PI9103116 PROCESSO PARA PRODUZIR POLIHIDROXIALCANOATOS A PARTIR DE AÇÚCARES EXTRAÍDAS DA CANA DE AÇÚCAR
Depósito: 16/07/1991
Destaque: unidade piloto foi instalada na Usina da Pedra (SP)
Inventor: Margaretti Simões Oliveira / Rosa Mitiko Saito Matsubara / Celso Lellis Bueno Netto / Américo Martins Craveiro / Alfredo Eduardo Maiorano / Arménio Gomes Pinto / José Geraldo da Cruz Pradella
Titular: Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT (BR/SP) / PHB Industrial S/A (BR/SP)
Esta invenção descreve um processo para produção de polihidroxialcanoatos (PHA) – poliésteres biodegradáveis – a partir de açúcares derivados da cana-de-açúcar, como caldo, xaropes, melaços ou cristais, contendo sacarose, glicose e frutose. O processo está preferencialmente integrado a uma usina de açúcar e álcool, aproveitando matéria-prima, vapor, água, eletricidade e ar comprimido. A fermentação é realizada por bactérias produtoras de PHA, especialmente do gênero Alcaligenes (como A. eutrophus ou A. latus), e ocorre em duas fases: 1) Fase de crescimento: meio rico em nutrientes e açúcares para multiplicação celular. 2) Fase de acumulação: meio com restrição de nitrogênio, mas com excesso de carbono, para induzir a síntese de PHA. Na segunda fase, são adicionados precursores (como ácido propiônico) para produção de copolímeros, como o PHB/PHV (poli-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato). Após a fermentação, as células são aquecidas (80–140°C), rompidas mecanicamente e submetidas a extração e purificação usando solventes (ex.: clorofórmio), não solventes, surfactantes ou enzimas. Os grânulos de PHA são então lavados, concentrados e secos (ex.: spray-dryer). O processo permite alta produtividade (até 100 g/m³/h de polímero) e conversão eficiente (até 3 kg de açúcar por kg de PHA). O produto final é um biopolímero termoplástico, biodegradável e biocompatível, com aplicações em embalagens, dispositivos médicos e agricultura.
O grupo de cientistas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), que iniciou as pesquisas nesta área em 1992, é liderado por Celso Lellis Bueno Netto, inclui José Gregório Gomez, Marilda Keico Taciro, Luiziana Ferreira da Silva e o engenheiro Carlos Rossell da Copersurcar. Eles descobriram em 1994 uma nova espécie bacteriana capaz de transformar açúcar em plástico. Ela alimenta-se diretamente de açúcar, transformando o excedente do seu metabolismo em um plástico biodegradável chamado PHB (polihidroxibutirato). Sua vantagem é levar de um a dez anos para se degradar no ambiente, enquanto que o plástico de origem petroquímica pode levar centenas de anos para se degradar. Esta bactéria, denominada Burkholderia sacchari, está sendo testada na Usina de Pedra, em Serrana (SP).
O objetivo é empregar a B. sacchari na produção industrial de PHB. A vantagem seria que ela pode ser integrada totalmente à linha de produção da usina de açúcar. A energia para cultivo da bactéria vem da queima de bagaço de cana. O alimento é o próprio açúcar e o solvente usado para retirar o polímero das bactérias é um derivado da produção de etanol. Até os efluentes da linha de produção têm aplicação dentro da cadeia produtiva: são usados para adubar e irrigar plantações. Segundo pesquisadores do IPT, para cada 3 quilos de açúcar utilizado para alimentar as bactérias é possível obter 1 quilo de plástico.
Descobertos há cerca de dez anos, os plásticos biodegradáveis ainda têm uma participação mínima no mercado internacional (cerca de 1%), dominado pelos de origem petroquímica. Apesar da vantagem no critério ambiental, os plásticos biológicos são mais caros e, por serem menos flexíveis, têm aplicações mais limitadas que os sintéticos. As perspectivas, no entanto, são animadoras, segundo Sylvio Ortega Filho, assessor financeiro e comercial da PHB Industrial, empresa que produz plástico biodegradável a partir de bactérias, com a tecnologia licenciada da Copersucar.
