produção de biopolímeros

Produção de BiopolímerosProdução de Biopolímeros

Fundamentos de Engenharia BioquímicaFundamentos de Engenharia Bioquímica

Escola de QuímicaEscola de Química

Universidade Federal do Rio de JaneiroUniversidade Federal do Rio de Janeiro

Alberto André R. DrummondAlberto André R. Drummond

Profª.: Maria Antonieta P. CoutoProfª.: Maria Antonieta P. CoutoProfª.: Andréa Medeiros SalgadoProfª.: Andréa Medeiros SalgadoProfª.: Eliana AlhadefProfª.: Eliana AlhadefProf.: Ney Pereira JuniorProf.: Ney Pereira JuniorProfª.:Verônica FerreiraProfª.:Verônica Ferreira

DefiniçãoDefinição

BiopolímerosBiopolímeros são materiais fabricados a partir de Fontes Renováveis ( soja, milho, cana-de-açúcar , celulose, quitina, quitosana, soro de leite, etc.) que têm importância estratégica para o futuro, principalmente quando utilizam “energia renovável em todo seu ciclo de vida”,podem ser biodegradáveis e biocompatíveis,o que lhes conferem vasta gama de aplicações.

Os biopolímeros são definidos como materiais poliméricos classificados

estruturalmente como polissacarídeos, poliésteres ou poliamidas. A

matéria-prima principal para sua manufatura é uma fonte de carbono

renovável, geralmente um carboidrato derivado de plantios comerciais

de larga escala como cana-de-açúcar, milho, batata, trigo e beterraba;

ou um óleo vegetal extraído de soja, girassol, palma ou outra planta

oleaginosa.

Porque Produzir Biopolímeros?Porque Produzir Biopolímeros?

BiodegradáveisBiodegradáveis BiocompatíveisBiocompatíveis Podem ser produzidos a partir de Podem ser produzidos a partir de

alguns efluentes industriais, alguns efluentes industriais, principalmente das industrias principalmente das industrias alimentícias alimentícias

Questões Ambientais Questões Ambientais Ampla faixa de aplicações e Ampla faixa de aplicações e

propriedadespropriedades Os custos de sua produção vem Os custos de sua produção vem

diminuindo muito com o atual diminuindo muito com o atual interesse no setor ambiental e de interesse no setor ambiental e de novas tecnologias disponíveis. novas tecnologias disponíveis.

Aplicações específicas no setor de Aplicações específicas no setor de biomateriais e nanotecnologia vem biomateriais e nanotecnologia vem elevando muito seu valor elevando muito seu valor comercial .comercial .

A biodegradação não é apenas o resultado de uma A biodegradação não é apenas o resultado de uma simples ação de microorganismos e as diversas simples ação de microorganismos e as diversas condições nas quais eles atuam estão relacionadas condições nas quais eles atuam estão relacionadas com todas as características do meio. Temos a com todas as características do meio. Temos a fotodegradação , a degradação química natural e vários fotodegradação , a degradação química natural e vários outros fatores ambientais atuando em conjunto. Nem outros fatores ambientais atuando em conjunto. Nem sempre um plástico biodegradável representa uma escolha sempre um plástico biodegradável representa uma escolha ecologicamente correta. ecologicamente correta. Para que um produto seja Para que um produto seja biodegradável, ele precisa completar o processo de sua biodegradável, ele precisa completar o processo de sua decomposição no máximo em um período de 6 meses à 1 decomposição no máximo em um período de 6 meses à 1 ano.ano.

ciclo natural do carbono

A REVALORIZAÇÃO NO PÓS-CONSUMO DE BIOPOLÍMEROS DEVE SER FEITA POR MEIO DE RECICLAGEM MECÂNICA (p.ex. papel, cartão, etc.), RECICLAGEM ENERGÉTICA (p.ex. bagaço da cana) OU POR COMPOSTAGEM (p.ex. resíduos de alimentos)

EM ATERROS, OS PLASTICOS BIODEGRADÁVEIS, PRODUZEM GASES COM EFEITO ESTUFA (CO2, Metano...) COM DESPERDÍCIO DO VALOR ENERGÉTICO.

Se o plástico for de fonte renovável o CO2 é renovável mas o Metano não é (com efeito estufa 23 vezes maior).

