Caderno Tematico 2 2017 - Biotransformacao de residuos.pdf
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                    CONVERSANDO SOBRE CIÊNCIAS EM ALAGOAS

BIOTRANSFORMAÇÃO
DE RESÍDUOS A
BIOPLÁSTICOS E
BIOCOMBUSTÍVEIS

ANA MARIA QUEIJEIRO LÓPEZ
ANNA KAROLINE AZEVEDO FARIAS
AMANDA LYS DOS SANTOS SILVA
ELANE CRISTINA LOURENÇO DOS SANTOS

ISSN: 2238-9911
Conversando
sobre Ciências
em ALAGOAS
Alagoas N. 2 2017
CONVERSANDO SOBRE
CIÊNCIAS
EM

BIOTRANSFORMAÇÃO
DE RESÍDUOS A
BIOPLÁSTICOS E
BIOCOMBUSTÍVEIS
ANA MARIA QUEIJEIRO LÓPEZ
ANNA KAROLINE AZEVEDO FARIAS
AMANDA LYS DOS SANTOS SILVA
ELANE CRISTINA LOURENÇO DOS SANTOS

Catalogação na fonte
Universidade Federal de Alagoas
Departamento de Tratamento Técnico da Editora da Ufal
Bibliotecária responsável: Fernanda Lins de Lima

L864p

Lopez, Ana Maria Queijeiro.
Biotransformação de resíduos a bioplásticos e biocombustíveis / Ana
Maria Queijeiro López, Anna Karoline Azevedo Farias, Amanda Lys dos
Santos Silva, Elane Cristina Lourenço dos Santos. – Maceió : [EDUFAL],
2017.
50 p. : il. – (Conversando sobre ciências em Alagoas, n 2 2017).
Bibliografia: p. 43-49.
ISSN: 2238-9911.
1. Biodegradação. 2. Sustentabilidade. 3. Poluentes. I. López, Ana
Maria Queijeiro, autora. II. Farias, Anna Karoline Azevedo, autora.
III. Santos Silva, Amanda Lys dos, autora. IV. Santos, Elane Cristina
Lourenço dos, autora.
CDU: 504.4

CONVERSANDO SOBRE CIÊNCIAS EM ALAGOAS

BIOTRANSFORMAÇÃO
DE RESÍDUOS A
BIOPLÁSTICOS E
BIOCOMBUSTÍVEIS
ANA MARIA QUEIJEIRO LÓPEZ
ANNA KAROLINE AZEVEDO FARIAS
AMANDA LYS DOS SANTOS SILVA
ELANE CRISTINA LOURENÇO DOS SANTOS

Maceió | Alagoas | 2017

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ANA MARIA QUEIJEIRO LÓPEZ | ANNA KAROLINE AZEVEDO FARIAS | AMANDA LYS DOS SANTOS SILVA | ELANE CRISTINA LOURENÇO DOS SANTOS

RESUMO

Por muito tempo, o petróleo tem sido a principal fonte para produção
de energia, além de matéria-prima para a industrialização e geração
de vários produtos, em especial nas áreas mais urbanizadas do globo.
Atualmente, no entanto, a humanidade se vê diante de um impasse - a
extensa demanda e quadro restrito de oferta dos combustíveis fósseis
de impactos negativos ao meio ambiente, torna fundamental a busca e
utilização racional de produtos e processos alternativos, garantindo
não só o presente, mas o futuro do planeta e suas diferentes espécies.
Resíduos que antes preocupavam apenas pela questão de remoção
ambiental, podem ter um destino mais sustentável, convertendo-se em
matéria-prima para gerar combustíveis renováveis e produtos
biodegradáveis. O objetivo desta cartilha é apresentar, como exemplo
de energia limpa e remoção de carga orgânica poluente, a produção
de biocombustíveis e bioplásticos a par tir de estratégias envolvendo
microrganismos.
Palavras-chave: biodegradação; energia limpa; hidrogênio molecular;
polihidroxialcanoatos; poluentes; sustentabilidade.

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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................09

2. PLÁSTICO VERSUS BIOPLÁSTICO .................................................................................................................11

3. BIOCOMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS E BIOHIDROGÊNIO ...................................................................................29

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS ..........................................................................................................................41

REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................43

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INTRODUÇÃO
Perante o esgotamento dos combustíveis fosseis sob o solo e o fundo do mar, elevando seus preços e
gerando mudanças climáticas ocasionadas por sua combustão, fazem-se necessárias políticas de eficiência
energética. Assim, tecnologias de energia renováveis com baixo nível de carbono no aprovisionamento mundial, têm
recebido subsídios globais, os quais atingiram 120 milhões de dólares em 2013.
Estima-se que a demanda brasileira total de energia, no período 2013-2050, se eleve duas vezes mais
comparada ao ano 2012, destacando o avanço para o gás natural e eletricidade, e recuo do consumo de derivados de
petróleo/carvão vegetal, em função da penetração de biocombustíveis no setor de transpor tes (EMPRESA DE
PESQUISA ENERGÉTICA, 2014). Com a redução dos custos de produção e o apoio contínuo, estas representarão
50% do aumento da geração total de eletricidade em 2040 (NETTO & LEAL, 2012), enquanto a de biocombustíveis no
Brasil crescerá mais de 200% até 2035, atingindo 4,1milhões de barris por dia (IEA, 2014).
Biocombustíveis produzidos a par tir de produtos vegetais ou compostos de origem animal são, geralmente,
biodegradáveis. As fontes mais conhecidas no mundo são a cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.), o milho (Zea
mays L.), a soja (Glycine max L.), o girassol (Helianthus annuus), e a celulose de madeira como de eucaliptos. A par
tir delas é possível produzir etanol e biodiesel (PETROBRAS, 2007). Outra alternativa é o hidrogênio molecular, de
elevada densidade energética e cuja combustão resulta em vapor de água, podendo ser gerado por bioprocessos
menos onerosos que os eletroquímicos através de material de descarte (sólido ou líquido), como é o caso dos resíduos
oriundos de atividades agrícolas, domésticas e/ou industriais (NEVES, 2009).
Em termos globais, rejeitos sólidos domésticos e/ou industriais excedem a taxa de urbanização, atingindo a
taxa diária de 1,2 quilos por pessoa, e considerando a expansão demográfica, que é atualmente de cerca de 7,5 bilhões
de seres humanos, e da renda, a estimativa para 2020 é que se atinja 2,2 bilhões de toneladas anuais de resíduos
sólidos no mundo (WORLD BANK, 2012).
No Brasil, a tendência é a mesma mundial, isto é, cresce a cada ano a geração de resíduos descar táveis
pela sociedade, e 40% desse material são despejados diretamente em lixões (vazadouros), visto que apenas 27% dos
municípios brasileiros apresentam aterros sanitários (ABRAMOVAY, 2013). Além disso, vários dos resíduos não são
biodegradáveis, sendo a maior par te deles plásticos como os polietilenos (PEBD e PEAD), polietileno tereftalato (PET),
poliestireno (PS), polipropileno (PP), poliuretano (PU), cloreto de polivinila (PVC) e nylon (SHAH et al., 2008),
revolucionários devido a sua versatilidade, fácil modelagem e baixo custo em comparação com outros produtos, mas
que persistem no ambiente por centenas de anos. Sua incineração emite gases tóxicos como o dióxido de carbono e
o metano, contribuindo, em longo prazo, para alterações climáticas a nível mundial.
Diante disso, a produção de plásticos bio e fotodegradáveis (ARIKAN & OZSOY, 2015) para substituir os
sintéticos em várias de suas aplicações tornou-se também essencial, e considerando-se que várias espécies de
microrganismos acumulam polihidroxialcanoatos (PHAs) como reserva energética, e que estes atuam como
bioplásticos, os interesses voltaram-se para a otimização de bioprocessos de geração dos mesmos, assim como para
a produção de biocombustíveis como o gás hidrogênio, tornando-os competitivos em termos de custo caso se utilize
como matéria-prima diferentes rejeitos poluentes.

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PLÁSTICO versus BIOPLÁSTICO
Polímeros (poli: muitos, meros: partes) são macromoléculas constituídas pela repetição de unidades químicas
denominadas monômeros. Eles podem existir em estado amorfo (isto é, com disposição desordenada das moléculas)
ou cristalino (com ordenação tridimensional); sendo que na maioria dos casos, a estrutura do polímero se apresenta
parcialmente amorfa ou cristalina, sendo chamados de polímeros semicristalinos (NUNES & LOPES, 2014). Uma vez
que são bastante versáteis, os polímeros foram os responsáveis por grande parte das mudanças tecnológicas
realizadas pelo ser humano na segunda metade do século XX. Enquanto as borrachas e as fibras sintéticas
revolucionaram o desenvolvimento dos setores automotivo, eletroeletrônico e têxtil (TOKIWA et al., 2009; WEBB et al.,
2013; NUNES & LOPES, 2014), os plásticos dominaram especialmente a indústria de embalagens e se tornaram os
polímeros industriais mais conhecidos no mundo.
Os monômeros dos plásticos sintéticos são obtidos de fonte petroquímica e ligados repetitivamente em cadeia
(WASHAM, 2010). Durante muito tempo, foram utilizados de forma promissora na fabricação de vários tipos de
utensílios, visto seu baixo custo e versatilidade em comparação com outras matérias primas, como metais, tecidos,
madeiras, etc. A aplicação abrangente desse material pode ser demonstrada partindo do consumo brasileiro do
plástico, equivalente a 6,2 milhões de toneladas em 2011, sendo cerca de 40% deste montante destinados apenas a
produção de embalagens, 15% a itens de construção civil, 4% ao setor agrícola, 1,5% designados a peças automotivas,
e, na sequência, surgem os produtos hospitalares, eletrodomésticos, cosméticos e farmacêuticos (AMARAL, 2011).
Por outro lado, um dos principais atrativos do plástico sintético é, também, seu maior inconveniente - sua alta
capacidade de resistir à degradação. Segundo estudos da Agência de Conservação Oceânica, o primeiro item dentre
resíduos perigosos e com maior frequência nos mares corresponde às sacolas plásticas (prevalência de 5,4%)
(SANTOS et al., 2012). Essas sacolas são fabricadas a par tir do polietileno (PEBD e PEAD) ou polipropileno (PP),
podem levar até 500 anos para serem decompostas, sendo relatado que o consumo mundial desses produtos chega
a 1 milhão por minuto (VALERO-VALDIVIESO et al., 2013). Considerando-se o contingente populacional a consumir
esse tipo de material de curto período de vida útil, seu acúmulo tornou-se inevitável. Nos resíduos urbanos e industriais,
o plástico tornou-se o terceiro componente mais frequente, perdendo apenas para o desperdício alimentar e de
derivados de papel (PHILP et al., 2013).
De maneira geral, a decomposição natural dos plásticos começa com a fotodegradação, que leva à
termoxidação, isto é, a a luz ultravioleta (UV) solar fornece a energia de ativação necessária para iniciar a incorporação
dos átomos de oxigênio no polímero, deixando o plástico quebradiço; como consequência, formam-se fragmentos de
peso molecular baixo o suficiente para só então ocorrer a biodegradação microbiana, convertendo o carbono presente
em CO2 ou a incorporação do mesmo em biomoléculas. Esse processo pode levar mais de meia década (TOKIWA et
al., 2009; WEBB et al., 2013).
O que se observa nos dias atuais, portanto, é seu acúmulo – em lixões e aterros com pouca capacidade ou em
oceanos (Figura 1). Um estudo realizado no Atlântico Norte revelou o equivalente a 580 mil peças de plástico por
quilômetro quadrado (ARIKAN & OZSOY, 2015), e, segundo pesquisadores da expedição Race for Water Odyssey,
realizada em 2015 por todos os oceanos, 260 bilhões de toneladas desse produto estão acumuladas nos mesmos
(Figura 2).

