Produção de Biopolímeros, Notas de estudo de Engenharia Química

Baixe Produção de Biopolímeros e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! Produção de Biopolímeros Fundamentos de Engenharia Bioquímica Escola de Química Universidade Federal do Rio de Janeiro Alberto André R. Drummond Profª.: Maria Antonieta P. Couto Profª.: Andréa Medeiros Salgado Profª.: Eliana Alhadef Prof.: Ney Pereira Junior Profª.:Verônica Ferreira Definição Biopolímeros são materiais fabricados a partir de Fontes Renováveis ( soja, milho, cana-de-açúcar , celulose, quitina, quitosana, soro de leite, etc.) que têm importância estratégica para o futuro, principalmente quando utilizam “energia renovável em todo seu ciclo de vida”,podem ser biodegradáveis e biocompatíveis,o que lhes conferem vasta gama de aplicações. •Cana de Açúcar •Extrato de Soja •Efluentes da Indústria de alimentos •Resíduos Agro industriais •Soro de Leite •Amido e Resíduos Vegetais ( fibras, etc. ) •Outros Preparação e Tratamento da Matéria Prima Fermentação Processamento / Formulação Separação / Purificação Fabricação de Bens de Consumo Distribuição e Comércio Formulação Uso Descarte Coleta Seletiva Reciclagem Aterro Sanitário Geração de Energia Incineração CO2 + H2O Fotossíntese O CO2 derivado de fontes renováveis é renovável Síntese Fabricação Polímero Petróleo Refinaria Preparação de Derivados (monomeros) & Controle de Qualidade ATMOSFERA Parte do CO2 de fonte não renovável se acumula na atmosfera Biopolímeros de maior importância: ” polilactato (PLA) ” polihidroxialcanoato (PHA) * polímeros de amido (PA) ” xantana (Xxan) Mercado (2002) = 60.000 t; taxa de crescimento > 20% a.a. BIOPLÁASTICO 1. Polimeros de amido 2. Polilactatos (PLA) 3. Polihidroxialcanoatos (PHAs) 4. Poliésteres Alifáticos — Aromáticos (PAA) Politrimetilenotereftalato (PTT) Polibutilenotereftalato (PBT) Polibutilenosuccinato (PBS) TIPO DE POLÍMERO Polissacarideo Poliéster Poliéster Poliéster ESTRUTURA/METODO DE PRODUÇÃO Polimero natural modificado Ácido láctico produzido por fermentação seguido de polimerização Produzido por fermentação direta de fonte de carbono por microrganismos ou em vegetais geneticamente modificados 1-3 propanodio! produzido por fermentação seguido de copolimerização com AT (ou DMT) 1-4 butanodio! produzido por fermentação seguido de copolimerização com AT 1-4 butanodiol copolimerizado com ácido succínico, ambos produzidos por fermentação 6. Poliuretanas (PURs) 6. Nylon Nylon & Nylon 66 Nylon 69 Poliuretano Poliamida Polimerização de poliois obtidos por fermentação ou purificação quimica com isocianatos petroquímico Caprolactama produzida por fermentação Ácido adípico produzido por fermentação Monômero obtido por transformação química do ácido oléico  PLÁSTICOS A PARTIR DO AMIDO Os Compósitos com amido e fibras vegetais tem apresentado excelentes propriedades e abrindo novos campos de aplicações , tais como nas industrias automobilísticas , de utensílios domésticos ,etc. O amido se destaca pela sua disponibilidade ,biodegradabilidade ,baixo custo, e excelente desempenho. Biopolímero Protéico da Teia de Aranhas • Alta resistência • Alta Flexibilidade • Extremamente Leve • Biodegradável • Biocompativel            yxzyx GGYGPGASAAAAAAGGYGPGGGPGQQASAAAAAA Estrutura do biopolímero protéico da teia Solventes • Ácido Fórmico • Cloreto de Guanidina • Hexafluoroisopropanol Coagulantes • Ar Atmosférico • Metanol • Solução água-Metanol Bloco rico em Alanina  Fase Cristalina  Resistência Bloco Rico em Glicina  Fase Amorfa  Elasticidade Estratégias para