Processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos

  • Número do pedido da patente:
  • BR 10 2012 029383 8 A2
  • Data do depósito:
  • 19/11/2012
  • Data da publicação:
  • 16/09/2014
Inventores:
  • Classificação:
  • C08J 11/10
    Recuperação ou aproveitamento de materiais residuais; / de pol?meros; / quimicamente atrav?s da quebra das cadeias macromoleculares dos pol?meros ou quebra de liga??es cruzadas, p. ex. desvulcaniza??o;
    ;
    C08J 11/04
    Recuperação ou aproveitamento de materiais residuais; / de pol?meros;
    ;
    C08J 11/14
    Recuperação ou aproveitamento de materiais residuais; / de pol?meros; / quimicamente atrav?s da quebra das cadeias macromoleculares dos pol?meros ou quebra de liga??es cruzadas, p. ex. desvulcaniza??o; / por tratamento com vapor ou ?gua;
    ;
    A62D 3/02
    Processo para tornar in?cuos ou menos nocivos os agentes qu?micos nocivos, efetuando uma transforma??o qu?mica nas substâncias; / por m?todos biol?gicos, i.e. processos usando enzimas ou micro-organismos;
    ;
    A62D 3/10
    Processo para tornar in?cuos ou menos nocivos os agentes qu?micos nocivos, efetuando uma transforma??o qu?mica nas subst?ncias; / pela exposi??o ? energia el?trica ou de onda ou a radia??o de part?culas ou ionizante;
    ;

PROCESSO DE BIODEGRADAÇÃO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS NATURAIS E SINTÉTICOS PELA AÇÃO DE MICRO-ORGANISMOS NÃO PATOGÊNICOS. É descrito um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos que prevê etapas de modificação da superfície de um material polimérico ou de um filme fino em geral utilizando radiação eletromagnética, permitindo a degradação através de micro-organismos não patogênicos, tal como fungos filamentosos entomopatogênicos, leveduras e bactérias.

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Documento

Relatório descritivo de patente de invenção

Processo de BiodegradaçAo de Materiais Poliméricos Naturais e Sintéticos pela Ação de Micro-Organismos nAo Patogênicos

Campo da invenção

A presente invenção descreve um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos. Mais especificamente compreende um processo que consiste em modificar a superfície de um material polimérico ou um filme fino em geral utilizando radiação eletromagnética, permitindo a degradação através de microorganismos não patogênicos, tal como fungos filamentosos, leveduras e bactérias.

Antecedentes da invenção

Atualmente, o desenvolvimento polímeros ambientalmente corretos é uma tendência, tendo em vista as questões ambientais relacionadas. Muitos polímeros biocompatíveis e biodegradáveis, entre eles os poliésteres microbianos, são um exemplo muito bem conhecido de polímeros que cumprem com esse propósito. Esses polímeros são produzidos por uma ampla variedade de micro-organismos, já que dessa forma armazenam carbono e energia a nível molecular. Essa família de poliésteres microbianos tem a vantagem de serem termoplásticos semicristalinos e com propriedades mecânicas semelhantes aos plásticos convencionais, como o polipropileno, por exemplo, além de serem resistentes à água e impermeáveis ao oxigênio. Todas essas propriedades lhes conferem muitas vantagens potenciais nas indústrias alimentícias e de embalagens.

Mais recentemente, vários plásticos biodegradáveis foram introduzidos no mercado, mas nenhum foi capaz de ser degradado eficientemente nos aterros sanitários (Shah, A. A.; Hasan, F.; Hameed, A.; Ahmed, S., Biotechnology Advances 2008, 26, 246.) e (Ammala, A.; Bateman, S.; Dean, K.; Petinakis, E.; Sangwan, P.; Wong, S.; Yuan, Q.; Yu, L.; Patrick, C.; Leong, K. H., Progress in

Polymer Science 2011, 36, 1015.). Por este motivo, esses polímeros não foram utilizados em grande escala, aliado a falta de competitividade com os polímeros derivados da indústria do petróleo, que são muito mais baratos.

Dessa forma, prevaleceram no mercado os poliméricos sintéticos, cuja contrapartida é a introdução no meio ambiente de enormes quantidades de contaminantes incapazes de serem degradados pelos mecanismos tradicionais da natureza.