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Figura 1 - Composição dos resíduos sólidos em função da renda nacional.
Fonte: WORLD BANK, 2012.
Assim, a medida em que a população mundial deu-se conta da problemática ambiental desses polímeros, em
especial no final do século XX, iniciou-se uma intensa busca por outros biodegradáveis (Tabela 1) e/ou provenientes
de matéria-prima renovável, normalmente polímeros de carboidratos ou óleos vegetais (PRADELLA, 2006), mantendose, porém, as mesmas características de utilização dos diferentes plásticos sintéticos. A estes biopolímeros
acumulados no interior de células (poliésteres, polissacarídeos ou poliamidas) de bactérias, fungos e algas, por
processos metabólicos complexos, para servirem de reserva energética, ou serem secretados extracelularmente
(polissacarídeos), durante o ciclo de crescimento dos mesmos (RAO et al., 2014), deu-se o nome de bioplásticos. No
entanto, nem todos são gerados a partir de fontes renováveis ou são de fácil biodegradabilidade, ainda que uma destas
duas características deva estar presente para este ser considerado um bioplástico (Tabela 2).
Tabela 1- Degradabilidade ambiental dos plásticos sintéticos.
Resistência a degradação ambiental

Requisito necessário na cadeia
Ligação insaturada entre carbonos

Degradável
Átomo de carbono terciário
Cadeia sem ramificação
Ligação éster
Degradável e biodegradável

Ligação amida-acil

Ligação acetal

Fonte: MANO; PACHECO; BONELLI (2005) apud MANO & MENDES, 2013.

Exemplo de cisão molecular

VOCÊ SABIA?

Figura 2 - Zonas de
convergência, onde estão
concentradas
grandes
quantidades de resíduos,
segundo constatado pela
expedição Race for Water
Odyssey (R4WO), de Março
a Dezembro de 2015.
Fonte: Adaptado de ((O)) ECO,
2015.

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Pesquisadores de uma fundação suíça baseada em Lousanne, organizaram uma expedição visando avaliar a quantidade de rejeitos nos oceanos. Par tindo de Bordeaux,
França, em 15 de Março de 2015, a chamada, Race for Water Odyssey (R4WO), percorreu 32 mil milhas náuticas até Dezembro de 2015, coletando dados a serem
publicados. No entanto, adiantou-se que, desde áreas populosas a regiões isoladas e bem preser vadas dos oceanos, 80% de sua poluição é composta por
cerca de 260 bilhões de toneladas de plásticos. Segundo o presidente e organizador da expedição, Dr. Marcos Simeoni, mesmo encontrando-se resíduos em qualquer
par te dos oceanos, cinco grandes regiões concentram mais os despejos em função das correntes marítimas (zonas de convergência).

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Tabela 2 - Principais famílias de bioplásticos produzidos em escala comercial ou semi-comercial.

1 Poligamia: Coexistência de flores unissexuais (masculina e feminina) e hermafroditas numa mesma espécie.

Fonte: PRADELLA, 2006.
Em 2014, a produção mundial de bioplásticos superou a marca de 1,6 milhão de toneladas, representando
cerca de 1% da produção mundial de plásticos (Figura 3). Espera-se que essa produção quadruplique em 2018,
atingindo 6,7 milhões de toneladas a serem aplicadas em nichos específicos de mercado que agreguem um apelo
sustentável ao produto. Essa previsão é feita considerando as possibilidades apresentadas em diversas áreas, como
nas indústrias de informação, higiene, embalagens, brinquedos, veterinária, agrícola, escolar, escritório e
automobilística (ABIEF, 2015). Pesquisas apontam que o consumidor em países mais desenvolvidos está disposto a
pagar até 20% a mais por produtos ambientalmente corretos. Tecnicamente, os bioplásticos poderiam substituir cerca
de 85% dos polímeros consumidos, porém, o volume produzido ainda não é suficiente para tornar isto uma realidade
a curto ou médio prazo (NOVA-INSTITUTE, 2014).

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Figura 3 - Aplicações do mercado de bioplásticos.
Fonte: Adaptado de NOVA-INSTITUTE (European Bioplastics, Institute for Bioplastics and Biocomposites), 2014.
O mercado de bioplásticos ainda é incipiente no Brasil (menos de 1% em 2011), sendo que a maior par te
provém de impor tações ou de produção em escala piloto, considerando apenas as resinas em si, como PLA (ácido
poliláctico), PHB (polihidroxibutirato) e aquelas derivadas do amido da batata, por exemplo. Embora cientes dos
pontos ambientalmente positivos da produção de biopolímeros, as empresas brasileiras enfrentam obstáculos que
persistem para a consolidação dos bioplásticos no campo comercial, pois ainda que se posicionem em produtos de
maior valor agregado e aplicações de nicho, graças ao seu maior preço e apelo de sustentabilidade, a redução de
custo e o aumento de produtividade são alguns dos desafios para firmá-los, isto é, o consumidor brasileiro em geral
ainda não está disposto a pagar mais por um produto ecoeficiente, sendo de crucial importância que os produtores
busquem reduzir os custos de produção.
Outro desafio bastante significativo é o desconhecimento dos consumidores brasileiros sobre tais produtos e
a ausência de uma regulamentação específica para os mesmos no país. Uma legislação mais robusta, abrangendo
diversas aplicações e definindo como os bioplásticos e seus produtos serão certificados, pode garantir inclusive as
expor tações, identificando claramente, mediante uma logomarca, se o produto é biodegradável ou se deve ser

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submetido ao processo de reciclagem convencional. Atualmente, os bioplásticos são destinados a nichos de mercado,
com questões técnicas e econômicas a serem resolvidas para que sejam adotados em outros segmentos. A baixa
resistência térmica de algumas resinas, por exemplo, restringe sua aplicação no segmento eletrônico. O PHB possui
ponto de amolecimento em torno de 135 ºC, não permitindo sua aplicação em carcaças de secadores de cabelos, por
exemplo. Já os bioplásticos derivados do etanol e não- biodegradáveis, caso dos “verdes” polietileno (PE) e cloreto
de polivinila (PVC) produzidos no Brasil, apresentam propriedades físico-químicas iguais às de resinas convencionais,
são recicláveis, de origem renovável, e impulsionaram o mercado brasileiro de tal forma que o mesmo atingiu cerca
de US$ 500 milhões em 2015. Os bioplásticos derivados do milho, como o PLA, por exemplo, podem ter sua aplicação
restrita no setor de embalagens para cosméticos, em que a transparência da resina é muitas vezes valorizada, e estes
apresentam coloração amarelada. Afinal, a correta gestão da cadeia dos bioplásticos deverá garantir sua efetividade
como “produto verde” da produção à sua disposição final. Assim, num prazo curto a médio, os bioplásticos não deverão
representar uma ameaça aos plásticos petroquímicos, uma vez que seus volumes corresponderão a menos de 5%
da demanda total no Brasil e as resinas convencionais continuarão focadas em aplicações de baixo custo (no caso
das commodities) ou naquelas em que se exige alto desempenho técnico (no caso das especialidades). Por outro
lado, o país possui uma vantagem competitiva imbatível para a produção de plásticos derivados da cadeia da canade-açúcar, por exemplo (PRADELLA, 2006).
É necessário, por tanto, envolver a sociedade e definir valores ecológicos e sociais ligados a esta iniciativa.
Visando firmar a utilização de bioplástico nas indústrias, Iles & Martin (2013) apresentaram o planejamento de
negócios com a trajetória necessária tanto para a permanência do produto no mercado, como também para torná-lo
competitivo aos polímeros convencionais. A empresa Braskem, por exemplo (Figura 4), com acesso abundante ao
etanol proveniente da fermentação de caldo de cana-de-açúcar, baseando-se na conversão de PVC a partir deste,
passou a oferecer material biodegradável nas características principais do PE, e sem tantos custos.

Figura 4 - Polo petroquímico de Triunfo, no Rio Grande do Sul, onde é produzido o polietileno verde da Braskem, com
capacidade para produção de 200 mil toneladas anuais.
Fonte: BRASKEM, 2015.

Aventa-se a hipótese de que se recursos agrícolas forem utilizados como substratos para produção de
bioplásticos, é provável que quando altas taxas de consumo do biopolímero forem atingidas no futuro, surja um conflito
de interesse com as culturas utilizadas, isto é, estas podem servir para alimentação, geração de bioenergia ou outros
produtos provenientes de conversão (YATES & BARLOW, 2013). No entanto, atualmente, cerca de apenas 0,01% do

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total de 5 bilhões de hectares da área agrícola mundial são usados para a produção de bioplásticos, o que está longe
de competir com a produção de alimentos, isto é, 70% do solo agriculturável está ocupado com pastagens para
pecuária, 26% com o cultivo de alimentos, 2% com culturas para produção de materiais como papel e madeira, 1%
com vegetais para geração de biocombustíveis e 0,01% com o cultivo de matérias-primas para fabricação de
bioplásticos, sendo que um aumento de 300% da escala de produção atual só elevará o uso do solo em mais 0,01%.
A eficiência aumentada das matérias-primas e tecnologias agrícolas está melhorando continuamente as práticas
agrícolas, e hoje tais melhorias ficam asseguradas com o estabelecimento de certificações fiáveis e independentes
de sustentabilidade (NOVA-INSTITUTE, 2014).
Dessa forma, os processos microbianos da biotransformação de resíduos desses recursos é que apresentam
grande potencial para sua conversão em material polimérico provedor durante a fabricação de bioplásticos que, após
concluírem seu ciclo de uso, podem naturalmente ser biodegradados sem gerar substâncias nefastas ao meio
ambiente.
Microrganismos capazes de utilizar resíduos orgânicos poluentes, como fontes de carbono para produzirem
tais polímeros tornaram-se uma ferramenta de biotecnologistas e geneticistas, não apenas para que estes viessem a
otimizar a produção de bioplásticos em termos de quantidade e custo, mas também para que propusessem soluções
para poluição ambiental (RAO et al., 2014). A goma xantana, sendo o primeiro bem sucedido polissacarídeo
bacteriano, produzido em larga escala pela bactéria Xanthomonas campestris, é composta por cinco grupos diferentes
de monossacarídeos, e a pululana é um oligossacaríde hidrossolúvel, produzido industrialmente por leveduras como
Aureobasidium pulullans (RAO et al., 2014). A dextrana, por sua vez, é um polissacarídeo produzido tanto
intracelularmente quanto extracelularmente por diferentes bactérias e leveduras, sendo que nestas pode atuar como
substância de reserva.
Por outro lado, os materiais com grande potencial para substituírem os plásticos sintéticos são representantes
do grupo dos poliésteres, como os PHAs (Figura 5).

