O Ácido Lático e o Polilactato

Uma nova maneira de criar moléculas de polímeros que poderia significar 

eletrônicos mais baratos e mais verde 

• O ácido lático é um produto químico versátil e dentre suas aplicações pode-se citar aquelas nas indústrias farmacêuticas, têxteis, de alimentos e de polímeros. Na indústria de alimentos, o ácido lático possui aplicações na produção de bebidas (no ajuste do pH de cervejas, vinhos e cidras), na formulação de salmouras (para azeitonas, pepinos e produtos lácteos). 

Na indústria farmacêutica e de cosméticos ele é usado na produção de loções para pele, por exemplo. Além disso, o lactato de cálcio é utilizado como fonte de cálcio na produção de formulações farmacêuticas, em alimentos infantis, em rações para animais e em frutas em conservas. O lactato de sódio pode substituir parcialmente o cloreto de sódio na produção de salsichas. O lactato de ferro é uma fonte de ferro prontamente disponível. O etil-lactato é um solvente excelente para vernizes (NANNINGA, 1983). 

• Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos (USDOE, 2012), o ácido lático, é um dos 30 compostos químicos com maior potencial de emprego como blocos construtores produzidos a partir de biomassa (WALTON et al,. 2010). 

O ácido lático pode ser obtido sinteticamente a partir da hidrólise do lactonitrilo, produzindo uma mistura racêmica. Porém, aproximadamente 90% de todo o ácido lático produzido mundialmente é obtido via fermentação. A vantagem deste último é permitir a escolha do isômero, L ou D, a ser produzido, o que é definido pela escolha do microrganismo adequado. Via fermentação é possível obter ácido lático oticamente puro (pureza quiral próxima de 100%), o que é um atributo desejável na indústria de polímeros (HOFVENDAHL & HAHN-HÄGERDAL, 2000). 

• O ácido lático é produzido via fermentação de diferentes fontes de açúcar. Algumas indústrias produzem o ácido lático a partir de milho (NATURE WORKS) outras da cana de açúcar do amido de batata e mandioca (PURAC). Entretanto existe grande expectativa sobre o uso de matérias-primas celulósicas para sua produção (SHEN et al., 2010). 

NANNINGA (1983) descreve a etapa de purificação do ácido lático na indústria após fermentação. Nesta etapa, a cal é adicionada e o microrganismo é inativado por aquecimento. Após sedimentação e filtração, o ácido lático é liberado pela adição de ácido sulfúrico. 

• O gipso obtido é filtrado e a solução de ácido lático obtida é purificada por resinas de troca-iônica após tratamento com carvão ativado. A etapa de concentração leva à produção de ácido lático comestível. Posteriores etapas de purificação envolvendo esterificação, destilação e hidrólise fornecem um reagente de grau analítico. 

Dentre as várias aplicações do ácido lático, aquela que vem experimentando grande atenção se refere a seu uso na produção de biopolímeros ou bioplásticos. SHEN et al., (2010) definem bioplásticos como macromoléculas orgânicas feitas ou processadas pelo homem derivadas de recursos biológicos e utilizados para aplicações como plásticos e fibras (sem papel e cartão). 

• O polilactato está entre os principais bioplásticos emergentes ao lado dos polímeros da celulose, do politrimetileno tereftalato, das poliamidas, dos polihidroxialcanoatos, do polietileno, do polivinilcloreto, dos poliuretanos e dos termosets. 

Segundo os autores, há praticamente um consenso entre a opinião pública em relação ao meio ambiente de que as mudanças climáticas e a depleção de combustíveis fósseis são a principal razão para o crescimento rápido neste setor econômico-produtivo. 

• O PLA é um poliéster alifático, produzido via polimerização do ácido lático. Polimerização de L(+)lactato resulta em PLLA enquanto polimerização de D(-)lactato resulta em PDLA. 

