Transcript Microrganismos na produção de poliésteres e polissacarídeos
Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biotecnologia Microbiana II
Microrganismos na produção de poliésteres e polissacarídeos
Michele Pepe Cerqueira [email protected]
31 de maio de 2011
Poliésteres
Categoria de polímeros que contém o grupo funcional éster em sua cadeia principal. Dos poliésteres sintéticos (plásticos) pode-se destacar o policarbonato politereftalato de etila (PET).
e especialmente o
Polissacarídeos
Os polissacarídeos são macromoléculas formados pela união de muitos monossacarídeos. Podem ser hidrolisados em polissacarídeos menores, assim como em dissacarídeos ou monossacarídeos mediante a ação de determinadas enzimas.
POLIÉSTERES BACTERIANOS
Plásticos
• Produção plásticos no Brasil 2.000.000
toneladas/ano – 2% produção mundial País Brasil EUA Europa Japão Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano) 10 70 46 54
Problemas associados aos plásticos
• Descartabilidade muito rápida • Dificuldade de degradação no ambiente • Relação custo x benefício da reciclagem • Uso de recursos não renováveis como matéria prima
Alternativas
• Incorporação de materiais biodegradáveis – Amido, polietileno aditivado com amido • Plásticos fotodegradáveis Fotossíntese CO 2 atmosférico Biodegradação Produtos agrícolas Plásticos biodegradáveis
Plásticos biodegradáveis
• Apresentam propriedade termoplásticas • Características de desempenho semelhantes aos plásticos convencionais • Facilmente microrganismo degradado no biodegradabilidade pela ação ambiente dos – • Exemplos: polilactato, poliglicolato, poli-e caprolactona (PCL), álcool polivinílico (PVOH), polihidroxialcanoatos (PHAs)
Polihidroxialcanoatos (PHAs)
• Grupo diversificado de poliésteres acumulados por inúmeras bactérias – Exemplos:
poli-3-hidroxibutirado (PHB)
, poli-3 hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (P3HB-co-3HV) • São termoplásticos biodegradáveis • Sintetizados por fermentação submersa a partir de matérias-primas renováveis – Matérias-primas derivadas da agricultura
Polihidroxialcanoatos (PHAs)
• Polímeros acumulados na forma de grânulos intracelulares – Grânulos: reserva de carbono e energia • Até 80% da massa seca celular • Síntese de PHA: ocorre quando há excesso de carbono e energia e limitação de algum nutriente (N, P, Mg, Fe) • Formados por 90 monômeros diferentes • Bactéria deve apresentar PHA sintase • Podem ser eficientemente produzidos em OGM coli ) (ex: E.
PHAs sintetizados por bactérias
Bactérias Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas putida Rhodospirillum rubrum Rhodococcus sp.
Haloferax mediterranei Burkholderia sp.
Substratos Frutose Ácido propiônico 1,5 – pentanodiol 1,4-butanodiol 5-clorovalerato Ácido octanóico Ácido nonanóico Octeno Ácido 7-metil-octanóico Ácido 4-hidroxihexanóico Ácido 4-pentenóico Frutose Amido Ácido glicônico Monômeros 3HB 3HB, 3HV 3HB, 3HP 3HB, 4HB 3HB, 3HV, 5HV 3HHx, 3HO, 3HD 3HHx, 3HHp, 3HO 3HHx, 3HO 7Me3HO, 5Me3HHx 3HB, 3HHx e 4HHx 3HB, 3HV 3HB, 3HV 3HB, 3HV 3HB, 3HP
• • • • • •
Microrganismos - PHAs
Alcaligenes sp.
• Bactéria gram-negativa, aeróbicas Pseudomonas sp.
• Bactéria gram-negativa, aeróbia, baciliforme Rhodospirillum sp.
• Bactéria gram-negativa, anaeróbia facultativa Rhodococcus sp.
• Bactérias aeróbicas, não-esporulantes, não móveis, Gram positivas Haloferax sp.
• Halófilos de ambientes extremamente salinos Burkholderia sp.