obtenção da Seda Recombinante  Expressão de gene em E. coli e Pichia  Expressão de gene em células BHK  Expressão de gene em células vegetais  Expressão de gene em células mamárias Espécies de Aranhas • Araneus diadematus • Nephila clavipes • Bombyx mori A estrutura molecular dos segmentos ricos em Polialanina P(A) nos blocos da fase cristalina (Rígida) provavelmente apresentam fenômenos de cooperatividade entre as interações por ligações de hidrogênio , muito semelhante a este modelo teórico que mostra a estrutura da Poli –acrilamida P(Am). Diferentes tipos de teia com diferentes funções apresentam propriedades distintas . Presença de Variação na estrutura poliméricaSegFlexSegRig SS  • Interações de hidrogênio entre cadeias poliméricas • Favorecimento de separação de fases devido a forte cooperatividade e ligação de hidrogênio . entre as cadeias poliméricas formadas a partir da reação entre as duas proteínas oligoméricas. • Hidrofobicidade • Ligações de hidrogênio inter polímero e cooperatividade  Abaixamento do S nos segmentos ..rígidos e elevação de S nos segmentos flexíveis. Fibras de teia de aranha – um biopolímero supramolecular Biopolímeros Obtidos a partir de Microrganismos A partir de açúcar e bagaço de cana : 1 kg de plástico biodegradável ( PHB ) é produzido a partir de 3kg de açúcar e 17,1 kg de bagaço. O Polihidroxibutirato (PHB) é um composto de uma classe dos polímeros termoplástico chamados “polihidroxialcanoatos” que servem a muitas bactérias como uma maneira de armazenar dentro da célula, materiais que podem servir de reserva para obtenção de carbono e como fonte de energia para o caso de ausência de um dos dois. Plantas modificadas geneticamente para produção de PHB como a batata (Solanum tuberosum) e tabaco (Nicotiana tabacum), podem fornecer outros meios de produzir este Polímero, porem o rendimento é muito menor. Produção Industrial de PLA Produção em Escala Industrial  1994 Principais Empresas : DuPont Coors Brewing Dow Chemical Cargill –1994 ( 6000 ton/ano) Cargill –Dow LLC ( Joint Venture ) - 2000 100000 ton/ano ( produção de 2003 ) Poli-hidroxialcanoatos  HISTÓRICO  1920 – 1ª determinação da composição de PHA’s por Maurice Lemoigne  1974 - Descobertos outros poli-hidroxialcanoatos (PHA)  1976 – Início das pesquisas de produção de P(3HB) por fermentação bacteriana, na Inglaterra  1990 - primeiro produto obtido a partir de PHA, uma embalagem de “shampoo” de uma indústria de cosméticos  1991- pesquisas no Brasil  2000 - teve início a produção de P(3HB) pela então indústria brasileira PHB industrial SA Ambiente 100% em perda de massa (semanas) Ambiente anaeróbio 6 Sedimentos estuários 40 Ambiente aeróbio 60 Solo 75 Água do mar 350 Tabela 4: Biodegradação de um filme de 1mm de PHA Fonte: Luzier, 1992. Degradação de frascos de P(3HB-co-3HV) em água de esgoto Fonte: MADISON e HUISMAN, 1999. 1 % | . ? . CARBONTDRATES M BIODEGRADATION SUGARS FERMENTAT IO IS PROCESS A PLASTIC PRODUCTS PHA POLYMERS BIOCICLO DE POLIHIDROXIALCANOATOS  P(3HB) = poli-hidroxibutirato P(3HB-co-3HV) = poli(3-hidroxibutirato-co-3 hidroxivalerato) P(3HV)=Poli(3-hidroxivalerato) P(3HHx-co-3HO) = Poli(3-hidroxihexanoato-co-hidroxioctanoato) Fonte : LEE,1996 / Carminatti,Cristiane ; Furigo Junior,Agenor – Produção de hidroxialcanoatos –CT - UFSC [00 kg de biomassa seca/m de xarope Mi kgkg de PH 60 ton/ano Erotermnentáios Pptornentáã vrator egesã Exata Encemenor É E “PA Extração à É Levine ee agua Figura 12 - Fluxograma do processo de produção de PHB.  1.    A enzima  cetotiolase condensa reversivelmente duas moléculas de acetil CoA em acetoacetil CoA 2.   