Professora: Flávia Duta PimentaProfessora: Flávia Duta Pimenta

I - POLÍMEROSI - POLÍMEROS• Podem ser definidos quimicamente como Podem ser definidos quimicamente como moléculas, naturais ou sintéticas, de natureza moléculas, naturais ou sintéticas, de natureza orgânica ou inorgânica, e de alto peso molecular, orgânica ou inorgânica, e de alto peso molecular, acima de 1.000 Daacima de 1.000 Da ;;

• As suas estruturas se caracterizam pela múltipla As suas estruturas se caracterizam pela múltipla repetição de pequenas unidades simples, repetição de pequenas unidades simples, denominadas monômeros, ligadas entre si através denominadas monômeros, ligadas entre si através de ligações covalentes, ou seja, por de ligações covalentes, ou seja, por compartilhamento de elétrons;compartilhamento de elétrons;

• O processo pelo qual os monômeros são ligados O processo pelo qual os monômeros são ligados entre si para formar os polímeros é conhecido entre si para formar os polímeros é conhecido como polimerização;como polimerização;

• Podem ser encontrados por toda parte. Podem ser encontrados por toda parte.

• Ácidos nucléicos, proteínas, polissacarídeos, Ácidos nucléicos, proteínas, polissacarídeos, polihidroxialcanoatos, polifenóis, polifosfatos e polihidroxialcanoatos, polifenóis, polifosfatos e polissulfetos são exemplos de macromoléculas polissulfetos são exemplos de macromoléculas naturais orgânicas. Nesta categoria incluem-se naturais orgânicas. Nesta categoria incluem-se algodão, madeira, lã, cabelo, couro, seda natural, algodão, madeira, lã, cabelo, couro, seda natural, chifre, unha, borracha de seringueira, entre chifre, unha, borracha de seringueira, entre outros. outros.

• O poliestireno e o náilon são exemplos de O poliestireno e o náilon são exemplos de produtos macromoleculares naturais inorgânicos. produtos macromoleculares naturais inorgânicos. Enquanto, o ácido polifosfórico e o poli (cloreto de Enquanto, o ácido polifosfórico e o poli (cloreto de fosfonitrila) são macromoléculas sintéticas fosfonitrila) são macromoléculas sintéticas inorgânicasinorgânicas ;;

II - BIOPOLÍMEROSII - BIOPOLÍMEROS

• Os biopolímeros fazem parte de uma classe Os biopolímeros fazem parte de uma classe especial de polímeros produzidos por organismos especial de polímeros produzidos por organismos vivos. vivos.

• SSão 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.

• Características peculiares: biocompatibilidade, Características peculiares: biocompatibilidade, biodegradabilidade, bioadesividade, não biodegradabilidade, bioadesividade, não toxicidade, larga disponibilidade, baixo custo, toxicidade, larga disponibilidade, baixo custo, alta viscosidade em baixa concentração, alta viscosidade em baixa concentração, propriedades gelificantes, elevada solubilidade propriedades gelificantes, elevada solubilidade em água; em água;

• Aplicação: emulsificantes, estabilizantes, Aplicação: emulsificantes, estabilizantes, espessantes, agentes de suspensão nas indústrias espessantes, agentes de suspensão nas indústrias químicas, alimentícias, farmacêuticas, químicas, alimentícias, farmacêuticas, cosméticos, petroquímica, e têxtil;cosméticos, petroquímica, e têxtil;

• Em relação à origem, as gomas podem ser Em relação à origem, as gomas podem ser provenientes de:provenientes de:

plantas, subdividindo-se em estruturais plantas, subdividindo-se em estruturais (amido, celulose, hemicelulose, pectina) e (amido, celulose, hemicelulose, pectina) e exudatos (goma arábica, goma caraia);exudatos (goma arábica, goma caraia);

sementes (goma guar, locusta);sementes (goma guar, locusta);

algas marinhas (ágar, alginatos, carragenana); algas marinhas (ágar, alginatos, carragenana); e;e;

microrganismos (dextrana, xantana, pululana, microrganismos (dextrana, xantana, pululana, gelana) gelana)

Polissacarídeo Microrganismo Aplicações

Xantana Xanthomonas campestris Espessante, emulsificante, estabilizante, agente de suspensão

Dextrana Acetobacter sp.

