celulose bacteriana - propriedades e aplicações na prática clínica[1]
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CELULOSE BACTERIANA PROPRIEDADES E APLICAES Cabral, L.M. (Diretor Clnico Bionext)
Pecoraro, E.; Ribeiro, S.J.L.; Messaddeq, Y. (Instituto de Qumica UNESP)
INTRODUO Organismos fotossintticos como plantas, algas e algumas bactrias produzem
mais de 100 milhes de toneladas de matria orgnica por ano, a partir da fixao do
dixido de carbono. Metade dessa biomassa composto por um biopolmero,
conhecido h muito como celulose e que por essa razo talvez seja a molcula mais
abundante desse planeta. Celulose o principal componente da madeira, algodo e de
outras fibras txteis como linho e juta. Por essa razo esse biopolmero tem
desempenhado um papel importante na vida do homem e pode ser considerado um
marco para a compreenso da evoluo humana. Mtodos de fabricao de substratos
de celulose, para fins de escrita e impresso, so datados das primeiras dinastias
chinesas, h mais de 5.000 anos a.C.. A celulose e seus derivados esto entre os
principais produtos das indstrias, tais como papel, nitrocelulose, acetato de celulose
(transparncias para retroprojetor), metilcelulose, carboximetilcelulose, etc., e
representam um considervel investimento de capital.
Nas plantas ela encontrada como microfibras de 2 a 20nm de dimetro e com
100 a 40.000nm de comprimento. A cadeia polimrica composta por molculas de
glicose e condensadas via ligao 1-4, e por essa razo ela denominada de um
polissacardeo. Um esquema de sua estrutura mostrado na Figura 1:
Figura 1 estrutura polimrica da celulose.
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A principal fonte de celulose na natureza so as plantas superiores. Porm esse
polissacardeo pode ser obtido por mais quatro vias conhecidas: microorganismos
(bactrias do gnero Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium e Sarcina); algas (como
Valonia e Microdicyon); animal (como os tunicatos) e in vitro via reaes enzimticas ou
qumicas.
Dentre os microorganismos, seu produtor mais eficiente o Acetobacter xylinum.
Nesse caso ela denominada celulose bacteriana e por suas propriedades
diferenciadas que tem chamado ateno de pesquisadores. A celulose bacteriana,
quanto composio, idntica celulose vegetal, porm apresenta maior proporo
de estruturas micro-cristalinas (com at quatro fases diferentes), o que confere
caractersticas distintas daquelas quanto resistncia mecnica, permeabilidade a
lquidos e gases, conduo de corrente eltrica, interao com outras molculas, etc..
Essas caractersticas tambm se devem arquitetura de suas fibras nanomtricas,
como mostrado na Figura 2:
Figura 2 Fotomicrografia da membrana seca (Instituto de Qumica UNESP)
Diversas aplicaes tm sido propostas para a celulose de origem bacteriana
devido suas caractersticas. A Tabela 1 exemplifica algumas dessas aplicaes de
acordo com diferentes reas.
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Tabela I - aplicaes de celulose bacteriana.
rea Aplicao
Cosmticos estabilizador de emulses como cremes, tnicos, condicionadores, polidores de unhas e componentes de unhas artificiais
Indstria Txtil tecidos, peles artificiais, materiais altamente adsorptivos Turismo e Esportes
roupas para esportes, tendas e equipamento de camping
Minerao e Refinarias
esponjas para coleta de vazamentos de leos, materiais para absoro de toxinas
Tratamento de Lixo
Reciclagem de minerais e leos
Purificao de Esgotos
Purificao de esgotos urbanos, ultrafiltrao de gua
Comunicaes Diafragmas sensveis para microfones e fones estreos Reflorestamento Substituto artificial de madeira, compensados e containers de alto
desempenho Indstria de
Papel Papis especiais, restaurao de documentos, cdulas de dinheiro
mais durveis, fraldas, guardanapos Indstria de Veculos e
Avies
Partes de automveis e de aeronaves, gachetas, juntas
Indstria de Alimentos
Celulose comestvel (Nata de Cco)
Medicina Pele artificial temporria para queimaduras e lceras, componentes de implantes dentrios.
