UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS Produção de Polyhidroxialcanoatos Cristiane da Costa Erika Patrícia Arnosti Fabian Netto Cantoni Professor: Agenor Furigo Júnior

2. Histórico • 1920 – 1ª determinação da composição de PHA’s por Maurice Lemoigne • 1974 - Descobertos outros hidroxialcanoatos (HA) • 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

3. Introdução O estudo de polímeros biodegradáveis se dá devido: • Ao esgotamento das fontes de combustíveis fósseis. • À grande geração de resíduos de origem petroquímica. • E ao seu acúmulo (impacto ambiental).

4. Geração de resíduos petroquímico: No Mundo • 100 milhões de toneladas anuais. No Brasil • 2,2 milhões de toneladas anuais. • 40% destinadas à fabricação de embalagens. • 51 mil toneladasde plásticos/dia. • 19% do total de lixo gerado. • Apenas 17,5 % é reciclado.

5. Polihidroxialcanoatos (PHA’s) • Reserva de carbono e energia acumulados no interior das células por microrganismos (Dawes e Senior, 1973); • Características semelhantes aos plásticos petroquímicos (Sartori, 1998); • Materiais biodegradáveis e biocompatíveis; • Os polímeros mais estudados são : P(3HB) e o copolímero P(3HB-co-3HV).

6. Polihidroxialcanoatos (PHA’s) • Polihidroxibutirato (PHB): • formado a partir de açúcares, ácido orgânicos e outros; • Poli(hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) P(HB-co-HV): • necessidade de um precursor (Ex.:ácido propiônico); Figura 1: Estrutura do co-polímero P(HB-co-HV)

7. Estes biopolímeros destacam-se por serem: • Biodegradáveis; • Biocompatíveis; • Atóxicos; • Insolúveis em água; • Produzidos através de recursos renováveis; • Propriedades termoplásticas, características físicas e mecânicas semelhantes às do polipropileno.

8. Propriedades e Características dos PHAs Polipropileno Propriedades P(3HB) P(HB - HV) º Ponto de fusão ( 175 145 C) 176 Cristalinidade (%) 80 40 70 Tensão de 40 32 38 cisalhamento (Mpa) Resistência à 6 - 400 Ruptura (%) Dados adaptados de (Holmes, 1988; Gagnon, et al .,1992;King, 1982). Tabela 1. Propriedades do PHAs X Polipropileno

9. Biodegradabilidade Tabela 2: Biodegradação de um filme de 1mm de PHA Fonte: Luzier, 1992.

10. Degradação de frascos de P(3HB-co-3HV) em água de esgoto Fonte: MADISON e HUISMAN, 1999.

11. Fonte: Metabolix, 2001

12. Microrganismos produtores de PHAs • Existem mais de 300 microrganismos diferentes. • Para produção em escala industrial: • Azotobactervinelandii; • Alcaligenes latus; • Algumas espécies de metilotróficos; • Microrganismos recombinantes como R. eutropha recombinante e Escherichia coli recombinante.

13. Ralstonia eutropha • Microrganismo mais utilizado; • Pode acumular mais de 80% da sua massa seca como polímero; • Facilidade de cultivo em substratos renováveis (Ramsay et al., 1990).

14. Produção dos PHA’s • Fase de crescimento: acúmulo de biomassa R. eutropha em fase de crescimento

15. Produção dos PHA’s • Fase de produção: acúmulo de polímero R. eutropha em fase de produção

16. SUBSTRATO Metabolismo em R. eutropha Acetil-CoA Crescimento balanceado Excesso de carbono Energia Oxigênio Fósforo Enxofre Nitrogênio Limitação P(3HB) Material celular Fonte: Byrom, 1987.

17. Condições de Cultivo • Frascos agitados ou biorreatores • Batelada Alimentada; • Duração:24h a 30h; • Temperatura: 30ºC; • pH: 7,0.

18. Equipamentos utilizados Fonte: Squio, 2003

19. Determinações analíticas • Biomassa • Fonte de Carbono • Quantificação do polímero • Análise cinética: • Velocidade específica de crescimento máxima • Produtividade de polímero

20. Crescimento em bagaço de maçã

21. Produção industrial • Nos EUA (Metabolix): • batelada alimentada • acúmulo de mais de 75% em polímero • Na Áustria: • bactéria Alcaligenes latus DSM 1124 • acúmulo de mais de 80% em polímero • batelada alimentada - sacarose como fonte de carbono • No Brasil (PHB Industrial): • R. eutropha a partir de açúcar invertido • aproveitando os subprodutos das usinas de cana (energia) 3 kg de açúcar + 17,1 kg de bagaço 1 kg de P(3HB)

22. Aplicações dos PHA’s • Possibilidade de substituição dos plásticos petroquímicos convencionais; • Área médica: • materiais osteosintéticos e suturas cirúrgicas; • matriz para liberação lenta de drogas, hormônios. • Fabricação de bens descartáveis e de durabilidade menor; • Embalagens; • Tecnologia de Extrusão / Termoformagem.

23. Conclusão • Ampla área de aplicação • Utilização de resíduos como substrato • Diminuição do custo de produção • Melhoramento do processo