Leuconostoc/Streptococcus mutans

Expansor sangüíneo; embalagens para alimentos

Acetana Acetobacter xylinum Agente gelificante

Curdlana Alcaligenes faecalis Agente gelificante

Gelana Sphingomonas elodea Agente gelificante

Escleroglucana Sclerotium glutanicum Recuperação de petróleo

Pululana Aureobasidium pullulans Material plástico

Succinoglicana Rhizobium; Agrobacterium;Pseudomonas

Estabilizante de emulsão, suspensão e espessante

Tabela 1 - Tabela 1 - Biopolímeros microbianos e algumas Biopolímeros microbianos e algumas aplicações industriaisaplicações industriais

• Atualmente, os polissacarídeos extraídos de Atualmente, os polissacarídeos extraídos de plantas e algas marinhas ainda dominam o plantas e algas marinhas ainda dominam o mercado de biopolímeros devido ao baixo custo de mercado de biopolímeros devido ao baixo custo de produção. produção.

• Entretanto, os polissacarídeos mais estudados Entretanto, os polissacarídeos mais estudados nos últimos anos têm sido os de origem nos últimos anos têm sido os de origem microbiana, visto que em comparação com as microbiana, visto que em comparação com as gomas de origem vegetal e de algas marinhas gomas de origem vegetal e de algas marinhas apresentam como principais vantagens:apresentam como principais vantagens:

Produção de polissacarídeo de peso molecular Produção de polissacarídeo de peso molecular e pureza controlados, uma vez que a biossíntese e pureza controlados, uma vez que a biossíntese é específica; é específica;

Eliminação de variações climáticas e Eliminação de variações climáticas e geográficas que podem afetar as propriedades geográficas que podem afetar as propriedades físicas e disponibilidade de fontes naturais;físicas e disponibilidade de fontes naturais;

Viabilidade de uso de matérias-primas Viabilidade de uso de matérias-primas regionais;regionais;

Alteração potencial das características dos Alteração potencial das características dos microrganismos produtores com o fim de microrganismos produtores com o fim de melhorar a produção ou produzir polissacarídeos melhorar a produção ou produzir polissacarídeos com propriedades especiais. com propriedades especiais.

• Contudo, não podem ser omitidas as Contudo, não podem ser omitidas as desvantagens da produção industrial dos desvantagens da produção industrial dos polímeros microbianos, como: polímeros microbianos, como:

estabelecer as condições ótimas do processo estabelecer as condições ótimas do processo fermentativo; fermentativo;

Necessidade de um rígido controle das Necessidade de um rígido controle das condições de fermentação para obtenção de condições de fermentação para obtenção de produtos com características homogêneas; produtos com características homogêneas;

Elevado custo devido à demanda de capital e Elevado custo devido à demanda de capital e energia.energia.

➦ Podem ser divididos em três tipos principais: Podem ser divididos em três tipos principais:

• Intracelulares ou somáticos:Intracelulares ou somáticos: encontrados no encontrados no interior da membrana citoplasmática na forma de interior da membrana citoplasmática na forma de poli-poli-ββ -hidrobutirato (PHB) ou glicogênio, que -hidrobutirato (PHB) ou glicogênio, que podem ser utilizados pela célula na exaustão da podem ser utilizados pela célula na exaustão da fonte de carbono externa. fonte de carbono externa.

• Estruturais:Estruturais: componentes da estrutura da célulacomponentes da estrutura da célula

• Extracelulares:Extracelulares: depositados no exterior da depositados no exterior da parede celularparede celular

CapsularesCapsulares (CPS) ou (CPS) ou Mucóides livresMucóides livres (EPS) (EPS)

• Capsulares:Capsulares: cápsula firmemente fixada à cápsula firmemente fixada à superfície da célula ( parte da parede celular);superfície da célula ( parte da parede celular);

• Mucóides livres (EPS):Mucóides livres (EPS): material viscoso (slime), material viscoso (slime), excretado e liberado pelo microrganismo (não excretado e liberado pelo microrganismo (não diretamente preso a célula). Os mucóides diretamente preso a célula). Os mucóides solúveis aumentam substancialmente a solúveis aumentam substancialmente a viscosidade do caldo de fermentação e são os viscosidade do caldo de fermentação e são os mais produzidos industrialmente. mais produzidos industrialmente.