A enzima acetoacetil CoA redutase por sua vez,reduz esse substrato a R-3 hidroxibutil –CoA 3. O R-3 hidroxibutil-CoA é incorporado a cadeia polimérica pela ação da enzima PHA sintase havendo crescimento de cadeia polimérica . Reações Bioquímicas para a formação do PHB por R. eutropha 1. 2 acetil CoA  acetoacetil CoA + CoASH 2. AcetoacetilCoA +NADPH +H+ = 3 – hidroxibutiril-CoA + NADP+ 3. D(-) 3 -hidroxibutiril CoA = P ( 3 HB ) Biossíntese do Poli-hidroxibutirato CoASH CoASH Produção de biopalimero na presença de limitação nutricional Carboidratos Ciclo de Krebs CH;— Acetil CoA Respiração celular Crescimento de Biomassa na ausência de limitação nutricional ( stress nutricional ) &3- eetotiolase H o NADP- o If A NZ If A CH, —C — CH — Ci €CHs—CH-— CH—& SCoA ZE NsooA NADPH DO —3- hidroxibutiril -CoA 3-cetoacil-CoA — redutase NADPH dependente PHA Sintase CoASH Ro li CHs 7 To CE em o en Polihidroxibutirato - P(3HB ) A dosagem da PHA sintase nos informa o peso molecular do polimero formado ,porem não é facil dosar esta enzima in vivo, metodologias indiretas são utilizadas para este fim. A PHA sintase é a chave para a biossíntese de PHAs ,uma vez que sua especificidade pelo substrato define a natureza estrutural do polímero obtido.  Biossíntese do copolímero P(HB —- co —3HV) Ácido Propiônico Carboidratos CoASH + ATP Acil COA sintetase RES Ema - CH; —CH;—c o o o SCoA cry —cíácoa o — cÃÃcoa cH;—CÊ-sCcoa Propiônil-CoA CoAsH E 3 cetovaleril COA CoAsH / /º B- cetotiolase CHi—CHy—E Ser — 7 o 2H —C — cH,—C NADPH eae R “=scoA NADP D (-) 3 —hidroxivaleril -CoA NADP” de NA DEE dependente É ip CoASH PHA Sintase H Pedi cH i 3 2H —CH— cCH;— PHA Sintase “Nseoa CH , 3 CH D(- —3- hidroxibutiril -CoA | Il | Fi Re — EH ci CH. co Sem ho en. P € 3HB -. co - 3HV 5  Determinações analíticas  Biomassa ( total e residual )  Concentração das Fontes de Carbono ( Substratos: Carboidratos e ácidos carboxílicos )  Concentração de nitrogênio amoniacal  Quantificação do polímero ( teor e composição )  Análise cinética:  Velocidade específica de crescimento máxima  Produtividade de polímero Técnicas mais utilizadas :  Cromatografia Gasosa  HPLC  Análise Gravimétrica  Espectrofotometria  DSC As enzimas importantes para esta biossíntese são:    cetotiolase •3-cetoacil-CoA redutase NADPH dependente •PHA sintase   Com fartura de nutrientes os níveis de acetil-CoA estarão altos porem com limitação de nutrientes ,os níveis de CoA se reduzem e desencadeiam a síntese de PHA ,que é um material de reserva energética para a célula bacteriana. A Cupriavidus necator pode ser usada para produção de vários outros biopolímeros, variando-se os substratos e as condições ambientais.   O Methylobacterium extorque sintetiza P(3HB) a partir de etanol e P(3HB-co-3HV) a partir de metanol e valerato. A dosagem de PHA sintase é função do peso molecular do polimero formado ,contudo é dificil dosar a enzima in vivo .     .)Pr./3( .Pr. .Pr.. opAHV opA HV opAHV Ytg tg               X S r opA AdopA r opA HV AcHV r HV dt Xd Xdt Xd dt Sd Xdt Sd dt Pd Xdt Pd dt Pd Xdt Pd                                 ][1][ ][1][ ][1][ ][1][ .Pr. .Pr..Pr. Velocidades especificas de Formação dos blocos ( meros ) de HB e HV          S P Y SP )/(f (HV) = ocessoopA HV S P Pr.)Pr.