Figura 5 - Estrutura química dos poli(hidroxialcanoatos) (PHAs): (a) poli(hidroxibutirato) ou PHB e (b) poli(hidroxibutiratoco- valerato) ou PHB-PHV.
Fonte: FRANCHETTI & MARCONATO, 2006.

As características gerais dos PHAs são: insolubilidade em água e relativa resistência a degradação hidrolítica;
boa resistência a UV, porém baixa resistência a ácidos e bases; e solubilidade em clorofórmio e outros hidrocarbonetos
clorados (BUGNICOURT et al., 2014). São poliésteres estruturalmente simples, cuja classificação depende do número
de átomos de carbono que compõem o grupo funcional R: enquanto os PHAs de cadeia curta, como o poli-3hidroxibutirato, constituem-se de polímeros com monômeros de 3 a 5 carbonos, os PHAs de cadeia média são aqueles
que têm monômeros com 6 a 14 carbonos (exemplos: poli-3- hidroxihexanoato e poli-3-hidroxioctanoato) (GAO et al.,
2011). Já o número de monômeros presentes no polímero pode variar de 100 a 30.000. Os PHAs de cadeia curta são
geralmente mais cristalinos que os de cadeia média e usualmente exibem propriedades termoplásticas. Os de cadeia
média, por sua vez, exibem propriedades elastoméricas ou adesivas dependendo do comprimento da cadeia lateral
específica e do grau de instauração (SATOH et al., 2011). Além disso, a presença de diferentes grupos funcionais na

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cadeia lateral do PHA (hidroxil, carboxil, metil éster, halogenados, etc.) implica em novas propriedades físico-químicas
(LÓPEZ, 2013). Mais de 150 diferentes unidades monoméricas são identificadas como constituintes dos PHAs
(RIEDEL et al., 2014), fazendo com que distintos tipos de polímeros sejam criados, aumentando sua gama de
utilizações.
Um tipo de PHA com características similares às do PP, o PHB, foi descrito pela primeira vez em 1925 (CHEE
et al., 2010), e pode ser sintetizado por diferentes bactérias (ANDLER & DÍAZ-BARRERA, 2013). No entanto, há
ressalvas em torno da fabricação de polímeros a par tir deste, visto a fragilidade de suas propriedades físicas e
mecânicas, além do alto custo para desenvolvê-lo com pureza (SOROUDI & JAKUBOWICZ, 2013), tornando mais
viável combiná-lo a outro polímero. Isso gera o copolímero poli-3-hidroxibutirato-co-3- hidroxivalerato ou apenas PHBPHV, o qual é mais maleável e resistente que o homopolímero (HAFUKA et al., 2011).
Algumas bactérias, quando submetidas a determinado desequilíbrio nutricional (restrições de nitrogênio,
oxigênio, magnésio e fósforo) acumulam PHA como substância de reserva em grânulos (Figura 6), sendo que os
estudos relacionam tal mecanismo a uma estratégia adaptativa desses microrganismos em nichos ecológicos muito
competitivos (Tabela 3), bem como a resistência a determinado estresse ambiental, uma vez que tais polímeros
possuem propriedades termoplásticas biodegradáveis (LÓPEZ, 2013). Essas bactérias produtoras de PHA, portanto,
pertencem a dois grupos: as que necessitam da restrição de um nutriente essencial (nitrogênio, oxigênio, fósforo ou
magnésio) para sintetizar o polímero a par tir do excesso de fonte de carbono, como ocorrem com a Cupriavidus
necator, Pseudomonas extorquens e P. oleovorans, ou as que requerem a restrição nutricional e são capazes de
acumular grandes quantidades do polímero ainda durante sua fase de crescimento, com utilização do carbono
presente, como as estirpes de Alcaligenes latus, Azotobacter vinelandii recombinante e Escherichia coli recombinante
(GONZÁLEZ GARCÍA et al., 2013).
Tabela 3 - Principais nutrientes cuja limitação estimula a produção de polihidroxialcanoatos (PHA) por bactérias.

Microrganismo

Nutriente limitante

Alcaligenes latus
Pseudomonas oleovorans
Pseudomonas cepacia
Cupriavidus necator (=Ralstonia eutropha)
Rhodobacter sphaeroides

Nitrogênio

Azotobacter vinelandii
Azotobacter beijerinckii
Rhizobium ORS571

Oxigênio

Pseudomonas sp. K.

Magnésio

Rhodospirillum rubrum
Rhodobacter sphaeroides
Caulobacter crescentus
Pseudomonas oleovorans

Fósforo

Fonte: BABEL & STEINBÜCHEL, 2001.

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Figura 6 - Grânulos de polihidroxialcanoatos (PHA) em Pseudomonas aeruginosa.
Fonte: Adaptado de SUDESH et al. 1998.
Existem relatos de mais de 300 diferentes espécies produtoras de PHAs, porém, nem todas têm sido
trabalhadas e algumas são capazes de utilizar orgânicos poluentes como fonte de carbono, barateando o processo
de produção do biopolímero, como C. necator, P. oleovorans, A. latus e B. megaterium (CHEE et al., 2010; IOUNE
et al., 2016), sendo a última considerada a mais vantajosa por apresentar melhores condições para a produção
industrial, podendo reunir cerca de 80% de sua massa seca em polímero (FIGUEIREDO et al., 2014), e estirpes
recombinantes, como de E. coli, que demonstraram também excelente desempenho na síntese de PHAs devido a seu
rápido crescimento, capacidade de utilizar diversos substratos e acumular grandes quantidades dos polímeros, além
destes se apresentarem mais longos e mais cristalinos (PHILP et al., 2013).
A polimerização das unidades monoméricas durante a síntese de PHA ocorre por meio de uma cisteína
conservada da PhaC sintase (Cys319), que atua como um sítio catalítico no qual a cadeia crescente de PHA é
covalentemente ligada (VAN-THUOC et al., 2012). Segundo Rehm (2003), a PhaC sintase é uma enzima inicialmente
solúvel e torna-se anfipática somente quando começa a sintetizar a cadeia de poliéster, ao iniciar o processo de
automontagem. O produto dessa reação geralmente é um homopolímero (GAO et al., 2011) constituído de cadeias
lineares de (R)-3-hidroxibutirato (3HB), ou seja, o poli-R-3-hidroxibutirato [P3(HB)] - o primeiro PHA descoberto
(LEMOIGNE, 1926), mais comumente acumulado pelos microrganismos e melhor caracterizado e explorado
(BUGNICOURT et al., 2014). Além disso, o P3(HB) ainda possui propriedades mecânicas muito similares aos plásticos
convencionais, tais como elevada temperatura de fusão (175 °C) e resistência à tração (30-35 MPa) (JENDROSSEK
& PFIEFFER, 2014).
No tocante à formação in vivo dos grânulos de PHA microbianos (Figura 6), a revisão publicada por Jendrossek
& Pfieffer (2014) descreve três modelos atualmente propostos para sua formação – micela, brotamento arcabouço.
Pelo modelo de micela, a enzima PhaC sintase começa a produzir moléculas de PHB desde que a concentração do
substrato (3-hidroxibutiril-CoA) seja suficientemente elevada. A hidrofobicidade aliada a baixa solubilidade do PHB em
ambiente aquoso resultam na agregação da cadeia polimérica nascente e formação de estruturas parecidas com
micelas no citoplasma, sendo as moléculas de PhaC (parcialmente hidrofílicas) localizadas na superfície. Por esse
modelo, os grânulos podem surgir em qualquer região do citoplasma. O modelo de brotamento, por sua vez, assume
que a sintase está localizada ou ligada (direta ou indiretamente) à membrana citoplasmática, e que a cadeia de PHB
nascente é liberada a par tir da bicamada da membrana, levando a formação do grânulo contendo par te da membrana,
e quando este atinge um tamanho específico, é liberado e as fasinas e outras proteínas associadas juntam-se a ele.
Por último, o modelo de arcabouço considera que a PhaC sintase está (ou se torna) ligada à uma molécula – ainda
desconhecida – que serve como uma âncora dentro da célula. Acontecendo dessa forma, a localização subcelular
dos grânulos de PHB dependerá tanto da natureza como também da localização nas células deste arcabouço. Apesar

