UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
CAMILA CHULUCK DA FONSECA
Produção e utilização do biopolímero
poli(hidroxibutirato) (PHB) em embalagens
alimentícias
Lorena 2014
CAMILA CHULUCK DA FONSECA
Produção e utilização do biopolímero
poli(hidroxibutirato) (PHB) em embalagens
alimentícias
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo como requisito parcial para conclusão da Graduação do curso de Engenharia Bioquímica.
Orientadora: Profa. Drª Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues.
Lorena 2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Serviço de Biblioteca
Escola de Engenharia de Lorena
Fonseca, Camila Chuluck da
Produção e utilização do biopolímero poli(hidroxibutirato) (PHB) em embalagens alimentícias/ Camila Chuluck da Fonseca. - Lorena, 2014.
64 f.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão do Curso de Graduação de Engenharia Bioquímica - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.
Orientadora: Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues.
1. Plásticos biodegradáveis 2. Embalagens de alimentos 3. Biodegradação; 4. Biopolímeros I.Rodrigues, Rita de Cássia Lacerda Brambilla, Orient.
Dedicatória
AGRADECIMENTOS
Agradeço imensamente aos meus pais e irmãos, por todo amor e apoio durante toda minha vida e principalmente durante a faculdade.
À Profa. Dra. Rita, que se dispôs a me orientar neste trabalho dando o suporte e atenção.
Às minhas queridas amigas, Amanda, Cinthia, Isabele e Nuala, por todo carinho e amizade nos últimos anos.
Àquelas que foram minhas companheiras de república, Andréa, Luíza, Eugênia e Tamara. Obrigada pelo companheirismo e pela paciência.
À Escola de Engenharia de Lorena, a seus professores e funcionários pela contribuição no meu desenvolvimento intelectual, profissional e pessoal.
RESUMO
DA FONSECA, C. C. Produção e utilização do biopolímero poli(hidroxibutirato) (PHB) em embalagens alimentícias. 2014. 64f. Trabalho de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.
Os plásticos convencionais são produzidos a partir de derivados do petróleo, um recurso natural não renovável, e apresentam diversos problemas ambientais decorrentes principalmente de sua difícil decomposição que pode levar centenas de anos. Devido às suas características, os polímeros plásticos são amplamente utilizados, inclusive para embalagens alimentícias. Dessa forma, considerando o elevado volume de resíduos plásticos gerado, é necessário buscar alternativas mais sustentáveis de produção, utilização e descarte, visando diminuir os impactos causados ao meio ambiente. Nesse contexto, têm-se os bioplásticos, materiais obtidos a partir de recursos naturais renováveis, que se degradam na natureza em ambientes biologicamente ativos em curto espaço de tempo. Um dos bioplásticos utilizáveis para este fim é o poli(hidroxibutirato) (PHB), que pode ser produzido à partir da cana-de-açúcar. Sendo assim, o presente trabalho, tem por objetivo demonstrar as etapas envolvidas na produção do PHB e avaliar o potencial de substituição dos polímeros convencionais pelo PHB em embalagens alimentícias. Para a realização deste trabalho, foi feito um estudo exploratório-descritivo utilizando o método da pesquisa bibliográfica para revisão de literatura, com consulta a fontes bibliográficas de diversas referências especializadas nos assuntos abordados e concluiu-se, que de fato, o PHB é uma boa alternativa para substituição dos polímeros convencionais em embalagens plásticas alimentícias, uma vez que, este polímero pode ser facilmente processado pelos métodos de transformação de termoplásticos convencionais, além de já existir domínio da tecnologia necessária, para sua produção em escala industrial. Como os maiores impactos ambientais dos plásticos sintéticos se concentram nas fases de obtenção das matérias-primas e de descarte, a utilização do PHB em embalagens de alimentos traz, como ganho para o meio ambiente e de toda a sociedade, a redução do volume de resíduo plástico presente.
Palavras-Chave: Bioplásticos; Embalagens alimentícias; PHB; Biodegradação; Biopolímeros
ABSTRACT
DA FONSECA , C. C. Production and utilization of the biopolymer poly(hydroxybutyrate) (PHB) in food packaging 2014. 64f. Completion of course work – Escola de Engenharia de Lorena , Universidade de São Paulo , Lorena , 2013
Conventional plastics are produced from petroleum derivatives, a natural non-renewable resource, and have diverse environmental problems mainly due to its difficult decomposition that can take hundreds of years. Due to its characteristics, plastic polymers are widely used, including for food packaging. Thus, considering the high volume of plastic waste generated, it is necessary to look for more sustainable alternatives for production, utilization and disposal in order to reduce the impacts to the environment. In this context, there are bioplastics materials made from renewable natural resources, which degrade naturally in biologically active environments in a short period of time. A bioplastic usable for this purpose is the poly(hydroxybutyrate) (PHB), which can be produced from cane sugar. Thereby the present work aims to demonstrate the steps involved in the production of PHB and evaluate the potential replacement of conventional polymers by PHB in food packaging. For this work, an exploratory-descriptive study was done using the method of bibliographical research for literature review, consulting various specialized sources of bibliographic references on the subjects covered; it was concluded, indeed, that PHB is a good alternative to replace conventional polymers in food packaging plastics, since this polymer can be easily processed by conventional methods of processing thermoplastics, in addition to the existing knowledge of the technology needed for its production on an industrial scale. As the largest environmental impacts of synthetic plastics focus on the stages of obtaining raw materials and its disposal, the use of PHB in food packaging brings, as a gain for the environment and the whole society, the reduction of the volume of existing plastic waste.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Polietileno: relação monômero – polímero. ... 15
Figura 2 - Reação de formação do politereftalto de etileno pela presença de grupos reativos nos monômeros. ... 16
Figura 3 - Biopolímeros plásticos e seus monômeros produzidos por fermentação microbiana combinadas com a síntese química. ... 18
Figura 4 - Estrutura de amilose (a) e amilopectina (b), componentes do amido ... 20
Figura 5 - Estrutura molecular do PLA ... 21
Figura 6 - Processo de produção de polilactato. ... 22
Figura 7 - Grânulos de PHAs observados por microscopia de epifluorescência após coloração com Azul de Nilo. ... 23
Figura 8 - Estrutura geral dos PHAs ... 24
Figura 9 - Fórmulas estruturais do (a) ácido 3-butírico e do (b) polímero PHB ... 25
Figura 10 - a) Estrutura helicoidal proposta para a molécula de PHB (a barra representa o eixo da cadeia polimérica); b) Projeções da célula unitária do PHB nos planos e . ... 26
Figura 11 - Estrutura do copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato)... 28
Figura 12- Via biossintética de produção de PHB e PHB-HV por R.eutropha. Os genes que codificam as principais enzimas estão indicados entre parêntesis. Fonte: (POIRIER, 2002) ... 31
Figura 13 - Planta da PHB Industrial S/A em Serrana-SP ... 32
Figura 14 - PHB BYOCYCLE® produzido pela PHB Industrial. ... 33
Figura 15 - Fluxograma do processo de produção do PHB. ... 34
Figura 16 - Vias de degradação da cadeia polimérica ... 38
Figura 17 - Ciclo de vida do PHB ... 41
Figura 18 - Aspectos a serem observados para o desenvolvimento de embalagens ... 43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos tipos de plásticos (ASTM 6400-04). ... 18
Tabela 2 - Produtores industriais de alguns polímeros biodegradáveis e suas aplicações. ... 19