O uso de plásticos biodegradáveis não exclui a necessidade de reciclagem e uso racional consciente .O descarte direto na natureza destes materiais podem também levar a problemas ambientais.

A combustão de biopolímeros leva a CO2 renovável ,mas sua decomposição natural pode levar a metano ,cuja reabsorção natural é mais lenta ,podendo causar problemas ambientais caso em quantidades excessivas.

Alem disto estes materiais contem plastificantes e aditivos que podem possuir algum efeito tóxico .

Os biopolímeros apresentam Os biopolímeros apresentam propriedades que os tornam propriedades que os tornam úteis em aplicações mais nobresúteis em aplicações mais nobres

•Cana de Açúcar•Extrato de Soja

•Efluentes da Indústria de alimentos•Resíduos Agro industriais

•Soro de Leite•Amido e Resíduos Vegetais ( fibras, etc. )

•Outros

Preparação e Tratamento da Matéria Prima

Fermentação

Processamento / Formulação

Separação / Purificação

Fabricação de Bens de Consumo

Distribuição e Comércio

Formulação

UsoDescarte

Coleta Seletiva

Reciclagem

Aterro Sanitário

Geração de Energia

Incineração CO2 + H2O

Fotossíntese

O CO2 derivado de fontes renováveis é renovável

Síntese Fabricação

Polímero

Petróleo Refinaria

Preparação de Derivados (monomeros) & Controle de

Qualidade

ATMOSFERA

Parte do CO2 de fonte não renovável se acumula na atmosfera

Poliamida

PLÁSTICOS A PARTIR DO AMIDO

Os Compósitos com amido e fibras vegetais tem apresentado excelentes propriedades e abrindo novos campos de aplicações , tais como nas industrias automobilísticas , de utensílios domésticos ,etc.

O amido se destaca pela sua disponibilidade ,biodegradabilidade ,baixo custo, e excelente desempenho.

Estrusora Industrial utilizada na produção de artefatos a base de biopolímeros.

Potes produzidos com PHB ,onde se observa um ao natural (cor âmbar ) e o outro pigmentado

Micrografia do Termoplástico obtido por Processamento em extrusora dupla - rosca

Microfotografia do Termoplástico obtido por processamento em extrusora mono-rosca.

Uso de Extrusora Dupla Rosca : Elevada tensão cisalhante e elevada relação L/ D garantem a Uso de Extrusora Dupla Rosca : Elevada tensão cisalhante e elevada relação L/ D garantem a polimerização e melhor homogeneidade do produto final polimerização e melhor homogeneidade do produto final

Estrutura do Amido

AplicaçõesAplicações

• Filmes para recobrimento e embalagem de alimentosFilmes para recobrimento e embalagem de alimentos

• Filmes comestíveisFilmes comestíveis

• Material de enchimento para embalagensMaterial de enchimento para embalagens

• Filmes para sacos de lixoFilmes para sacos de lixo

• Utensílios de uso doméstico ( potes ,copos, pratos,etc)Utensílios de uso doméstico ( potes ,copos, pratos,etc)

• Aplicações na industria automobilísticaAplicações na industria automobilística

• Aplicações na industria de cosméticosAplicações na industria de cosméticos

• Aplicações na industria de alimentosAplicações na industria de alimentos

• Placas rígidas Placas rígidas

Embalagem para Cenouras – Empresas GmbH e IBAW -

( Alemanha )

Biopolímero Protéico da Teia de AranhasBiopolímero Protéico da Teia de Aranhas

• Alta resistência

• Alta Flexibilidade

• Extremamente Leve

• Biodegradável

• Biocompativel

yxzyx GGYGPGASAAAAAAGGYGPGGGPGQQASAAAAAA

Estrutura do biopolímero protéico da teia

SolventesSolventes

• Ácido Fórmico

• Cloreto de Guanidina

• Hexafluoroisopropanol

CoagulantesCoagulantes

• Ar AtmosféricoAr Atmosférico

• MetanolMetanol

• Solução água-MetanolSolução água-Metanol

Bloco rico em Alanina Fase Cristalina Resistência

Bloco Rico em Glicina Fase Amorfa Elasticidade

Estratégias para obtenção da Seda RecombinanteEstratégias para obtenção da Seda Recombinante

Expressão de gene em E. coli e PichiaExpressão de gene em E. coli e Pichia

Expressão de gene em células BHKExpressão de gene em células BHK

Expressão de gene em células vegetaisExpressão de gene em células vegetais

Expressão de gene em células mamárias Expressão de gene em células mamárias Espécies de AranhasEspécies de Aranhas

• Araneus diadematusAraneus diadematus

• Nephila clavipesNephila clavipes

• Bombyx moriBombyx mori

A estrutura molecular dos segmentos ricos em Polialanina P(A) nos blocos da fase cristalina (Rígida) provavelmente apresentam fenômenos de cooperatividade entre as interações por ligações de hidrogênio , muito semelhante a este modelo teórico que mostra a estrutura da Poli –acrilamida P(Am).