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de os autores terem concluído que esse é o melhor modelo para explicar a formação dos grânulos de PHB em C.
necator, os outros dois modelos ainda não podem ser descartados.
A maquinaria metabólica responsável pela produção do PHA, em muitos casos, não consiste apenas nas
proteínas/enzimas que catalisam a síntese do polímero e formação do grânulo e sua hidrólise, mas sim na importante
conexão com outras rotas centrais e periféricas do metabolismo microbiano como um todo. Em algumas bactérias, os
intermediários utilizados na síntese do PHA advêm de rotas conectadas com o metabolismo do carbono (β-oxidação
e síntese de novos ácidos graxos), em que o acetil-CoA é o ponto de conexão entre as rotas catabólicas e anabólicas
do sistema. No gênero Pseudomonas, por exemplo, existe uma estreita relação entre a estrutura do ácido graxo
utilizado como fonte de carbono e a composição do PHA armazenado (o monômero presente no polímero tem
ramificação semelhante a de ácido graxo intermediários da β-oxidação, sugerindo que estes possam ser utilizados
como substratos. Nesses microrganismos, portanto, pode ocorrer competição pelo substrato entre a PHA polimerase
e enzimas do catabolismo de ácidos graxos (ESCAPA, 2012; LÓPEZ, 2013).
De acordo com Jendrossek & Pfieffer (2014), três tipos de PHB com diferentes números de unidades de 3HB
são conhecidos: a) PHB de estoque: são PHBs de elevado peso molecular (> 103 resíduos de 3HB); b) oligo-PHB:
PHB de baixo peso molecular (de 100 a 200 unidades de 3HB); c) PHB conjugado (cPHB): são aqueles nos quais um
pequeno número de unidades de PHB (≤ 30) estão covalentemente ligadas a proteínas. O PHB de estoque está
presente apenas nos procariotos (Eubacterya e Archaea), enquanto os oligo-PHB e cPHB são constituintes de todos
os procariotos e nos eucariotos que já foram estudados, e, portanto, devem estar presentes em todos os organismos,
ainda que hajam poucos os estudos envolvendo os mesmos. O PHB de interesse como bioplástico é o de estoque,
entretanto seu uso é limitado principalmente devido a sua fragilidade intrínseca. Como documentado na revisão de
Bugnicourt et al. (2014), tem sido constatado inclusive uma cristalização secundária (que ocorre no polímero quando
em temperatura ambiente), o que altera suas propriedades mecânicas ao longo do tempo. Verificou- se que amostras
estocadas por 60 dias possuem alongamento de ruptura menor que as amostras que foram armazenadas na metade
desse período, e considerando-se que a síntese de copolímeros a par tir de carboidratos é uma situação rara nos
microrganismos (QUILLAGUAMÁN et al., 2010) e que o PHB microbiano pode ser moldado e utilizado para a síntese
de heteropolímeros com outros polímeros sintéticos (KHANNA & SRIVASTAVA, 2005), a produção de blendas pode
ser uma solução para esse problema. Nessa forma, o polímero tem suas propriedades físicas melhoradas (isto é,
menos frágil), diminui-se a temperatura do processamento e reduz-se o custo de produção. Por conta disso, esforços
na fabricação de produtos contendo PHB estão focados na pesquisa em aditivos (plastificantes, agentes de nucleação,
etc.) que sejam capazes de reduzir o processo de cristalização e melhorar a flexibilidade e alongamento do produto
final (BUGNICOURT et al., 2014).
Segundo Kessler & Withollt (2001), a regulação do metabolismo de PHA pode ocorrer: 1) por ativação da
expressão do cluster phaCAB devido ao sinal específico do ambiente, como limitação de nutriente; 2) por ativação
das enzimas para síntese de PHA por componentes específicos da célula ou intermediários metabólicos; 3) por
inibição de enzimas metabólicas das vias competitivas e aumento de intermediários requeridos para a síntese de PHA;
ou 4) por combinação dos fatores anteriores.
C. necator, por exemplo, cataboliza carboidratos a piruvato pela via Entner-Doudoroff (Figura 7). O piruvato
pode ser desidrogenado/descarboxilado a acetil-CoA e seguir para via de produção de PHA por três reações
sequenciais catalisadas pelas enzimas β-cetotiolase (acetil-CoA-acetiltranferase; EC 2.3.1.9), acetoacetil-CoA
redutase (hidroxibutiril-CoA desidrogenase; EC 1.1.1.36) e poli-D-(-)-3-hidroxibutiril-CoA sintase [P3(HB) polimerase],
gerando tanto homopolímeros P(3HB) quanto heteropolímeros P(3HB-co-3HV) (HOLMES, 1985). A β-cetotiolase,
compete por acetil-CoA com várias outras vias metabólicas, incluindo formação de acetato, depois de citrato e síntese
de ácidos graxos. Essa enzima é inibida por moléculas de CoASH livres. Já a Acetoacetil-CoA redutase, requer o
poder redutor do NADPH como cofator, de modo que sua atividade, assim como a concentração e razão entre
NAD+/NADH, parece ser importante na regulação da síntese de P(3HB). Considerando, então, a via de Entner
Doudoroff, o NADPH será derivado principalmente da ação de glicose-6- fosfatodesidrogenase (HAYWOOD et al.,
1988).

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Figura 7 - Rota da biossíntese de polihidroxibutirato (P3HB) por Cupriavidus necator. Quando da limitação da fonte
de nitrogênio no meio, um fluxo aproximadamente constante para o ciclo dos ácidos tricarboxílicos e o bloqueio na via
biossintética de aminoácidos, especialmente na conversão de α-cetoglutarato (α-KG) a glutamato (Glut) - na reação
21 (r21), que assimila o íon amônio no interior da célula, resulta em maior produção de NADPH (nicotinamina- adeninadinucleotídeo- fosfato reduzida), o que acelera a biossíntese de P3HB, uma vez que este pode diminuir o excesso de
equivalentes redutores. r=reação; ATP=adenosina-tri-fosfato; ADP=adenosina-di-fosfato; G6P= glicose-6-fosfato;
F6P= frutose-6-fosfato; GAP= gliceraldeído-fosfato; R5P= ribulose-5-fosfato; E4P= eritrose-4-fosfato; PEPfosfoenolpiruvato; PIR= piruvato; AcCoA= acetil-CoA; AcAcCoa= acetoacetilCoA; L-(-) HB-CoA= L-hidroxibutiril-COA;
NADP+ou NAD+= NAD (fosforilada ou não) oxidada; D-(-)HB-Coa= D-hidroxibutiril-CoA; OAA= oxaloacetato; MAL=
malato; IsoCit= Isocitrato; SUC= succinato; SucCoA=succinil-CoA.
Fonte: Adaptado de LEE et al., 1995.
No caso da citrato sintase, a primeira enzima no ciclo dos ácidos tricarboxílicos, esta não somente compete
com a β-cetotiolase por acetil-CoA, mas também libera moléculas de CoASH livres, inibindo a síntese de P(3HB) (LEE
et al., 1995).Sob condições balanceadas de crescimento, os níveis de CoA são elevados, porém, sob limitação de
nutrientes essenciais ao crescimento, e excesso de carbono, a formação de NADH inibe a citrato sintase e a isocitrato
desidrogenase, elevando a concentração de acetil-CoA ao ponto de superar a inibição pela CoA e favorecer a
condensação a acetoacetil-CoA, e, em seguida, a síntese de P(3HB). A degradação desse polímero, por outro lado,
é controlada pela oxidação de monômeros de 3(HB) pela enzima 3-HB- desidrogenase, a qual é inibida por acetato e
NADH (BYROM, 1987). Em condições aeróbicas, a reciclagem de NAD+/NADH é obtida, principalmente, pela cadeia
respiratória, que é acompanhada pela produção de vários moles ATP por moles de NADH oxidados (SHI et al., 1997;
YAMANE, 1993).

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Outro gênero do grupo de C. necator produtor de PHA é o das Pseudomonas, sendo este de cadeia curta,
com relação direta com o tamanho do substrato, sugerindo que a biossíntese é uma ramificação direta da beta- oxidação
de ácidos graxos (Figura 8).

Figura 8 - Rota metabólica para a biossíntese de PHAs por Pseudomonas.
Fonte: Adaptado de MADISON & HUISMAN,1999.

Estes ácidos graxos em Pseudomonas são degradados para a remoção das unidades de C2 na forma de acetilCoA, e o restante da rota os oxida a 3-cetoacil-CoA, via intermediários de 3-hidroxiacil-CoA. A especificidade do
substrato varia de C6 a C14 (R)-3-hidroxialcanoil-CoA, com preferência a monômeros de C8-C10. No entanto, em face
do intermediário (S)-3-hidroxialcanoil-CoA da β-oxidação, um passo adicional é requerido para a síntese do monômero
(R)-3-hidroxialcanoil-CoA. Tal precursor é o produto da reação da hidratase pela atividade da epimerase do complexo
de β-oxidação, ou por uma 3-cetoacil-CoA redutase específica (HUISMAN et al., 1989; LAGEVEEN et al., 1988). Por
outro lado, a produção do P(3HB) é característica comum também entre bactérias fototróficas anaeróbias dos gêneros
Chromatium, Thiocustis, Thiocapsa, Rhodococcus, Rhodobacter e Rhodospirillum, os quais crescem sob acetato
(Figura 9).

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Figura 9 - Rota metabólica para a biossíntese de poli-3-hidroxibutirato [P3(HB)] em Rhodobacter sphaeroides.
Fonte: Adaptado de BIOCYC DATA COLLECTION, 2015.
Em suma, a síntese em fototróficas se inicia a partir do acetil-CoA, numa sequência de três reações catalisadas
por enzimas distintas. Primeiro ocorre a condensação do acetil-CoA pelo complexo acetil-CoA-acetil transferase/βcetoacil-CoA tiolase (Phb-A), que gera acetoacetil-Coa. Em seguida, este é reduzido por uma desidrogenase
dependente de NADPH (acetoacetil-CoA desidrogenase ou Phb-B), gerando (R)-3-hidroxibutanoil-CoA, e, em seguida,
o PHB é produzido pela polimerização daquele através da polimerase de poli-β-hidroxibutirato (Phb-C). Acredita-se que
tal enzima permanece ligada covalentemente ao polímero durante o crescimento de sua cadeia (ESCAPA, 2012;
GONZÁLEZ GARCÍA et al., 2013; LÓPEZ, 2013).
A maioria dos processos de produção de PHAs utiliza substratos a base de sacarose, elevando o custo diante
do rendimento obtido. Frente a isso, ao avaliarem a produtividade de uma cultura pura de C. necator em resíduos de
alimentos fermentados, Hafuka et al. (2011) apontaram a necessidade de mais estudos para elevar a taxa de produção
de PHB, observando que embora a técnica de melhor eficiência energética a par tir dos resíduos inclua a fabricação do
biopolímero por culturas microbianas mistas, o teor de PHB final é menor (<65%) que numa cultura pura (atinge 80%).
Uma vez que as pesquisas mais recentes sobre PHAs têm focado predominantemente nas enzimas que estão
diretamente envolvidas na sua síntese, e a maioria delas é bem caracterizada bioquímica e molecularmente
(JENDROSSEK, 2009), os genes codantes para tais estão geralmente agrupados em operons, e podem ser
encontrados em ilhas genômicas (TRIBELLI et al., 2012), sugerindo-se que a transferência horizontal dos genes pha é
um mecanismo de adaptabilidade dos microrganismos às condições estressantes. Desses, o gene codante da sintase
(phaC) é o principal alvo para ensaios de mutação em projetos biotecnológicos que almejam elevar a produção de
PHAs (REHM, 2003). Isolar microrganismos que possuam esse gene significa selecionar os potencialmente produtores
de bioplásticos. O modelo atual das PHA-sintases ativas possui duas subunidades, formando um homodímero ou
heterodímero, sendo classificadas em quatro classes (Figura 10).

