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Aplicações da Biotecnologia na Industria de Papel e
Celulose
Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão
Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°8
2009
Biotecnologia aplicada nas diversas áreas de produção de papel
a) Reflorestamento modificação genética das plantas
b) Produção fermentação de açúcares de hemicelulose, biopolpação, biobranquemento, controle de resinas, Tratamento de efluentes.
c) Reciclagem destinamento e reconstituição do papel
A aplicação de processos biotecnológicos na produção de papel e celulose envolve perfeita integração de áreas como química, bioquímica, microbiologia, genética e engenharia química que são a base da biotecnologia moderna.
Madeira – composição química e ultra-estrutura Grande disponibilidade, renovabilidade
Constituição: celulose, polioses, lignina, pequenas quantidades de extrativos e sais minerais
Celulose
Componente + abundante (50%), polímero linear (parte amorfo, parte cristalino), formado exclusivamente por moléculas de anidro-glicose unidas através de ligações ß-(1-4)-glisosídicas.
Composta por unidades monoméricas de celobiose, apresentando o oxigenio que ligam os anéis glicosídicos na posição equatorial.
A utilização da celulose como substrato de
bioconversão depende da acessibilidade às enzimas
celulolíticas o que está relacionado à estrutura da
celulose.
Assim pode-se distinguir uma porção mais exposta
ao ataque enzimático e portanto mais facilmente
hidrolisável chamada de região amorfa e outra
resistente à hidrólise conhecida como região cristalina.
Hemiceluloses
Constitui 20-35% do peso da madeira e de resíduos agrícolas e serve como fonte abundante e barata de carboidratos fementáveis.
A hemicelulose, solúvel em meio básico, está localizada na parede das células vegetais e é constituída principalmente de D-galactose, D- manose, D-xilose, L-arabinose, outros açúcares e seus acidos urônicos. homopolímeros (ex. xilana, formado por xilose) e heteropolímeros (ex. glicomanana, formado por glicose e manana).
Consideráveis diferenças apresentam-se nas
hemiceluloses de tecidos lenhos de diferentes
espécies, assim madeiras duras são ricas em
pentosanas (xilose), e madeiras moles são ricas em
hexanas (manose).
Lignina
Composta basicamente de unidades de fenilpropano formando uma macromolécula tridimensional e amorfa, representando 20-30 % do total da madeira.
O acomplamento da unidades de fenilpropano não ocorre de forma regular e respectiva, o que é atribuído ao mecanismos de biossíntese da lignina, que se processa por via radicalar a partir das reação de três diferentes álcoois cinamílicos precursores.
Os diferentes tipos de acoplamento entre os precursores dão origem a vários tipo de ligações entre as unidades de fenilpropano. Mais abundantes são: ß-O-4 e α-O-4 (50-65%) , ß-5 (6-15%), ß-1 (9-15%), 5-5 (2-9%) e ß-ß (2-5%).
Existe ainda uma fração menor da madeira, formada basicamente de composto fenólicos e resinas que comumente são chamados de extrativos (solúveis em solventes orgânicos e água) compreendem cerca de 2-4%.
Biodegradação da madeira e seus componentes
• Os M.O. + efetivos na biodegradação da madeira na natureza são os fungos de decomposição branca (degradam todos os constituintes da madeira) e os fungos de decomposição parda (degradam principalmente polissacarídeos) basidiomicetos.
• Ascomicetos e fungos imperfeitos fungos de decomposição branda (podem degradar a lignina e carboidratos, porém em velocidades muito baixas).
Mecanismo da biodegradação Biodegradação da celulose
3 grupos de enzimas que atuam sinergicamente endo-1,4-ß glucanases, as exo-1,4-ß-glucanases e as 1,4-ß-glucosidases:
As endo-glucanases rompem a molécula de celulose ao acaso e liberam fragmentos menores, que servem como substrato para as exo-glucanases.
As exo-glucanases hidrolisam, pelas pontas os fragmentos de menor massa molar.
E as ß-glucosidases hidrolisam a celobiose até glicose.
Os diversos produtos
finais exercem efeitos
inibitórios sobre cada uma
das enzimas relacionadas
a hidrólise de celulose:
Por ex. a celobiose é
inibidora da ação de
celobioidrolase e também
de algumas endo-
celulases, dependendo da
fonte enquanto que a
glicose é um poderoso
inibidor da ação de
celobiases e de algumas
celulases.