1.1. Proteção contra a desidratação ou absorção Proteção contra a desidratação ou absorção muito rápida de água, o que normalmente muito rápida de água, o que normalmente resulta na morte da célula microbiana; resulta na morte da célula microbiana;

2.2. Barreira a sítios específicos na parede Barreira a sítios específicos na parede celular, protegendo a célula contra celular, protegendo a célula contra fagocitose, ou seja, a proteção contra o fagocitose, ou seja, a proteção contra o ataque de amebas, fagócitos, bacteriófagos e ataque de amebas, fagócitos, bacteriófagos e anticorpos;anticorpos;

3.3. Permeabilidade da célula a substâncias Permeabilidade da célula a substâncias químicas, complexando e neutralizando químicas, complexando e neutralizando toxinas carregadas ou íons metálicos tóxicos;toxinas carregadas ou íons metálicos tóxicos;

II.1- Polissacarídeos Extracelulares II.1- Polissacarídeos Extracelulares (EPS)(EPS)

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4.4. Convertem o substrato em excesso num Convertem o substrato em excesso num compostos de difícil metabolismo por outros compostos de difícil metabolismo por outros microrganismos;microrganismos;

5.5. Interação patogênica ou simbiótica específica Interação patogênica ou simbiótica específica com células de animais ou plantas;com células de animais ou plantas;

6.6. Adesão de bactérias a superfícies através de Adesão de bactérias a superfícies através de uma trama viscosa de polissacarídeo uma trama viscosa de polissacarídeo (produção de biofilmes);(produção de biofilmes);

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• Além das bactérias, várias espécies de fungos e Além das bactérias, várias espécies de fungos e leveduras produzem polímeros extracelulares, leveduras produzem polímeros extracelulares, sob condições controladas de fermentação, com sob condições controladas de fermentação, com a vantagem da produção de macromoléculas a vantagem da produção de macromoléculas com propriedades físico-químicas específicas. com propriedades físico-químicas específicas.

• As condições de fermentação (temperatura,pH, As condições de fermentação (temperatura,pH, aeração, agitação, densidade celular, etc.), podem aeração, agitação, densidade celular, etc.), podem ser mantidos sob controle para obtenção de ma ser mantidos sob controle para obtenção de ma variedade de biopolímeros de elevado desempenho variedade de biopolímeros de elevado desempenho e qualidade. e qualidade.

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• XanthomonasXanthomonas campestris;campestris;

• Produção comercial teve início em 1964; Produção comercial teve início em 1964;

• Propriedades reológicas superiores: Propriedades reológicas superiores: pseudoplasticidade, alta viscosidade a baixa pseudoplasticidade, alta viscosidade a baixa concentração, e tolerância para com uma ampla concentração, e tolerância para com uma ampla faixa de pH’s e temperaturas;faixa de pH’s e temperaturas;

• Utilização: gelificante e agente de Utilização: gelificante e agente de estabilização nas indústrias alimentícia, estabilização nas indústrias alimentícia, farmacêu-tica e de óleo; tintas para tecidos e farmacêu-tica e de óleo; tintas para tecidos e carpetes, limpeza de tubulações a gás (como carpetes, limpeza de tubulações a gás (como gel), em explosivos plásticos e em emulsões gel), em explosivos plásticos e em emulsões industriais. industriais.

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AA Figura 1:Figura 1: Unidade química repetida da goma Unidade química repetida da goma xantanaxantana

• Unidade química Unidade química repetida: pentassacarídica repetida: pentassacarídica composta por glucose, composta por glucose, manose e ácido manose e ácido glucurônico (2:2:1), além glucurônico (2:2:1), além dos grupamentos acetila e dos grupamentos acetila e piruvato; piruvato;

• Cadeia principal: Cadeia principal: ββ -D--D-glucose, nasposições 1 e 4;glucose, nasposições 1 e 4;

• Cadeia lateral: ácido D-Cadeia lateral: ácido D-glucurônico, entre glucurônico, entre manoses, ligadas à D-manoses, ligadas à D-glucose na posição C-3glucose na posição C-3

• Produção industrial é realizada em batelada Produção industrial é realizada em batelada (duração aproximada de 80 horas), utilizando-se (duração aproximada de 80 horas), utilizando-se altas aerações e agitações. altas aerações e agitações.

• O meio de cultivo é elaborado com uma fonte O meio de cultivo é elaborado com uma fonte de carbono (glicose ou sacarose), uma fonte de de carbono (glicose ou sacarose), uma fonte de nitrogênio (extrato de levedura, peptona, nitrogênio (extrato de levedura, peptona, nitrato de amônia ou uréia) e sais. nitrato de amônia ou uréia) e sais.

• O pH de cultivo é próximo da neutralidade e a O pH de cultivo é próximo da neutralidade e a temperatura é mantida em torno de 28ºC. temperatura é mantida em torno de 28ºC.