Diferentes tipos de teia com diferentes funções apresentam propriedades distintas . Presença de Variação na estrutura poliméricaSegFlexSegRig SS

• Interações de hidrogênio entre cadeias poliméricas

• Favorecimento de separação de fases devido a forte cooperatividade e ligação de hidrogênio . entre as cadeias poliméricas formadas a partir da reação entre as duas proteínas oligoméricas.

• Hidrofobicidade

• Ligações de hidrogênio inter polímero e cooperatividade Abaixamento do S nos segmentos ..rígidos e elevação de S nos segmentos flexíveis.

Fibras de teia de aranha – um biopolímero supramolecularFibras de teia de aranha – um biopolímero supramolecular

Algumas aplicações :Algumas aplicações :

• Pára-choques para automóveis

Tendões e ligamentos artificiais, fios para microsuturas , bandagens, pele e tecidos artificiais

Substituto para o Kevlar

Substituto para fibras de aramida

Fibras óticas para circuitos em nanoescala

Fibras óticas para melhorar a resolução em microscopia

Aplicações em equipamentos para ensaios em nanoescala (química supramolecular)

Industria têxtil

Membranas com elevado coeficiente de difusão para O2 e excelentes propriedades ópticas.

SH

HS

TgTgTg

TgTgTgWs

Ws = Fração mássica de segmentos flexíveis na fase flexível.

Tg = Temperatura de transição vítrea do material

TgS= Temperatura de transição vítrea para os segmentos flexíveis

TgH = Temperatura de transição vítrea dos segmentos rígidos .

WH = ( 1 – Ws ) = Fração mássica dos segmentos rígidos .

Células Epiteliais de produção de seda de aranha

BiopolímerosBiopolímeros

polímeros biocompatíveis

Novos Biomateriais

Os biopolímeros geralmente não causam problemas de rejeição sendo incorporados naturalmente aos tecidos corporais

Alguns Exemplos:

- Composto Ósseo de Ricinus (COR )- PLA ( implantes , fios para sutura, etc )- Poli (3-hidroxibutirato) ou PHB ( Enxerto ósseo )- Biopolímero de proteínas recombinante de aranha ( microsuturas , tendões artificiais )

Aplicações Nobres _ Aplicações Nobres _ • BiomateriaisBiomateriais

• NanotecnologiaNanotecnologia

• Alimentos ( gomas ,celulose , inulina , polissacarídeos, etc.)Alimentos ( gomas ,celulose , inulina , polissacarídeos, etc.)

• Produtos farmacêuticos e cosméticosProdutos farmacêuticos e cosméticos

• Industria bélica ( Biosteel e outros )Industria bélica ( Biosteel e outros )

• Industria TêxtilIndustria Têxtil

• Tratamento de efluentes contendo metais pesadosTratamento de efluentes contendo metais pesados

Figura 2

Biopolímeros Obtidos a partir de MicrorganismosBiopolímeros Obtidos a partir de Microrganismos

A partir de açúcar e bagaço de cana :A partir de açúcar e bagaço de cana : 1 kg de plástico biodegradável ( PHB ) é produzido a partir de 3kg de açúcar e 17,1 kg de bagaço.

O Polihidroxibutirato (PHB) é um composto de uma classe dos polímeros termoplástico chamados “polihidroxialcanoatos” que servem a muitas bactérias como uma maneira de armazenar dentro da célula, materiais que podem servir de reserva para obtenção de carbono e como fonte de energia para o caso de ausência de um dos dois.

Plantas modificadas geneticamente para produção de PHB como a batata (Solanum tuberosum) e tabaco (Nicotiana tabacum), podem fornecer outros meios de produzir este Polímero, porem o rendimento é muito menor.