Do total de plásticos produzidos no Brasil, em média 21,2% dos plásticos rígidos e filme foram reciclados em 2008, o que equivale a cerca de 556 mil toneladas/ano

(http://www.ressoar.org.br/dicas_reciclagem_panorama_brasil_plastico.asp) e (http://www.reciclador.org.br/economico_indices.html), sendo um dos empecilhos a grande variedade de tipos de plásticos. Na reciclagem, o plástico pode ser convertido em grânulos para a fabricação de outros subprodutos plásticos, ou sofrer queima junto a carvão, madeira, etc., com o intento de gerar energia, porém provocando o aumento da concentração do gás carbônico no meio ambiente.

Portanto, os métodos tradicionais de degradação geralmente se limitam a um fracionamento e quebra dos materiais polímeros por métodos físicos ou químicos, que em geral levam à formação de particulados poliméricos, aumentando o efeito contaminante no meio ambiente.

Outra metodologia completamente diferente de eliminar o impacto ambiental dos plásticos é a biodegradação. Nesse sentido, na última década aparece fortemente uma forte tendência a produzir polímeros que sejam biodegradáveis ou que possuam na sua estrutura funcionalidades que permitam aos micro-organismos iniciar os processos de biodegradação e degradar o material polimérico (Shah, A. A.; Hasan, F.; Hameed, A.; Ahmed, S., Biotechnology Advances 2008, 26, 246.), (Ammala, A.; Bateman, S.; Dean, K.; Petinakis, E.; Sangwan, P.; Wong, S.; Yuan, Q.; Yu, L.; Patrick, C.; Leong, K. H., Progress in Polymer Science 2011, 36, 1015.), (Wang, R.; Chen, W.; Meng, F.; Cheng, R.; Deng, C.; Feijen, J.; Zhong, Z., Macromolecules 2011, 44, 6009.), (Morent, R.; De Geyter, N.; Desmet, T.; Dubruel, P.; Leys, C., Plasma Processes and Polymers 2011, 8, 171.) e (Leja, K.; Lewandowicz, G., Polish Journal of Environmental Studies 2010, 19, 255.).

A literatura técnica descreve mecanismos e metodologias para degradar polímeros sintéticos (Shah, A. A.; Hasan, F.; Hameed, A.; Ahmed, S., Biotechnology Advances 2008, 26, 246.), (Ammala, A.; Bateman, S.; Dean, K.; Petinakis, E.; Sangwan, P.; Wong, S.; Yuan, Q.; Yu, L.; Patrick, C.; Leong, K. H., Progress in Polymer Science 2011, 36, 1015.), (Leja, K.; Lewandowicz, G., Polish Journal of Environmental Studies 2010, 19, 255.), (Singh, B.; Sharma, N., Polymer Degradation and Stability 2008, 93, 561.) e (Gautam, R.; Bassi, A.

S. ; Yanful, E. K., Applied Biochemistry and Biotechnology 2007,141, 85.).

Os fungos são geralmente utilizados em processos de biorremediação, que consiste em utilizar seres vivos ou seus componentes na recuperação de áreas contaminadas. Esses processos, em geral, empregam microrganismos ou suas enzimas para degradar compostos poluentes, já que utilizam substratos orgânicos como fonte de carbono para se alimentar. Os fungos são muito utilizados porque são micro-organismos robustos e que têm a capacidade de gerar uma grande variedade enzimas conforme o ambiente onde se encontram. Apesar disso, poucas dessas aplicações de biorremediação são relatadas na literatura no que se refere a utilização de um fungo para degradar polímeros. Por exemplo, Artham e colaboradores (Artham,

T. ; Doble, M., Biomacromolecules 2010, 11, 20.) estudaram a degradação de policarbonatos, previamente tratados por métodos químico-físicos, pelo fungo da podridão branca, Phanerochaete chrysosporium NCIM 1170 (SF2), obtendo aproximadamente 5,4 % de perda de peso e 42% na redução de Mn após 12 meses. Os resultados mostraram o pouco conhecimento existente sobre os mecanismos de degradação em policarbonatos, mas claramente demonstraram a importância dos pré-tratamentos químico-físicos para aumentar a biodegradação.