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Figura 10 - Organizações genéticas das quatro classes dos loci pha: phaA, β-cetotiolase; phaB, acetoacetil redutase;
phaC (inclusive phaC1 e phaC2), PHA sintase; phaE e phaR, subunidades da PHA sintase de classes III e IV,
respectivamente; phaP, fasina; phaQ, repressor; phaZ, PHA depolimerase. ORF: região aberta de leitura com função
desconhecida.
Fonte: Adaptado de SOLAIMAN & ASHBY, 2004.
A PHA sintase de Classe I possui apenas subunidade PhaC que atua em substratos com 3 a 5 carbonos – é
o caso da PHA sintase de C. necator. A de Classe II também só possui subunidade PhaC, porém a enzima atua em
substratos maiores, com 6 a 14 carbonos – situação encontrada em Pseudomonas spp. Já a de Classe III, além de
PhaC, possui também PhaE (exemplo: Allochromatium vinosum); enquanto a Classe IV possui as subunidades PhaC
e PhaR – é o caso do gênero Bacillus (REHM, 2003).
No entanto, não somente o alto custo do substrato limita a produção de PHAs em grandes quantidades. O
processo envolvendo culturas puras, por exemplo, necessita de condições estéreis para o desenvolvimento e
manutenção, o que é de alto valor para as empresas (AMULYA et al., 2016). É necessário potencializar o processo de
fermentação e as condições da cultura microbiana (temperatura, pH e velocidade do agito), conforme citado na Tabela
4. Alguns estudos inclusive apontam a clonagem de genes como sendo benéfico ao processo (TRIPATHI et al., 2013).
Segundo Jiang et al. (2012), como proposta de tratamento de efluentes alternativa e barata está a engenharia
de comunidades microbianas. Esta não requer substrato estéril ou condições operacionais onerosas, utilizando
microrganismos selecionados em ambiente natural a base de águas residuais (advindas de fábricas de madeira, papel,
petróleo, açúcar e resíduos urbanos), com rendimento de até 70% da massa seca em biopolímero. Esta faz uso também
da estratégia de alimentação contínua, a qual impulsiona uma pressão seletiva sobre os microrganismos maximizando
o sistema de produção (AMULYA et al., 2016; ATLIÉ et al., 2011). Para uso em escala comercial, é desejável a utilização
de linhagens bacterianas que consigam aliar elevada densidade celular num curto período de tempo e grande produção
do polímero a par tir de substratos de baixo custo. Assim, alguns pesquisadores têm avaliado em laboratório o uso de
substratos alternativos, tais como óleos, esgoto doméstico e melaço para bactérias usadas nos experimentos em
frascos agitados ou em biorreatores com o propósito de obter PHAs. Wang et al. (2014) sumarizaram as tecnologias
necessárias para a produção de linhagens bacterianas (selvagens ou modificadas geneticamente) úteis para a
produção industrial desses polímeros (Tabela 5).

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Tabela 4- Condições de cultivo para a produção de polihidroxialcanaoatos (PHA) em escala laboratorial.
Meio de Cultura

pH

Temperatura

meio mínimo
+ 1% de óleo de soja

7

37°C

150 rpm

SI

Marjadi & Dharaiya,
2011.

meio mínimo + 2% de óleo
de milho

7

37°C

200 rpm

Frascos
(100 mL)

Chaudhry et al.,
2011.

meio mínimo + 2% de
glicerol

7

30°C

220 rpm

SI

Palmeri et al.,
2012.

7

37°C

150 rpm

Frascos
(150 mL)

Naheed et al.,
2012.

5.1

30°C

75 rpm

Reator (2 L)

Arumugam et al.,
2014.

7

37°C

SI

7

30°C

SI

Frascos
(200 mL)
Biorreator (5L)

Ceyhan & Ozdemir,
2011.
Zhang et al., 1994.

8

35°C

estática

Frascos (20mL)

Shenoy et al.,
2012.

SI

30°C

250 rpm

Frascos
(100 mL)

Shamala et al.,
2003.

SI

37°C

140 rpm

Frascos
(SI)

Narayanan &
Ramana, 2012.

meio mínimo + 2% melaço
+ 0,08% de ureia

7

30°C

200 rpm

Kulpreecha et al.,
2009.

meio mínimo + 2% de
melaço

7

35°C

150 rpm

Frascos
(50 mL)
Frascos
(400 mL)

Bactérias

Pseudomonas

meio mínimo + 3% de
melaço

Enterobacter

meio mínimo + extrato de
levedura + óleo de
máquina
meio mínimo (NYB) +
esgoto doméstico
meio mínimo
+ 5% de melaço

Klebsiella

Bacillus

2,5% manitol + 0,5%
extrato de levedura + 1%
peptona
meio mínimo + 2% de
sacarose
meio mínimo + 2% de
sacarose

SI: sem informação.
Fonte: Autores, 2017.

Agitação Tipo de Reator

Referência

Gomaa, 2014.

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Tabela 5- Tecnologias a serem desenvolvidas e que são capazes de diminuir o custo da produção de
polihidroxialcanoatos (PHA).
Tecnologia
Fermentação com alta densidade
celular
Crescimento das células em
substratos de baixo custo ou
substratos impuros
Células de crescimento rápido

Rápido crescimento de bactérias
que utilizem CO2
2
Processo de fermentação
aber to (não estéril) e contínuo
Síntese de PHA induzida por
limitação de oxigênio

Razão e/ou propósito
Crescimento dos microrganismos e
facilidade para recuperação dessas
células
Os substratos contribuem com 60% do
custo de produção de PHA

Metodologia
Manipulação do quorum sensing e
mecanismos de assimilação de oxigênio
Seleção de substratos específicos nos
quais a bactéria produza alto conteúdo de
PHA

Tempo de fermentação reduzido e
menor risco de contaminação
microbiana
CO2 é um substrato gratuito

Minimização do genoma bacteriano e
modificações nos padrões de
crescimento

O oxigênio é um fator limitante em todo
crescimento celular de alta densidade

Transferência dos operons de PHA’s para
regiões com promotores microaeróbicos

Manipulação do mecanismo de
assimilação de CO2 como dos
carboxissomos
Economia de energia para esterilização, Seleção de produtores de PHA’s capazes
redução da complexidade de
de crescer rapidamente em ambientes
fermentação e aumento da efetividade do extremos de pH, temperatura e pressão
processo
osmótica

Acúmulo elevado de PHA (> 95% Evitar processos caros e complicados de Manipulação do mecanismo de síntese de
purificação do polímero
PHA
em células secas)
Aumento do substrato para
eficiência da conversão em PHA

Os substratos contribuem com 60% do
custo de produção de PHA

Aumento de células produtoras
de PHA

Mais espaço para o acúmulo de PHA e
recuperação das células
Facilita a recuperação da biomasssa Expressão induzível de proteínas adesivas
após fermentação
de superfície
Permite a recuperação dos grânulos de
Expressão induzível de proteínas
PHA após centrifugação da biomassa
envolvidas na lise celular

Indução de floculação celular
Lise celular induzível

Remoção das vias que consomem
substratos para metabolismo não
relacionados a PHA, e/ou reforço no fluxo
de síntese do polímero
Engenharia genética dos microrganismos

Rompimento de células por
hiperprodução de PHA

Economia do processo de centrifugação
da biomassa

Manopulação do mecanismo de síntese
de PHA

Produção extracelular de PHA

Ausência de limitação devido ao pequeno
espaço celular, além de facilidade de
recuperação de grânulos

Necessidade de novos mecanismos de
síntese de PHA

Grânulos grandes de PHA

Fácil recuperação dos grânulos de PHA a
par tir da lise na cultura

Manipulação da formação das proteínas
associadas aos grânulos

Célula sintética combinando todas
as propriedades acima

Elevada competitividade

Síntese de uma célula artificial com DNA
funcional construído

Fonte: WANG et al., 2014.

OS DESAFIOS DO NOVO “PLÁSTICO VERDE”
Na busca por alternativas sustentáveis de energia,
o poli-3-hidroxibutirato ou PHB tem sido o bioplástico do
grupo dos polihidroxialcanoatos com maior potencial de
substituição dos plásticos sintéticos. O custo total para sua
produção, segundo Naranjo et al. (2014), envolve fatores
como o microrganismo e as fontes de carbono e nitrogênio
(matéria-prima) selecionados para o processo (rendimento
e produtividade), a compatibilidade das condições de prétratamento do substrato com as dos processos de fermentação (temperatura ideal, arejamento e pH), separação e
purificação (estes, fortes consumidores de energia durante o procedimento.
Além disso, o PHB apresenta limitações mecânicas (instabilidade térmica e fragilidade). Em função disso,
estudos têm sido desenvolvidos para aprimorar a resistência desse biopolímero e o custo de sua produção, utilizandose para tal matérias-primas baratas como resíduos agroindustriais. Dahman & Ugwu (2014) fizeram uso da palha de
trigo, até então descartada, para produção de PHB. Embora a maioria dos microrganismos não a metabolize, quando
hidrolisada, ela dá origem a variados monossacarídeos favoráveis ao crescimento celular e a elevada produção de
PHB. Outro estudo avaliou a utilização do PHB como enchimento de reforço associado a lignina (subproduto da
produção de papel, obtido a par tir da madeira), a fim de influenciar na viscosidade e cristalização do material, além
de sua biodegradabilidade. Embora a atividade antimicrobiana da lignina possa ter modulado a velocidade de
degradação, não foi possível observar uma significativa conexão entre a matriz e o reforço, e a combinação não
afetou a estabilidade térmica (ANGELINI et al., 2014). Por outro lado, utilizando resíduos de café (casca e pergaminho)
a par tir do mesmo princípio de reforço de enchimento + matriz polimérica, atingiu-se estabilidade térmica e aumento
da absorção de água (REIS et al., 2015).

Ainda são necessários mais estudos para encontrar a melhor maneira de produzir o PHB associado a outro
material, em prol de um produto final resistente e estável, de baixo custo, podendo torná-lo competitivo ao plástico
convencional.
No início do segundo milênio, alguns estudos relataram a produção simultânea de polímeros distintos (não
apenas precursores dos bioplásticos, mas também, polímeros de valor comercial em geral) a par tir de um mesmo
lote, como uma possibilidade mais lucrativa para as biorrefinarias. Mantendo o foco nos bioplásticos, verificou-se que
cepas de Azotobacter sp e C. necator foram capazes de produzir exopolissacarídeos (EPS) – polímeros extracelulares
utilizados na indústria alimentícia e farmacêutica, durante a síntese de PHB, além do mesmo resultado ter sido
atingido a par tir de culturas de Anabaena cylindrica na síntese do copolímero PHB-PHV, tornando possível expandir
a variedade de produtos obtidos a par tir destes microrganismos (SUKAN et al., 2015).
Em 2014, Naranjo et al. elucidaram a vantagem da interação entre bom uso de energia de biomassa a partir
dos resíduos, durante a produção de bioplásticos, biocombustíveis, solventes e outros produtos químicos naturais em
biorrefinarias, utilizando casca e polpa de bananas que seriam descartadas após a seleção para comercialização.
Reduziram o gasto de água e energia em 35 e 30% respectivamente, além do custo total durante a produção de
quase 15% somado a considerável diminuição de impactos ao meio ambiente.