A maioria do PLA comercializado é do tipo poli(meso-lactato) que é um mix de L(+)lactato (>95%) e D(-)lactato (<5%). O poli(meso-lactato) pode ser usado em uma ampla faixa de aplicações em embalagens (filmes, bandejas, copos, garrafas), fraldas, tecidos, talheres. O PLA possui estrutura altamente amorfa, não apresenta rotação da luz polarizada sendo oticamente inativa. Tecnologia em estereocomplexos tem sido descrita com o objetivo de obter PLA termorresistente. 

• A formação de estereocomplexo entre PLLA e PDLA ocorre quando sequências de unidades L-lactídeo e sequências de unidades de D-lactideo coexistem em um sistema. A PURAC descreve a síntese como um processo de transesterificação na presença de um catalisador. Materiais iniciadores são separadamente polimerizados em L-lactideo e D-lactideo. 

A estereocomplexação de PLA algumas vezes também é chamada “stereocomplex crystallization” (sc) ou cristalização racêmica. PLLA e PDLA misturados a uma razão de D/L de 1:1 produz cristais sc-PLA com ponto de fusão (Tm) de 210-240 °C, o que é aproximadamente 30–60°C mais alto que a Tm do PLLA homocristalino (SHEN et al., 2010). 

• O PLA não é indicado para aplicações que requerem termorresistência, entretanto há relatos do uso de tecnologia de estereocomplexação para produção de PLA com melhorias neste aspecto. Este processo é chamado de cristalização racêmica. A formação de estereocomplexo ocorre quando unidades sequenciais de L-lactato e D-lactato coexistem num mesmo sistema. 

Uma mistura de PLLA e PDLA na razão de 1:1 produz cristais de PLA com temperatura de fusão entre 210-240°C, o que é 30-60°C mais alto que o PLLA homocristalina. Desta forma, novas aplicações já são vislumbradas para o emprego de polímeros constituídos de blends de PLA como na área de transportes e aparelhos elétricos e eletrônicos (SHEN et al., 2010). 

• Alguns autores sugerem que o PLA é uma alternativa viável aos plásticos derivados de petróleo (DRUMRIGHT et al., 2000), pois compete economicamente com polímeros fósseis e mostra igual ou superior desempenho que polímeros fósseis como o polietileno (PET). 

Os principais mercados são os de embalagens e fibras para preenchimento. A matéria-prima é o xarope de glicose obtida de milho, cana de açúcar, batata ou trigo (VACA-GARCIA, 2008). Futuramente, espera-se que PLA possa ser produzido de matérias-primas lignocelulósicas (CAROLE et al., 2004; DORNBURG et al., 2004). 

• Para reduzir o custo do ácido lático têm se verificado a possibilidade de utilização de resíduos, subprodutos gerados pela indústria agrícola (PATEL et al., 2005). Neste contexto, estuda-se a possibilidade da utilização da palha ou bagaço da cana de açúcar. O que permite, além de tudo, a não competição direta com a produção de alimentos, alternativa para a utilização otimizada do resíduo agrícola e não geração de poluentes.

Biodegradabilidade do Polilactato:

• Os polímeros biodegradáveis são concebidos para resistir a um número de factores ambientais durante a utilização, mas para ser biodegradável em condições de compostagem. A maioria dos substitutos dos polímeros sintéticos são polímeros biodegradáveis. 

Os polímeros biodegradáveis mais comumente utilizados são os poliésteres alifáticos, tais como ácido poliláctico (PLA), policaprolactona (PCL), óxido de polietileno (PEO), poli-3-hidroxibutirato (PHB) e ácido poliglicólico (PGA). 

• A biodegradação de ácido poliláctico (PLLA) foi estudada em diferentes temperaturas elevadas em condições de estado, tanto aeróbios e anaeróbios, aquático e sólido. No teste de headspace aeróbica/aquática a mineralização do PLLA foi muito lento à temperatura ambiente, mas mais rápido sob condições termofílicas. 

O efeito claro da temperatura sobre a biodegradabilidade dos PLLA nos testes aquáticos indica que a sua estrutura de polímero tem de ser hidrolisado para os micro-organismos poderem utilizá-lo como uma fonte nutriente. 

