Transcript Bioplásticos uma alternativa ecológica

Bioplásticos
uma alternativa ecológica
O Bioplástico é um plástico produzido a
partir de recursos biológicos renováveis,
completamente biodegradáveis.
Vantagens
A maioria dos plásticos produzidos no mundo são
sintéticos, compostos derivados de petróleo e demoram de 200 a
400 anos ou mais para se degradarem. Sendo somente 15% dos
plásticos são reciclados.
Bioplástico em contato com um ambiente biologicamente
ativo, que tenha presença de bactérias e fungos, associado à
temperatura e umidade, é transformado novamente em gás
carbônico e água, concluindo o ciclo de vida sem impactar o meio
ambiente.
O ideal seria substituir totalmente a atual condição dependente
de óleo fóssil por matéria-prima renovável.
Conseqüentemente, teríamos emissão zero (“net zero“) de CO2
durante todo o processo produtivo.
No entanto, para termos uma solução economicamente viável
sustentável, é importante que o novo produto seja compatível
com os processos industriais existentes e que tenha um preço
competitivo com as atuais matérias primas de plásticos baseados
em de petróleo.
 As pesquisas atuais nas áreas de substituição por
renováveis têm como alvo os produtos químicos que
possuem propriedades que os tornam potenciais
substitutos para os petroquímicos atuais.
 O custo de produção é um fator importante para que os
novos produtos químicos à base de biomassa possam
competir com os produtos petroquímicos e, assim,
encontrarem um nicho inicial no mercado.
 Além disso, é importante desenvolver uma análise
completa do ciclo de vida (LCA) de qualquer solução ou
nova alternativa.
Principais tipos de plásticos com credencial “verde”*
Classes Exemplos:
De fonte renovável, biodegradável: Ácido polilático (PLA), como o
Ingeo, da NatureWorks; polihidroxialcanoato (PHA), como o Biocycle
De fonte renovável, não-biodegradável: Polietileno alcoolquímico,
como o PE “verde” da Braskem
Parcialmente de fonte renovável, biodegradável: Blendas de PLA ou
amido com copolímeros de base fóssil, como o Ecobras, da Basf
Parcialmente de fonte renovável, não-biodegradável: PET de eteno
“verde” (PlantBottle da Coca-Cola, por exemplo); PVC de eteno “verde”
De fonte fóssil, biodegradável: Copoliésteres aromáticos como o
Ecoflex, da Basf
* O quadro acima se baseia na norma NBR 15448 da ABNT, que versa sobre biodegradabilidade e
compostagem de embalagens plásticas. Por isso, não inclui os chamados plásticos oxibiodegradáveis (resinas convencionais que se degradam rapidamente graças à incorporação de
aditivos especiais), não referendados por aquele instrumento
“O Brasil produz 6 milhões de toneladas de plástico e o mundo 200
milhões de toneladas por ano.
Por isso, o mercado do Bioplástico deverá crescer muito nos
próximos anos”.
Em 2015, o mercado de Bioplásticos no Brasil deve alcançar US$ 618
milhões, com 250.086 MT consumidas localmente.
O mercado de Bioplásticos no Brasil é composto principalmente pelo
PLA, um bioplástico obtido a partir do amido, e pelas resinas PHB,
correspondendo a 1.286 MT (toneladas métricas) e receita de US$ 4,4
milhões.
O mercado de Bioplásticos no Brasil é composto
principalmente pelo Ácido láctico e seu ácido poli-lático polímero
(PLA), um bioplástico obtido a partir do amido, e pelas resinas PHB
(polihidroxibutirato) , correspondendo a 1.286 MT (toneladas
métricas) e receita de US$ 4,4 milhões.
O Ácido poli-lático polímero (PLA) podem ser usado como
alternativas para substituir os polímeros derivados de
combustíveis fósseis como o plástico PET e isopor (polystyrene).
Atualmente PLA já é utilizado como uma alternativa
biodegradável para embalagens e materiais como fonte de fibras.
PLA é uma alternativa economicamente viável em larga
escala com uma produção atual de 450K toneladas por ano.
As garrafas de elaboradas com o PLA (Acido Poliláctico), é
um bioplástico derivado de recursos anualmente renovável. Já as
garrafas em PET (Tereftalato de polietileno), atuais derivadas do
petróleo, são um recurso não renovável.