Produção Industrial de PLAProdução Industrial de PLA Produção em Escala Industrial 1994

Principais Empresas :

DuPont DuPont

Coors Brewing Coors Brewing

Dow ChemicalDow Chemical

Cargill –1994 ( 6000 ton/ano)Cargill –1994 ( 6000 ton/ano)

Cargill –Dow LLC ( Joint Venture ) - 2000Cargill –Dow LLC ( Joint Venture ) - 2000

100000 ton/ano ( produção de 2003 )100000 ton/ano ( produção de 2003 )

PLA é um poliéster produzidos por síntese química a partir de ácido láctico obtido por fermentação bacteriana de glicose extraído do milho, com uso potencial na confecção de embalagens, itens de descarte rápido e fibras para vestimentas e forrações.

Quando produzido pela via petroquímica esse ácido se constitui numa mistura opticamente inativa (50/50) das formas D e L. Diferentemente, o ácido obtido por via biotecnológica é opticamente ativo e dependendo da linhagem microbiana utilizada, pode se obter, especificamente, uma forma ou a outra do ácido lático, resultando em propriedades diferenciadas importantes quando polimerizado.

Principais empresas produtoras

DuPont

Coors Brewing

Cargill

Dow Chemical

Poli-hidroxialcanoatosPoli-hidroxialcanoatos

HISTÓRICOHISTÓRICO

1920 – 1ª determinação da composição de PHA’s por Maurice Lemoigne

1974 - Descobertos outros poli-hidroxialcanoatos (PHA) 1976 – Início das pesquisas de produção de P(3HB) por

fermentação bacteriana, na Inglaterra 1990 - primeiro produto obtido a partir de PHA, uma

embalagem de “shampoo” de uma indústria de cosméticos 1991- pesquisas no Brasil 2000 - teve início a produção de P(3HB) pela então

indústria brasileira PHB industrial SA

Produção de Poli-Produção de Poli-hidroxialcanoatoshidroxialcanoatos

Poli-hidroxialcanoatosPoli-hidroxialcanoatos

Produto de reserva energética Produto de reserva energética

Necessidade de métodos eficientes e Necessidade de métodos eficientes e de baixo custo para rompimento de baixo custo para rompimento celularcelular

Programação da estrutura através da Programação da estrutura através da limitação e associação de diferentes limitação e associação de diferentes substratos substratos

Microfotografia mostrando microgranulos de polihidroxibutirato no interior das células bacterianas .

Tabela 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6 - Duas células de Burkholderia sacchari

Bactéria Produtora de biopolimero termoplástico descoberta no Brasil em culturas de cana.

PolihidroxialcanoatosPolihidroxialcanoatos

Polihidroxibutirato (PHB):Polihidroxibutirato (PHB): Formado a partir de açúcares, ácido orgânicos e outros;Formado a partir de açúcares, ácido orgânicos e outros; Poli(hidroxibutirato-Poli(hidroxibutirato-coco-hidroxivalerato) P(HB--hidroxivalerato) P(HB-coco-HV):-HV): Necessidade de um precursor (Ex.:ácido propiônico);Necessidade de um precursor (Ex.:ácido propiônico);

Figura 7 - Microfotografia mostrando em evidencia os granulos intracelulares de PHB

Figura 8: Estrutura do co-polímero P(HB-Figura 8: Estrutura do co-polímero P(HB-coco-HV)-HV)

Rendimentos Teóricos em P(3HB) :Rendimentos Teóricos em P(3HB) :

Burkholderia cepacia Burkholderia cepacia

YY( P / S ) ( P / S ) = 0,13 g / g = 0,13 g / g carboidratoscarboidratos

Cupriavidus necatorCupriavidus necator

YY( P / S ) ( P / S ) = 0,22 g / g = 0,22 g / g carboidratoscarboidratos

Grânulos de PHAs observados por microscopia de epifluorescência após coloração com Azul de Nilo.(a) início da fase de “fartura” ; (b) fim da fase de “fartura”

Fonte : http://dequim.ist.utl.pt/bbio/76/pdf/bioplasticos.pdf

Ambiente 100% em perda de massa (semanas)

Ambiente anaeróbio 6 Sedimentos estuários 40

Ambiente aeróbio 60 Solo 75

Água do mar 350

Tabela 4: Biodegradação de um filme de 1mm de PHAFonte: Luzier, 1992.

