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Poliésteres e polissacarídeos : do xampu ao plástico biodegradável Michele Pepe Cerqueira 08 de maio de 2012 Graduação em Biotecnologia.

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1 Poliésteres e polissacarídeos : do xampu ao plástico biodegradável Michele Pepe Cerqueira 08 de maio de 2012 Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biotecnologia Microbiana II

2 Polissacarídeos Os 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).

3 POLIÉSTERES BACTERIANOS

4 Plásticos Produção plásticos no Brasil toneladas/ano – 2% produção mundial PaísConsumo de resinas plásticas (kg/hab.ano) Brasil10 EUA70 Europa46 Japão54

5 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

6 Problemas associados aos plásticos

7 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;

8 Alternativas Reciclagem ( aplicação, custo) Incorporação de materiais biodegradáveis –Amido, polietileno aditivado com amido Plásticos fotodegradáveis CO 2 atmosférico Biodegradação Plásticos biodegradáveis Produtos agrícolas Fotossíntese

9 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)

10 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

11 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)

12 PHAs sintetizados por bactérias BactériasSubstratosMonômeros Alcaligenes eutrophusFrutose3HB Alcaligenes eutrophusÁcido propiônico3HB, 3HV Alcaligenes eutrophus1,5 – pentanodiol3HB, 3HP Alcaligenes eutrophus1,4-butanodiol3HB, 4HB Alcaligenes eutrophus5-clorovalerato3HB, 3HV, 5HV Pseudomonas oleovoransÁcido octanóico3HHx, 3HO, 3HD Pseudomonas oleovoransÁcido nonanóico3HHx, 3HHp, 3HO Pseudomonas oleovoransOcteno3HHx, 3HO Pseudomonas oleovoransÁcido 7-metil-octanóico7Me3HO, 5Me3HHx Pseudomonas putidaÁcido 4-hidroxihexanóico3HB, 3HHx e 4HHx Rhodospirillum rubrumÁcido 4-pentenóico3HB, 3HV Rhodococcus sp.Frutose3HB, 3HV Haloferax mediterraneiAmido3HB, 3HV Burkholderia sp.Ácido glicônico3HB, 3HP

13 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

14 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

15 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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19 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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21 Biodegradação - PHAs

22 Polissacarídeos

23 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

24 Polissacarídeos - Exemplos Xantana Escleroglucana Zanflo Gelana Goma PS-7 Curdlana Alginato bacteriano Dextrana Glucanas de leveduras de panificação

25 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

26 Polissacarídeos microbianos LPS – lipopolissacarídeos constituintes PC CPS – polissacarídeos capsulares covalentemente PC Marcadores biológicos EPS – exopolissacarídeos secretado extracelular Alimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil, tintureira

27 Características - EPS São polissacarídeos de cadeia longa Provenientes de bactérias, microalgas, leveduras e fungos Superfície celular microbiana Aderência em superfícies sólidas Formação de biofilmes

28 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

29 Aplicações - EPS FunçãoUso (%) Estabilizador, agente de suspensão e dispersante 25 Espessante23 Agente formador de filmes17 Agente de retenção de água12 Coagulante7 Colóide6 Lubrificantes5 Outros5

30 Aplicação de goma na indústria de alimentos PropriedadeFunção Aumento de viscosidade Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões Formação de géisFormar géis, suspender sólidos Ligação de águaAfetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação Inibição de cristalização Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez TensoativoMelhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas Formação de filmesFixar 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

31 EPS - Microrganismos Xantana – Xanthomonas campestris Dextrana – Leuconostoc mesenteroides Curdlana – Alcaligenes faecalis Gelana – Sphingomonas paucimobilis

32 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

33 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

34 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

35 Síntese - Dextrana Crescimento do microrganismo Síntese e excreção de dextrana-sacarase Síntese de dextrana pela ação da enzima Precipitação dextrana por metanol/etanol

36 Aplicações - Dextrana ÁreaUso AlimentíciaEstabilizante e agente de viscosidade BiomedicinaAgentes de contraste para imagiologia FotografiaEmulsões de prata para revelação FarmacêuticaComponentes de géis em colírios, anticoagulantes VeterináriaEstabilizantes

37 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

38 Aplicações - Gelana ÁreaUso AlimentíciaRetenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados MicrobiologiaSubstituição do ágar, maior pureza e translucidez PapelResistência interna do papel e melhor impressibilidade FarmacêuticaPílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal

39 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

40 Aplicações - Curdlana ÁreaUso AlimentíciaModificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer –maciez e textura; sorvete - viscosidade FarmacêuticaMedicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente anticoagulante e antitrombótico

41 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.

42 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 horas Produção industrial: Kelco, Pfizer, Mero- Rousselot-Satia,

43 Aplicações - Xantana ÁreaUso AlimentíciaControlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de sólidos e estabilização de emulsões HigieneSuspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel AgriculturaSuspensão de compostos químicos PetrolíferaAumento da recuperação de petróleo

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46 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


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