Russell e colaboradores (Russell, J. R.; Huang, J.; Anand, P.; Kucera, K.; Sandoval, A. G.; Dantzler, K. W.; Hickman, D.; Jee, J.; Kimovec, F. M.;

Koppstein, D.; Marks, D. H.; Mittermiller, P. A.; Nunez, S. J.; Santiago, M.; Townes, M. A.; Vishnevetsky, M.; Williams, N. E.; Nunez Vargas, M. P.; Boulanger, L.-A.; Bascom-Slack, C.; Strobel, S. A., Applied and Environmental Microbiology 2011, 77, 6076.) investigaram a biodegradação de poliuretanos poliésteres (PUR) por fungos endofíticos. Após a caracterização molecular da atividade de degradação, os autores concluíram que uma serina hidrolase seria responsável pela degradação observada nesta série de polímeros. Foi observada uma atividade muito ampla no crescimento anaeróbico usando PUR como única fonte de carbono, o qual sugere que os fungos endofíticos podem ser uma fonte de biodiversidade promissória para degradação polimérica.

Friedrich e colaboradores (Friedrich, J.; Zalar, P.; Mohorcic, M.; Klun, U.; Krzan, A., Chemosphere 2007, 67, 2089.) demonstraram pela primeira vez, em 2007, a possibilidade de degradar um plástico muito utilizado e resistente como o Nylon 6, utilizando 58 tipos diferentes de fungos. A maioria dos fungos foi incapaz de degradar o Nylon 6 e somente o fungo da podridão branca (White rot) conseguiu crescer quando o polímero foi a única fonte de nitrogênio presente no meio. No estudo, foi sugerido que a degradação ocorre através de um processo de solubilização parcial do material polimérico seguido de sua metabolização.

Fungos e bactérias são capazes de degradar polímeros sintéticos e naturais com mecanismos que dependem da cristalinidade, grupos funcionais superficiais e propriedades estruturais e mecânicas, etc. Quando um microorganismo entra em contato com um substrato polimérico, existem vários fatores que podem induzir ou inibir seu crescimento. A interface entre o substrato e o micro-organismo é o principal componente que determinará as mudanças bioquímicas subsequentes, já que o micro-organismo necessita da fonte de carbono existente no material para seu desenvolvimento como ser vivo. Se o meio onde o micro-organismo se encontra é desfavorável, permanecerá em estado latente.

O estado da técnica descreve processos de biodegradação, tal como o documento US4154653 que descreve um processo de degradação de polímeros estirenos com grupos hidroxilas cultivados com a bactéria Moraxella genus, ou o fungo da penicilina genus, num meio contendo o polímero estireno hidroxilado com uma estrutura unitária de fórmula geral, onde X e Y representam átomos de hidrogênio e grupos alcoxi como fonte de carbono respectivamente.

O documento US5342779 descreve a combinação de irradiação ultravioleta e a presença de fungos degradantes de lignina para melhorar a biodegradação de contaminantes ambientais. O fungo preferido é o Phanerochaete chrysosporium (ATCC 64046) e a combinação das enzimas produzidas pelo fungo e a radiação ultravioleta aumenta a degradação que seria esperada pelos tratamentos separados.

O documento US6020184 descreve um método de degradação dos polímeros poliorganosiloxanos (POS) e polidimetilsiloxanos (PDMS) utilizando fungos das espécies Phanaerochete sortida, Phanaerochete chrysosporiumAspergillus sydowii BJS94, sendo obtida a melhor condição de biodegradação dos polímeros pelo fungo Aspergillus sydowii BJS94.

No entanto, os documentos do estado da técnica não descrevem processos de biodegradação com uma etapa prévia de ativação superficial de materiais poliméricos previamente ao tratamento com fungos ou bactérias, mediante modificação e aumento da molabilidade destes materiais poliméricos, com a possibilidade de introduzir novos grupos funcionais superficiais que facilitem os processos de crescimento dos fungos ou bactérias.

De forma diversa, é objeto da presente invenção um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos ao ser humano que provê a ativação da superfície dos materiais poliméricos com irradiação UV ou VUV em presença de gases ou vapores reativos, sendo obtidas superfícies hidrofílicas e com enxerto de diferentes grupos funcionais e que, mediante controle de parâmetros experimentais, tal como tempo de irradiação UV-VUV e o contato dos materiais tratados com os fungos, torna possível controlar a degradação dos materiais poliméricos em um intervalo de tempo menor.