( )( ][ [ .74074,0           f (HV) = f (HV) =   .Pr..Pr./3 /35,1 opAopAHV ggY  Teórico SHAMPOO COM BIOPOLÍMEROS E FILTRO UV - 300 ML PAYOT GRÁTIS UM CONDICIONADOR COM BIOPOLÍMEROS E FILTRO UV - 300 ML PAYOT - EDIÇÃO LIMITADA   Biopolímero Nome Comercial Empresa             Polyhydroxyalkanoate (PHA)                                         (PHB, PHBV)           Biopol                     Monsanto-Metabolix (USA)*                                         (PHB, PHBV)          Metabolix                      Metabolix/ADM (USA)                                         (PHB, PHBV)           Enmat                            Tianan (China)                                         (PHB, PHBV)           Biocycle                           Copersucar (Brazil)                                         (PHB, PHBV)          Biomer L                          Biomer (Germany)                      (PHBHx, PHBO, PHBOd)          Nodax                        Procter & Gamble (USA)               Poly(lactic acid) (PLA)              Natureworks                   Cargill-Dow LLC (USA)                                                                        Lacty                             Shimadzu (Japan)                                                                        Lacea                         Mitsui Chemicals (Japan)                                                                        Heplon                            Chronopol (USA)                                                                        CPLA                     Dainippon Ink Chem. (Japan)                                                                         Eco Plastic                        Toyota (Japan)                                                                        PLA                               Galactic (Belgium)                                                                       Treofan                           Treofan (Netherland)                                                                        L- PLA                          Purac (Netherland)                                                                       Ecoloju                          Mitsubishi (Japan)                                                                       Biomer L                          Biomer (Germany) EXTRATÉGIAS DE MARKETING Fatores Principais que afetam o Custo do Produto Final • Etapas de “Down Stream” • Custo dos Substratos ( M.P. ) • Custos de energia Estuda-se minimização de custos na etapa de “Down Stream” Bactérias gram-positivas facilitam o processo de down stream pois em sua maioria não apresentam toxinas nocivas ao homem,contudo sua produtividade em PHA é menor. Sistemas de produção em regime contínuo certamente levarão a maiores rendimentos e menores custos,no entanto necessita-se maior grau de otimização e maiores malhas de controle. CONCLUSÃO • É possível minimizar custos da produção de PHAs pela seleção criteriosa de matéria prima e com a utilização de consórcios bacterianos e/ou microrganismos recombinantes. •O uso de microrganismos recombinantes torna possível maior flexibilidade de substratos •O uso de efluentes e certos resíduos industriais pode minimizar custos e tornar os PHAs mais populares o que poderá repercutir positivamente no meio ambiente •Na etapa de “down stream” a remoção de solventes e purificação do biopolimero são as etapas mais criticas e onerosas •O bioplástico Deve estar isento de toxinas bacterianas e solventes,pois deve ser imunocompativel com os organismos vivos e biodegradável •A Aplicação em biomedicina e engenharia tecidual requer elevado controle de qualidade e programação do tempo de biodegradação ,que deve ser igual ou próximo ao tempo de regeneração tecidual. Compósitos biodegradáveis e copolímeros tipo P(3HB-co-3HV) e outros são utilizados .