Universidade Federal de Santa Catarina Engenharia Bioquimica Leonardo Bernhardt Roncatto Kamila Patricia Bittarello Florianópolis, 13 de Feveveiro de 2007

Introdução Os biopolímeros são materiais poliméricos classificados estruturalmente como polissacarídeos, políésteres 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.

Tipos de Biopolímeros Dentre as classes de biopolímeros as mais significativas são: Polilactato (PLA) Polímeros de amido (PA); Polihidroxialcanoato (PHA); Goma Xantana (Xan).

Polilactato (PLA) 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.

Polímeros de amido (PA) PA são polissacarídeos, modificados quimicamente ou não, produzidos a partir de amido extraído de milho, batata, trigo ou mandioca. Pode ser utilizado na produção de embalagens e itens de descarte rápido e, em blendas com polímeros sintéticos, na confecção de filmes flexíveis.

Polihidroxialcanoato (PHA) PHA constitui uma ampla família de poliésteres produzidos por bactérias através de biossíntese direta de carboidratos de cana-de-açúcar ou de milho, ou de óleos vegetais extraídos principalmente de soja e palma. Dependendo da composição monomérica, pode ser utilizado na produção de embalagens, itens de descarte rápido e filmes flexíveis.

Estrutura PHA O termo PHA é aplicado a uma variada família de poliésteres representada pelo esquema da figura Figura 1: Estrutura geral dos PHAs

Características O peso molecular dos PHAs produzidos industrialmente por culturas puras varia entre 1.7 x 105 e 4.5 x 106 . Os PHAs mais comuns são polímeros semicristalinos. O grau de cristalinidade depende da composição do polímero: sendo 60-80% para o PHB (Polihidoxibutirato)

Aplicações PHAs As aplicações mais gerais dos PHAs incluem filmes para embalagens e plásticos convencionais. Como que os PHAs são biocompatíveis, são usados em aplicações médicas e farmacêuticas (fios de sutura cirúrgica, implantes ósseos, fármacos de libertação lenta,etc.). Na agricultura, os PHAs são usados em produtos de libertação de reguladores de crescimento de plantas ou de pesticidas.

Produção de PHAs Os PHAs são sintetizados por um grande número de bactérias Gram negativas e Gram positivas pertencentes pelo menos a 75 gêneros diferentes. Alguns exemplos de culturas puras usadas industrialmente para produzir PHAs: Ralstonia eutropha,Alcaligenes latus, Azotobacter vinelandii e diversas espécies de Pseudomonas. Os PHAs podem ser eficientemente produzidos por microrganismos geneticamente modificados, como por exemplo a Escherichia coli recombinante.

Produção de PHAs A produção de PHAs por estas bactérias ocorre, na maioria dos casos,em situações em que um nutriente, que não a fonte de carbono, é limitante para o crescimento. A quantidade de polímero acumulado por estas bactérias pode atingir 80 % do seu peso celular. Alem da utilização de culturas puras, tambem pode ser utilizados culturas mistas para a produção dos PHAs

Figura 2 – Perfis de concentrações e da velocidade especifica de crescimento num processo com culturas mistas submetidas a condições dinâmicas de adição de carbono.

Microscopia PHB Figura 3 – Grânulos de PHB acumulados por Azotobacter vinelandii UWD (Page et al., 1995)

Microscopia de PHAs (a) (b) Figura 4 – 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”

Goma Xantana (Xan) Xantana é um exopolissacarídeos produzido por microrganismos a partir de carboidratos extraídos de milho ou cana-de-açúcar, com ampla utilização na área de alimentos e uso potencial na de cosméticos e na exploração de petróleo.

Características É produzida pelo cultivo de Xanthomonas campestris em meio contendo carboidratos. A xantana é um polímero do tipo poli-β-(1→4)-D-Glicopiranose, assemelhando-se à celulose, mas com ramificações alternadas nas posições C-3, constituídas por três açúcares. O peso molecular da xantana varia de 2 a 12x106 Da, dependendo da preparação da amostra e do método utilizado na análise.

Figura 5: Estrutura molecular da goma xantana.

Legislação Permitido uso em alimentos pelo “Food and Drug Administration”- FDA em 1969. No Brasil, a adição de xantana é permitida desde 1965, pelo Decreto Lei nº 55.871, da Legislação Brasileira de Alimentos.

O pH de cultivo é próximo da neutralidade Produção industrial em batelada utilizando-se altas aerações e agitações. Meio de cultivo elaborado com uma fonte de carbono (glicose ou sacarose), uma fonte de nitrogênio (extrato de levedura, peptona, nitrato de amônia ou uréia) e sais. O pH de cultivo é próximo da neutralidade A temperatura é mantida em torno de 28ºC. Quando a fermentação termina, o caldo é esterilizado e a goma xantana é recuperada por precipitação com álcool isopropílico Figura 10: Esquema do processo de produção de goma xantana.

Outros Biopolímeros

Mercados Estes são os mercados de polímeros que potencialmente podem ser substituídos por bioplásticos.

POTENCIAL DE SUBSTITUIÇÃO DOS POLÍMEROS CONVENCIONAIS POR BIOPLÁSTICOS ++ substituição completa; + substituição parcial; - não substituição. PVC: Cloreto de polivinila PE-HD: Polietileno de alta densidade PE-LD: Polietileno de baixa densidade PBT: Polibutileno tereftalato PP: Polipropileno PS: Poliestireno PMMA: Polimetil metacrilato PA: Poliamida PET: Polietileno tereftalato PC: Policarbonato

CAPACIDADE E DEMANDA ATUAL DE BIOPLÁSTICOS Principais empresas produtoras: Polimeros de Amido Polilactatos

CAPACIDADE E DEMANDA ATUAL DE BIOPLÁSTICOS PHAs

Evolução de Mercado As previsões de evolução de consumo de bioplásticos estão fortemente relacionadas com os seguintes fatores: Evolução do preço do barril de petróleo, já que o custo de produção destes polímeros estão intimamente relacionados com o custo de insumos petroquímicos; Evolução do custo de produção dos bioplásticos; Estabelecimento de políticas governamentais (incentivos fiscais e/ou legislação compulsória) para o consumo de bioplásticos.

Bibliografia PRADELLA, José Geraldo da Cruz. Biopolímeros e Intermediários Químicos. Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. São Paulo.Março, 2006. Disponível em http://www.anbio.org.br/pdf/2/tr06_biopolimeros.pdf acessado em 25/01/07 Luísa S. Serafi m, Paulo C. Lemos, Maria A.M. Reis. Produção de Bioplásticos por Culturas Microbianas Mistas. CQFB/REQUIMTE, Chemistry Department, FCT/UNL, Portugal,Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB), Portugal. Disponível em http://dequim.ist.utl.pt/bbio/76/pdf/bioplasticos.pdf acessado em 25/01/07