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 Reflorestamento  modificação genética das plantas Produção  fermentação de açúcares de hemicelulose, biopolpação, biobranquemento, controle de resinas, Tratamento de efluentes. 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 Celulose Componente + 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.

Hemiceluloses Constitui 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.

Hidrólise hemicelulose requer conj. de enzimas bem mais complexo! Biodegradação da Hemicelulose Ocorre de forma semelhante à da celulose  finalidade obtenção de mistura de açúcares simples, componente principal a D-xilose. Xilose Condições acidas fermentação Condições reduzidas Furfural etanol Xilitol 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 (2,5 X 2 X 0,2 cm) Cavacos de madeira Digestor Processo kraft (N2S e NaOH em água a 170°C ) Polpação quimica Tanque de expansão Lavagem Classificação Polpa não branqueada Resíduo de lignina (4%) Tanque de branqueamento Branqueamento CDED C= Cl, D= dióxido de Cl, E = extrações alcalinas) Alvura > 85% Polpa branqueada CELULOSE

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.

Biopolpação Fungos 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 (%) 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.