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BIOCOMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS E BIOHIDROGÊNIO
Nas últimas décadas, sobreveio o debate global em torno das ações antrópicas precursoras do cenário
climático atual, e o que é estimado a longo prazo. Constata-se que o uso de combustíveis fósseis prejudica intensa e
completamente muitas gerações. A emissão de gases de efeito estufa (GEE), isto é, monóxido (CO) e dióxido de
carbono (CO2), metano (CH4), óxidos de enxofre (SOx) e de nitrogênio (NOx) e hidrocarbonetos voláteis, está for
temente ligada ao setor de energia que, por sua vez, tem na atividade de transporte a maior emissora de GEE. Esperase que as nações possam desenvolver juntas ações de mitigação acerca das projeções das emissões desses gases,
e, posteriormente, alcançar a harmonia viável entre o desenvolvimento da eficiência energética e sustentabilidade.
Considerando que o CO2 é o gás mais emitido ao longo de todo ciclo de vida de um combustível fóssil, o
quadro de emissões de GEE é expresso sob a forma de equivalentes de CO2 (CO2eq), e fatores como densidade
demográfica e tamanho das nações interferem na demanda direta de combustível fóssil, bem como no tratamento e
descarte dos resíduos, além das emissões de CO2eq, como no caso das incinerações (GAZZONI, 2012). O que vai
determinar o volume das emissões, portanto, será o volume do despejo e seu respectivo manejo (BRASIL, 2013).

Figura 11 - Ciclo do carbono. Numa escala global o retorno do CO2 para atmosfera pela respiração equilibra sua
remoção pela fixação. Entretanto, queima de madeira e combustíveis fósseis adiciona mais CO2 à atmosfera, elevando
sua concentração constantemente.
Fonte: TORTORA et al., 2012.

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Dados do balanço energético (BEN) de 2013 revelaram que o setor de transportes brasileiro é responsável
pelo consumo de 32% dos combustíveis fósseis, correspondendo a um equivalente de emissões de CO2 de 215,3
milhões de toneladas (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2014). Tendo em vista que o Brasil representa apenas
2% do consumo energético mundial, devido a compensação por sua produção de biocombustíveis, tais números ainda
não são significativamente negativos ao meio ambiente quando comparado ao de outros países (MOTA & MONTEIRO,
2013).
A Lei nº 12.187/2009 estabeleceu o compromisso nacional voluntário em prol da redução da emissão de GEE,
iniciando-se a Política Nacional sobre Mudança do Clima (PNMC) (BRASIL, 2013). Estima-se que em 2035 os
biocombustíveis brasileiros irão suprir um terço da demanda doméstica para o transpor te, e 40% das expor tações
líquidas no comércio mundial (IEA, 2013).
Em função da geografia, clima e vasta disponibilidade de recursos, o Brasil tornou-se pioneiro na produção de
energia renovável, como é o caso do bioetanol, visto não requerer equipamentos ou matérias-primas impor tadas para
tal, como no caso das energias eólica e solar. Em 2014, os valores acerca da geração de energia renovável e não
renovável no país atingiram respectivamente 39,4% e 60,6% (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2015),
demonstrando o quanto sua matriz energética é diversificada.

Figura 12 - Oferta interna de energia no Brasil (%). Mtep =milhões de toneladas equivalentes de petróleo.
Fonte: EPE (Empresa de Pesquisa Energética), 2015.
Assim, nos próximos 50 anos os biocombustíveis [biohidrogênio (H2), etanol e bio-metano] serão as formas
mais promissoras de fornecimento de energia. Atualmente, o bioetanol é produzido a partir da cana-de- açúcar, do
milho, do sorgo [Sorghum bicolor (L.) Moench], do trigo (Triticum aestivum L.), da mandioca (Manihot esculenta Crantz),
da batata-doce [Ipomoea batatas (L.) Lam.] e de outras fontes vegetais, enquanto o biodiesel é gerado a partir de óleos
de sementes de colza (Brassica napus L.), palma (Elaeis guineensis Jacq.), soja [Glycine max (L.) Merr.], girassol
(Helianthus annuus L.), algodão (Gossypium hirsutum L.), babaçu [Orrbignya speciosa (Mart.) Barb. Rodr.)], amendoim
(Arachis hypogaea L.), mamona (Ricinus communis L.) e de gorduras animais. Portanto, um dos impactos negativos
com o aumento crescente da produção de biocombustíveis de 1ª geração (117,715 milhões de litros em 2013) a partir
dessa matéria prima é a exploração do solo (vastas áreas destinadas a produção da matéria prima), além da competição
por recursos que servem de alimentos (KOIZUMI, 2015). Com isso, biocombustíveis de 2ª geração provenientes de
resíduos e biomassa lignocelulósica, composta por celulose (unidades de glucose), hemicelulose (polímeros de açúcar)
e lignina (polímeros complexos), desafiaram a descoberta de um caminho factível para degradar esse material em
glicídeos simples (MACHADO & ATSUMI, 2012) e passaram a ser valorizados.

CONVERSANDO SOBRE CIÊNCIAS EM ALAGOAS - BIOTRANSFORMAÇÃO DE RESÍDUOS A BIOPLÁSTICOS E BIOCOMBUSTÍVEIS 31

Um exemplo é o “Projeto Bioetanol” que, iniciado em 2006 e financiado pela FINEP (Financiadora de Estudos
e Projetos), busca a produção de bioetanol a partir da hidrólise enzimática da biomassa de cana-de-açúcar, já que,
durante a produção convencional de açúcar e etanol, apenas um terço da massa dessa planta é aproveitada. Assim,
com a finalidade de minimizar a expansão dos canaviais, a meta é utilizar tecnologias de conversão da celulose do
bagaço e da palha da cana, ainda que seja um desafio em função da estrutura lignocelulósica. Por esta razão, é
necessário que a biomassa passe por um pré-tratamento visando separar a matriz de lignina (OGEDA & PETRI, 2010).

Figura 13 - Fluxograma da conversão de biomassa em biocombustíveis, insumos químicos, materiais, alimentos,
rações e energia. Melhor aproveitamento de matéria-prima e redução de efluentes. Rotas de conversão: mecânica,
bioquímica, microbiana, química e termoquímica.
Ainda que viável, a valorização de biomassa advinda de resíduos agroindustriais para produção de
biocombustíveis de 2ª geração apresenta dificuldades a serem sobrepujadas. Sua heterogeneidade (diferenças em
propriedades físicas e químicas) torna a conversão complexa, inclusive em termos de metodologias, sendo a torrefação
a temperaturas capazes de clivar ligações químicas de polímeros orgânicos, em especial de resíduos já oriundos de
algum processamento, a solução para muitos dos casos (DUCA et al., 2014). A biotransformação dos resíduos
resultantes através de microrganismos (bactérias, fungos e microalgas), representa a continuidade do desenvolvimento
de eficiência energética e sustentável em biorrefinarias, pois estas podem gerar diferentes produtos a par tir de uma
mesma matéria-prima, reduzindo custos, agregando valor à inovação, aumentando o lucro e evitando flutuações de
mercado do preço de um único produto (ALVIM et al., 2015).
As algas e bactérias fotoautotróficas sintetizam biocombustíveis através de CO2 e luz solar, alcançando
grandes taxas de crescimento em sistemas de produção menos complexos, como áreas degradadas e compactadas.
Contudo, nestes é preciso aperfeiçoar a coleta e isolamento de produtos, bem como compreender a capacidade
fotossintética envolvida para um melhor rendimento (MACHADO & ATSUMI, 2012). Os demais microrganismos
(heterotróficos), por outro lado, devem ser capazes de converter em biocombustíveis uma variedade de moléculas,
como ácidos orgânicos, glicídios, etc. Por tanto, o pré-tratamento da biomassa pode afetar a capacidade produtiva dos
microrganismos selecionados. A levedura Saccharomyces cerevisiae, por exemplo, embora não seja capaz de
consumir pentoses como a xilose presente em material proveniente de paredes vegetais, é amplamente utilizada na
produção de bioetanol (HUFFER et al., 2012).
Misturas complexas de substratos podem não ser interessantes para produção industrial de biocombustíveis,
já que alguns microrganismos utilizam a repressão catabólica de carbono para regular seu uso, isto é, na presença de
uma fonte de preferência, ocorre a supressão da expressão de genes necessários a absorção das demais, exigindo

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um período maior para o consumo completo destas, como ocorre com Escherichia coli, por exemplo. A engenharia
metabólica, portanto, visa elevar a expressão de enzimas que possam canalizar um maior fluxo de carbono (HUFFER
et al., 2012).
Assim, variados tipos de biocombustíveis (ou precursores), como derivados de álcoois, ácidos graxos,
isoprenóides e policeticídeos, estão sendo produzidos por microrganismos geneticamente modificados. Dentre os
álcoois, merece destaque o isobutanol e butanol, sendo o último também produzido por bactérias selvagens do gênero
Clostridium. A comercialização destes avançou em empresas como Gevo, Butalco e Butamax Advanced Biofuels. Isso
mostra como a biologia sintética e de sistemas pode aprimorar a engenharia metabólica de microrganismos a fim de
produzir compostos cada vez mais complexos sem a necessidade de ajustes de vias metabólicas (FÁVARO, 2012).
No entanto, embora tais combustíveis sejam atrativos, a atenção para a produção de energia sustentável está
atualmente voltada para o gás hidrogênio (H2). Este é oriundo de um dos elementos mais abundantes do universo, e
sua combustão gera apenas água e produz elevada quantidade de energia (~ 140 MJ / kg, isto é, pelo menos 3 vezes
mais do que o obtido com a combustão de gás e de derivados de hidrocarbonetos naturais) (TRCHOUNIAN, 2015;
TRCHOUNIAN & TRCHOUNIAN, 2015). A produção mundial de H2 em larga escala, atualmente, está acima de 50
milhões de toneladas anuais, sendo eminentemente eletroquímica e derivada de combustíveis fósseis, Porém, o
crescente consumo e a fabricação de veículos movidos a H2 requerem mais esforços para aumentar sua produção
biológica e diminuir os custos desta, tornando-a competitiva (TRCHOUNIAN & TRCHOUNIAN, 2015), a partir da fotólise
da água (por meio de algas e cianobactérias), da fotodecomposição (por bactérias fotoheterotróficas) (Figura 14) da
fermentação anaeróbia (bactérias quimioheterotróficas), além de sistemas híbridos fotossintéticos e fermentativos
(Figura 15). Tais bioprocessos (Tabela 6), em especial os três últimos, têm gerado resultados promissores que também
contribuem para o tratamento de resíduos poluentes (BASAK et al., 2014; De SÁ et al., 2014; SHOW et al., 2011).