Tabela 3 - Capacidade de acúmulo de PHA de alguns microrganismos ... 29
Tabela 4 - Potencial de substituição dos polímeros convencionais pelos bioplásticos. ... 47
Tabela 5 - Propriedades físicas do PHB e alguns copolímeros em comparação com plásticos ... 47
Tabela 6 - Aplicações de alguns bioplásticos... 48
Tabela 7 - Ciclo de injeção dos potes e tampas em PHB e PP. ... 51
LISTA DE SIGLAS PA Poliamida PBS Poli(butilsuccinato) PBT Poli(tereftalato de butila) PC Policarbonato PCL Poli(caprolactona) PE Polietileno
PEAD Polietileno de alta densidade PEBD Polietileno de baixa densidade PET Poli(tereftalato de etila)
PHA Poli(hidroxialcanoato) PHB Poli(hidroxibutirato) PHB-HHx Poli(hidroxibutirato-hidroxihexanoato) PHB-HV Poli(hidroxibutirato–hidroxivalerato) PLA Poli(lactato) PP Polipropileno PS Poliestireno PTT Poli(tereftalato de trimetileno) PVC Poli(cloreto de vinila) Tf Temperatura de fusão
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 12 2. OBJETIVOS ... 14 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15 3.1.BIOPOLÍMEROS ... 15 3.1.1. Polímeros ... 15 3.1.2. Biopolímeros ... 16
3.1.2.1. Classificação dos biopolímeros ... 17
3.1.3. Principais polímeros biodegradáveis ... 20
3.1.3.1. Amido ... 20
3.1.3.2. Polilactatos (PLA) ... 21
3.1.3.3. Polihidroxialcanoatos (PHAs) ... 22
3.1.3.4. Polihidroxibutirato (PHB) ... 24
3.1.3.4.1. Estrutura e Propriedades do poli(hidroxibutirado) ... 25
a) Estrutura cristalina do poli(hidroxibutirado) ... 25
b) Propriedades físicas do poli(hidroxibutirado) ... 26
3.1.3.5. Poli(hidroxibutirato–hidroxivalerato) (PHB/HV) ... 27
3.2.BIOSSÍNTESE DE POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA) ... 28
3.2.1. Microrganismos produtores ... 28
3.2.2. Biossíntese do PHB ... 30
3.3.PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE PHB... 31
3.3.1. Processo fermentativo de obtenção do PHB ... 34
3.3.2. Processo de extração e purificação do PHB ... 37
3.4.DEGRADAÇÃO DE POLÍMEROS ... 38
3.4.1. Biodegradação ... 39
3.4.2. Ciclo de vida do PHB ... 40
3.5.EMBALAGENS PLÁSTICAS PARA ALIMENTOS ... 41
3.5.1. Histórico de embalagens para alimentos ... 41
3.5.2. Conceito atual de embalagens ... 43
3.5.3. Funções da embalagem ... 44
3.5.4. Seleção de materiais para embalagens alimentares ... 45
3.5.5. Embalagens alimentares produzidas a partir de PHB ... 46
3.5.6. Potencial de substituição dos polímeros convencionais por biodegradáveis ... 46
3.5.7. Custo de produção do PHB ... 48
3.5.8. Processabilidade de embalagens de PHB ... 49
3.5.9. Requisitos técnicos referentes às propriedades de embalagens para alimentos ... 51
3.5.10. Avaliação de Embalagens de PHB para uso em Alimentos ... 53
3.5.11. Gerenciamento dos resíduos das embalagens biodegradáveis ... 54
3.5.11.1. Compostagem ... 54
3.5.11.2. Biometanização ... 55
4. METODOLOGIA ... 56
5. CONCLUSÃO ... 57
1. INTRODUÇÃO
O Homem ao longo dos anos retira da natureza os elementos e produtos essenciais à sua existência para garantir o seu conforto e qualidade de vida. Em nome do seu bem estar e desenvolvimento, o homem explorou muitas matérias-primas e diversos produtos disponíveis, que muitas vezes podem ser sintetizados. Uma das bases deste desenvolvimento é constituída pelos polímeros conhecidos vulgarmente como plásticos.
Os polímeros sintéticos convencionais são produzidos a partir de derivados do petróleo, um recurso natural não renovável, e apresentam diversos problemas ambientais decorrentes principalmente de sua difícil degradação que pode levar centenas de anos. No entanto, seu uso pela sociedade está intensificado devido ás suas propriedades interessantes, como resistência mecânica, leveza, inércia química e baixo custo de produção e processamento (RHIM et al., 2013). O seu uso é diversificado incluindo-se em algumas aplicações para as quais anteriormente eram usados outros materiais, tais como metais, vidro, madeira e papel. Sendo também usados em aplicações industriais, domésticas e ambientais, desde garrafas, embalagens, sacos de supermercado, latas de conserva, tintas, passando pelos cobertores, tapetes, escovas de dente, pneus ou suportes para componentes elétricos, os polímeros encontram-se presentes em quase a totalidade dos utensílios de uso quotidiano (COUTINHO et al., 2004). Para a produção de embalagens destina-se aproximadamente 40% da produção dos polímeros sendo que metade desta produção é destinada para embalagens de alimentos (RHIM et al., 2013). Em particular, para as embalagens plásticas têm-se métodos de descartes limitados e isto está gerando uma preocupação global crescente com respeito aos danos ambientais e também com relação ao esgotamento dos recursos naturais causados por embalagens plásticas convencionais que não são biodegradáveis. Dessa forma, é necessário buscar alternativas mais sustentáveis de produção, utilização e descarte para os polímeros visando diminuir os impactos causados ao meio ambiente.
Com os anos, o desenvolvimento de alternativas para melhorar a gestão deste resíduo, como a reciclagem, a incineração e mais recentemente, a
produção e utilização de plásticos biodegradáveis, são vistos como uma futura alternativa ecologicamente útil para os plásticos (KUMAR et al., 2004; OJUMU et al., 2004).
Neste sentido nas últimas duas décadas, houve um crescente interesse público e cientifico com relação ao uso e desenvolvimento de biopolímeros (plásticos biodegradáveis). Além dos biopolímeros possuírem as tão desejadas propriedades físicas e químicas dos plásticos sintéticos convencionais, eles podem ser obtidos a partir de fontes renováveis (RHIM et al., 2013). Para a produção de embalagens os biopolímeros são considerados como uma forma sustentável para substituição dos polímeros não biodegradáveis e não renováveis.
Existem, no mercado, diversos plásticos biodegradáveis tais como polihidróxialcanoatos (PHAs), polihidróxibitiratos (PHB), polilactato (PLA) e poliglicolatos (PGA), além de várias blendas, comercializados por diferentes companhias (PRADELLA, 2006). Os PHBs além da vantagem de serem biodegradáveis apresentam ainda outras características importantes, são biocompativeis, produzidos a partir de recursos renováveis, possuem propriedades termoplásticas e características físicas e mecânicas semelhantes às dos plásticos convencionais (PRADELLA, 2006).
Os biopolímeros apresentam elevado custo de produção tornando-os substancialmente mais caros que os plásticos sintéticos. A investigação sobre a produção de biopolímeros a partir de fontes de carbono localmente disponíveis e renováveis, tal como resíduos agrícolas, milho, efluente de lacticínios, entre outras, é economicamente interessante (OJUMU et al., 2004). Com relação aos polihidróxibitiratos (PHB), a cana-de-açúcar que é uma cultura largamente cultivada em várias regiões do Brasil, pode servir de matéria prima para a sua produção. Nesta produção, ocorre a fermentação do açúcar da cana, que é inicialmente invertido por processo enzimático transformando-se em um xarope. Posteriormente, ocorre a formação do polímero no interior de bactérias que utilizam o xarope. Neste trabalho, através de uma pesquisa exploratório-descritiva, serão abordadas informações relevantes com relação à produção e propriedades de diferentes tipos de biopolímeros utilizados em embalagens alimentícias, com ênfase na produção do poli(hidroxibutirato) (PHB).
2. OBJETIVOS
Geral: Contribuir com informações relevantes sobre a produção e propriedades de diferentes tipos de biopolímeros utilizados em embalagens alimentícias, com ênfase na produção do poli(hidroxibutirato) (PHB).
Específicos:
Descrever os principais biopolímeros utilizados em embalagens alimentícias.
Descrever as etapas de produção de poli(hidroxibutirato) (PHB) por síntese microbiológica.
Descrever as limitações da utilização do poli(hidroxibutirato) (PHB) em embalagens alimentícias.