• Quando a fermentação termina, o caldo é Quando a fermentação termina, o caldo é esterilizado e a goma xantana é recuperada por esterilizado e a goma xantana é recuperada por precipitação com álcool isopropílico.precipitação com álcool isopropílico.

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Figura 2 - Figura 2 - Esquema do Esquema do processo de produção de processo de produção de

goma xantana.goma xantana.

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• O custo do meio de fermentação representa O custo do meio de fermentação representa um fator crítico na produção comercial de um fator crítico na produção comercial de xantana e o uso de substratos alternativos xantana e o uso de substratos alternativos mais baratos pode resultar em menor custo do mais baratos pode resultar em menor custo do produto final. produto final.

• Problema importante com a produção: Problema importante com a produção: instabilidade das linhagens de instabilidade das linhagens de X. campestrisX. campestris, , resultando numa variação de peso molecular resultando numa variação de peso molecular do polissacarídeo, assim como no grau de do polissacarídeo, assim como no grau de piruvilação e acetilação. piruvilação e acetilação.

• A construção da A construção da X. campestrisX. campestris geneticamente modificada capaz de utilizar geneticamente modificada capaz de utilizar meios de fermentação mais baratos tem sido meios de fermentação mais baratos tem sido objeto de estudo. objeto de estudo.

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•Do ponto de vista comercial, a goma xantana Do ponto de vista comercial, a goma xantana é o polissacarídeo microbiano mais é o polissacarídeo microbiano mais importante, com uma produção mundial de importante, com uma produção mundial de cerca de 30.000 toneladas por ano, cerca de 30.000 toneladas por ano, movimentando um mercado de movimentando um mercado de aproximadamente 408 milhões de dólares. aproximadamente 408 milhões de dólares.

• As principais indústrias produtoras de As principais indústrias produtoras de xantana são Kelco (EUA), Rhône-Poulenc xantana são Kelco (EUA), Rhône-Poulenc (França), Pfizer (EUA) e Mero-Rousselot-Santia (França), Pfizer (EUA) e Mero-Rousselot-Santia (França). (França).

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• O termo dextrana coletivamente descreve O termo dextrana coletivamente descreve uma grande classe de homopolissacarídeos uma grande classe de homopolissacarídeos bacterianos extracelulares, constituindo de bacterianos extracelulares, constituindo de unidades de D-glucopiranosil polimerizadas unidades de D-glucopiranosil polimerizadas predominantemente por ligações do tipo predominantemente por ligações do tipo αα --(16); (16);

• Muitos microrganismos sintetizam dextrana Muitos microrganismos sintetizam dextrana a partir da sacarose. No entanto, as estruturas a partir da sacarose. No entanto, as estruturas das moléculas diferem entre si, dependendo das moléculas diferem entre si, dependendo do microrganismo produtor. Várias bactérias, do microrganismo produtor. Várias bactérias, especialmente especialmente Leuconostoc mesenteroidesLeuconostoc mesenteroides, , são comercialmente importantes. são comercialmente importantes.

• Dextrana pode ser utilizada num grande Dextrana pode ser utilizada num grande número de aplicações no campo biomédico e número de aplicações no campo biomédico e farmacêutico, como modificadores de farmacêutico, como modificadores de viscosidade, matrizes para a imobilização de viscosidade, matrizes para a imobilização de enzimas e drogas, e materiais para suportes em enzimas e drogas, e materiais para suportes em cromatografia hidrofóbica. cromatografia hidrofóbica.

• Tem a vantagem de ser metabolizada Tem a vantagem de ser metabolizada naturalmente, não ser tóxica, nem provocar naturalmente, não ser tóxica, nem provocar reações no organismo. reações no organismo.

• Apresenta, como hidrofobicidade, estabilidade Apresenta, como hidrofobicidade, estabilidade e capacidade de formar soluções claras e e capacidade de formar soluções claras e estáveis, além de ser derivado de fontes estáveis, além de ser derivado de fontes renováveis.renováveis.

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• Aplicações mais bem sucedidas de dextrana, Aplicações mais bem sucedidas de dextrana, destacam-se: destacam-se:

a) Indústria farmacêutica: como expansor a) Indústria farmacêutica: como expansor volumétrico do plasma sanguíneo e dextrana volumétrico do plasma sanguíneo e dextrana ferro utilizado no tratamento de anemia; ferro utilizado no tratamento de anemia;

b) Indústria de petróleo: utilizado para compor a b) Indústria de petróleo: utilizado para compor a lama de perfuração e também na recuperação lama de perfuração e também na recuperação secundária de petróleo; secundária de petróleo;

c) Indústria de alimentos: como espessante, c) Indústria de alimentos: como espessante, gelificante, inibidor de cristalização, invólucros gelificante, inibidor de cristalização, invólucros etc; etc;

d) Indústria química: na fabricação do d) Indústria química: na fabricação do Sephadex, muito utilizado em cromatografia. Sephadex, muito utilizado em cromatografia.