"O PHB vai atender aos requisitos de uma área específica de mercado", prevê o pesquisador José Gregório Gomez, do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), que participa de estudos com o novo plástico. Na indústria, pesquisas com o PHB estão centradas em produtos de rápido descarte, como barbeadores, embalagens de cosméticos, copos e talheres plásticos. "Muitas empresas reconhecem que ter um produto feito com plástico biodegradável é um diferencial importante. O que é preciso agora é atender o que o mercado requer desse polímero", diz Gregório. Algumas empresas estudam o uso do PHB na fabricação de garrafas do tipo PET. Outra aplicação promissora do PHB é na medicina, em cápsulas gelatinosas para a ingestão de medicamentos ou na forma de pinos, fios de sutura e enxertos ósseos que podem ser assimilados naturalmente pelo organismo.
Em meados da década de 90, teve início no Brasil o desenvolvimento de tecnologia para a produção de plásticos biodegradáveis e biocompatíveis empregando matéria-prima renovável pela agricultura, em especial derivados da cana-de-açúcar, a partir de um projeto cooperativo desenvolvido pelo IPT, Copersucar e Universidade de São Paulo. Após um levantamento de oportunidades, selecionou-se um grupo de polímeros da família dos polihidroxialcanoatos (PHA) que podem ser produzidos por bactérias em biorreatores a partir de carboidratos. Tais polímeros, em condições apropriadas de cultivo bacteriano, são acumulados na forma de grânulos intracelulares, os quais podem ser separados e removidos após a lise celular gerando uma resina com propriedades semelhantes às dos plásticos de origem petroquímica, com a vantagem de poderem ser biodegradados no ambiente por microrganismos nele existentes em curto espaço de tempo após o descarte.
Além de propriedades termoplásticas, que lhes permitem serem moldados ou transformados em filmes para aplicações diversas, são também biocompatíveis, com potencial para aplicações médico-veterinárias, como suturas, suportes de culturas de tecido para implantes, encapsulação de fármacos para liberação controlada etc. Polihidroxibutirato (P3HB) foi o produto-alvo inicialmente estudado.
Como a idéia era utilizar derivados de cana, duas linhas de busca do microrganismo ideal foram adotadas: (i) A partir de uma linhagem de coleção de culturas capaz de produzir P3HB a partir de glicose e frutose, mas não a partir de sacarose, o Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo desenvolveu um trabalho de melhoramento genético da bactéria de modo a torná-la capaz de acumular o polímero utilizando a sacarose e (ii) simultaneamente, o Laboratório de Microbiologia Industrial do Agrupamento de Biotecnologia (LMI-AB) do IPT partiu para um programa de isolamento e seleção de bactérias de solo capazes de utilizar a sacarose e produzir P3HB com alta eficiência. Para completar o desenvolvimento da tecnologia, o Laboratório de Fermentações Industriais (LFI), também do Agrupamento de Biotecnologia desenvolveu a estratégia para cultivo e acúmulo de PHA em biorreatores e, junto com a Copersucar, o processo de separação do polímero e ampliação de escala.
Amostras de solo foram submetidas a condições laboratoriais que inibiam o crescimento de bolores e leveduras e, ao mesmo tempo, favoreciam o crescimento bacteriano em sacarose, açúcar predominante na cana, bem como seus derivados. Cerca de 300 clones foram capazes de utilizar sacarose. Estes foram então submetidos a testes que verificavam aqueles capazes de além de crescer em sacarose, utilizá-la para produzir PHA. Destacaram-se 75 clones bacterianos produtores de PHA (PHA+). Uma identificação preliminar já demonstrou a grande variabilidade de espécies bacterianas encontradas. Outro resultado que convém ser destacado refere-se ao fato de que, além de produzirem o P3HB (polímero com unidades monoméricas de 4 carbonos e propriedades termoplásticas) que era o produto alvo, muitas das bactérias produziam outros polímeros de interesse. Destacamos entre estes polímeros produzidos, aqueles que contêm monômeros com 6-12 átomos de carbono, denominados PHAMCL (do inglês, medium chain length) e que apresentam propriedades elastoméricas, assemelhando-se mais à borracha e com outro tipo de aplicação (filmes para revestimento de embalagens de papelão, fraldas, absorventes, adesivos, etc.). Foi também descoberta uma linhagem bacteriana capaz de produzir, a partir de sacarose, uma mistura de P3HB com 3HPE, este último consistindo de monômeros de ácido 3-hidroxi-4-pentenóico, o qual, por ter uma insaturação, pode ser modificado quimicamente, ampliando suas propriedades e aplicabilidade. Algumas linhagens também se mostraram capazes de utilizar xilose e outros açúcares presentes no hidrolisado do bagaço de cana, até então um rejeito de baixo valor econômico, produzindo P3HB.