Descrever o impacto ambiental ocasionado ao uso de biopolímeros na produção de embalagens.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. BIOPOLÍMEROS
3.1.1. Polímeros
A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidades de repetição). Dessa forma, um polímero é uma macromolécula composta por muitas unidades de repetição (meros) ligadas por uma ligação covalente (CANEVAROLO, 2010). A matéria-prima para a formação de um polímero é um monômero, ou seja, uma molécula com uma unidade de repetição. Os polímeros podem ser divididos em três classes principais: plásticos, borrachas e fibras (CANEVAROLO, 2010). Essa classificação depende do tipo de monômero (estrutura química), tamanho da cadeia e do tipo de ligação covalente. Para a síntese de polímeros, é necessário que pequenas moléculas (monômeros) se liguem entre si, formando a cadeia polimérica (CANEVAROLO, 2010). A Figura 1 mostra a formação do polímero polietileno a partir do monômero etileno. Para que ocorra a reação de polimerização, cada monômero deve ser capaz de se combinar a, no mínimo, outros dois monômeros. Portanto o monômero deve ter pelo menos dois pontos reativos, também designado como funcionalidade igual a 2. A bifuncionalidade pode ser obtida com a presença de grupos reativos e/ou duplas ligações reativas (CANEVAROLO, 2010). A Figura 2 mostra a reação de formação do politereftalto de etileno pela presença de grupos reativos nos monômeros.
Figura 1 – Polietileno: relação monômero – polímero. Fonte: (CURSO [...], 2014)
Figura 2 - Reação de formação do politereftalto de etileno pela presença de grupos reativos nos monômeros.
Fonte:(FOGAÇA, 2014) 3.1.2. Biopolímeros
Biopolímeros ou plásticos biodegradáveis são materiais poliméricos, em que pelo menos um passo no processo de degradação ocorre através do metabolismo de organismos encontrados no ambiente (SORRENTINO, 2007 apud RHIM et al., 2013). Em condições apropriadas de temperatura, umidade e disponibilidade de oxigênio, a biodegradação leva à fragmentação ou desintegração dos plásticos sem resíduos tóxicos ou perigosos. Vários autores, bem como entidades normatizadoras têm se preocupado em definir plástico biodegradável. As definições são bastante similares à adotada pela ISO:1472:1998:
Um plástico designado a sofrer mudanças significativas em sua estrutura química sob condições ambientais específicas resultando em perda significativa de algumas de suas propriedades que podem variar, quando medidas por testes padrões para plásticos. A mudança na estrutura química é resultado da ação de microrganismos encontrados na natureza. (ISO:1472:1998 apud CHANDRA; RUSTIGI, 1998)
3.1.2.1. Classificação dos biopolímeros
Os biopolímeros podem ser divididos em três categorias diferentes, conforme demonstrado da Figura 3, com base nos processos produtivos e na origem de suas matérias-primas (CLARINVAL, 2005 apud RHIM et al., 2013):
a) Biopolímeros naturais, extraídos diretamente da natureza, como carboidratos de plantas (amido, celulose, alginato, ágar, etc.) e de origem animal ou vegetal como proteína de soja, glúten de trigo, gelatina, colágeno, etc.
b) Polímeros sintéticos biodegradáveis, produzidos por síntese química. O monômero em si, é produzido por fermentação de carboidratos. Exemplos: Polilactato (PLA), poli(ε-caprolactonas) (PCL), poli(butileno succinato) (PBS).
c) Biopolímeros produzidos por fermentação microbiana (incluindo microrganismos geneticamente modificados), tais como poli(hidroxialcanoato) (PHA), poli(hidroxibutirato) (PHB).
Figura 3 - Biopolímeros plásticos e seus monômeros produzidos por fermentação microbiana combinadas com a síntese química.
Fonte: (REDDY et al., 2013).
De acordo com a ASTM 6400-04, os termos mais utilizados para classificação dos tipos de plásticos encontram-se na Tabela 1.
Tabela 1 - Classificação dos tipos de plásticos (ASTM 6400-04). Tipo de
plástico Definição
Biodegradável
Plástico degradável no qual a degradação é resultada pela ação de microrganismos de ocorrência natural, tais como bactérias, fungos e algas.
Compostável
Plástico que sofre degradação por processos biológicos durante a compostagem, produzindo CO2 e água,
componentes inorgânicos e biomassa a uma taxa significativa quando comparada com outros materiais compostáveis conhecidos e que não deixam quaisquer materiais visíveis, perceptível e tóxico.
Degradável
Plástico “projetado” para sofrer uma mudança significativa em sua estrutura química sob condições ambientais específicas, resultando em perda de algumas
propriedades. As mudanças podem ser avaliadas por ensaios padronizados e que são utilizados em plásticos convencionais.
Pela Tabela 2 podem-se observar alguns produtores industriais de polímeros biodegradáveis, bem como os tipos de polímeros produzidos e algumas de suas aplicações.
Tabela 2 - Produtores industriais de alguns polímeros biodegradáveis e suas aplicações.
Produtor Marca
Registrada Aplicação Materiais
Bayer BAK 1095 Filmes e chapas Poliéster amidas Idroplast Agribag Distribuidor químico Poli(álcool vinílico)
PVA
Biotec Bioplast Filmes e chapas Amido termoplástico Novamont MasterBi Mantas protetoras de
plantações e vasos
Amido /
policaprolactona (PCL)
Solvay S.A. CAPA,600 Liberação controlada de fertilizantes
Policaprolactona (PCL)
Cargill Dow Eco PLA Mantas protetoras de plantações e vasos
Poli(ácido lático) (PLA)
Eastman Eastar Bio Cobertura de raízes Copoliésteres Novon Degra-Novon Mantas protetoras de
plantações e vasos Amido modificado TPS, Inc. Vinex Embalagens para produtos
químicos
Poli(álcool vinílico) PVA
BSL Sconace II Filmes e vasos Amido modificado Du Pont Biomax Mantas protetoras de
plantações e vasos Resinas poliéster
PHB Industrial PHB Embalagens, tubetes de reflorestamento e outras aplicações baseadas na injeção. Polihidroxibutirato (PHB) produzido por bactéria Basf Ecoflex Fabricação de embalagens flexíveis, colaminação com papel filme para
plasticultura. Copoliéster de 1,4-butanodiol, áido adípico e ácido terefálico Basf Ecobras Embalagens injetadas, tubetes para reflorestamento, sacolas plásticas e embalagens para cosméticos É um combinado do Ecoflex e um polímero vegetal à base de milho Fonte: KLOSS, 2007
3.1.3. Principais polímeros biodegradáveis
3.1.3.1. Amido
Amido é um polissacarídeo de reserva presente em plantas superiores. É formado por dois polímeros: amilose que é uma cadeia linear, insolúvel em água e se apresenta na composição, com uma porcentagem em massa da ordem de 20% e amilopectina, composta de unidades de glicose contendo um alto nível de ligações cruzadas 1-6 entre um grupo hidroxila de uma cadeia de glicose e o carbono 6 da glicose de outra cadeia e representa cerca de 80% da composição, em massa (PRADELLA, 2006). A Figura 4 mostra estes componentes do amido, ou seja, a estrutura de amilose e amilopectina (ASSIS, 2009).
Figura 4 - Estrutura de amilose (a) e amilopectina (b), componentes do amido Fonte: (ASSIS, 2009)
Devido à sua alta disponibilidade e baixo custo, cada vez mais o amido é estudado no sentido de ser modificado ou associado a outras substâncias químicas para o melhoramento de sua processabilidade. Além de poder ser processado como termoplástico, pode ser incorporado aos plásticos tradicionais. O material pode ser utilizado na produção de filmes de grande interesse na indústria de embalagens alimentares (ASSIS, 2009).
3.1.3.2. Polilactatos (PLA)
Polilactatos são poliésteres alifáticos obtidos pela polimerização do ácido lático por fermentação microbiológica. A Figura 5 mostra a estrutura molecular do polilactato (PLA) (PRADELLA, 2006).
Figura 5 - Estrutura molecular do PLA Fonte:(PRADELLA, 2006)
Muitas matérias-primas podem ser utilizadas na produção por via biotecnológica do ácido lático: as hexoses, principalmente glicose, além de um grande número de compostos que podem ser facilmente convertidos a hexoses como açúcares, melaço, caldo de açúcar de beterraba, soro de leite e amido de arroz, trigo e batata (ARMETANO et al, 2013). A produção por via química a partir de matérias-primas petroquímicas como etileno e acetileno também pode ser realizada, com possível aplicação em adesivos biodegradáveis. Nos últimos anos, a via microbiológica (Figura 6), tem sido a preponderante, dado o aumento de demanda do mercado pelo produto produzido naturalmente (PRADELLA, 2006).