Figura 14 - Produção de H2 por bactérias púrpuras durante fotofermentação de fonte de carbono como lactato, etc, sob
luminosidade (C3H6O3 + 3H2O) + luz  6H2 +3CO2; ∆G= + 8.5 kJ/ mol H2).

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Tabela 6 - Vantagens, desvantagens de processos biológicos e principais microrganismos estudados para a produção
de biohidrogênio.

Fonte: De SÁ et al., 2014.

Figura 15 - Sistema de biorreator com múltiplos estágios.
Fonte: Adaptado de SHOW et al., 2011.
Nos biorreatores de múltiplos estágios (Figura 15), assim como num reator convencional, que apresenta
recipientes (tanques ou tubos) que mantêm a cultura do microrganismo submetida ao processo em questão (fotólise,
foto-fermentação, fermentação anaeróbia ou eletrolise microbiana) enquanto é alimentada pelo substrato especifico

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durante a etapa inicial, há produção de acetato, CO2 e H2. Estes passam de um tanque para outro, operado por outro
processo específico (novamente fotólise, foto-fermentação, fermentação anaeróbia ou eletrólise microbiana), e o
substrato residual não aproveitado em um reator, é conver tido em mais CO2 e H2, seguindo essa sequência até o
reator final, com melhor rendimento. Um biorreator tem de basear-se nas várias condições das culturas necessárias
aos processos (velocidade de agitação das misturas, temperatura, pH, teor de sais, reciclagem de nutrientes, modo
de aplicação de luz quando necessária, formação de produtos secundários, etc.) (Das NEVES, 2009; SHOW et al.,
2011).
No caso das bactérias fotoautotróficas ou fotoheterotróficas, o mecanismo de absorção da energia luminosa
para fixação e conversão de CO2 (única fonte de carbono celular) em matéria orgânica, envolve apenas um
fotossistema, com um de dois tipos básicos de centro de reação fotoquímica (CRF). O CRF tipo I (feofitina-quinona)
envolve a transferência de elétrons da feofitina (Pheo) para uma quinona e o tipo II (Fe-S), em que ocorre o fluxo de
elétrons para um centro ferro-enxofre através de uma quinona. As bactérias púrpuras, por exemplo, apresentam CRF
tipo II, e a excitação do fotossistema pela luz promove um fluxo cíclico de elétrons. A absorção dos fótons de luz
dirige os elétrons do CRF (P870), através de uma cadeia de carreadores de elétrons passando por um complexo
citocromo bc1 e pelo citocromo c2, retornando ao CRF. Durante o fluxo de elétrons pelo citocromo bc1, há um
bombeamento de prótons, gerando um gradiente quimiosmótico e uma força próton-motriz, que promoverá a síntese
de ATP (fotofosforilação). Em comparação com algas, menos energia luminosa é necessária pelas bactérias
fotossintetizantes para produzir H2, principalmente devido ao elevado rendimento de conversão de substratos
orgânicos ao produto, a não produção de O2, a capacidade de absorver luz de comprimento de onda mais longo e de
utilizar uma ampla gama de substratos orgânicos reduzidos como fonte de carbono e elétrons, auxiliando também no
processo de biorremediação (BASAK & DAS, 2007).
Fotoheterotróficas púrpuras não sulfurosas, como Rhodobacter capsulatus e R. sphaeroides, apresentam
relação entre os metabolismos de carbono e nitrogênio, e esse está intimamente associado com o controle intracelular
do equilíbrio de óxido− redução (redox). Nestas, observa-se níveis máximos das enzimas chave da via de CalvinBenson-Bassham (CBB), ou seja, da ribulose bisfosfato carboxilase 1,5-/oxigenase (RuBisCO) e da fosforibulocinase
(PRK). Crescimento fotoheterotrófico durante a fixação de N2 resulta em menores, mas ainda substanciais, níveis de
RUBISCO e PRK. No entanto, sob tais condições, a via CBB trabalha principalmente para ajudar a manter o equilíbrio
redox da célula (Figura 16), por permitir que o CO2 ou dimetilsulfóxido (DMSO) ou tetrimetilamina-N-óxido (TMAO)
sirvam como transportadores de elétrons, através do sistema DMSO molibdênio-redutase (DorA), localizado no
periplasma, e que envolve o citocromo-DorC. Este é importante especialmente quando as fontes de carbono
presentes estão reduzidas (PAOLI, VICHIVANIVES & TABITA, 1998).
O complexo enzimático Nitrogenase conduz a redução biológica de N2 a amônia. Resumidamente, dois
componentes protéicos são necessários para tal atividade – a MoFe-proteína (ou dinitrogenase), que contém o sítio
ativo para a redução de N2, e a Fe-proteína (ou redutase dinitrogenase), cuja função principal é o de transferir elétrons
para MoFe-proteína com a concomitante hidrólise de Mg-ATP. Em algumas outras condições, quando nenhum
amoníaco mas N2 está presente no ambiente (crescimento N2 -dependente), o sistema de MoFe- proteína é
sintetizado para catalisar a redução desse gás para amônia, acompanhada pela redução de prótons a H2. Esta via
requer muito poder redutor, e é um processo intensivo de energia (20 a 30 mol de Mg-ATP para a redução de 1 mol
de N2), desempenhando não apenas um papel primário no metabolismo de N2 (KERN et al., 1998), mas também na
homeostase redox, não sendo de estranhar que este processo seja rigorosamente regulado a nível da transcrição e
pós-tradução. A escuridão ou a adição de amônio em culturas de R. capsulatus ou R. sphaeroides causa rápido
decréscimo (2 a 3 min) na atividade da nitrogenase. A recuperação total da taxa inicial de atividade da nitrogenase é
observada dentro de um período relativamente curto e que depende da quantidade de amônio adicionada. Os efeitos
de modificação de Fe-proteínas e adições de amônio sobre a atividade de nitrogenase são diferentes, dependendo
do grau de limitação de N2 (Figura 16).

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Figura 16 – Proposta de vias envolvidas no metabolismo de H2 em bactéria fotoheterotrófica Rhodobacter
sphaeroides, sob condições limitantes (a) ou de excesso (b) de nitrogênio (2e + 2H + 4ATP  H2 + 4ADP + 4Pi por
mol de N2). LHC= complexo de coleta de energia luminosa, RC = centro de reaçao, Q= ubiquinona, Fd = ferredoxina,
Cit= citocromo, DPi=força próton motriz, Pi= fosfato inorgânico.

Este tipo de regulação, denominado efeito “nitrogenase desliga/liga” (modulação reversível), pode ser
parcialmente mediado por um sistema de duas enzimas: dinitrogenase redutase (Fe-proteína)-ADP- ribosiltransferase
(DraT) e glicohidrolase dinitrogenase(DraG) ativando redutase (resistência), o que provoca uma modificação
covalente/demodificação da Fe-proteína via ADP-ribosilação. Crescimento fotoheterotrófico sob condições de baixas
concentrações de fonte de nitrogênio (como exemplo, o glutamato), sinaliza a célula para sintetizar o sistema de Modinitrogenase (LUDDEN & ROBERTS, 1995). Os equivalentes redutores em excesso gerados pela oxidação de
substratos de carbono são consumidos pela redução de prótons e consequente evolução de H2 por uma atividade
semelhante do sistema dinitrogenase. Assim, em R. capsulatus, por exemplo, fixação de N2 é controlada por fatores
ambientais, como disponibilidade de molibdênio, luz e oxigênio.

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Além de produzirem hidrogênio na presença de luz, bactérias fotoheterotróficas também fermentam e
produzem H2 no escuro. Carboidratos fermentados por R. capsulatus no escuro rendem no máximo 33% de
hidrogênio, gerando como subprodutos também acetato e butirato (ABO-HASHESH & HALLENBECK, 2012a;
HALLENBECK, 2009, 2012). Estes, por sua vez, podem ser posteriormente completamente oxidados a H2 e CO2
na presença de luz (fotofermentação). Na hidrólise de polissacarídeos, por exemplo, são formados os
monossacarídeos que irão ser degradados, por meio da homo ou heterofermentação, em piruvato e/ou álcoois, que,
posteriormente, serão convertidos em metabólitos intermediários de alto valor agregado. Tal oxidação gera elétrons
que se distribuem de forma a manter a neutralidade, e o cátion hidrogênio (H+) atuando como aceptor final de elétrons,
que na ausência de oxigênio será reduzido a (H2). O processo de dupla fermentação (Figura 17), por tanto, é atraente
para a conversão total de matérias- primas que são apenas parcialmente oxidados durante a fermentação no escuro
(ADESSI et al., 2012; HALLENBECK, 2011, 2012; HALLENBECK et al., 2012; KESKIN & HALLENBECK, 2012a), e
vários sistemas estão sendo pesquisados, incluindo co-cultura em dois estágios com bactérias anaeróbias
fermentantes, e este rende H2 adicional (5–7 moles H2/mol de hexose) (CLAASSEN & DE VRIJE, 2010; CLAASSEN
et al., 2010; ÖZGÜR et al., 2010).
Özkan et al. (2012) relataram a produção de hidrogênio por R. capsulatus YO3 (hup) em um fotobiorreator
(4 L) em painel de vidro mantido externamente sob luz solar e alimentado diariamente (10% do volume) com usando
efluente termofílico da fermentação no escuro de suco de beterraba (pela bactéria termófíla Caldicellulosiruptor
saccharolyticus) no verão de 2009 de Ancara, Turquia. O efluente continha acetato (125 mM) e NH4 (7,7 mM) como
as principais fontes de carbono e nitrogênio, respectivamente, e foi diluído três vezes com tampão fosfato de potássio,
ajustando-se a concentração de acetato para 40 mM e suplementando-se com Fe e Mo. A temperatura de
arrefecimento foi controlada por recirculação de água fria através de um tubo no interior do reator, obtendo-se uma
produtividade de 1,12 mmol H2/LC/ h e rendimento molar de 77% do máximo teórico sobre o substrato consumido ao
longo de 15 dias de operação.

Figura 17 - Esquema do sistema de produção de gás Hidrogênio registrado como “HYVOLUTION”.
Fonte: GEBICKI et al., 2010.