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Figura 3 - Figura 3 - Estrutura molecular da dextrana Estrutura molecular da dextrana

• Acetobacter xylium;Acetobacter xylium;

• Características estruturais e Características estruturais e físico-químicas semelhantes a físico-químicas semelhantes a xantana;xantana;

• Propriedades reológicasPropriedades reológicas

GOMA ACETANAGOMA ACETANA

• Alcaligenes faecalis Alcaligenes faecalis elagumas espécies de elagumas espécies de Agrobacterium;Agrobacterium;

• Geleificante em ração Geleificante em ração animal, ligante para tabaco e animal, ligante para tabaco e como agente inibidor de como agente inibidor de enzimas; enzimas;

GOMA CURDLANAGOMA CURDLANA

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• Pululana é um polissacarídeo extracelular Pululana é um polissacarídeo extracelular excretado por diversos fungos presentes na excretado por diversos fungos presentes na natureza, não tóxicos e não patogênicos, natureza, não tóxicos e não patogênicos, principalmente pelo fungo principalmente pelo fungo Aureobasidium Aureobasidium pullulan;pullulan;

Figura 4 - Figura 4 - Camada de pululana sintetizada Camada de pululana sintetizada pelo fungo pelo fungo A. pullulanA. pullulan

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• Possuem alto peso molecular e se dissolvem Possuem alto peso molecular e se dissolvem em sistemas aquosos produzindo soluções cujo em sistemas aquosos produzindo soluções cujo comportamento reológico depende da cepa comportamento reológico depende da cepa microbiana e da duração do processo microbiana e da duração do processo fermentativo;fermentativo;

• Boa capacidade para a produção de filmes Boa capacidade para a produção de filmes com alta resistência mecânica, atóxicos, não-com alta resistência mecânica, atóxicos, não-digestíveis, e com baixa permeabilidade a digestíveis, e com baixa permeabilidade a gases, adequados para o uso como invólucros gases, adequados para o uso como invólucros de produtos alimentícios e fármacos. de produtos alimentícios e fármacos.

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• Sintetizadopor alguns fungos do gênero Sintetizadopor alguns fungos do gênero Sclerotium;Sclerotium;

• Soluções aquosa apresentam alta Soluções aquosa apresentam alta viscosidade, estável mesmo a altas viscosidade, estável mesmo a altas temperaturas e variações extremas de pH;temperaturas e variações extremas de pH;

• Potencial utilização para o uso de Potencial utilização para o uso de recuperação do petróleo, principalmente no recuperação do petróleo, principalmente no caso de reservatórios altamente salinos. caso de reservatórios altamente salinos.

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• Constituída pelas gomas gelana, welana, Constituída pelas gomas gelana, welana, ransanaransana;;

• Goma gelana: no estado nativo forma um Goma gelana: no estado nativo forma um gel macio e elástico, que após desacetilação gel macio e elástico, que após desacetilação produz um gel rígido e estável (decorrência produz um gel rígido e estável (decorrência das interações intermoleculares);das interações intermoleculares);

• Potencial substituto do ágar, possuindo Potencial substituto do ágar, possuindo aplicações como espessante e agente de aplicações como espessante e agente de suspensão. suspensão.

• Polissacarídeo microbianos desenvolvidos Polissacarídeo microbianos desenvolvidos pela indústria: pela indústria:

Succinoglicanas (EPS I): polissacarídeo Succinoglicanas (EPS I): polissacarídeo aniônico ramificado, sintetizado por espécies do aniônico ramificado, sintetizado por espécies do gêneros gêneros AlcaligenesAlcaligenes, , PseudomonasPseudomonas, , AgrobacteriumAgrobacterium e e Rhizobium;Rhizobium;

Galactoglucanas (EPS II): alto teor de ácido Galactoglucanas (EPS II): alto teor de ácido pirúvico, sintetizado por espécies do gêneros pirúvico, sintetizado por espécies do gêneros Pseudomonas, AgrobacteriumPseudomonas, Agrobacterium e e Rhizobium.Rhizobium.

