpação necessário para obternção de êxito em escala ampliada e com tempos de biodegradação compatíveis com processos industriais biopolpação etapa prévia da etapa da polpação química ou mecânica.

Biodegradação de 15-30 dias amolecimento característico facilidade no desfibrilamento mecânico +> penetração dos compostos quimicos (licor de polpação) Economia de energia na polpação mecânica de 30-50% + polpas com melhores caractéristicas de resistência.

LIMITAÇÃO : DEPENDENTE DA ESPÉCIE DE FUNGOS

• Tabela. Economia de energia e modificação das propriedades físico-mecânicas das polpas produzidas durante o processo de polpação mecânica.

Controle Biotratada

Redução consumo de energia (%)

0 37

Resistência à tração (N.m /g)

22,2 23,0

Resitência ao rasgo (N.m.m2/g)

2,2 3,4

Resistência ao estouro (kN/g)

0,7 0,9

Alvura (%) 45,5 36,1

Cerisporiopsis subvermispora FP-90031 sp, tempo 4 semanas, 1,8 kg de madeira.

Biobranqueamento, controle de resinas e reciclagem de papel

Branqueamento de papel papéis destinados à impressão de livros, documentos , uso domésticos = alvura 85%

Agentes de branqueamento : Cl2 e ClO2 efluentes contendo cloroligninas !

Uso de enzimas ou fungos hemicelulases com auxiliares do branqueamento uso do cloro

Xilanases não requer modificações no processo tradicional , adicionada nos próprios tanques de reação resistência mecânica.