Laboratrios Imobilizao de protenas e de clulas, tcnicas cromatogrficas, meio para cultura de tecidos.
OBJETIVO
O presente trabalho tem por objetivo a caracterizao, o desenvolvimento e a
otimizao de novas aplicaes para a celulose bacteriana, principalmente para a rea
mdica e de reforo estrutural em engenharias.
PARTE EXPERIMENTAL A produo de celulose por Acetobacter xylinum (bactria estritamente aerbica)
se d em meio de cultura lquido e esttico, tendo como composto principal o
monossacardeo D-glicose e fontes proticas, como o extrato de levedo.
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Uma pelcula de celulose pura e mida formada na superfcie do meio de
cultura aps 24h do incio do processo. A Figura 2 ilustra o desenvolvimento dessa
pelcula no perodo de 8 dias (192 horas)1.
Figura 2 produo de celulose por Acetobacter xylinum em diferentes etapas. Do frasco da esquerda para a direita, o tempo decorrido foi de 8 dias 1.
Aps atingir as dimenses necessrias, essa manta mida retirada do
recipiente de cultura e passa por processos de lavagem, prensagem e secagem. No
final, obtm-se uma pelcula seca, com textura semelhante a um papel vegetal e com
espessuras entre 50 e 500m. A Figura 3 apresenta o aspecto final da manta mida e
da membrana seca.
Figura 3 pelcula de celulose produzida pelo Acetobacter xylinum : A manta mida; B- aps lavagem
e secagem.
O processo de lavagem elimina as bactrias presentes no interior das mantas,
assim como os resduos provenientes do meio de cultura.
Diferente da celulose vegetal, a celulose bacteriana no apresenta lignina,
pectina, hemi-celulose e outros compostos biognicos associados primeira. A bactria
A B
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produz tal pelcula para servir como uma toca para se proteger da radiao
ultravioleta, mant-la em contato com o oxignio (necessrio para sua biosntese), alm
de manter seu meio ambiente mido e protegido dos predadores naturais 1. A produo
da celulose bacteriana realizada nas dependncias da Bionext 2, que possui uma
cepa com capacidade de produo em 48 horas.
A caracterizao da membrana seca foi realizada no Instituto de Qumica da
UNESP, empregando tcnicas de microscopia eletrnica de varredura (SEM- Jeol),
microscopia eletrnica de transmisso (TEM- Philips 120KeV), espectroscopia
eletrnica de absoro UV-Visvel (Cary 500), calorimetria exploratria diferencial
(DSC- TA Instruments) e isotermas de adsoro (B.E.T Sorsmetro Micromeritics).
RESULTADOS E DISCUSSES
Microscopia Eletrnica de Varredura
A Figura 4 mostra as fotomicrografias obtidas de amostras com diferentes
tratamentos trmicos.
Figura 4 superfcies de membranas processadas com diferentes tratamentos trmicos. (Instituto de
Qumica UNESP)
O tratamento trmico, assim como qumico no processo de ps-produo da
manta mida, leva a diferentes caractersticas da membrana seca. No caso, a
membrana da esquerda na Figura 4 apresenta rea superficial quatro vezes menor do
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que a membrana da direita. Isso importante em aplicaes de absoro de lquidos ou
gases, como hemostticos ou sensores.
Microscopia Eletrnica de Transmisso
A Figura 5 apresenta as fotomicrografias das nanoestruturas internas das fibras
mostradas na Figura 4.
Figura 5 microscopia de transmisso das microfibras constituintes da estrutura internas das fibras.
(Instituto de Qumica UNESP)
As fitas mostradas na figura acima so compostas por cadeias de celulose
produzidas pela bactria e do origem estrutura apresentada direita na Figura 4.