• Em semelhantes temperaturas elevadas, a biodegradação de PLLA foi muito mais rápida em condições anaeróbicas em estado sólido do que em condições aeróbias aquáticos. O comportamento de PLLA no processo de compostagem natural mostrou-se semelhante ao que nos ensaios de biodegradação aquáticos, a biodegradação se iniciou apenas após o início da fase termofílica. 

Estes resultados indicam que o PLLA pode ser considerado como um material compostável, sendo estável durante a utilização a temperaturas mesofílicas, mas degradável rapidamente durante a eliminação de resíduos em composto ou instalações de tratamento anaeróbicas (ITÄVAARA et al., 2002). 

• Dois homopolímeros, PLLA e PLDA, formam a mistura sintética PLLDA, que é um polímero semi cristalino. PLLDA é um polímero amorfo tendo uma distribuição aleatória de ambas as formas isoméricas de ácido lático e, assim, não é capaz de prover uma estrutura cristalina durante o processamento de solidificação. 

A cinética de degradação da PLLA é muito mais lenta do que a de PLLDA. Em alguns estudos a degradação completa de PLLA tem sido relatada como sendo maior do que 2 anos in vitro e in vivo. Copolímeros de L-lactato com DL-lactideo tem sido produzidas com o objetivo de romper a cristalinidade de L-lactato e acelerar assim o processo de biodegradação. 

• O processo de biodegradação dos polímeros começa por difusão de água no interior do material, a hidrólise quebra as cadeias poliméricas, o que resulta em menos resistência e diminuição da estabilidade estrutural e química. Sinérgica à hidrólise, as enzimas lisossômicas e encapsulamento fibroso também participam do processo de biodegradação dos polímeros. 

A degradação in vivo e in vitro produz ácido lático e monômeros de ácido glicólico, que são metabolizados em dióxido de carbono e água, e são subsequentemente eliminados através do ciclo do ácido tricarboxílico. O processo tem uma cinética mais elevadas nas zonas amorfas do polímero, aumentando a fracção de zonas cristalinas, mais resistente ao processo de degradação. 

• Grandes esforços têm sido feitos numa tentativa para melhorar os biomateriais utilizados para aplicações diversas. Estudos com polímeros biodegradáveis têm se concentrado na adaptação de suas propriedades mecânicas e cinética de degradação para atender às diversas aplicações. 

Os resultados obtidos nos estudos de COIMBRA et al. (2008) mostraram que a degradação do PLA se iniciou após 30 dias em simulação in vitro, e que o processo continuou até 90 dias de degradação. Em geral, verificou-se que a degradação se iniciou na região amorfa do polímero, e resultou na a exposição de uma camada cristalina mais profunda. 

• Pelo fato de a degradação dos polímeros acontecerem em uma sequência de passos abióticos e biológicos nos testes padronizados, a determinação de muitas moléculas pequenas pode não ser realista comparada à biodegradação deste polímero na natureza. 

O teste de regulamentação da “Organisation for Economic Co-operation and Development” (OCDE), por exemplo, denominado “teste de biodegradabilidade inerente ao solo" acompanha liberação de CO2 durante um período de 64 dias como medida de biodegradação. Este teste só seria relevante quando a degradação abiótica/biótica da seqüência inteira de um polímero ocorre sob as condições específicas do teste. 

• Reações subsequentes do monômero, tais como a sua biodegradação e volatilização/degradação atmosférica, provavelmente não seria percebido, também. Em situações em que unidades monoméricas de um polímero não são mineralizadas, mas são incorporados a células em crescimento, um teste simples de evolução CO2 poderia mostrar este fato. 

O efeito obtido ao se tentar forçar ajustar os complexos mecanismos de degradação do polímero em um teste simples, regulamentarmente padronizado, significa que uma informação enganosa sobre o destino de um polímero no ambiente poderá ser gerado.