RREEOOLLOOGGIIAA

I.4 - Comportamento Reológico dos I.4 - Comportamento Reológico dos Polissacarídeos em SoluçãoPolissacarídeos em Solução

• Para um biopolímero microbiano ter uma boa Para um biopolímero microbiano ter uma boa aplicabilidade, este deve possuir: aplicabilidade, este deve possuir:

propriedades reológicas interessantes e propriedades reológicas interessantes e contínuas durante mudanças em temperatura, pH contínuas durante mudanças em temperatura, pH e força iônica;e força iônica;

ter composição química compatível com o ter composição química compatível com o metabolismo humano;metabolismo humano;

aprovação prévia dos órgãos competentes, por aprovação prévia dos órgãos competentes, por meio de um rigoroso controle de qualidade, para meio de um rigoroso controle de qualidade, para ser utilizado em produtos para consumo humano, ser utilizado em produtos para consumo humano, como alimentos, fármacos e cosméticos. como alimentos, fármacos e cosméticos.

• Reologia: ciência que se preocupa com a Reologia: ciência que se preocupa com a descrição das propriedades mecânicas dos descrição das propriedades mecânicas dos materiais sob várias condições de deformação; materiais sob várias condições de deformação;

• Através da reologia pode-se avaliar duas Através da reologia pode-se avaliar duas componentes que atuam na deformação de um componentes que atuam na deformação de um material: elasticidade e a viscosidade;material: elasticidade e a viscosidade;

• O estudo da viscosidade é um ramo da reologia.O estudo da viscosidade é um ramo da reologia.

RREEOOLLOOGGIIAA

• A medida da viscosidade é a medida da A medida da viscosidade é a medida da resistência ao movimento das várias camadas resistência ao movimento das várias camadas ideais paralelas de um fluido, quando sob ação ideais paralelas de um fluido, quando sob ação de uma tensão (força) deformante; de uma tensão (força) deformante;

γτη =

ττ →→ tensão de cisalhamentotensão de cisalhamento

γγ →→ velocidade de cisalhamentovelocidade de cisalhamento

Unidades: CGS Unidades: CGS →→ Poise Poise

SI SI →→ Pascal Pascal

RREEOOLLOOGGIIAA

I.4.1 - Escoamento de Sistemas Dispersos I.4.1 - Escoamento de Sistemas Dispersos

ττ

γγ

Fluido NewtonianoFluido Newtoniano

• ττ função linear de função linear de γγ

• Viscosidade independe da Viscosidade independe da γγ

ττ

γγ

Fluido Não- NewtonianoFluido Não- Newtoniano

• ττ função não-linear de função não-linear de γγ

• Viscosidade a uma dada T Viscosidade a uma dada T P e t, é função da P e t, é função da γγ , ,

RREEOOLLOOGGIIAA

1) Comportamento Pseudoplástico1) Comportamento Pseudoplástico

• ↓↓ da viscosidade com o da viscosidade com o ↑↑ da velocidade de da velocidade de cisalhamento;cisalhamento;

• Orientação das moléculas na direção do fluxo, Orientação das moléculas na direção do fluxo, deformação das cadeias flexíveis e diminuição dos deformação das cadeias flexíveis e diminuição dos entrelaçamentos moleculares;entrelaçamentos moleculares;

• Polímeros sintéticos no seu estado fundido, Polímeros sintéticos no seu estado fundido, soluções aquosas de polissacarídeos, pigmentos, soluções aquosas de polissacarídeos, pigmentos, maionese, acetato de celulose.maionese, acetato de celulose.

RREEOOLLOOGGIIAA

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 100 200 300 400 500

Taxa de deformação (1/s)

Vis

cosi

dad

e (C

p)

BBIIOOPPLLÁÁSSTTIICCOOSS

I.5 - Processos de Produção de I.5 - Processos de Produção de BioplásticosBioplásticos

• Existem hoje descritos vários materiais que Existem hoje descritos vários materiais que podem ser produzidos, pelo menos em parte, a podem ser produzidos, pelo menos em parte, a partir de matérias primas renováveis e que são partir de matérias primas renováveis e que são biodegradáveis, ou parcialmente biodegradáveis, biodegradáveis, ou parcialmente biodegradáveis, em ambientes microbiologicamente ativos. em ambientes microbiologicamente ativos.

• Dado a enorme diversidade destes materiais Dado a enorme diversidade destes materiais iremos nos concentrar naqueles que já estão iremos nos concentrar naqueles que já estão sendo produzidos em escala comercial ou sendo produzidos em escala comercial ou semicomercial (piloto). semicomercial (piloto).