Degradação de frascos de P(3HB-co-3HV) em água de esgoto

Fonte: MADISON e HUISMAN, 1999.

Microrganismos produtores de PHAs Para produção em escala industrial : Azotobacter vinelandii

Cupriavidus necator

Alcaligenes latus

Microrganismos recombinantesMicrorganismos recombinantes : Cupriavidus necator recombinante

Escherichia coli recombinante

Rhodobacter

Staphylococcus spp

Pseudomonas oleovorans

Chromobacterium violaceum

Cupriavidus necator ( Ralstonia eutropha)Cupriavidus necator ( Ralstonia eutropha)

Microrganismo mais utilizado

Pode acumular cerca de 96 % da sua massa seca como polímero

Facilidade de cultivo em substratos renováveis

Chromobacterium violaceum

Percentagem de acumulo em relação ao microrganismo empregado.

P(3HB) = poli-hidroxibutirato

P(3HB-co-3HV) = poli(3-hidroxibutirato-co-3 hidroxivalerato)

P(3HV)=Poli(3-hidroxivalerato)

P(3HHx-co-3HO) = Poli(3-hidroxihexanoato-co-hidroxioctanoato)

Fonte : LEE,1996 / Carminatti,Cristiane ; Furigo Junior,Agenor – Produção de hidroxialcanoatos –CT - UFSC

Processo COPERSUCAR – Coeficientes Técnicos

Metabolismo da Cupriavidus necator ( Ralstonia. Eutropha )

SUBSTRATO

Acetil-CoA

Energia

Material celular

Crescimento balanceado

Excesso de carbono

P(3HB)

OxigênioFósforo EnxofreNitrogênio

Limitação

Etapas Fundamentais do BioprocessoEtapas Fundamentais do Bioprocesso

1.1. Esterilização do Biorreator e Acessórios ( Esterilização Contínua com vapor )Esterilização do Biorreator e Acessórios ( Esterilização Contínua com vapor )

2.2. Esterilização do meio de cultivo ( Autoclave )Esterilização do meio de cultivo ( Autoclave )

3.3. Crescimento e adaptação do inoculo em pequeno biorreatorCrescimento e adaptação do inoculo em pequeno biorreator

4.4. Introdução do inoculoIntrodução do inoculo

5.5. Processo de crescimento de biomassaProcesso de crescimento de biomassa Aeróbico sem limitação de nutrientes e Aeróbico sem limitação de nutrientes e fontes de carbono.fontes de carbono.

6.6. Processo de Produção de Biopolimero ( PHA ) Processo de Produção de Biopolimero ( PHA ) Pode serPode ser Anaeróbico ou Anaeróbico ou Aeróbico com limitação de oxigênio ( baixo KAeróbico com limitação de oxigênio ( baixo K lla ). Utilizamos limitação de a ). Utilizamos limitação de nutrientes essenciais ( um ou vários, como Mg, N, P, S, Onutrientes essenciais ( um ou vários, como Mg, N, P, S, O2 , 2 , outros ) e excesso de outros ) e excesso de fontes de carbono ( carboidratos e ácidos carboxílicos ) . fontes de carbono ( carboidratos e ácidos carboxílicos ) .

7.7. Separação da biomassa contendo PHA intracelularSeparação da biomassa contendo PHA intracelular

8.8. Rompimento celular ( Solventes, HLMB, Hidrociclone, moinho de bolas, etc)Rompimento celular ( Solventes, HLMB, Hidrociclone, moinho de bolas, etc)

9.9. Separação , purificação , concentração e secagem do biopolímero.Separação , purificação , concentração e secagem do biopolímero.

Uma forma de garantir a produção de elevadas quantidades de polímero, minimizando a inibição por substrato, será adicionar o substrato de forma semi-contínua (“fed-batch”) ou contínua. O reator em batelada alimentada seqüencial apresenta boa flexibilidade e produtividade ,permitindo alterações na duração da alimentação e extensão do ciclo.

1. 1. A enzima cetotiolase condensa reversivelmente duas moléculas de acetil CoA em acetoacetil CoA

2. A enzima acetoacetil CoA redutase por sua vez,reduz esse substrato a R-3 hidroxibutil –CoA

3. O R-3 hidroxibutil-CoA é incorporado a cadeia polimérica pela ação da enzima PHA sintase havendo crescimento de cadeia polimérica .

