Poliésteres e polissacarídeos : do Poliésteres e polissacarídeos : do xampu ao plástico biodegradável xampu ao plástico biodegradável

Michele Pepe Cerqueiramicpepe2@yahoo.com.br

08 de maio de 2012

Graduação em BiotecnologiaDisciplina de Biotecnologia Microbiana II

PolissacarídeosOs 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).

POLIÉSTERES

BACTERIANOS

Plásticos• Produção plásticos no Brasil

2.000.000 toneladas/ano – 2% produção mundial

País Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano)

Brasil 10

EUA 70

Europa

46

Japão 54

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

Problemas associados aos plásticos

Problemas associados aos plásticos

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;

Alternativas

• Reciclagem ( aplicação, custo)• Incorporação de materiais

biodegradáveis– Amido, polietileno aditivado com amido

• Plásticos fotodegradáveisCO2

atmosférico

Biodegradação

Plásticos biodegradáveis

Produtos agrícolas

Fotossíntese

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)

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

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)

PHAs sintetizados por bactérias

Bactérias Substratos Monômeros

Alcaligenes eutrophus Frutose 3HB

Alcaligenes eutrophus Ácido propiônico 3HB, 3HV

Alcaligenes eutrophus 1,5 – pentanodiol 3HB, 3HP

Alcaligenes eutrophus 1,4-butanodiol 3HB, 4HB

Alcaligenes eutrophus 5-clorovalerato 3HB, 3HV, 5HV

Pseudomonas oleovorans

Ácido octanóico 3HHx, 3HO, 3HD

Pseudomonas oleovorans

Ácido nonanóico 3HHx, 3HHp, 3HO

Pseudomonas oleovorans

Octeno 3HHx, 3HO

Pseudomonas oleovorans

Ácido 7-metil-octanóico

7Me3HO, 5Me3HHx

Pseudomonas putida Ácido 4-hidroxihexanóico

3HB, 3HHx e 4HHx

Rhodospirillum rubrum

Ácido 4-pentenóico 3HB, 3HV

Rhodococcus sp. Frutose 3HB, 3HV

Haloferax mediterranei

Amido 3HB, 3HV

Burkholderia sp. Ácido glicônico 3HB, 3HP

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

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

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

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

Biodegradação - PHAs

Polissacarídeos

Polissacarídeos

• 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

Polissacarídeos - Exemplos

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

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

Polissacarídeos microbianos

• LPS – lipopolissacarídeos constituintes PC

• CPS – polissacarídeos capsulares covalentemente PC

Marcadores biológicos

• EPS – exopolissacarídeos secretado extracelularAlimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil,

tintureira

Características - EPS

• São polissacarídeos de cadeia longa

• Provenientes de bactérias, microalgas,

leveduras e fungos

• Superfície celular microbiana

• Aderência em superfícies sólidas

• Formação de biofilmes

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

Aplicações - EPSFunção Uso (%)

Estabilizador, agente de suspensão e dispersante

25

Espessante 23

Agente formador de filmes 17

Agente de retenção de água 12

Coagulante 7

Colóide 6

Lubrificantes 5

Outros 5

Aplicação de goma na indústria de alimentos

Propriedade Função

Aumento de viscosidade

Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões

Formação de géis Formar géis, suspender sólidos

Ligação de água Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação

Inibição de cristalização

Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez

Tensoativo Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas

Formação de filmes Fixar 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

EPS - Microrganismos

• Xantana – Xanthomonas campestris

• Dextrana – Leuconostoc mesenteroides

• Curdlana – Alcaligenes faecalis

• Gelana – Sphingomonas paucimobilis

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

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

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

Síntese - Dextrana

Crescimento do microrganismo

Síntese e excreção de dextrana-sacarase

Síntese de dextrana pela ação da enzima

Precipitação dextrana por metanol/etanol

Aplicações - Dextrana

Área Uso

Alimentícia Estabilizante e agente de viscosidade

Biomedicina Agentes de contraste para imagiologia

Fotografia Emulsões de prata para revelação

Farmacêutica Componentes de géis em colírios, anticoagulantes

Veterinária Estabilizantes

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

Aplicações - Gelana

Área Uso

Alimentícia Retenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados

Microbiologia Substituição do ágar, maior pureza e translucidez

Papel Resistência interna do papel e melhor impressibilidade

Farmacêutica Pílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal

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

Aplicações - Curdlana

Área Uso

Alimentícia Modificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer –maciez

e textura; sorvete - viscosidade

Farmacêutica Medicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente

anticoagulante e antitrombótico

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.

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 48-96 horas

• Produção industrial: Kelco, Pfizer, Mero-Rousselot-Satia,

Aplicações - Xantana

Área Uso

Alimentícia Controlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de

sólidos e estabilização de emulsões

Higiene Suspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel

Agricultura Suspensão de compostos químicos

Petrolífera Aumento da recuperação de petróleo

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