Plásticos biodegradáveis

Tecnologia e informação
a serviço da sociedade
PLÁSTICOS BIODEGRADÁVEIS
Maria Filomena de Andrade Rodrigues ([email protected])
Centro de Tecnologia de Processos e Produtos
Laboratório de Biotecnologia Industrial
Plásticos biodegradáveis
• Vários materiais com propriedades termoplásticas
(PLA, PCL, PHA, etc).
• PHAs: poliésteres acumulados por diversas
bactérias como reserva de carbono e energia.
Plásticos biodegradáveis a partir de
cana de açúcar
Polihidroxialcanoatos - PHA
• Grânulos intracelulares;
•Matérias-primas renováveis;
•Biodegradabilidade;
•Biocompatibilidade;
•propriedades termoplásticas;
•Variabilidade da composição
monomérica
PHA - fórmula geral
n = 1 3-hidroxialcanoatos
n = 2 4-hidroxialcanoatos
n = 3 5-hidroxialcanoatos
n = 4 6-hidroxialcanoatos
n = 0 ou n > 4 ainda não detectado
R = cadeia lateral contendo de 0 a 13 átomos de carbono
Tipos de monômeros
constituintes de
Polihidroxialcanoatos
(PHA)
PHA - Biossíntese
Matérias primas renováveis
•Sacarose, glicose, frutose
•Xilose+glicose
•Lactose
• Glicerol, ácidos graxos, óleos vegetais
• Co-substratos (acetato, propionionato)
Microrganismos produtores de PHA
Ralstonia eutropha
Burkholderia cepacia
Burkholderia sacchari
Methylobacterium extorquens
Rhodobacter sphaeroides
Rhodococcus ruber
Pseudomonas aeruginosa
Pseudomonas oleovorans
Pseudomonas putida
Rhodospirillum rubrum
Allochromatium vinosum
Thiocapsia pfennigii,
Aeromonas caviae
Produção de PHAs
Bactéria
R. eutropha
R. eutropha
P. putida
P. putida
B. cepacia
Substrato
Glicose
Glicose + ácido propiônico
Glicose
Óleos vegetais
Sacarose
PHA
P3 HB
P3 HB-co-3 HV
PHAsMCL
PHAsMCL
P3 HB-co-3 HPE
Propriedades Termoplásticas de
P3HB e P3HB-co-3HV
PHB
P3HB-co-3HV
Polipropileno
Temperatura de fusão
(°C)
180
140
170
Cristalinidade (%)
60 - 80
-
-
Densidade (c cm-3)
1,250
-
-
Módulo de elasticidade
(Gpa)
3,5
1,2
34
Elongação (%)
6
20
400
Limite de resistência
(Mpa)
40
25
-
Sistema Auto-sustentado
Recuperação e purificação de PHA
•extração do polímero com solventes
•lise enzimática da parede celular
Degradação de PHA
•intracelular
•extracelular
Metabolismo
Degradação Extracelular
PHB
Biodegradação (%CO 2 total)
100
Glicose
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
Tempo (dias)
Padrão (Glicose)
Amostra A
Inibição
Avaliação da biodegradabilidade por medida do CO2 liberado a partir de
amostra de PHB
RÉGUA DE PHB BIODEGRADADA
Degradação de PHA
Degradação de corpos de
prova em fossa séptica
Integrated PHB, Sugar and Ethanol Mill
CO
Vi
na
ss
e
Ethanol
Molasses
Sugar
Compost Factory
Steam
Electricity
Ethanol
Distillery
Yeast
Bagasse
Solvents
Power
Plant
PHB
Factory
Su
ga
r
Cane
Steam
Electricity
2
Compost
Cane
Fields
El Stea
ec m
tri
cit
y
lar
So erg
En
y
ar
g
Su
PHB
Copersucar Technology Center
Propriedades e aplicações dos PHAs
Aplicações dos PHA
Indústria de plástico
embalagens e produtos de descarte rápido
Medicina
confecção de suturas cirúrgicas,
material de ligaduras e curativos
material de apoio, na forma de lâmina, em fraturas ósseas
(usos ortopédicos e como substrato pericardíaco)
Indústria Farmacêutica
cápsulas ou sistemas de liberação de controle de drogas
os PHA são regulares do ponto de vista estereoquímico
Indústria química
obtenção de substâncias químicas enantioméricas,
Plástico Biodegradável
îDiferentes biopolímeros (PHB,
PHB/HV, PHPE, PHA MCL)
îmatérias-primas renováveis
(cana-
Célula bacteriana
com biopolímero
de-açúcar, óleos, bagaço e resíduos)
îDiferentes aplicações
Scaffolds para engenharia de tecido
Commodities
Liberação controlada de fármacos
Potencial de substituição dos polímeros sintéticos
Materiais
PVC
PE-HD
PE-LD
PP
PS
PMMA
PA
PET
PC
Polímeros de
amido
-
+
+
+
+
-
-
-
-
PLA
-
+
-
+
+
-
+
+
-
PTT
-
-
-
+
-
-
++
++
+
PBT
-
-
-
++
-
-
+
++
+
PHB
-
+
-
++
+
-
-
-
-
PHB/HHx
+
++
++
++
+
-
-
+
-
++ substituição completa;
+ substituição parcial;
- não substituição.
PVC: cloreto de polivinila
PE-HD: polietileno de alta densidade
PE-LD: polietileno de baixa densidade
PBT: polibutileno tereftalato
PP: polipropileno
PS: poliestireno
PMMA: polimetil metacrilato
PA: poliamida
PET: polietileno tereftalato
PC: policarbonato
PTT: politrimetileno tereftalato
PHAs
Estratégias de desenvolvimento.
Objetivo
Redução de custos de produção
Controle do peso molecular
•
•
•
•
•
•
•
Estratégias
Isolamento de novas bactérias
Obtenção de mutantes mais eficientes na conversão
de substratos de nos polímeros desejados
Uso de fontes de carbono de baixo custo
Alta densidade celular
Desenvolvimento de cultivos em reatores Airlift
Controle do fluxo de substratos e outras variáveis de
processo
Obtenção
de
mutantes
alterados
na
despolimerização
Utilização de enzimas e surfactantes
Processos de separação mais •
brandos
Obtenção de PHA com outras • Novos substratos
composições
• Novas estratégias de cultivo
• Modificações genéticas
Novos polímeros
• Isolamentos de bactérias
• Modificações químicas
Biorreator
Alta Densidade
4,0
(gPHA/L.h)
Produtividade em bioplástico
Plástico Biodegradável
Eng. Genética
3,0
2,0
1,0
Shaker
Biorreator
Mutante
Biorreator
"Fedbatch"
Mutante
0,0
1
2
3
Tecnologia
4
EQUIPE IPT
Alfredo Eduardo Maiorano
Antonio Bonomi
Celso Lellis Bueno Netto
Diogo Ardaillon Simões
Elda Sabino da Silva
José Geraldo da Cruz Pradella
José Gregório Cabrera Gomez
José Márcio Carter
Luiziana Ferreira da Silva
Margaretti Simões Oliveira
Maria Filomena de Andrade Rodrigues
Maria Inês Ré
Marilda Keico Taciro
Marisa Zuccolo
Rita de Cássia Paro Alli
Apoio
Finep
CNPq
Fapesp
Iniciativa privada