A primeira etapa no processo de utilização da celulose é a conversão em glicose.
A glicose pode ser posteriormente fermentada a etanol industria química, como intermediário de outros produtos químicos ou como combustível.
A degradação de celulose por M.O. pode ocorrer através de produção de enzimas extracelulares que se difundem ao meio para quebrar a cadeia de celulose ou por contato direto entre as enzimas do M.O presentes na superfície ou na fibra de celulose.
Porém a maioria das enzimas celulolíticas são extracelulares.
Biodegradação da HemiceluloseOcorre de forma semelhante à da celulose finalidade obtenção de
mistura de açúcares simples, componente principal a D-xilose.
Xilose
Furfural
Condições acidas
Condições reduzidas
Xilitol etanol
fermentação
Hidrólise da celulose sistema enzimático que hidrolise ligações ß-1,4 –glicosídicas
x
Hidrólise hemicelulose requer conj. de enzimas bem mais complexo!
Enzimas envolvidas hidrolases específicas, que clivam
determinados tipos de ligações existentes no polímero:
Xilanases rompem ligações glicosídicas entre as unidades
monoméricas de xilose
Mananases atuam sobre as ligações glicosídicas entre
moléculas de manose
Glucuronidases ligações entre os ácido urônico com moléculas
de açúcar.
A caracterização de enzimas hemicelulolíticas é importante
devido ao seu envolvimento nas bioconversões industriais e suas
potencialidades de aplicação comercial em grande escala, como:
na biopolpação da madeira, branqueamento de polpas,
aumento na digestibilidade de rações animais...
As hemicelulases são divididas em grupos:
Endo-hemicelulases hidrolisam o polímero ao acaso e geram fragmentos de menor massa molar
Exo-hemiclulases hidrolisam os fragmentos gerados pelas endo-hemicelulases.
Xilosidases hidrolisam dímeros a açúcares monoméricos.
Biodegradação da Lignina
+ Eficiente: fungo de degradação branca Phanerochaete chrysosporium
Aplicações das enzimas ligninolíticas: biopolpação, biobranqueamento de polpas, liberação de carboidratos a partir de resíduos ligninocelulósicos, bioconversão de materiais ligninocelulósicos em rações, tratamento de resíduos agroindustriais, tratamento de efluentes e solos contaminados com compostos recalcitrantes.
Enzimas englobadas em duas classes :
A-) Fenoloxidases Metaloproteínas Enzimas dependentes de peróxido (peroxidases: LiP e MnP) e Lacases (enzimas cuproproteínas que não dependem de peróxido para atuarem).
B-) Enzimas produtoras de peróxido de hidrogênio Geram H2O2
Enzimas produtoras de H2O2:
Glicose oxidase Glicose originária da biodegradação da celulose e das polioses que contêm glicose.
Metanoloxidase metanol produzido durante a biodegradação da própria lignina, através da remoção das metoxilas ligadas ao anel aromátcio da própria lignina.
+
Enzimas extracelulares (glioxal oxidase e aril-alcool oxidase)
+
Recentemente ...MnP gera H2O2 a partir da oxidação de ácidos orgânicos como malônico e o oxálico.
Outras enzimas e mediadores de massa molar !
Até o momento ….estudos desenvolvidos concluíram
que o sucesso da biodegradação da lignina:
1-) Ruptura oxidativa das cadeia laterais envolvendo os C
α e ß formação de ácidos carboxílicos.
2-) Ruptura das ligações ß-aril-éter modificações das
cadeias lateriais.
3-) degradação dos núcleos aromáticos abertura do anel
aromático.
Processamento de madeira na industria de papel e celulose
Troncos de madeira Cortador
Cavacos de madeira
Digestor
Polpação quimica
Tanque de expansão
Lavagem
Classificação
Polpa não branqueada
Tanque de branqueamento
Branqueamento
CDED
Polpa branqueada
CELULOSE
(2,5 X 2 X 0,2 cm)
Processo kraft (N2S e NaOH em água a 170°C )
Resíduo de lignina (4%)
C= Cl, D= dióxido de Cl, E = extrações alcalinas)Alvura > 85%
Processo sulfito sulfito ácido de cálcio, formado pela
mistura de bisulfito de cálcio com um excesso de ácido
sulforoso tendência moderna substituição do cálcio por
sódio, amônia ou magnésio teor de hemicelulose, sendo
especialmente adequada para papéis impermeáveis, tipo
pergaminho, granado, fosco, etc.