Cientistas brasileiros criam curativo de cana que acelera cicatrização

Linhagens produtoras de ácido lático e rotas metabólicas:

Bactérias láticas e a espécie Bacillus coagulans:

• De acordo com KANDLER (1983) o termo bactéria acidolática surgiu em meados do século XX (cf. INGRAM, 1975). ORLA-JENSEN (1919) definiram este grupo de organismos o qual, apesar de algumas diferenças, possuem características bem definidas: são bactérias Gram positivas, microaerófilas, não esporulantes e produtoras essencialmente de lactato. 

Mais recentemente, bactérias ácido-láticas foram definidas como um grupo que não possui taxonomia de bactérias Gram positivas, com baixo teor de GC, não motil, caracterizado pela capacidade de fermentar açúcares a ácido lático (ZHU et al., 2009). 

• As bactérias ácido láticas (LAB) compreendem microrganismos cocos (Streptococcus, Pediococcus e Leuconostoc) e bacilos (Lactobacillus, Bifidobacterium) e apresentam rota metabólica homo e/ou heterofermentativa. Bactérias láticas estão naturalmente presentes em matérias-primas, algumas, porém, como as bifidobactérias, colonizam o intestino de seres humanos e animais e estão presentes em suas fezes (KANDLER, 1983). 

Bactérias ácido-láticas pertencem a um grupo heterogêneo de microrganismos que contribuem em várias aplicações nas indústrias de alimentos e bebidas, produção de blocos construtores e produtos químicos finos e na indústria farmacêutica (como ácido lático, polióis e vitamina B). Na indústria de alimentos e bebidas, especificamente, 

• LAB são usadas para fermentação, formação de aroma (URBACH, 1995) e na produção de conservantes (STILES, 1996), aditivos (HUGENHOLTZ, 2007), bacteriocinas (DE VUYST & LEROY, 2007) e exopolissacarídeos (CERNING, 1990; WELMAN & MADDOX, 2003). 

Bacillus coagulans apesar de sua capacidade de produzir ácido lático, não é considerada uma bactéria ácido-lática. Este organismo cresce entre pH 4,0 e 8,0, sendo pH 6,0 seu ótimo de crescimento. A temperatura ótima de crescimento se situa entre 50-55°C, apesar de crescer em uma faixa bastante ampla. Estudos relatam crescimento de Bacillus coagulans desde 18°C (BECKER & PEDERSON, 1950) até 55°C (WALTON et al., 2010). 

• Este organismo foi primeiramente isolado e descrito em 1932 e contribui com a elaboração da quinta edição do “Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology”. De acordo com versão mais recente do “Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, 9th edition (1994)”, Bacillus coagulans é uma espécie de bactéria produtora de ácido lático contida no gênero Bacillus. 

É uma bactéria Gram positiva, Nitrato redutase negativa, formadora de endosporo, possui hastes móveis (0,9 µm por 3 µm a 5 µm de tamanho), apresenta-se de aeróbica a microaerófila. Pode parecer Gram negativa quando entrando na fase estacionária de crescimento. Inicialmente, foi considerada como sendo um Lactobacillus formador de esporos. 

• Uma vez que Bacillus coagulans exibe características típicas de ambos os gêneros, Lactobacillus e Bacillus, sua posição taxonômica entre as famílias Lactobacillaceae e Bacillaceae foi exaustivamente discutida. Entretanto, na sétima edição do “Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology”, ela foi finalmente transferida para o gênero Bacillus. Tecnologia baseada em aspectos genéticos foi usada para distinguir os dois gêneros de bactéria morfologicamente similares com características fisiológicas e bioquímicas parecidas.

Bacillus coagulans é frequentemente descrita como Lactobacillus sporogenes ou como uma bactéria probiótica ácido-lática formadora de esporos, mas esta denominação já está ultrapassada desde que sua taxonomia mudou em 1939. Por definição, bactérias láticas (Lactobacillus, Bifidobacterium) não formam esporos. Por isto, utilizar o nome Lactobacillus sporogenes é cientificamente incorreto.

• Alguns estudos mostraram que Bacillus coagulans pode crescer em pH 5,0 e 50ºC produzindo L (+) ácido lático homofermentativamente usando glicose, xilose e arabinose presentes em hidrolisado hemicelulósico obtido a partir da hidrólise ácida com H2SO4 do bagaço da cana de açúcar (LITCHFIELD, 2009). 