Figura 6 - Processo de produção de polilactato. Fonte: (PRADELLA, 2006)
Atualmente a principal aplicação do PLA produzido é na área de embalagens, cerca de 70%, sendo o restante no setor de fibras e têxtil, agricultura, eletrônicos, utensílios domésticos (ASSIS, 2009).
3.1.3.3. Polihidroxialcanoatos (PHAs)
Os PHAs são poliésteres de origem natural, produzidos por uma larga variedade de bactérias a partir de materiais de reserva intracelular. Estão presentes no citoplasma das células sob a forma de grânulos rodeados por uma membrana (SERAFIM; LEMOS; REIS, 2000). Grânulos fluorescentes de PHS podem ser observados por microscopia de epifluorescência, utilizando corantes lipofílicos (ex. Azul de Nilo), como mostra a Figura 7 (SERAFIM; LEMOS; REIS, 2000).
Figura 7 - Grânulos de PHAs observados por microscopia de epifluorescência após coloração com Azul de Nilo. Fonte (SERAFIM; LEMOS; REIS, 2000).
Os PHAs são polímeros termoplásticos que podem ser obtidos a partir de fontes renováveis. Eles são biocompatíveis e vêm sendo reconhecidos como potenciais substitutos para os plásticos convencionais derivados do petróleo (PRADELLA, 2006). Quando descartados, podem ser depositados nos aterros sanitários sem que interfiram na decomposição de outros materiais presentes no lixo. Podem ser misturados à matéria orgânica e aproveitados como fertilizantes, além de existir a possibilidade de serem reciclados (CAMPOS, 2003 apud BUCCI, 2003).
Os membros desta família de biopolímeros termoplásticos, com a fórmula estrutural geral mostrada na Figura 8, podem apresentar grandes variações em suas propriedades, de plásticos rígidos e cristalinos, a plásticos flexíveis com boas propriedades de impactos, a fortes elastômeros, o que depende do tamanho do grupo alquila, R, bem como da composição do polímero (CHANDRA; RUSTIGI,1998).
Figura 8 - Estrutura geral dos PHAs
Fonte: (VIEGAS, 2005)
Foram identificados mais de 100 diferentes monômeros constituintes dos PHAs em diversas bactérias. Essa variedade traz como vantagem a possibilidade de poder sintetizar polímeros com as mais variadas propriedades (REDDY et al., 2003). A massa molecular dos PHAs pode variar de 50.000 a 1.000.000 Da. O polihidroxibutirato (PHB), constituído por monômeros de 3-hidroxibutirato, é o PHA mais bem caracterizado e o acumulado com maior frequência por bactérias. (BUCCI, 2003; SERAFIM; LEMOS; REIS, 2000).
3.1.3.4. Polihidroxibutirato (PHB)
Dentro da família dos PHAs, o poli-3-hidroxibutirato (PHB) (com o grupo alquila R=CH3) é o membro mais comum; pertence ao grupo dos PHAs de cadeia curta, com monômeros contendo de 4 a 5 átomos de carbono. A empresa Imperial Chemical Industrie (ICI), desenvolveu e patenteou (1981), um processo de manufatura de PHB, baseada na fermentação de açucares pela bactéria
Alcaligenes eutrophus (BUCCI, 2003; GHANBARZADEH; ALMASI, 2013). As fórmulas estruturais do monômero ácido 3-butírico e do polímero PHB estão representadas na Figura 9:
Figura 9 - Fórmulas estruturais do (a) ácido 3-butírico e do (b) polímero PHB Fonte: (BUCCI, 2003)
O PHB possui propriedades termoplásticas, que lhes permitem serem moldados ou transformados em filmes para aplicações diversas (CHANDRA; RUSTIGI, 1998). São utilizados em várias áreas, agricultura, marinha, apresentação de remédios e nos ramos de embalagens de alimentos, fármacos e produtos de higiene pessoal e, por serem biocompatíveis, têm potencial para aplicações médico-veterinárias, como suturas, suportes de culturas de tecido para implantes, encapsulação de fármacos para liberação controlada. (BUCCI 2003; ASSIS, 2009).
3.1.3.4.1. Estrutura e Propriedades do poli(hidroxibutirado)
O PHB no estado sólido é um material semicristalino, apresentando uma fase cristalina e outra amorfa. O grau de cristalinidade em filmes de PHB cristalizados a partir do estado fundido pode variar entre 60 e 90%. Este caráter semicristalino é responsável por todas as propriedades físicas e mecânicas desse polímero (TADA, 2009).
a) Estrutura cristalina do poli(hidroxibutirado)
Estudos de difração de raios-X em fibras cristalinas de PHB demonstraram que as moléculas de PHB apresentam conformação helicoidal (Figura 10). As
forças básicas deste modelo conformacional são principalmente as interações de Van der Walls entre o oxigênio das carbonilas e os grupos metila. Devido à estereorregularidade do PHB, o material é altamente cristalino, sendo também opticamente ativo, com o carbono quiral sempre na configuração absoluta R, quando se trata do PHB produzido por microrganismos (NASCIMENTO, 2001; SUDESH et al., 2000).
Figura 10 - a) Estrutura helicoidal proposta para a molécula de PHB (a barra representa o eixo da cadeia polimérica); b) Projeções da célula unitária do PHB nos planos e
.
Fonte: (CORNIBERT, 1972 apud TADA, 2009)
b) Propriedades físicas do poli(hidroxibutirado)
A distribuição de massa molar de um polímero é a medida da distribuição de suas massas molares individuais em torno da massa molar média. Essa propriedade é extremamente dependente da escolha do microrganismo produtor bem como da estratégia de produção, ou seja, duração da fermentação, taxa de
crescimento, concentração das fontes de carbono, etc. O peso molecular do PHB produzido por bactérias é na faixa de 1 x 104 a 3 x 106 (NASCIMENTO, 2001; SUDESH et al., 2000).
A transição vítrea em um polímero semicristalino corresponde à mudança do estado vítreo para o estado líquido, em sua fase amorfa (CANEVAROLO, 2010; NASCIMENTO, 2001). A temperatura na qual ocorre a transição vítrea é denominada temperatura de transição vítrea (Tg). Em temperaturas abaixo da Tg, os segmentos de cadeia e grupos pendentes apresentam mobilidade restrita e acima da Tg, as moléculas poliméricas apresentam mobilidade translacional, além dos graus de liberdade rotacionais e vibracionais (CANEVAROLO, 2010). A Tg de polímeros semicristalinos relaciona-se com variáveis as experimentais (preparação da amostra, história térmica, taxa de aquecimento ou resfriamento), os parâmetros moleculares (taticidade, massa molar, ramificações, etc.), com o grau de cristalinidade. A Tg do PHB está em torno de 4 – 5º C, e está diretamente relacionado à sua massa molar e ao seu grau de cristalinidade (NASCIMENTO, 2001; TADA 2009)
A alta cristalinidade associada à Tg, também, relativamente alta faz com que os filmes de PHB sejam muito frágeis, dessa forma, são preferíveis copolímeros com unidades contendo outros grupos alquila (especialmente R=C2H5) (CHANDRA; RUSTIGI, 1998; GHANBARZADEH; ALMASI, 2013).
3.1.3.5. Poli(hidroxibutirato–hidroxivalerato) (PHB/HV)
Copolímeros de PHB podem ser formados pela adição simultânea de outros substratos à glicose, como ácido propiônico, podendo resultar na formação de polímeros contendo os monômeros 3-hidroxivalerato (3HV), 3-hidroxihexanoato (HHx) ou 4-hidroxibutirato (4HB). A incorporação de 3HV na cadeia de PHB resulta no polímero poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) ([P(3HB-3HV)] ou PHB/HV) (MARCHESSAULT, 1996 apud REDDY et al., 2003).
Os copolímeros de PHB com ácido hidroxivalérico (PHB/HV) (Figura 11) são menos cristalinos, mais flexíveis e mais facilmente processáveis. O PHB e seus
copolímeros com até 30% de ácido 3-hidroxivalérico estão comercialmente disponíveis sob a marca Biopol® (PACHENCE et al., 2007).