Tabela 2 - Tabela 2 - Principais famílias de bioplásticos Principais famílias de bioplásticos

• Amido: polissacarídeo de reserva de plantas Amido: polissacarídeo de reserva de plantas superiores e compreende duas frações: superiores e compreende duas frações:

amilose que é uma cadeia linear, insolúvel em amilose que é uma cadeia linear, insolúvel em água, composta de unidades de glicose ligadas água, composta de unidades de glicose ligadas por ligações por ligações αα ,1-4 glicosídicas e amilopectina,,1-4 glicosídicas e amilopectina,

unidades de glicose mas contendo um alto unidades de glicose mas contendo um alto nível de ligações cruzadas 1-6 entre um grupo nível de ligações cruzadas 1-6 entre um grupo hidroxila de uma cadeia de glicose e o carbono 6 hidroxila de uma cadeia de glicose e o carbono 6 da glicose de outra cadeia. da glicose de outra cadeia.

I.5.1 - POLÍMEROS DE AMIDOI.5.1 - POLÍMEROS DE AMIDO

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(a)

(b)

Figura 5 -Figura 5 - Estrutura de amilose Estrutura de amilose (a)(a) e amilopectina e amilopectina (b)(b) componentes do amido. componentes do amido.

• O amido se localiza nas células de plantas e é O amido se localiza nas células de plantas e é armazenado em formas de grânulos. armazenado em formas de grânulos.

• Esses grânulos do amido nativo possuem Esses grânulos do amido nativo possuem propriedades hidrofílicas, mas seu propriedades hidrofílicas, mas seu processamento é prejudicado, pois sua processamento é prejudicado, pois sua temperatura de fusão é acima de sua temperatura de fusão é acima de sua temperatura de degradação. temperatura de degradação.

• Devido ao seu baixo custo e alta Devido ao seu baixo custo e alta disponibilidade, o amido tem sido bastante disponibilidade, o amido tem sido bastante estudado no sentido de ser modificado ou estudado no sentido de ser modificado ou misturado com outras substâncias químicas para misturado com outras substâncias químicas para melhoramento de sua processabilidade, melhoramento de sua processabilidade, formando uma família bastante versátil de formando uma família bastante versátil de bioplásticos. bioplásticos.

AMIDO DESESTRUTURADO OU GELATINIZADO: AMIDO DESESTRUTURADO OU GELATINIZADO:

• Material termoplástico obtido por um rearrajo Material termoplástico obtido por um rearrajo molecular (desestruturação das cadeias do molecular (desestruturação das cadeias do amido), quando o amido é extrudado em amido), quando o amido é extrudado em extrusoras simples ou de dupla rosca com extrusoras simples ou de dupla rosca com plastificantes;plastificantes;

AMIDO COMPLEXADO: AMIDO COMPLEXADO:

• Amido desestruturado misturado com outros Amido desestruturado misturado com outros polímeros advindos do petróleo (álcool polímeros advindos do petróleo (álcool polivinílico e policaprolactona) ou cm outros polivinílico e policaprolactona) ou cm outros bioplásticos; bioplásticos;

AMIDOS MODIFICADOS: AMIDOS MODIFICADOS:

• Uso de métodos químicos para substituir parte Uso de métodos químicos para substituir parte dos radicais-OH das cadeias de amilose e dos radicais-OH das cadeias de amilose e amolopectina por grupos éter ou éster. amolopectina por grupos éter ou éster.

AplicaçõesAplicações• Filmes para recobrimento e embalagem de alimentosFilmes para recobrimento e embalagem de alimentos

• Filmes comestíveisFilmes comestíveis

• Material de enchimento para embalagensMaterial de enchimento para embalagens

• Filmes para sacos de lixoFilmes para sacos de lixo

• Utensílios de uso doméstico ( potes ,copos, pratos,etc)Utensílios de uso doméstico ( potes ,copos, pratos,etc)

• Aplicações na industria automobilísticaAplicações na industria automobilística

• Aplicações na industria de cosméticosAplicações na industria de cosméticos

• Aplicações na industria de alimentosAplicações na industria de alimentos

• Placas rígidas Placas rígidas

Embalagem para Cenouras – Empresas - G m b H e IB A W

( )A le m a n h a

I.5.2 - POLILACTATOS (PLA)I.5.2 - POLILACTATOS (PLA)

• Polilactatos são poliésteres alifáticos obtidos Polilactatos são poliésteres alifáticos obtidos por polimerização do ácido lático que pode ser por polimerização do ácido lático que pode ser encontrado na forma de dois isômeros ópticos: o encontrado na forma de dois isômeros ópticos: o L- e D-ácido lático. L- e D-ácido lático.