As de PLA se desintegram em cerca de três a quatro meses
sob condições de compostagem industrial (umidade de 80% e
temperatura constante superior a 60º C) ou um pouco mais se
descartado na natureza, sem produzir resíduos tóxicos.
O uso do PLA utiliza 67% menos combustível fóssil para
fazer a resina dos frascos comparados ao PET de tamanho similar.
Isto conduz a 90% menos em emissões de gases de efeito estufa
para se fazer a resina. Todas as emissões de gases de efeito estufa
que são produzidas no processo de produção estão sendo
diminuídos, minimizando o impacto no meio ambiente.
Polímero
Termo que vem do grego (poli - muitas e mero partes)
moléculas grandes ou macromoléculas,
formadas de várias unidades repetitivas (monômeros).
POLIETILENO
Polímeros
- Monômero A
- Homopolímero
- Monômero B
- Monômero C
- Heteropolímero
Biopolímeros
• Moléculas de elevado peso molecular encontradas na natureza.
• Sintetizados naturalmente pelos seres vivos, independente da ação
humana.
• São de origem orgânica, tendo feito parte da estrutura de algum ser
vivo, quer seja bactéria, planta ou animais superiores.
• Existem desde o princípio da vida, uma vez que DNA e RNA são
biopolímeros.
Biotecnologia
Biotransformação
Biopolímeros
Ácido Lático
CARACTERÍSTICAS
􀀹 Isomeria óptica:
Destrógiro: D-ácido lático
Levógiro: L-ácido lático (com atividade fisiológica)
Racêmico: D,L-ácido lático
􀀹 Ponto de fusão: 18°C (racêmico) ; 28°C (D e L)
􀀹 Ponto de ebulição: 122°C (racêmico)
􀀹 Altamente corrosivo
Métodos de Produção
O Ácido Lático pode ser produzido
tanto por síntese química quanto por
fermentação
SÍNTESE QUÍMICA
1. Adição de ácido cianídrico
CH3CHO + HCN = CH3CHOHCN (Lactonitrila)
2. Hidrólise por H2SO4
CH3CHOHCN + H2O + ½ H2SO4 = CH3CHOHCOOH (Ác. Lático) + ½
(NH4)2SO4
3. Esterificação
CH3CHOHCOOH + CH3OH = CH3CHOHCOOCH3 (Metil Lactato) +
H2O
4. Hidrólise por H2O
CH3CHOHCOOCH3 + H2O = CH3CHOHCOOH + CH3OH
5. Oxidação do propileno glicol
6. Reação entre acetaldeído, CO e H2O a altas temperatura e
pressão
7. Hidrólise do ácido cloropropiônico
8. Oxidação do propileno por ácido nítrico
Fermentação:
As bactérias ou outros micro-organismos produzem em
massa os biopolímeros em bio-reatores (tanques de
fermentação).
Os biopolímeros (ácido lático) são extraídos dos bioreatores e processados quimicamente em forma de
plásticos.
Agentes
As Bactérias Láticas podem ser divididas de acordo com os
produtos formados:
1. Bactérias Homofermentativas - importantes na produção do
ácido lático
Os primeiros estágios da via metabólica da fermentação lática são
os mesmos da fermentação alcoólica (via glicolítica).
Intermediário importante: ácido pirúvico (lactato desidrogenase)
Rendimento energético: 2 moles ATP / mol de glicose
2. Bactérias Heterofermentativas - fermentação da glicose resulta
em vários produtos (ácido lático, oxalacético e fórmico).
Degradam a glicose através da via oxidativa das pentoses fosfato.
Intermediários importantes: ácido pirúvico e o aldeído acético.