Gebicki et al. (2010), por sua vez, desenvolveram e estudaram a produção de H2 em fotobiorreatores de
vidro em painel e tubular (sistema HYVOLUTION) inoculados por R. capsulatus, em batelada, uma vez que cada um
desses tipos é mais indicado para uma situação geográfica diferente (Figura 18). O reator em painel é mais adequado
quando se tem grandes áreas de solo em baixas temperaturas e, por conseguinte, desenvolvido para a aplicação no
norte da Europa Ocidental. Por outro lado, o reator tubular é fácil de arrefecer e, assim, indicado para o Sul da Europa.
Ambos os reatores foram pesquisados no verão sob condições ambientais da Alemanha, demonstrando-se que os
dois podem ser operados durante várias semanas com produtividades comparáveis de H2, isto é, em painel de vidro

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a produtividade foi de 3690 mL H2/ m2 de superfície irradiada por dia, e em túbulos de vidro esta foi de 3350 mL H2
/m2 de superfície irradiada por dia. No entanto, em termos de área, a superfície exigida para 8 m2 de superfície
irradiada do fotorreator em painel foi de cerca de 1 m2 de solo, enquanto a relação da área de instalação do fotorreator
tubular por área de solo é de aproximadamente 1: 1.

Figure 18 - Esquemas do módulo de um fotorreator em painel de vidro (superior) exposto à luz solar, e da circulação
interna da suspensão bacteriana em módulos de fotorreator tubular (abaixo, esquerda), bem como do próprio
complexo fotorreator tubular (abaixo, direita) “HYVOLUTION”.
Fonte: GEBICKI et al., 2010.
No entanto, tendo a fermentação anaeróbia menor limitação diante de outros processos (não depende da
área de superfície de luz ou O2, por exemplo), há de se sumarizar seu mecanismo, isto é, a oxidação/ degradação de
polissacarídeos, proteínas e lipídeos, admitindo-os como provenientes de resíduos, resulta em compostos mais
simples além da liberação de energia (Figuras 19 e 20).
As bactérias empregadas em tal processo podem ser anaeróbias estritas ou facultativas (Figura 20), e
embora as anaeróbias estritas sejam mais produtivas (4 moles de H2 por mol de glicose, por exemplo), as anaeróbias
facultativas são menos sensíveis a presença do O2, e dessa forma estas podem retomar a produção de H2 mesmo
após danos acidentais causados pela presença de O2, esgotando-o no seu meio (Das NEVES, 2009). Algumas das
bactérias comumente utilizadas nesse processo podem ser encontradas no ambiente (solo, lama, adubo, água
residual), como espécies dos gêneros Clostridium, Citrobacter e Enterobacter, além da enterobactéria E. coli (De SÁ
et al., 2014; SINHA & PANDEY, 2011).

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Figura 19 - Fluxograma das etapas do processo de degradação anaeróbia de materiais orgânicos por culturas mistas.
Fonte: De SÁ et al., 2014.

Figura 20 - Gêneros de alguns microrganismos que produzem diferentes resíduos orgânicos a par tir de glicose, e
que podem ser utilizados em processos fermentativos de produção de H2.
Fonte: TORTORA et al., 2012.
De maneira geral, assim como na fotofermentação anóxica, a produção fermentativa anaeróbia do
biohidrogênio envolve a expressão de hidrogenases e nitrogenases por meio de processos complexos que envolvem
outras enzimas/ proteínas auxiliares e de maturação, sob influência do pH, tipo e concentração de inóculo e substrato.
Esse processo, portanto, requer um pré-tratamento do inóculo, a fim de eliminar a contaminação por outros
microrganismos consumidores de hidrogênio (Das NEVES, 2009; De SÁ et al., 2014; Dos SANTOS et al., 2012;
SINHA & PANDEY, 2011).
Estudos indicam também que as vias biossintéticas de H2 são sensíveis a elevadas concentrações deste,
ou seja, sob elevada pressão parcial de H2 no meio fermentativo pode ocorrer a solventogênese (fase em que são
formados o ácido lático e solventes). Desse modo, a pressão parcial de H2 no biorreator inibe sua síntese e as vias
metabólicas são direcionadas para a produção de metabólitos mais reduzidos (a coleta periódica e regular dos gases

CONVERSANDO SOBRE CIÊNCIAS EM ALAGOAS - BIOTRANSFORMAÇÃO DE RESÍDUOS A BIOPLÁSTICOS E BIOCOMBUSTÍVEIS 39

produzidos, pode apresentar-se como uma maneira de atenuar a pressão parcial de H2) (ANGENENT et al., 2004; De
SÁ et al., 2014).
Por tanto, além do desafio de aprimorar a produção de biohidrogênio, a ciência também se deparou com a
necessidade de melhorar o desempenho mecânico de veículos. Estes utilizarão esse gás para resolver o problema
da vasta emissão de poluentes e consumo de combustível fóssil, tornando-se processados a baixas temperaturas
para o ligamento imediato após a par tida, surgindo então as células a combustível (CC) (Figura 21).

Figura 21 - Funcionamento da célula a combustível (CC). O hidrogênio alimenta o terminal negativo onde serão
oxidados no catalisador, produzindo elétrons livres e íons de hidrogênio (H+). Os elétrons vão ao circuito elétrico para
serem utilizados na produção da corrente contínua, enquanto que os íons de hidrogênio (H+) vão ao terminal positivo,
e junto com o oxigênio que é alimentado pela entrada de ar e o restante do processo, culminam em vapor d’água; o
hidrogênio em excesso que não romper ligação, será posteriormente realimentado.
Fonte: MIRANDA et al., 2013.
Como uma bateria alimentada por um tanque de hidrogênio, a CC produz a eletricidade que alimenta o carro
e o vapor de água que sai do escapamento. Em contraste com o sistema clássico de combustão, não há partes
móveis promovendo o trabalho mecânico para o veículo, apenas um terminal negativo (ânodo) e um positivo (cátodo),
além do auxílio de um catalisador de platina (responsável pela quebra da molécula de hidrogênio) e um eletrólito.
O tipo de eletrólito utilizado determina a classificação da CC, e consequentemente, sua aplicação, que vai
desde a geração de energia por tátil ou estacionária ao setor de transportes. O último, por exemplo, tem-se a
membrana trocadora de prótons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), responsável pelo transpor te de
íons entre o ânodo e o cátodo. No terminal negativo, o catalisador atua na reação de oxidação que liberam os elétrons
a serem conduzidos pelo eletrólito até o terminal positivo, a diferença de potencial entre os terminais é enfim utilizada
para gerar o trabalho elétrico (Da PORCIÚNCULA, 2013).
O primeiro automóvel movido a CC foi desenvolvido por Kordesch em 1960, e desde então diversas
empresas, como Mercedes-Benz, Honda, Toyota e outras, por exemplo, procuraram desenvolver protótipos elétricos

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e híbridos. Um estudo publicado na Revista de Saúde, Meio Ambiente e Sustentabilidade em 2013, buscou analisar
o mercado automobilístico diante do uso do gás H2 como potencial combustível não poluidor. Atualmente, é realidade
para a Europa e a América do Norte o investimento em pesquisa e mercado com veículos baseados em CC,
substituindo assim os motores a combustão (MIRANDA et al., 2013).
Os veículos movidos a CC são mais eficientes, apresentando um rendimento em torno de 60%, enquanto
que a combustão a diesel, por exemplo, possui eficiência energética inferior a 40%. Em 2013, a “Brasil Engenharia”
tendo em vista o país como um dos grandes produtores mundiais de ônibus, divulgou a implantação do projeto
brasileiro do ônibus movido por CC H2, com a finalidade de desenvolver meios de transpor te coletivo com emissão
zero de poluentes, bem como o acompanhamento da aplicação estacionária e veicular na utilização desse gás com
segurança e eficiência (REGINA & LOPES, 2013). Embora vantajoso tal recurso não é ainda bem compreendido por
toda população e, como uma tecnologia ainda sob pesquisa, é de elevado custo, especialmente para fabricantes
poderem torná-lo um produto competitivo. É necessário então, dar continuidade aos estudos acerca dessa tecnologia,
com ênfase na segurança do transpor te e armazenamento do H2, o qual é altamente inflamável, bem como
demonstrar e conscientizar a sociedade da existência de uma estratégia alternativa num setor tão importante.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Biotransformação é o processo em que distintas substâncias sofrem diferentes reações químicas dentro de
organismos vivos, e estes as convertem em compostos diferentes do original ou as mineralizam completamente a dióxido
de carbono e água. Microrganismos são excelentes biotransformadores, e em especial as bactérias, representam
alternativa poderosa para remover do ambiente substratos orgânicos poluentes e transformá-los em produtos não só
menos agressivos ao ambiente, mas que possam ser recicláveis. Por isso, a comunidade científica tem buscado
compreender e aperfeiçoar os processos bioquímicos e de produção em pequena, média e grande escala de bioplásticos
e biocombustíveis, os quais, diferentes de seus análogos de função derivados de matérias-primas fósseis, não
contribuem para o aumento da concentração de gases do efeito estufa.
São várias as espécies capazes de realizar a biotransformação de resíduos em polímeros plásticos
(polihidroxialcanoatos, PHA) e biocombustíveis solventes e hidrogênio molecular (H2), destacando aquelas que vivem no
solo e águas residuárias. Dependendo do método de produção, algumas bactérias podem acumular até 90 % de seu
peso seco em PHAs. Já na produção de biohidrogênio, a vantagem é a capacidade dos microrganismos utilizarem
diferentes substratos e processos bioquímicos para gerá-lo, podendo inclusive trabalhar para tal em cooperação (cometabolismo), por via fotoautotrófica, fotoheterotrófica, por fermentação na ausência de luz ou por um sistema híbrido
desses. Sendo assim, não há necessidade de se purificar os diferentes compostos de resíduos sólidos ou líquidos
utilizados no bioprocesso. Vários produtos têm sido aperfeiçoados com incorporação de bioplásticos ou para utilização
de biohidrogênio como fonte de energia, como ocorre no setor de transpor te, por exemplo.
Assim, a ciência dos bioprocessos tem se dedicado a aperfeiçoar a geração desses produtos em larga escala,
seja estudando as condições que afetam diretamente a ação das bactérias ou o melhoramento genético destas. Esse
conhecimento visa não só aumentar o rendimento da biotransformação, mas também diminuir os custos de produção e
aproveitamento praticamente total dos substratos utilizados, tornando a biotransformação uma alternativa tecnológica
sustentável, favorável não só a redução do consumo de matérias-primas fósseis já em esgotamento, e que geram
emissões poluentes, mas também removendo resíduos que, em geral são descartados inadequadamente, e se
acumulam a ponto de trazer danos ao ambiente e a saúde do homem e demais seres vivos.

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REFERÊNCIAS
ABIEF – Associação Brasileira da Indústria de Embalagens Plásticas Flexíveis. Disponível em: <
http://www.abief.com.br/noticias_flex.php> Acesso em: 20 de outubro de 2015.
ABO-HASHESH, M.; HALLENBECK, P.C. Fermentative hydrogen production. In: Hallenbeck PC. ed. Microbial
Technologies in Advanced Biofuels Production. New York: Springer-Verlag, 2012.
ABRAMOVAY, R.; SPERANZA, J. S.; PETITGAND, C. Lixo zero – Gestão de resíduos sólidos para uma sociedade
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