Figura 11 - Estrutura do copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) Fonte: (LENZ; MARCHESSAULT, 2005)
3.2. BIOSSÍNTESE DE POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA)
Os PHAs podem ser obtidos por três vias: pela polimerização por abertura de anel da β-butirolactona racêmica (via sintética) (MULLER; SEEBACH, 1993), pela fermentação de fontes renováveis e não renováveis por microrganismos e pela produção por plantas geneticamente modificadas (SURIYAMONGKOL, 2007). O meio mais utilizado para a obtenção de PHB para fins industriais ou para pesquisa é a síntese por microrganismos, especialmente bactérias (TADA, 2009).
3.2.1. Microrganismos produtores
Os microrganismos produtores de PHA geralmente são bactérias Gram-positivas e Gram-negativas encontradas na natureza (BYRON, 1987). A escolha do microrganismo e do substrato tem grande impacto no custo da fabricação de PHAs. É desejável que as cepas tenham velocidades específicas de crescimento e de produção elevadas, que possam utilizar substratos de baixo custo e que tenham alto fator de conversão de substrato em produto (RAMSAY, 1994). O alto custo de produção dos PHAs está, em grande parte, relacionado ao processo de extração do polímero. E para que seja rentável, a cepa produtora deve ter capacidade de acumular pelo menos 60% de sua massa celular em polímero (BYROM, 1987; VIEGAS, 2005).
A Tabela 3 lista alguns microrganismos produtores de PHA e sua capacidade de acumulação desse polímero.
Tabela 3 - Capacidade de acúmulo de PHA de alguns microrganismos Microrganismo % de acúmulo Ralstonia eutropha 96 Azozpírillum 75 Azobacter 73 Baggiatoa 57 Leptothrix 67 Melhyocystis 70 Pseudomonas 67 Rhizobium 57 Rhodobacter 80
Fonte: (REDIFF HOME PAGE apud VIEGAS, 2005).
As bactérias produtoras de PHA podem ser divididas em dois grupos, baseando-se na dependência de limitação de nutrientes para a produção do biopolímero (VIEGAS, 2005). O primeiro grupo requer limitação de um dos nutrientes (nitrogênio, oxigênio, fosfato, enxofre, etc) para produção de PHA (exemplos: Ralstonia eutropha, antigamente denominada Alcaligenes eutrophus e Pseudomonas oleovorans.) (VIEGAS, 2005). O segundo grupo acumula PHA durante a fase de crescimento, pertencem a este grupo somente Alcaligenes latus, Azobacter vinelandii, e Escherichia coli recombinante (VIEGAS, 2005).
A Ralstonia eutropha é um dos microrganismos mais estudados e aplicados na produção dos PHAs. Esta bactéria inicia o acúmulo de PHA a partir do final da fase exponencial de crescimento. Este microrganismo foi escolhido pela ICI (Imperial Chemical Industries) para produção industrial de Poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivelerato (P[3HB-co-3HV]). Este microrganismo foi escolhido por crescer bem em meio mínimo, a 30ºC, em diversas fontes renováveis de carbono, podendo acumular cerca de 80% de seu peso seco em polímero (BYROM, 1992 apud VIEGAS, 2005). A produção de polímero por R.eutropha é realizada em duas etapas, a primeira etapa é de crescimento não limitado, visando o aumento de massa celular, e a segunda, de acúmulo de polímero, por limitação de algum nutriente (exceto carbono) (BYROM, 1987).
3.2.2. Biossíntese do PHB
A diversidade química dos PHAs é grande, da qual a forma mais bem conhecida e amplamente produzida é o poli(hidroxibutirato). A síntese do PHB é considerada a via biossintética mais simples (SURIYAMONGKOL, 2007).
O mecanismo proposto de síntese de PHB pela bactéria Ralstonia eutropha envolve três etapas, como demonstrado na Figura 12 (TADA, 2009).
Na primeira etapa acontece a condensação de duas moléculas acetil coenzima A em acetoacetil-CoA, catalisada pela enzima β-cetotiolase (PhaA). Na segunda etapa ocorre a hidrogenação da acetoacetil-coA, formando o monômero (R)-3-hidroxibutiril-CoA, catalisada pela enzima PHA-redutase. A terceira etapa corresponde à polimerização do (R)-3-hidroxibutiril-CoA, catalisada pela enzima PHB-polimerase (PhaC), uma PHA sintase, formando o polímero PHB (TADA, 2009; MADISON; HUISMAN, 2009 apud VIEGAS, 2005)
A iniciação da polimerização do (R)-3-hidroxibutiril-CoA envolve a ligação de duas moléculas desse monômero a dois grupos tióis, pertencentes aos aminoácidos (cisteína) constituintes do sítio ativo da PHB-polimerase (TADA, 2009). Segue-se a condensação de dois monômeros, sendo que um dos grupos tióis permanece livre (TADA, 2009). A fase de propagação envolve a ligação de outro monômero (R)-3-hidroxibutiril-CoA ao grupo tiol livre, seguida de outra condensação, e assim por diante, resultando no crescimento da cadeia polimérica (TADA, 2009).
Figura 12- Via biossintética de produção de PHB e PHB-HV por R.eutropha. Os genes que codificam as principais enzimas estão indicados entre parêntesis. Fonte: (POIRIER, 2002)
A adição de ácido propiônico ou ácido valérico em meio de glicose leva à produção do copolímero aleatório composto por HB e HV, (PHB-HV). Nesta via (Figura 12), a condensação do propionil-CoA com a acetil-CoA é mediada por uma cetotiolase (cetotiolase, bktB) (SURIYAMONGKOL, 2007). A redução do 3-cetovaleril-CoA para (R)-3-hidroxivaleril-CoA e a subsequente polimerização formando PHB-HV são catalisadas pelas mesmas enzimas envolvidas na síntese do PHB, acetoacetil-CoA-redutase e PHA sintase. (POIRIER, 2002).
3.3. PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE PHB
No Brasil, a produção industrial do PHB foi desenvolvida por uma joint venture entre a Coopersucar (Cooperativa dos Produtores de Cana-de-açúcar do Estado de São Paulo), o IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) e pelo ICB (Instituto de Ciências Biomédicas da USP) (NASCIMENTO, 2001). O método desenvolvido consiste na produção do PHB através da fermentação da sacarose da
cana-de-açúcar pela bactéria Ralstonia eutropha. Linhagens não modificadas de R.eutropha não são capazes de metabolizar sacarose, apenas açúcares invertidos. (TADA, 2009)
De 1995 a 2000, a primeira produção em planta piloto do PHB no Brasil, utilizando a metodologia Coopersucar-IPT-ICB, foi realizada na usina de açúcar e álcool Usina da Pedra. Essa planta piloto tinha como objetivos o teste viabilidade do processo e desenvolvimento, a capacitação dos trabalhadores para a produção e suprir pesquisadores com quantidade suficiente de PHB para testes e para avaliação econômica do custo de produção de PHB. A capacidade produtiva da Usina da Pedra em 1997 era de 8 a 10 ton de PHB por ano (VELHO, 2006 apud TADA, 2009).
Em 2000, a produção comercial de PHB se iniciou com a criação da empresa PHB Industrial, Figura 13, em Serrana-SP, próxima à Usina da Pedra. A produção do bioplástico pela PHB Industrial é a única produção industrial de PHB a partir de cana-de-açúcar e integrada em usina sucroalcooleira. Essa empresa opera desde 2005 com uma planta de capacidade máxima de 60 toneladas de PHB por ano (VELHO, 2006 apud TADA, 2009).
Figura 13 - Planta da PHB Industrial S/A em Serrana-SP Fonte: (BYOCYCLE®, 2014)
O nome comercial dado ao PHB produzido pela PHB Industrial é BYOCYCLE® (Figura 14) (BIOCYCLE, 2014; VELHO, 2006 apud TADA, 2009).
Figura 14 - PHB BYOCYCLE® produzido pela PHB Industrial. Fonte: (BYOCYCLE®, 2014)
A produção do PHB, demonstrado pela Figura 15, constitui-se basicamente em duas etapas (NASCIMENTO, 2001). A primeira etapa consiste no processo fermentativo, na qual o microrganismo metaboliza o açúcar e acumula o polímero no interior da célula (VELHO, 2006 apud TADA, 2009). A segunda etapa é onde ocorre a extração do PHB acumulado pelo microrganismo, seguida de sua purificação até obtenção do produto final sólido e seco para posterior processamento (VELHO, 2006 apud TADA, 2009).