Sumário

A invenção provê um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos, tal como polihidroxialcanoatos, poliuretanos, polisulfonas, polibutadienos, poliestirenos, poliésteres, polipropilenos, polietilenos, policaprolactonas, entre outros, pela ação de micro-organismos não patogênicos.

A invenção provê um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos onde polímeros contendo grupos aromáticos são modificados com alta eficiência devido ao alto coeficiente de absorção ultravioleta do anelo aromático, assim como outros polímeros com cromóforos que absorvem na faixa de 200-400 nm também podem ser modificados superficialmente com eficiência.

A invenção provê um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos utilizando irradiação UV ou VUV.

A invenção provê um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos, preferentemente fungos filamentosos, com a formação de hifas que facilita o acesso a matriz polimérica através de qualquer fissura ou rachadura existente na superfície destes materiais.

A invenção provê um processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos que provê a aceleração da degradação de materiais poliméricos, utilizando microorganismos de baixo impacto econômico em comparação aos produtos químicos utilizados convencionalmente.

Breve descricão das figuras

A figura 1 apresenta representação gráfica da relação entre a hidrofilicidade da superfície do filme de Polissulfona (PSU) mediante a variação do tempo de irradiação.

A figura 2 apresenta o gráfico evidenciando a relação entre o enxerto de novos grupos funcionais na superfície e o tempo de irradiação, sendo utilizada a técnica de espectroscopia infravermelho por transformadas de Fourier no modo de refletância total atenuada (FTIR-ATR).

A figura 3 apresenta imagens evidenciando a diferença de crescimento e o efeito de degradação de um filme de Polissulfona (PSU) tratado com luz UV/Oxigênio (E, F), um filme de PSU sem tratamento após 30 dias de cultivo (B, C) e uma amostra controle sem fungo (A, D).

A figura 4 apresenta representação gráfica evidenciando que a hidrofilicidade do filme de PU (Poliuretano) em função do tempo de irradiação.

A figura 5 apresenta a representação gráfica evidenciando a relação entre o aumento da concentração de oxigênio superficial e o aumento do tempo de irradiação para prover maior hidrofilicidade da superfície.

A figura 6 apresenta imagens que evidenciam a diferença de crescimento e o efeito de degradação de um filme de Polihidroxibutirato (PHB) tratado com luz UV/Oxigênio (E, F), um filme sem tratamento após 30 dias de cultivo (B, C) e uma amostra controle (A, D).

Descricão detalhada da invenção

O processo de biodegradação de materiais poliméricos naturais e sintéticos pela ação de micro-organismos não patogênicos, objeto da presente invenção, compreende em uma primeira etapa o pré-tratamento fotoquímico superficial do material polimérico ou de um filme fino em geral, que recebe irradiação ultravioleta (UV) ou UV de vácuo (VUV) conjuntamente com um fluxo contínuo de gás ou vapor reativo ou vapor mantido durante todo o processo fotoquímico.

O gás reativo pode ser selecionado dentre oxigênio, vapores de ácido acrílico, amônia ou compostos nitrogenados, vapores de compostos leves de silanos, etc.

A irradiação com luz UV ou VUV forma radicais na superfície do material polimérico, sendo a seguir neutralizado pelo gás reativo. A modificação superficial obtida no material polimérico pode ser medida através do grau de hidrofilicidade superficial, concentração de oxigênio na superfície, molhabilidade, concentração de diferentes grupos funcionais, etc.

As ligações covalentes resultantes dão aos materiais poliméricos propriedades superficiais físicas e químicas diferentes dos materiais iniciais. Por exemplo, um polímero hidrofóbico pode ser facilmente convertido em hidrofílico e vice-versa, dependendo das condições experimentais utilizadas. As novas funcionalidades introduzidas produzem um material com características superficiais diferentes e permanentes. O tratamento superficial UV, adicionalmente, provê a esterilização do material.

O material polimérico submetido ao pré-tratamento fotoquímico segue para uma etapa de biodegradação por micro-organismos selecionados dentre fungos filamentosos entomopatogênicos, leveduras e bactérias. Nesta etapa, o material polimérico é mantido em contato com o micro-organismo a temperatura entre 25 a 30°C por um período de 10 a 60 dias.