Rendimento energético: 1 mol ATP / mol de glicose
Agentes
Micro-organismos, Carboidrato e Temperatura
L. delbrüeckii glicose, galactose (±) 45 - 50º C
L. bulgaricus glicose, galactose, lactose 45 - 50º C
L. casei glicose, galactose, lactose 30º C
L. leishmanii lactose, galactose (±) > 30º C
L. brerus (pentoaceticus) glicose, galactose (±) > 30º C
Agentes
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
􀀹 Gram positivas
􀀹 Microaerofílicas - incapazes de sintetizar ATP por meio
respiratório
􀀹 Catalase negativa - incapacidade de sintetizar hemeproteínas
􀀹 Não esporuladas
􀀹 Usualmente não apresentam mobilidade
􀀹 Apresentam colônias pequenas e apigmentadas
􀀹 Possuem habilidade biossintética limitada - necessitam de
aminoácidos, vitaminas (riboflavina), bases purínicas e
pirimídinicas (meios contendo peptona, extrato de
levedura ou outros materiais vegetais ou animais digeridos)
􀀹 Bactérias acidófilas: bastonetes - não crescem a pH > 6,0
cocos - pH neutro
pH ótimo para crescimento = 4,5
MEIOS DE PRODUÇÃO:
Soro de leite, N orgânico: 4 - 5% de lactose
Melaço, N orgânico, vitaminas, extrato de levedo: 12% de sacarose
CONDIÇÕES DE PRODUÇÃO:
Crescimento celular atinge seu máximo com 18 h
Fermentação se completa entre 42 h a 5 dias
pH: 5,0 - 5,8 (controle do crescimento de contaminantes)
Adição de CaCO3 ou Ca(OH)2 : tamponamento do meio (a cada 6h)
Agitação: manter o contato entre o CaCO3 e o ácido lático que vai
se formando
Rendimento Médio: 85 a 90% em relação ao açúcar consumido
C6H12O6 + Ca(OH)2 = (2 CH3CHOHCOO-) Ca2+ + 2 H2O
Polihidroxialcanoatos (PHA)
 Por serem BIODEGRADÁVEIS, são bem vistos pelos ambientalistas.
Polihidroxialcanoatos (PHA)
 PHAs são estudados à mais de 80 anos:
- 1926: 1ª determinação da composição de PHAs por Maurice
Lemoigne
- 1958: PHA é utilizada como fonte de reserva de carbono e energia
 São sintetizados por bactérias de 75 gêneros diferentes.
Ralstonia, Burkholderia,
Pseudomonas, Azotobacter,
Methylobacterium, Bacillus
POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB)
 O principal representante dos PHAs.
 Possui propriedades físicas e químicas semelhantes às do
polipropileno (polímero sintético).
 É um homopolímero biodegradável (monômeros de hidroxibutirato).
 São sintetizados no interior de bactérias e armazenados no
citoplasma na forma de grânulos lipofílicos.
 A quantidade de polímero acumulado pode atingir ~80% do peso
celular.
POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB)
 Em geral, a síntese de PHB por bactérias ocorre quando há excesso de
fonte de carbono e a limitação de pelo menos um nutriente necessário à
multiplicação das células (N, P, Mg, Fe etc.).
Microrganismo
Microrganismo
POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB)
Seleção e manutenção do m.o.
Fase de multiplicação celular
Inóculo (shaker – 16-24h / 30-34°C / 100-250rpm)
Fase de produção de PHB
Excesso de Carbono + Limitação de nutriente
(shaker ou biorreator – 48-96h / 30-34°C / 150-250rpm)
Centrifugação - separação das células
Extração do PHB – rompimento das células por
solventes
Purificação por filtração - secagem
POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB)
POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB)
Desafios para Produção
Redução dos custos
A redução dos custos de produção depende:
1 – Da obtenção de linhagens altamente eficientes na conversão dos
substratos no produto desejado.
2 – De utilização de substratos de baixo custo.
3 – Do desenvolvimento de processos que permitam explorar ao máximo o
potencial dessas linhagens.
4 – Do desenvolvimento de processos de extração-purificação.
- Aplicações
 Embalagens
 Plásticos convencionais
 Fios de sutura cirúrgica
 Implantes ósseos
 Fármacos de libertação lenta
 Produtos
pesticidas
de
liberação
de
BIODEGRADAÇÃO
Semanas
0
2
4
6
8
10
BIODEGRADAÇÃO
Estágio inicial
32 dias
45 dias
52 dias
POLIHIDROXIALCANOATOS
PHAs comerciais
Preços praticados: US$ 12 – 30/Kg
3 a 4x superior aos plásticos de
origem petroquímica
Henry Ford, célebre patrão da Ford, utilizou materiais
de soja para manufatura de peças automóveis.
Um Ford típico de 1936 continha assim algum “plástico
de soja” em diversas peças.