Figura 15 - Fluxograma do processo de produção do PHB. Fonte: (BYOCYCLE®, 2014)
3.3.1. Processo fermentativo de obtenção do PHB
O processo de produção adotado pela PHB Industrial S/A, descrito detalhadamente por Nascimento (2001), é do tipo batelada alimentada (fed batch), onde cada ciclo é independente do outro, iniciando-se sempre a partir de um tubo de cultura.
Inicialmente ocorre a reativação e adaptação das células ao meio nutriente complexo, feito em um agitador de frascos (NASCIMENTO, 2001). As células em
crescimento são transferidas para um segundo frasco, de volume maior de meio, e de composição mais próxima ao que será utilizado no processo fermentativo (NASCIMENTO, 2001). Esta etapa é repetida algumas vezes, visando um aumento no número de células, e são realizadas em fermentadores com volumes sucessivamente maiores, todos utilizando o mesmo meio de fermentação (NASCIMENTO, 2001).
Em uma primeira fase as bactérias são induzidas ao crescimento em um meio de cultura sem limitação de nutrientes (TADA, 2009). Em um primeiro fermentador, xarope de açúcar invertido é utilizado com fonte de carbono, após esterilização em autoclave, sendo esta uma matéria prima pobre de nutrientes, é necessária a complementação com uma série de sais para a composição do mosto (TADA, 2009). É adicionada uma solução de macro nutrientes (sais de Fe, B, Mo, Ni, Cu, Mn, Co, Zn, Mn e Ca), fosfato de potássio ou fosfato de cálcio, como fonte de fósforo, e hidróxido de amônio como fonte de nitrogênio e para ajuste de pH (NONATO; MATELLATO; ROSSEL, 2001). Esta primeira etapa de fermentação ocorre durante cerca de 16h, a uma temperatura de 34ºC em pH 6,5 levando a uma concentração celular de aproximadamente 12 g/l. Nesta etapa não há acúmulo de PHB pela bactéria (NASCIMENTO, 2001; TADA, 2009).
Para as etapas seguintes, a composição do meio fermentativo é mantida, sendo adaptada às exigências do processo para maiores volumes (TADA, 2009).
Na segunda fase, a síntese do PHB é induzida limitando-se os nutrientes necessários para o crescimento celular (fósforo, por exemplo), em um meio com excesso de carbono, no caso açúcar de cana, que é continuamente alimentado ao fermentador na forma de xarope (TADA, 2009). Nessa etapa o fermentador dispõe de um volume útil bastante superior ao volume inoculado inicialmente, isso por que a concentração celular deve ser aumentada para melhor aproveitamento das instalações e para um melhor rendimento nas etapas de purificação do polímero (NONATO; MATELLATO; ROSSEL, 2001). Por se tratar de um processo fermentativo aeróbico, no qual a concentração de oxigênio dissolvido no meio exerce grande influência nos parâmetros cinéticos, devem ser garantidos níveis satisfatórios de oxigênio controlando-se agitação e aeração do sistema (NASCIMENTO, 2001).
Após cerca de doze horas de fermentação, o açúcar redutor presente no mosto é esgotado e a partir desse ponto, o xarope é continuamente adicionado, procurando-se manter uma concentração de 3 a 5 g/l de açúcar no meio. Nesta etapa o oxigênio dissolvido é mantido constante, aumentando-se a agitação e aeração do sistema. Este processo continua até o esgotamento dos nutrientes no meio, principalmente o fósforo (NASCIMENTO, 2001). Esta etapa dura cerca de catorze horas, elevando a concentração celular a uma faixa de 35 a 40 kg/m³. Com o esgotamento dos nutrientes e abundancia de açúcar, as células param de se multiplicar, iniciando a fase final da fermentação, na qual ocorre o acúmulo do polímero (BYROM, 1987; TADA 2009). A fase de acúmulo eleva o teor de polímero no interior da célula para cerca de 80%. A transição entre a fase de crescimento e a fase de acúmulo é facilmente observada; em um primeiro momento após o esgotamento dos nutrientes ocorre uma elevação espontânea do pH do meio; algumas horas mais tarde decresce a demanda por oxigênio, diminuindo a necessidade de agitação e aeração; a taxa de consumo de açúcares redutores também decresce, havendo a necessidade de reduzir a vazão de alimentação do xarope para o fermentador (NASCIMENTO, 2001). O aspecto da bactéria também se altera, passa de bastonetes longos a bastonetes curtos, arredondados e transparentes (NASCIMENTO, 2001).
Ao final da fase de acúmulo, deve ser feita rapidamente a desativação do complexo enzimático celular, pois ao esgotar-se a fonte de carbono pela parada de adição do xarope, a bactéria passa a consumir o polímero acumulado como fonte de carbono. A desativação é feita por uma pasteurização, a uma temperatura de 80ºC durante 15 minutos (NASCIMENTO, 2001).
O meio fermentado, então, deve ser conduzido às etapas de downstream para extração e purificação.
3.3.2. Processo de extração e purificação do PHB
De acordo com Nascimento (2001), o processo de extração e purificação do PHB pode ser detalhado da seguinte forma:
O material fermentado inativado contendo o PHB no interior das células deve ser submetido a um tratamento químico, onde é diluído em água da proporção de 1:2, com adição de ácido fosfórico seguida da adição de hidróxido de cálcio. É feita a floculação do material pela adição de um polieletrólito aniônico, preferencialmente uma poliacrilamida, em seguida faz-se a homogeneização, e em seguida transferido para um decantador. O lodo obtido passa por um sistema de extração de múltiplo estágio, em
contracorrente com o solvente retificado. O sistema opera a uma temperatura entre 110 e 120 ºC e é constituído por três reatores, sendo o extrato efluente do estágio subsequente e o vapor do solvente retificado, são misturados ao lodo adicionado no primeiro estágio.
O extrato bruto passa por um processo de filtração para separação dos sólidos insolúveis, a temperaturas de extração. O material filtrado, isento de sólidos insolúveis, passa então por um pré-resfriamento até a faixa de 60º – 50ºC e em seguida encaminhado aos cristalizadores. O processo de cristalização e crescimento do PHB começa com a introdução de “sementes” (gérmens de cristalização), seguido de resfriamento. Após a cristalização, o material apresentará duas fases, uma sólida, contendo do PHB precipitado e outra liquida, composta pelo solvente, que podem ser separadas por centrifugação. Obtém-se então um clarificado límpido e uma pasta rica em PHB. Essa pasta com alto teor de PHB passa por um processo de filtração tangencial em membrana para remoção adicional do solvente e em seguida faz-se a remoção do solvente residual.
O sistema de remoção de solvente da pasta consiste em um sistema de múltiplo estágio que trabalha a vácuo e em contracorrente, no qual a pasta é adicionada ao primeiro estágio e a água e vapor, no estágio de recuperação de solvente. No primeiro estagio é feita agitação e granulação da pasta concomitantemente com a remoção de solvente e injeção de vapor no estágio seguinte. A suspensão de PHB e água é removida e
bombeada continuamente para o estágio seguinte, onde recebe injeção de vapor do estágio subsequente. No último estágio, o material completamente granulado e com um teor de solvente inferior a 7 ppm, e removido e passa por uma peneira vibratória, seguida de uma secagem a vácuo.
3.4. DEGRADAÇÃO DE POLÍMEROS
O estudo da degradação dos polímeros é importante para o entendimento dos seus possíveis usos e aplicações, assim como sua posterior reciclagem e descarte (INNOCENTINI-MEI; MARIANI, 2005). O termo degradação pode ser definido como uma série de reações químicas, ocasionadas por diversos fatores de natureza térmica, mecânica, microbiológica, entre outros, sendo caracterizado pela perda ou alteração nas suas propriedades físicas e/ou pela sua fragmentação (PEZZIN, 2001 apud DUARTE, 2004). A Figura 16 exemplifica as vias de degradação a que um polímero pode estar sujeito.
Figura 16 - Vias de degradação da cadeia polimérica Fonte: (INNOCENTINI-MEI; MARIANI, 2005)
Normalmente, as reações de degradação são indesejáveis, pois na maioria das vezes procura-se alta durabilidade, ou vida útil do material. Porém, a degradação torna-se benéfica para materiais, tais como, sacos de lixo, fraldas, embalagens e outros de materiais de rápida descartabilidade, uma vez que esses resíduos tornam-se um problema ambiental (DUARTE, 2004).