Processos termomecânicos e quimiotemomecânicos madeira desfibriladas por processos mecânicos quantidade de lignina + consumo de energia + resistencia mecânica impressão de jornais ou catálogos,
papéis e cartões para embalagens.
Aplicações da Biotecnologia na Aplicação do papel
Tratamento de efluentes em lagoas aeróbias
Fermentação de açúcares de hemicelulose para
a produção de proteína microbiana e etanol em
instalações que operam com o processo sulfito
Modificação genética das plantas Promoção de bosques homogêneos e madeira mais adequada ao
processo de polpação. Alteração da qualidade e quantidade de lignina
Genética ligada à produção de árvores de melhor qualidade para a polpação química manipulação gênica para produção de genomas ainda não existentes na natureza alteração da qualidade e quantidade de lignina presente (genética clássica)
Genética moderna Processo kraft Relação siringil/guaiacil (relação lignina: 2 metoxilas por anel aromático / lignina:1 metoxila por anel aromático). Madeiras duras teor de estruturas siringílicas x < grau de condensação entre os anéis aromáticos. Madeiras moles predominância de lignina com estruturas guaiacílicas e > grau de condensação de entre os anéis aromáticos.
1-) Alteração da via biossintética da lignina em gminospermas (madeiras moles) produção de lignina com estruturas siringílicas, e < grau de condensação fibras celulósicas longas e lignina mais adequada para a polpação química.
2-) produção de árvores com teor de lignina inibição de etapas iniciais de biossíntese ex. inibição dos genes codificadores da tirosina amonia –liase e fenilalanina amonia –liase
Etapas básicas da biossíntese de lignina, a partir de fenilalanina e tirosina, e as enzimas envolvidas em cada etapa.
E1 = fenilalanina amonia-liase; E2= tirosina amonia –liase; E3= fenolases; E4= fenolases; E5 = metiltransferases; E6= fenolases e E7 = metiltrasnferases.
Biopolpação
Fungos podem degradar seletivamente a lignina!!! Preservam a celulose biopolpação.
Microscopia eletrônica de varredura de um ponto microlocalizado em uma amostra de madeira de Pinus radiata, biodegrada por Basidiomiceto Ganoderma australe por 140 dias.
Aumento de 155 x
Reformulação no conceito de biopolpação necessário para obternção de êxito em escala ampliada e com tempos de biodegradação compatíveis com processos industriais biopolpação etapa prévia da etapa da polpação química ou mecânica.
Biodegradação de 15-30 dias amolecimento característico facilidade no desfibrilamento mecânico +> penetração dos compostos quimicos (licor de polpação) Economia de energia na polpação mecânica de 30-50% + polpas com melhores caractéristicas de resistência.
LIMITAÇÃO : DEPENDENTE DA ESPÉCIE DE FUNGOS
• Tabela. Economia de energia e modificação das propriedades físico-mecânicas das polpas produzidas durante o processo de polpação mecânica.
Controle Biotratada
Redução consumo de energia (%)
0 37
Resistência à tração (N.m /g)
22,2 23,0
Resitência ao rasgo (N.m.m2/g)
2,2 3,4
Resistência ao estouro (kN/g)
0,7 0,9
Alvura (%) 45,5 36,1
Cerisporiopsis subvermispora FP-90031 sp, tempo 4 semanas, 1,8 kg de madeira.
Biobranqueamento, controle de resinas e reciclagem de papel
Branqueamento de papel papéis destinados à impressão de livros, documentos , uso domésticos = alvura 85%
Agentes de branqueamento : Cl2 e ClO2 efluentes contendo cloroligninas !
Uso de enzimas ou fungos hemicelulases com auxiliares do branqueamento uso do cloro
Xilanases não requer modificações no processo tradicional , adicionada nos próprios tanques de reação resistência mecânica.