• Bacilos retos, gram-negativos, oxidase e catalase positivos
Aplicações - PHAs
• Filmes para embalagem • Plásticos convencionais • Fios de sutura cirúrgica • Implantes ósseos • Fármacos de liberação lenta • Produtos de liberação de reguladores de crescimento de plantas • Produtos de liberação de pesticidas
Polihidroxibutirado (PHB)
• O principal representante dos PHAs • Possui propriedades físicas e químicas semelhantes ao polímero sintético (PP) • Formado em monômeros de hidroxibutirato biodegradável • São sintetizados no interior de bactérias e armazenados no citoplasma em grânulos
PHB
• Desafios para produção custos redução dos – Obtenção de linhagens altamente eficientes na conversão dos substratos em produtos – Utilização de substratos de baixo custo – Desenvolvimento de processos que permitam explorar ao máximo o potencial da linhagem – Desenvolvimento de processos de extração purificação
Biodegradação - PHAs
Polissacarídeos
Polissacarídeos
• Macromoléculas molar (carboidratos) de alta massa • Ex: amido, alginatos, goma arábica, goma guar e goma algaroba • Normalmente obtidos de produtos vegetais e de algas marinhas • Aplicação na indústria farmacêutica e química de alimentos,
Polissacarídeos - Exemplos
• Xantana • Escleroglucana • Zanflo • Gelana • Goma PS-7 • Curdlana • Alginato bacteriano • Dextrana • Glucanas de leveduras de panificação
Polissacarídeos microbianos Vantagens
• Propriedades similares aos tradicionais • Produção independente das condições climáticas, contaminação marinha, falha nas colheitas • Utilização matérias-primas regionais • Menos qualidade suscetíveis a variabilidade na
Polissacarídeos microbianos
• LPS – lipopolissacarídeos constituintes PC • CPS – polissacarídeos covalentemente PC Marcadores biológicos capsulares • EPS – exopolissacarídeos extracelular secretado Alimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil, tintureira
Características - EPS
• São polissacarídeos de cadeia longa • Provenientes de leveduras e fungos bactérias, • Superfície celular microbiana • Aderência em superfícies sólidas • Formação de biofilmes microalgas,
Aplicações - EPS
• Espessantes • Estabilizantes • Emulsificantes • Coagulantes • Formadores de filmes • Gelificantes • Agentes de suspensão • Dispersantes • Lubrificantes Beneficios à saude – bactérias láticas • Atividade estimulatória imuno • Atividade tumoral anti • Reduzir níveis de colesterol
Aplicações - EPS
Função
Estabilizador, agente de suspensão e dispersante Espessante Agente formador de filmes Agente de retenção de água Coagulante Colóide Lubrificantes Outros
Uso (%)
25 23 17 12 7 6 5 5
Aplicação de goma na indústria de alimentos
Propriedade
Aumento de viscosidade Formação de géis Ligação de água Inibição de cristalização Tensoativo Formação de filmes Reatividade com proteínas Mistura de propriedades
Função
Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões Formar géis, suspender sólidos Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas Fixar aromas, encapsulação Suspender sólidos, melhorar textura, estabilizar espumas, evitar separação de soros Evitar mascaramento de aromas, melhorar clarificação, promover floculação
EPS - Microrganismos
• Xantana – Xanthomonas campestris • Dextrana – Leuconostoc mesenteroides • Curdlana – Alcaligenes faecalis • Gelana – Sphingomonas paucimobilis
EPS – Síntese e cultivo
• Extração, purificação – processos simples • Produtividade elevada • Custos de produção – dependente substratos • Glicose, sacarose fontes C preferenciais • Fontes alternativas: melaço, resíduo soja • Produção em todas fases de desenvolvimento • pH influência na atividade de enzimas (glicosil-hidrolases) • Temperatura ótima – 25 a 45°C
EPS - Rendimento
• Obtenção de mutantes (recombinação gênica) • Uso de tecnologia de DNA recombinante (inserção de genes específicos) • Desenvolvimento e seleção de meios de cultivo • Maximizar produção, minimizar custos • Desenvolvimento de condições e sistema de cultivo mais adequadas
Goma Dextrana
• Polissacarídeo extracelular • D-glucopiranosil • Síntese ocorre extracelularmente – Subtrato é transformado sem penetrar na célula • Enzima sacarose dextrana-sacarase, – Enzima atua no meio de cultura presença de • Bactéria envolvida: Luconostoc mesenteroides
Síntese - Dextrana
Crescimento do microrganismo Síntese e excreção de dextrana-sacarase Síntese de dextrana pela ação da enzima Precipitação dextrana por metanol/etanol
Aplicações - Dextrana
Área
Alimentícia Biomedicina Fotografia Farmacêutica Veterinária
Uso
Estabilizante e agente de viscosidade Agentes de contraste para imagiologia Emulsões de prata para revelação Componentes de géis em colírios, anticoagulantes Estabilizantes
Goma Gelana
• Polissacarídeo de cadeia linear, formado por glicose, ramnose e ácido glicurônio • Gel termorreversível quando sofre alteração de temperatura • Boa estabilidade – pH e calor • Produção relacionada ao crescimento do microrganismo • Sphingomonas paucimobilis, Pseudomonas elodea
Aplicações - Gelana
Área Uso
Alimentícia Microbiologia Papel Farmacêutica Retenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados Substituição do ágar, maior pureza e translucidez Resistência interna do papel e melhor impressibilidade Pílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal
Goma Curdlana
• Goma de cadeia linear, unidade ß-D-glicose • Características variam de acordo com grau de acetilação • Alcaligenes faecalis, Agrobacterium radiobacter • Produz gel termorreversível quando submetidos a calor/frio – Gel low-set (50-60°C) – Termorreversível; similar a agar-agar e gelatina – Gel high-set (≥80°C) • Firme, resistente, não termorreversível, estabilidade em ampla faixa de temp. congelamento
Aplicações - Curdlana
Área
Alimentícia Farmacêutica
Uso
Modificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer –maciez e textura; sorvete - viscosidade Medicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente anticoagulante e antitrombótico
Goma Xantana
• Constituída por glicose, manose e ácido glicurônico • 30% das ramificações possuem um grupo piruvato carregado • Sua estrutura altamente ramificada e alto peso molecular confere alta viscosidade • Completamente atóxica, usada como aditivo de alimentos • Boa estabilidade em ampla faixa de pH e T • Xanthomonas sp.
Síntese - Xantana
• Necessita elevada aeração e agitação • Condições: pH neutro, temperatura 28°C • Metabólico secundário, acumulação inicia após cessar o crescimento bacteriano • Maior quantidade de carbono produto acúmulo de • Tempo de fermentação 48-96 horas • Produção industrial: Rousselot-Satia, Kelco, Pfizer, Mero-
Aplicações - Xantana
Área
Alimentícia Higiene Agricultura Petrolífera
Uso
Controlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de sólidos e estabilização de emulsões Suspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel Suspensão de compostos químicos Aumento da recuperação de petróleo
Polissacarídeos microbianos
• Possuem uma grande e crescente importância no mercado • Larga aplicabilidade na industria de alimentos, industria petrolífera, farmacêutica, têxtil, tintas • Importância da pesquisa: descoberta de novos biopolímeros e otimização de processos de produção