A estrutura química do polímero tem grande influencia na capacidade de degradação destes, entre as características estruturais destacam-se: massa molar; ramificações; laterais; polaridade e regularidade espacial, cristalinidade, etc. (ASSIS, 2009).
A degradação de um polímero pode ocorrer de forma abiótica, ou seja, com ausência de seres vivos, sendo a luz, calor, água, oxigênio, ou atuação de substâncias químicas, por exemplo, os fatores desencadeantes do processo de degradação (ROSA; PANTANO FILHO, 2003 apud ASSIS 2009). Geralmente, o ataque biológico sobre o polímero é precedido por processos abióticos. Ou ainda, os polímeros podem ser degradados pela via biótica (biodegradação), sendo a degradação resultado da ação de microrganismos (ASSIS, 2009).
3.4.1. Biodegradação
A biodegradação é um processo natural pelo qual compostos orgânicos, em contato com o meio ambiente, são convertidos em compostos mais simples e mineralizados e redistribuídos através de ciclos elementares como o do carbono, nitrogênio e enxofre. Normalmente, derivam desse processo, componentes celulares microbianos e outros produtos (CHANDRA; RUSTIGI,1998).
No caso da biodegradação de polímeros biodegradáveis, lembra-se que, esta, só ocorrerá quando os polímeros estiverem em ambientes biologicamente ativos (ASSIS, 2009). Nos meios biológicos nos quais os polímeros serão descartados, estão os agentes biológicos responsáveis pela deterioração das substâncias poliméricas (ASSIS, 2009). Os agentes biológicos tais como bactérias, fungos e suas enzimas, consomem o polímero como tipo de alimento, sem deixar resíduo perigoso ou tóxico para o meio ambiente (ASSIS, 2009)
A biodegradação do polímero ocorre devido, principalmente, à produção de enzimas responsáveis pela quebra da cadeia, podendo ser processos tanto aeróbicos quanto anaeróbicos, dependendo do microrganismo (ROSA; PANTANO FILHO, 2003 apud ASSIS, 2009).
Para que um polímero sintético seja degradável por catálise enzimática, a cadeia polimérica tem de ser suficientemente flexível para se ajustar ao sítio ativo da enzima. Isto provavelmente explica o fato de que, enquanto que os poliésteres alifáticos flexíveis são facilmente degradados por sistemas biológicos, os aromáticos mais rígidos, como o PET (poli tereftalato de etila), são geralmente considerados bio-inertes (CHANDRA; RUSTIGI,1998).
3.4.2. Ciclo de vida do PHB
Tanto os meios biológicos aeróbios quanto os anaeróbios degradam os polímeros de PHB pela ação de enzimas extracelulares secretadas pelos microrganismos. Ao entrar em contato com o metabolismo do microrganismo, o PHB inicia sua degradação através da ação de esterases não específicas, formando ácido β-hidroxibutírico, que é convertido em acetoacetato, e sequencialmente em Acetil-Coa. Os produtos finais resultantes dos meios aeróbios são dióxido de carbono, água e biomassa e dos meios anaeróbios são dióxido de carbono, água, metano e biomassa (BUCCI, 2003; SANTOS JR.; WADA, 2007).
O ciclo de vida do PHB, Figura 17, quando se utiliza como substrato a cana-de-açúcar e é empregado em sua fabricação o uso de tecnologia limpa, tem início com a transformação do gás carbônico (CO2), água e energia solar em biomassa (cana-de-açúcar) que então é processada e transformada em sacarose e fibras (BIOCYCLE, 2014). A fibra contida no bagaço de cana é usada como fonte de energia para os processos de produção (BIOCYCLE, 2014). A sacarose é convertida em PHB, pelo processo fermentativo descrito anteriormente, durante o processo é utilizado para a extração do polímero, um solvente orgânico (óleo fusel) que é um subproduto da fabricação do álcool (BUCCI, 2003). O PHB
produzido é utilizado pelas indústrias de transformação para desenvolvimento de diversos produtos plásticos (BIOCYCLE, 2014). Estes produtos quando descartados em ambientes naturais e biologicamente ativos (presença de bactérias e fungos), associados à temperatura e umidade, são transformados novamente em gás carbônico e água, concluindo o ciclo de vida sem grandes impactos ao meio ambiente (BIOCYCLE, 2014).
Figura 17 - Ciclo de vida do PHB Fonte: (BIOCYCLE, 2014)
3.5. EMBALAGENS PLÁSTICAS PARA ALIMENTOS
3.5.1. Histórico de embalagens para alimentos
O surgimento das embalagens está fortemente ligado ao desenvolvimento da civilização. As primeiras embalagens para alimentos surgiram há mais de 10 mil anos atrás, e serviam como recipientes para beber e estocar (SANTOS, YOSHIDA, 2011). As primeiras embalagens utilizadas constituíam-se de elementos encontrados na natureza, como cascas de coco, conchas do mar e
chifres de animais (CAPELINI, 2007). Com o passar do tempo, e o aprimoramento das habilidades manuais, foram produzidas tigelas de madeira, potes de barro, cestos de fibra, entre outros (SANTOS, YOSHIDA, 2011). Por volta do primeiro século depois de cristo o vidro começou a ser a ser amplamente utilizado para guardar alimentos, por ser impermeável e transparente. Já no século XIX, com a fabricação industrial do papel, ele deixou de ser utilizado somente para escrita e passou a ter grande importância para proteger e embrulhar alimentos (BUCCI, 2003).
A utilização do plástico como embalagem se deu após a Segunda Guerra Mundial (MESTRINER, 2002 apud BUCCI, 2006). A vida moderna conheceu elementos novos, um deles o supermercado, que estabeleceu padrões visuais da embalagem tal como se conhece hoje. Surge então a necessidade de novas embalagens, principalmente para alimentos, de fácil manuseio, estocagem, transporte, e proteção (ASSIS, 2009). Nessa mudança de hábitos surgem as embalagens plásticas, mais leves, mais baratas e fáceis de produzir do que as embalagens de papel ou de metal; eram fabricadas a partir de várias resinas com características diferentes, derivadas do petróleo, como o polietileno, poliéster, polipropileno; teve início por volta de 1920, com o surgimento do celofane, um filme transparente e flexível, que foi utilizado para proteger os alimentos e, ao mesmo tempo, aumentando sua vida útil (BUCCI, 2003).
As embalagens plásticas, apesar de suas limitações como baixa resistência ao impacto, à deformação e transmissão de luz, vêm se superando ao longo dos anos (BUCCI, 2003). Essas limitações vêm diminuindo com o uso de novas tecnologias, novos equipamentos, bem como o uso de novas resinas. Pode-se citar, como exemplo, a resina PET (politereftalato de etila) entre as mais utilizadas em embalagens de alimentos; além de ser transparente, tem como vantagem uma ótima resistência mecânica e pode ser moldada em vários processos (BUCCI, 2003).
3.5.2. Conceito atual de embalagens
São inúmeros os requisitos técnicos e legais que recaem sobre a embalagem, fazendo com que essa confira proteção ao produto, viabilidade logística de distribuição, de venda e de consumo, e que ao mesmo tempo atenda aos padrões sociais, culturais e econômicos de nosso país (ABRE, 2001).
A embalagem não é um instrumento exclusivo da indústria para comercializar seus produtos, mas sim de toda a sociedade para ter acesso a bens de consumo de forma segura, prática e economicamente viável (ABRE, 2011, p. 7).