Essas fitas podem ser utilizadas como templates para produo nanomateriais.
Espectroscopia Eletrnica de Absoro UV-Visvel
A Figura 6 apresenta o detalhe do espectro de absoro na regio
correspondente aos comprimentos de onda dos UVA e UVB.
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200 250 300 350 400 4500
20
40
60
80
100
UV
-C
UV
-A
UV
-B
% T
rans
mis
so
(nor
mal
izad
a)
Comprimento de Onda (nm) Figura 6 espectro de absoro eletrnica na regio do ultravioleta. (Instituto de Qumica UNESP)
Os comprimentos de onda de 320 a 400nm correspondem ao chamado UVA,
enquanto que o UVB se estende de 280 a 320nm. O UVC (menor que 280nm)
absorvido pela atmosfera. O espectro da figura 6 mostra que a membrana seca de
celulose bacteriana bloqueia as faixas de UVA e UVB. Essa caracterstica permite a
utilizao desse material como filtro protetor para a pele lesionada ou materiais
sensveis degradao provocada por esses comprimentos de onda.
Calorimetria Exploratria Diferencial
A Figura 7 apresenta o termograma da membrana seca.
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
Incio da Queima - 330oC
Desidratao - 87oC
Flux
o de
Cal
or (m
W)
Temperatura (oC) Figura 7- Termograma mostrando as temperaturas de desidratao e incio de combusto da membrana
seca. (Instituto de Qumica UNESP)
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Uma caracterstica importante para a aplicao da celulose bacteriana como
elemento estrutural ou de vedao, so seus limites de temperatura, a partir dos quais
ocorrem mudanas em suas propriedades. Da Figura 7, observamos que a membrana
seca apresenta molculas de gua inclusas em sua estrutura na temperatura ambiente.
A eliminao dessas molculas acontece somente em 87oC. Assim, na sua utilizao
como curativo, ela capaz de manter um certo grau de umidade em contato com a
pele, caracterstica muito importante no tratamento de queimados. A segunda
temperatura obtida da Figura 7 aquela na qual inicia-se a reao de combusto dessa
membrana. Ela se d somente a 330oC, superior em quase 100oC do papel comum.
Essa caracterstica importante em aplicaes estruturais e de vedao em processos
industriais.
CONCLUSES
A celulose bacteriana uma promessa para o desenvolvimento de novos
materiais. Ela rene um conjunto de propriedades que permite sua aplicao nas mais
diferentes reas da cincia. Na literatura surgem a cada dia novas aplicaes, tais
como, produo de fibras (inclusive pticas)3; filmes de celulose; plsticos
biodegradveis; templates orientados para nanoestruturas4; materiais opto-eletrnicos
(telas cristal lquido)5; membranas clula combustvel (paldio)6. Essas realizaes s
so possveis pela obteno de uma cepa superprodutora pela companhia Bionext, o
que torna a explorao comercial desse tipo de material vivel.
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 1 Klemm, D.; Schumann, D.; Udhardt, U.; Marsch, S. Prog. Polym. Sci. 26, p.1561-1603, 2001. 2 www.bionext.com.br/lcto 3 Sakairi, N.; et.ali., Carbohidrate Polym., 35, p. 243, 1998. 4 Kondo, T.; Nojiri, M.; Hishikawa, Y.; Togawa, E.; Romanovicz , D.; Brown, Jr., R.M. - PNAS October 29,
vol. 99 no. 22, 2002 5 Greiner, A.; Hou, H.; Reuning, A.; Thomas, A.; Wendorff, J.H.; Zimmermann, S. , Cellulose 10: 3752,
2003. 6 ONeill, H.; Evans, B.R. ; Woodward, J., 2002 Merit Review and Peer Evaluation DOE Fuel Cells for
-
Transportation National Laboratory R& D Golden, Colorado. May 8- 10, 2002.