Os 75 clones PHA+ foram então comparados, selecionando-se dois deles com melhor capacidade de produzir P3HB: IPT 045 e IPT 101. Foi feita uma identificação preliminar e as duas linhagens correspondiam, respectivamente a uma Burkholderia cepacia e Burkholderia sp. Estas duas linhagens foram avaliadas em ensaios em biorreator. Foram comparados velocidade de crescimento, capacidade de acúmulo de polímero e eficiência em converter sacarose em polímero. Por seu melhor desempenho e por não ser patogênica, a linhagem IPT 101 foi selecionada. No sentido de se fazer uma identificação completa, a IPT 101 foi enviada a alguns centros especializados no Brasil e na Alemanha. Entretanto, as características da espécie não coincidiam com nenhumas daquelas já conhecidas de bactérias do gênero Burkholderia. Somente em 1999, em cooperação com o Laboratory of Microbiology, Universiteit Gent (Bélgica) e com o Institut für Mikrobiologie de Münster (Alemanha), após comparar resultados de testes bioquímicos, da composição de ácidos graxos, da seqüência de genes de rRNA 16S, verificou-se que trata-se de uma nova espécie que foi então denominada Burkholderia sacchari, justamente por ter sido isolada a partir de solo de canavial. A descoberta será publicada no International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology numa das próximas edições.
O coordenador dos trabalhos no IPT, José Geraldo Pradella, explicou que para se chegar a esse plástico foram selecionadas algumas bactérias do Banco de Cepas do Mercado e que se desenvolvem em meio ao solo dos canaviais. Entre elas as do gêneros Ralstonia e burkholderia, esta última eleita para a produção em projeto piloto. Uma vez isolada a cepa, esta é mantida em condições próximas a seu meio de cultura e desenvolvida a base de carbono (em forma de sacarose ou açúcar) e nitrogênio (em forma de sais como sulfato de amônia e fosfato de magnésio). Passa, depois, por estágios que implicam no emprego de recipientes airados e agitados (reatores) e fermentadores até ter em suas células o reprocessamento da sacarose em forma de uma pasta. Este material é extraído com o uso de solventes e submetido à secagem, resultando em um pó granulado. No mercado mundial, já existem outros tipos de plásticos biodegradáveis como por exemplo o obtido com amido de milho, nos Estados Unidos, e por manipulação genética, processo transgênico, na Suíça. Mas o único a utilizar a cana-de-açúcar é o Brasil, frisa Vaz Rossel, lembrando que por mais que se avance em tecnologia "não vamos ter a supremacia de um custo mais baixo do que o convencional, mas da mesma forma que levamos 60 anos para multiplicar as variedades de uso do polietileno, desde a sua descoberta em 1940, vamos entrar para uma etapa de novas opções".
Em 1996, uma unidade piloto foi instalada na Usina da Pedra (SP) para produzir plástico biodegradável (PHA) a partir do açúcar da cana, utilizando tecnologia nacional. O processo emprega fermentação em tanques com controle rigoroso de pH, temperatura e oxigênio, e a adição de ácido propiônico possibilita a produção do copolímero P(HB-co-HV), mais maleável que o PHB puro. O Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) melhorou geneticamente a bactéria Burkholderia sacchari, obtendo uma linhagem (IPT 189) com maior eficiência na produção do copolímero. A unidade da PHB Industrial, em Serrana (SP, produz de 50 a 60 toneladas anuais do biopolímero, exportando para EUA, Europa e Japão a um custo competitivo de US$ 5/kg. Paralelamente, o IPT desenvolveu um novo processo utilizando o bagaço de cana hidrolisado como matéria-prima, tornando o processo ainda mais sustentável ao aproveitar um resíduo abundante. Apesar do custo superior ao dos plásticos convencionais, a demanda internacional e a legislação ambiental favorável impulsionam o mercado. O plástico biodegradável resultante se decompõe em água e CO₂, possui propriedades similares ao polipropileno e tem aplicações em embalagens, produtos médicos e descartáveis. A previsão era expandir a produção para escala comercial a partir de 2005, visando um mercado global em crescimento.
Referências:
Revista Isto é de 25.10.1995 página 61
Cronologia do Desenvolvimento Científico e Tecnológico Brasileriro, 1950-200, MDIC, Brasília, 2002, páginas 223
Tecnologia & Inovação para a indústria, Sebrae, 1999, página 58
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