A embalagem deve ser desenvolvida observando-se os seguintes aspectos, conforme Figura 18:
Figura 18 - Aspectos a serem observados para o desenvolvimento de embalagens Fonte: (ABRE, 2011)
3.5.3. Funções da embalagem
As principais funções da embalagem são: conter, proteger, informar, transportar e vender o produto. A escolha de uma embalagem para um produto depende das necessidades de cada função que deve desempenhar (ASSIS, 2009; CAPELINI, 2007; SANTOS, YOSHIDA, 2011):
a) Conter: Guardar ou armazenar um produto, desde a produção até o momento do uso pelo consumidor final.
b) Proteger: Manter a integridade sanitária do produto. Construir uma barreira física, química e biológica. A permeabilidade a esses fatores é de grande importância em função do tempo de vida útil do alimento, pois a deterioração de alimentos embalados depende fortemente das transferências que podem ocorrer entre o meio interno, dentro do material de embalagem, e o meio externo, no qual ele é exposto aos danos na estocagem e distribuição.
c) Vender o produto: a embalagem deve ser atrativa e conveniente, como por exemplo, ter a possibilidade de ser subdivida (unidades menores e isoladas), visando atender as necessidades do consumidor.
d) Informar: deve conter informações sobre a natureza do produto, forma de utilização, quantidade, composição, procedência, fabricação, validade, manuseio, etc. Muitas das informações contidas nas embalagens são exigências da legislação.
e) Transportar: deve proporcionar viabilidade logística, mantendo a integridade física do produto, e trazendo benefícios como a minimização de perdas, a possibilidade da sua conservação durante o transporte e o acesso em diferentes épocas do ano a produtos diversos provenientes de outros lugares.
Além destas funções tecnológicas e mercadológicas, é importante também ressaltar a função econômica da embalagem. O custo da embalagem deve ser objeto de muita atenção, pois muitas vezes a embalagem custa mais que o próprio produto que contém (GURGEL, 1995 apud BUCCI, 2003).
3.5.4. Seleção de materiais para embalagens alimentares
O tempo de vida útil de um produto é controlado por três fatores: características deste produto, propriedades da embalagem em si e condições de distribuição e estocagem. A embalagem é, muitas vezes, responsável pela garantia da qualidade do produto (BUCCI, 2003).
a) Características do produto: ao selecionar uma embalagem é necessário conhecer as características individuais do produto. Reações deteriorativas como reações enzimáticas, químicas, físicas e mudanças microbiológicas. Pode-se citar a oxidação, ganho ou perda de umidade, ações enzimáticas, perda ou mudança na constituição, especialmente aroma, cor, etc., mudança de textura, devidos à exposição à luz, frio e ao calor, danos ocasionados por microrganismos ou pragas;
b) Propriedades da embalagem em si: conhecimento de características do produto, condições de estocagem e transporte determinam as necessidades de propriedades de barreira dos materiais de embalagem utilizados para uma determinada aplicação. Propriedades de barreira incluem permeabilidade a gases como oxigênio e gás carbônico, vapor d’água, aromas e luz. Essas são propriedades vitais para manter a qualidade e integridade dos alimentos. Os materiais de embalagens são também escolhidos com base em fatores como: processabilidade, propriedades mecânicas (tensão, alongamento, resistência à carga vertical, força de ruptura, etc.), resistência química, física e biológica;
c) Condições de estocagem e distribuição: Fatores ambientais tais como temperatura, umidade relativa, intensidade de luz, a que o produto ficará exposto durante a estocagem e distribuição, devem ser considerados na seleção do material da embalagem. O conhecimento das propriedades e das vantagens dos materiais disponíveis para embalagens alimentícias é de fundamental importância para a especificação mais adequada do material para um determinado produto
Os principais materiais utilizados na fabricação de embalagens para alimentos são: vidros transparentes e coloridos, papéis e papelões de várias densidades,
metais, como aço e alumínio e principalmente, diversos tipos de plásticos (CAPELINI, 2007).
3.5.5. Embalagens alimentares produzidas a partir de PHB
As embalagens plásticas alimentares, produzidas a partir do PHB, podem sofrer degradação de microrganismos aeróbios que promovem produção de resíduos orgânicos estáveis, como dióxido de carbono, biomassa e água. Porém, a degradação também pode ocorrer em condições de anaerobiose, com a produção do metano como principal produto final (ASSIS, 2009; CHANDRA; RUSTIGI,1998; NASCIMENTO, 2001).
Para que estas embalagens possam de fato, serem tratadas como alternativa para os plásticos convencionais, estas, devem ser avaliadas sobre vários aspectos, que incluem desde o gerenciamento dos compostos gerados (biomassa e metano) a disponibilidade de matéria prima; custos; processabilidade do polímero; atendimento aos requisitos técnicos e de segurança alimentar referentes às propriedades de embalagens para alimentos (ASSIS, 2009).
3.5.6. Potencial de substituição dos polímeros convencionais por biodegradáveis
Na Tabela 4 encontra-se o potencial de substituição dos polímeros convencionais pelos biodegradáveis (PRADELLA; 2006).
O PHB e seus copolímeros possuem propriedades físicas que se assemelham aos polímeros convencionais (Tabela 5), podendo, portanto, substituí-los potencialmente em diversas aplicações. É possível observar na Tabela 4 que o PHB pode substituir as resinas PP, PEAD e PS, ou seja, as resinas mais utilizadas para fabricação de embalagens alimentícias (PRADELLA, 2006).
Tabela 4 - Potencial de substituição dos polímeros convencionais pelos bioplásticos.
Materiais PVC PEAD PEBD PP PS PMMA PA PET PC
Polímeros de Amido - + + + + - - - - PLA - + - + + - + + - PTT - - - + - - ++ ++ + PBT - - - ++ - - + ++ + PHB - + - ++ + - - - - PHB/HHx + ++ ++ ++ + - - + -
++ substituição completa; + substituição parcial; - não substuição. Fonte: (PRADELLA, 2006)
Tabela 5 - Propriedades físicas do PHB e alguns copolímeros em comparação com plásticos Material Tm (ºC) Tg (ºC) Tensão de Cisalhamento (Mpa) Elongamento na ruptura (%) PHB 177 4 43 5 P(HB-co-10% HV) 150 - 25 20 P(HB-co-20% HV) 135 - 20 100 P(HB-co-17% HHx) 127 -1 21 400 P(HB-co-17% HHx) 120 -2 20 850 Polipropileno (PP) 170 - 34 400 Poliestireno (OS) 110 - 50 - Fonte: (PRADELLA, 2006)
A Tabela 6 mostra exemplos de aplicações correntes e em desenvolvimento para os bioplásticos. Dentre estas substituições destacam-se as áreas de embalagens, descartáveis e fibras têxteis, mercados dominantes no consumo de termoplásticos (PRADELLA, 2006).
Tabela 6 - Aplicações de alguns bioplásticos
Polímero Aplicações
Amido modificado e
Amido-PCL
Embalagens: sacos; Bandejas; talheres; filme para embrulhar.
Agricultura: filme de recobrimento; vasos para mudas; encapsulação e agente de liberação de agroquímicos. Outros: uso na composição de pneus como enchimento PLA
Embalagens: alimentos, óleos e produtos gordurosos. Fibras e tecidos: uso em interiores de automóveis; tapetes, carpetes, tecidos para roupas.
PTT
Embalagens: Fibras e filmes para embalagens; cordas. Fibras e tecidos: uso em interiores de automóveis; tapetes, carpetes, tecidos para roupas.
Outros: fitas magnéticas; pisos de recobrimento; corpos de equipamentos eletrônicos.
PBT
Elétrico-eletrônico: isolamento em eletrodomésticos e relays; cabos de conecção; componentes para chaves e tomadas.
PBS E PBSA
Embalagens: sacos; frascos; filme para embrulhar. Agricultura: filme de recobrimento.
Outros: plastificante para PVC.
PHB; PHB-HV; PHB-HHx
Embalagens: frascos para alimentos e produtos aquosos e gordurosos; artigos de descarte rápido; filmes para
recobrimento de cartões.
Agricultura: vasos para mudas; encapsulação e agente de liberação de agroquímicos.
Outros: microcápsulas para liberação controlada de ativos; moldes para engenharia de tecidos; partes de fraldas e absorventes íntimos.
Fonte: (PRADELLA, 2006) 3.5.7. Custo de produção do PHB
Um dos principais fatores que dificulta a substituição de artigos produzidos com polímeros convencionais, produzidos a partir de derivados do petróleo, por artigos produzidos por PHB é o seu alto custo de produção (LEE, 1999).
Considerando o processo de produção do PHB, é desejável maximizar as variáveis de processo, como a produtividade (massa de PHB produzida por unidade de volume, por unidade de tempo), a porcentagem de acúmulo de PHB pelo microrganismo, e o fator de conversão de substrato em produto bem como a