Figura 6 -Figura 6 - Estrutura molecular de PLA Estrutura molecular de PLA

PPOOLLIILLAACCTTAATTOOSS--

PLAPLA

• Produção em Escala Industrial Produção em Escala Industrial 1994 1994

• Principais Empresas :Principais Empresas :

DuPont DuPont

Coors Brewing Coors Brewing

Dow ChemicalDow Chemical

Cargill –1994 ( 6000 ton/ano)Cargill –1994 ( 6000 ton/ano)

Cargill –Dow LLC ( Joint Venture ) - 2000Cargill –Dow LLC ( Joint Venture ) - 2000

100000 ton/ano ( produção de 2003 )100000 ton/ano ( produção de 2003 )

PPOOLLIILLAACCTTAATTOOSS--

PLAPLA

PPOOLLIILLAACCTTAATTOOSS--

PLAPLA

• Inicialmente o amido é extraído da biomassa e Inicialmente o amido é extraído da biomassa e convertido a açúcar por hidrólise enzimática ou convertido a açúcar por hidrólise enzimática ou ácida e o caldo açucarado é fermentado por ácida e o caldo açucarado é fermentado por bactérias. bactérias.

• O ácido lático é produzido a partir de piruvato O ácido lático é produzido a partir de piruvato sob condições de limitação de oxigênio, com sob condições de limitação de oxigênio, com conversões tipicamente superiores a 95% para conversões tipicamente superiores a 95% para carboidratos como substrato. carboidratos como substrato.

• A fermentação pode ser conduzida em A fermentação pode ser conduzida em batelada ou em processo contínuo e o ácido na batelada ou em processo contínuo e o ácido na maior parte das vezes necessita ser separado do maior parte das vezes necessita ser separado do caldo fermentado. O processo de purificação caldo fermentado. O processo de purificação mais comum envolve neutralização seguida de mais comum envolve neutralização seguida de filtração, concentração e acidificação. filtração, concentração e acidificação.

• Duas rotas são descritas para converter ácido Duas rotas são descritas para converter ácido lático num polímero de alto peso molecular:lático num polímero de alto peso molecular:

uma rota indireta via lactato resultando no uma rota indireta via lactato resultando no polilactato e polilactato e

outra direta pela polimerização por outra direta pela polimerização por condensação resultando em poli (ácido lático), condensação resultando em poli (ácido lático), sendo ambos os produtos denominados como sendo ambos os produtos denominados como PLA . PLA .

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PLAPLA

Figura 7 -Figura 7 - Processo de Produção de PLA Processo de Produção de PLA

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PLAPLA

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I.5.3 - POLIHIDROXIALCONOATOS (PHA)I.5.3 - POLIHIDROXIALCONOATOS (PHA)

são poliésteres completamente biodegradáveis, são poliésteres completamente biodegradáveis, além de serem biocompatíveis, podendo ser além de serem biocompatíveis, podendo ser biossintetisados por bactérias a partir de biossintetisados por bactérias a partir de diversas fontes de carbono renováveis ou não-diversas fontes de carbono renováveis ou não-renováveis ou por plantas geneticamente renováveis ou por plantas geneticamente modificadas. modificadas.

Figura 8 -Figura 8 - Molécula de PHA Molécula de PHA

PPOOLLIILLHHIIDDRROOXXIIAALLCCAANNOOAATTOOSS

Figura 9 -Figura 9 - Microfotografia mostrando microgranulos de Microfotografia mostrando microgranulos de polihidroxibutirato no interior das células bacterianas polihidroxibutirato no interior das células bacterianas

Figura 6 - Duas células de Burkholderia sacchari

Bactéria Produtora de biopolimero termoplástico descoberta no Brasil em culturas de cana.

Polihidroxialcanoatos

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 7 - Microfotografia mostrando em evidencia os granulos intracelulares de PHB

Figura 8: Estrutura do co-polímero P(HB-Figura 8: Estrutura do co-polímero P(HB-coco-HV)-HV)

Rendimentos Teóricos em P(3HB) :Rendimentos Teóricos em P(3HB) :

Burkholderia cepacia Burkholderia cepacia

YY( P / S ) ( P / S ) = 0,13 g / g = 0,13 g / g carboidratoscarboidratos

Cupriavidus necatorCupriavidus necator

YY( P / S ) ( P / S ) = 0,22 g / g = 0,22 g / g carboidratoscarboidratos