Reações Bioquímicas para a formação do PHB por

Cupriavidus necator (R. eutropha)

1.1. 2 acetil CoA 2 acetil CoA acetoacetil CoA + CoASH acetoacetil CoA + CoASH

2.2. AcetoacetilCoA +NADPH +HAcetoacetilCoA +NADPH +H++ = 3 – hidroxibutiril-CoA + NADP = 3 – hidroxibutiril-CoA + NADP++

3.3. D(-) 3 -hidroxibutiril CoA = P ( 3 HB )D(-) 3 -hidroxibutiril CoA = P ( 3 HB )

A produção de PHAs por culturas mistas aeróbias é especialmente elevada quando estas são submetidas a condições transientes de disponibilidade de carbono. As condições transientes de excesso e falta de substrato causam respostas dinâmicas no metabolismo celular.

A produção de PHAs por culturas mistas a partir de esgotos e outros efluentes orgânicos ricos em fósforo e carbono é muito pequena e embora o custo destes substratos seja quase nulo , a baixa produtividade inviabiliza a produção em escala industrial.

Condições de Cultivo Inicial – Condições de Cultivo Inicial – etapa 1etapa 1

Frascos agitados ou biorreatoresFrascos agitados ou biorreatores

Batelada Alimentada;Batelada Alimentada; DuraDuraçãoção:: 24h a 30h;24h a 30h; Temperatura: 30ºC;Temperatura: 30ºC; pH: 7,0.pH: 7,0.

O Os métodos físicos principais podem ser :O Os métodos físicos principais podem ser :

•Ultra SomUltra Som•Congelamento/descongelamentoCongelamento/descongelamento•Tensão cisalhanteTensão cisalhante•HidrocicloneHidrociclone•Moinho de BolasMoinho de Bolas•HHMB ( ou também HLMB )HHMB ( ou também HLMB )•Prensa de HughesPrensa de Hughes•Pressão osmóticaPressão osmótica

Os métodos químicos principais podem ser :Os métodos químicos principais podem ser : Extração por SolventeExtração por Solvente•· Colapso alcalino· Colapso alcalino•· Colapso por detergentes· Colapso por detergentes•· Colapso por hipoclorito · Colapso por hipoclorito

No Moinho de Bolas e no HLMB a eficiência de lise éNo Moinho de Bolas e no HLMB a eficiência de lise é

função de parâmetros tal como :função de parâmetros tal como :

•Velocidade de agitação ( rotação da hélice )Velocidade de agitação ( rotação da hélice )

•Concentração de célulasConcentração de células

•Diâmetro das esferasDiâmetro das esferas

•Material de que é feito as esferasMaterial de que é feito as esferas

•Composição da membrana celular ( teor em quitina ,etc )Composição da membrana celular ( teor em quitina ,etc )

•Tempo de residência da suspensão dentro do equipamentoTempo de residência da suspensão dentro do equipamento

•TemperaturaTemperatura

No processo de extração por solvente , No processo de extração por solvente , os mais utilizados são : os mais utilizados são :

ClorofórmioClorofórmio Cloreto de MetilenoCloreto de Metileno DicloroetanoDicloroetano Carbonato de PropilenoCarbonato de Propileno DiclorometanoDiclorometano

Determinações analíticasDeterminações analíticas

Biomassa ( total e residual )Biomassa ( total e residual )

Concentração das Fontes de Carbono ( Substratos: Carboidratos e ácidos carboxílicos )Concentração das Fontes de Carbono ( Substratos: Carboidratos e ácidos carboxílicos )

Concentração de nitrogênio amoniacalConcentração de nitrogênio amoniacal

Quantificação do polímero ( teor e composição )Quantificação do polímero ( teor e composição )

Análise cinética:Análise cinética:

Velocidade específica de crescimento máximaVelocidade específica de crescimento máxima

Produtividade de polímeroProdutividade de polímero

Técnicas mais utilizadas : Cromatografia Gasosa

HPLC

Análise Gravimétrica

Espectrofotometria

DSC

As enzimas importantes para esta biossíntese são:As enzimas importantes para esta biossíntese são:

cetotiolasecetotiolase•3-cetoacil-CoA redutase NADPH dependente3-cetoacil-CoA redutase NADPH dependente•PHA sintasePHA sintase

