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.

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.

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.

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

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

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.

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)

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.