PoliPoliéésteres e polissacarsteres e polissacaríídeos : do deos : do

xampu ao plxampu ao pláástico biodegradstico biodegradáável vel

Michele Pepe Cerqueiramicpepe2@yahoo.com.br

02 de julho de 2013

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

54Japão

46Europa

70EUA

10Brasil

Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano)

País

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 fotodegradáveis

CO2 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

3HB, 3HPÁcido glicônicoBurkholderia sp.3HB, 3HVAmidoHaloferax mediterranei

3HB, 3HVFrutoseRhodococcus sp.

3HB, 3HVÁcido 4-pentenóicoRhodospirillum rubrum3HB, 3HHx e 4HHxÁcido 4-hidroxihexanóicoPseudomonas putida

7Me3HO, 5Me3HHxÁcido 7-metil-octanóicoPseudomonas oleovorans3HHx, 3HOOctenoPseudomonas oleovorans

3HHx, 3HHp, 3HOÁcido nonanóicoPseudomonas oleovorans3HHx, 3HO, 3HDÁcido octanóicoPseudomonas oleovorans

3HB, 3HV, 5HV5-clorovaleratoAlcaligenes eutrophus

3HB, 4HB1,4-butanodiolAlcaligenes eutrophus3HB, 3HP1,5 – pentanodiolAlcaligenes eutrophus

3HB, 3HVÁcido propiônicoAlcaligenes eutrophus3HBFrutose Alcaligenes eutrophus

MonômerosSubstratosBactérias

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 PCMarcadores biológicos

• EPS – exopolissacarídeos � secretado extracelular

Alimentícia, 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 - EPS

5Outros

5Lubrificantes

6Colóide

7Coagulante

12Agente de retenção de água

17Agente formador de filmes

23Espessante

25Estabilizador, agente de suspensão e

dispersante

Uso (%)Função

Aplicação de goma na indústria de alimentos

Evitar mascaramento de aromas, melhorar clarificação, promover floculação

Mistura de propriedades

Suspender sólidos, melhorar textura, estabilizar espumas, evitar separação de soros

Reatividade com proteínas

Fixar aromas, encapsulaçãoFormação de filmes

Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas

Tensoativo

Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez

Inibição de cristalização

Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação

Ligação de água

Formar géis, suspender sólidosFormação de géis

Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões

Aumento de viscosidade

Função Propriedade

EPS -Microrgan

ismos

•Xa

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Xant

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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

Estabilizantes Veterinária

Componentes de géis em colírios,

anticoagulantes

Farmacêutica

Emulsões de prata para revelaçãoFotografia

Agentes de contraste para imagiologiaBiomedicina

Estabilizante e agente de viscosidadeAlimentícia

UsoÁrea

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

Pílulas, cápsulas e produtos de higiene

pessoal

Farmacêutica

Resistência interna do papel e melhor

impressibilidade

Papel

Substituição do ágar, maior pureza e

translucidez

Microbiologia

Retenção de umidade, estabilidade

geléias, iogurtes, produtos gelados

Alimentícia

UsoÁrea

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

Medicamentos contra infecções

viróticas e bacterianas, agente

anticoagulante e antitrombótico

Farmacêutica

Modificador de textura, melhorando a

retenção de água (hambúrguer –maciez

e textura; sorvete - viscosidade

Alimentícia

UsoÁrea

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

Aumento da recuperação de petróleoPetrolífera

Suspensão de compostos químicosAgricultura

Suspensão e espessante de pasta de

dente, desodorantes em gel

Higiene

Controlar viscosidade, textura,

retenção de aromas, suspensão de

sólidos e estabilização de emulsões

Alimentícia

UsoÁrea

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