Com fartura de nutrientes os níveis de acetil-CoA estarão altos porem com limitação de Com fartura de nutrientes os níveis de acetil-CoA estarão altos porem com limitação de nutrientes ,os níveis de CoA se reduzem e desencadeiam a síntese de PHA ,que é um nutrientes ,os níveis de CoA se reduzem e desencadeiam a síntese de PHA ,que é um material de reserva energética para a célula bacteriana. A Cupriavidus necator pode ser material de reserva energética para a célula bacteriana. A Cupriavidus necator pode ser usada para produção de vários outros biopolímeros, variando-se os substratos e as usada para produção de vários outros biopolímeros, variando-se os substratos e as condições ambientais.condições ambientais.

O Methylobacterium extorque sintetiza P(3HB) a partir de etanol e P(3HB-co-3HV)

a partir de metanol e valerato. A dosagem de PHA sintase é função do peso molecular do polimero A dosagem de PHA sintase é função do peso molecular do polimero

formado ,contudo é dificil dosar a enzima in vivo .formado ,contudo é dificil dosar a enzima in vivo .

.)Pr./3(.Pr.

.Pr..

opAHVopA

HV

opAHV

Ytg

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r

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HVAcHV

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Pd

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][1][

][1][

][1][

][1][

.Pr..Pr..Pr.

Velocidades especificas de Formação dos blocos ( meros ) de HB e HV

S

PY SP )/(

f (HV) =

ocessoopA

HV

S

P

Pr.)Pr.(

)(

][

[.74074,0

f (HV) = f (HV) = f (HV) =

f (HV) =

.Pr..Pr./3 /35,1 opAopAHV ggY Teórico

0

].[][

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PHA

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Se temos o fluxo de substrato na alimentação igual a velocidade de Se temos o fluxo de substrato na alimentação igual a velocidade de consumo de substrato na batelada alimentada , então teremos :consumo de substrato na batelada alimentada , então teremos :

][PHAXX Tr

Crescimento em bagaço de maçã

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

2

0 5 10 15 20 25 30 35

tempo (h)

Ln b

iom

assa

Produção industrial Nos EUA ( Metabolix ):

batelada alimentada acúmulo de mais de 75% em polímero

Na Áustria: bactéria Alcaligenes latus DSM 1124 acúmulo de mais de 80% em polímero batelada alimentada - sacarose como fonte de carbono

No Brasil ( PHB Industrial ) : R. eutropha a partir de açúcar invertido Aproveitando os subprodutos das usinas de cana ( energia )

3 kg de açúcar + 17,1 kg de bagaço 1 kg de P(3HB)

SHAMPOO COM BIOPOLÍMEROS E FILTRO UV - 300 ML PAYOT GRÁTIS UM CONDICIONADOR COM BIOPOLÍMEROS E FILTRO UV - 300 ML PAYOT -

EDIÇÃO LIMITADA

Biopolímero Nome Comercial Empresa

Polyhydroxyalkanoate (PHA) (PHB, PHBV) Biopol Monsanto-Metabolix (USA)* (PHB, PHBV) Metabolix Metabolix/ADM (USA) (PHB, PHBV) Enmat Tianan (China) (PHB, PHBV) Biocycle Copersucar (Brazil) (PHB, PHBV) Biomer L Biomer (Germany) (PHBHx, PHBO, PHBOd) Nodax Procter & Gamble (USA)

Poly(lactic acid) (PLA) Natureworks Cargill-Dow LLC (USA) Lacty Shimadzu (Japan) Lacea Mitsui Chemicals (Japan) Heplon Chronopol (USA) CPLA Dainippon Ink Chem. (Japan) Eco Plastic Toyota (Japan) PLA Galactic (Belgium) Treofan Treofan (Netherland) L- PLA Purac (Netherland) Ecoloju Mitsubishi (Japan) Biomer L Biomer (Germany)

EXTRATÉGIAS DE MARKETING

Fatores Principais que afetam o Custo do Produto Final

• Etapas de “Down Stream”

• Custo dos Substratos ( M.P. )

• Custos de energia

Estuda-se minimização de custos na etapa de “Down Stream”

Bactérias gram-positivas facilitam o processo de down stream pois em sua maioria não apresentam toxinas nocivas ao homem,contudo sua

produtividade em PHA é menor.

Sistemas de produção em regime contínuo certamente levarão a maiores rendimentos e menores custos,no entanto necessita-se maior grau de otimização e maiores malhas de controle.

O preço dos PHAs é atualmente cerca de nove vezes superior ao do polipropileno

Temos : € 9 / kg para o PHB contra € 1/ kg para o polipropileno .

CONCLUSÃO

• É possível minimizar custos da produção de PHAs pela seleção criteriosa de matéria prima e com a utilização de consórcios bacterianos e/ou microrganismos recombinantes.

•O uso de microrganismos recombinantes torna possível maior flexibilidade de substratos

•O uso de efluentes e certos resíduos industriais pode minimizar custos e tornar os PHAs mais populares o que poderá repercutir positivamente no meio ambiente

•Na etapa de “down stream” a remoção de solventes e purificação do biopolimero são as etapas mais criticas e onerosas

•O bioplástico Deve estar isento de toxinas bacterianas e solventes,pois deve ser imunocompativel com os organismos vivos e biodegradável

•A Aplicação em biomedicina e engenharia tecidual requer elevado controle de A Aplicação em biomedicina e engenharia tecidual requer elevado controle de qualidade e programação do tempo de biodegradação ,que deve ser igual ou qualidade e programação do tempo de biodegradação ,que deve ser igual ou próximo ao tempo de regeneração tecidual. Compósitos biodegradáveis e próximo ao tempo de regeneração tecidual. Compósitos biodegradáveis e copolímeros tipo P(3HB-co-3HV) e outros são utilizados .copolímeros tipo P(3HB-co-3HV) e outros são utilizados .

•Polímeros especiais tal como o polímero obtido a partir de proteinas recombinantes de seda de aranhas e plásticos a base de amido ,abrem espaço para aplicações inéditas e um campo de atuação comercial ainda praticamente inexplorado.

•Quando comparada ao mercado americano ,o Brasil apresenta custos menores para a produção de PHAs , gomas e biopolímeros de amido . O processo de produção dos bioplásticos de amido no Brasil empregam menores quantidades de matéria prima mais barata e com maiores rendimentos ( maior conversão M.P. polímero ) ,porem os custos de produção são próximos aos produtores do exterior o que torna o produto nacional menos competitivo no mercado internacional ,embora o custo do amido nacional seja bem menor que o amido europeu ou norte americano. Elevados custos de transportes e taxas de exportação diminuem a competitividade do produto nacional ,perdendo-se mercado. O mesmo ocorre com nossa produção em PHAs e outros biopolimeros que apesar dos maiores custos de produção ainda enfrentam estes mesmos obstáculos.

Interesses políticos e empresariais a nível internacional são fatores importantes na equação que define os custos e a produção industrial nacional em produtos de alta tecnologia e isto inclui os biopolímeros .

1. http://dequim.ist.utl.pt/bbio/76/pdf/bioplasticos.pdf

2 Reviews in Molecular Biotechnology, Volume 74, Issue 2, 1 August 2000, Pages 85-93Stefan Winkler and David L. Kaplan

3 Comparative Biochemistry and Physiology Part B : Biochemistry and Molecular Biology, Volume 147, Issue 4, August 2007, Pages 597 - 606 ; D. Bittencourt , B.M. Souto, N.C. Verza, F. Vinecky, K. Dittmar, P.I. Silva Jr., A.C. Andrade, F.R. da Silva, R.V. Lewis and E.L. Rech.

4 Nano Today, Volume 2, Issue 3, June 2007, Page 6 ; David Porter and Fritz Vollrath.

5 http://www.ider.org.br/oktiva.net/1365/nota/57973/

6 http://www.degradable.net

7 http://www.anbio.org.br/pdf/2/tr06_biopolimeros.pdf

8 http://www.oepm.es/internet/Inftecn/opti/optiagro0303.pdf

9 http://www.tede.ufsc.br/teses/PEAL0050.pdf

10 http://www.abc.net.au/science/news/stories/s461157.htm

11 http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?IA=WO2005045122&DISPLAY=DESC

12 http://www.abam.com.br/artigos/Ceteagro%20-%20%20%20Biopolimeros%20de%20amido.doc

13 http://www.abam.com.br/livroscargil/Capitulo%203/VOL3-CAP%2018.pdf

Algumas Bibliografia Consultada

FIMFIM

produção de biopolímeros

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