As condições de temperatura e pH ótimas para o crescimento de B. coagulans são próximas àquelas de atividade ótima das enzimas celulolíticas, o que o torna adequado para sistemas de operação do tipo sacarificação e fermentação simultâneos (SSF) (RHEE et al., 2007). 

• Além disso, organismos termofílicos são mais adequados para processos industriais mais inóspitos para a grande maioria de microrganismos prováveis contaminantes. Sua habilidade em utilizar uma ampla variedade de açúcares sob condições termofílicas o faz adequado para conversão de biomassa lignocelulósica (WALTON et al., 2010). 

Hexoses e pentoses podem ser usadas para produção de ácido lático, e o rendimento depende estritamente da rota metabólica utilizada pelo microrganismo, que pode variar de acordo com as condições do meio no qual o organismo se desenvolve. Esta linhagem mostrou em vários estudos que pode eficientemente converter pentoses e hexoses, principais açúcares do hidrolisado hemicelulósico (ARISTIDOU & PENTTILÄ, 2000). 

• Foram desenvolvidas linhagens recombinantes produtoras de ácido lático com alta pureza de quiralidade (>99%) e com requerimentos nutricionais menos complexos que aqueles necessários às bactérias lácticas para crescerem e produzirem isômeros (D ou L) a partir de meio sintético constituído por açúcar, nitrogênio e nutrientes minerais (LITCHFIELD, 2009). 

Fermentação de hexose em bactérias láticas:

• Bactérias láticas são capazes de usar, na fermentação de hexoses, ambas as rotas metabólicas, homo ou heterofermentativa. Existem três maiores rotas metabólicas para conversão de hexoses: Glicólise, via Bifidus e via do 6-Fosfogluconato, 

Elas possuem em comum o fato de que somente hexoses fosfato com configuração de glicose são atacadas, diferindo umas das outras na forma como dividem o esqueleto de carbono conduzindo a diferentes conjuntos de produtos finais (KANDLER, 1983). 

• A via de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) ou glicólise é uma via homofermentativa e ocorre em Streptococci, Pediococci e Lactobacilli homofermentativos. Por esta via, um mol de glicose gera dois mols de lactato. 

Bactérias:

• Várias linhagens de bactérias, isoladas do meio ambiente (compostagem, silagem e solo) ou obtidas de bancos de culturas foram testadas quanto à habilidade de produzir ácido lático a partir de xilose, glicose e arabinose, principais açúcares encontrados no hidrolisado hemicelulósico do bagaço da cana de açúcar. 

Inicialmente, 26 linhagens foram selecionadas com auxílio do API system, um sistema que permite avaliar quais linhagens possuem a habilidade de utilizar xilose e arabinose em suas rotas metabólicas, e não somente glicose. Este teste permite reconhecer linhagens capazes de acidificar o meio em condições anaeróbicas. 

• A vantagem deste método é sua relativa simplicidade e rápida resposta. Entretanto, ele possui a limitação de não fornecer dados suficientes para obtenção dos valores de velocidade específica de formação de produtos e/ou consumo de substrato, produtividade, rendimento e taxas de conversão. Este teste permitiu a seleção de 17 linhagens para experimentos posteriores em frascos agitados. 

O objetivo dos testes em frascos agitados foi identificar as linhagens capazes de utilizar meio MRS modificado contendo glicose (20 g L-1), xilose (20 g L-1), arabinose (20 g L-1) ou os três açúcares em igual concentração (6,7 g L-1) para produzir ácido lático. A limitação deste método consiste em subestimar a conversão em ácidos, uma vez que, em ambiente aerado, o microrganismo tende a produzir mais células em detrimento do produto final. Além disso, a amostragem frequente é praticamente inviável. 

• Contudo o método é simples e fornece respostas preliminares que norteiam os experimentos seguintes em biorreator. Por meio dos experimentos com frascos agitados sete linhagens foram selecionadas para prosseguir em testes em regime de batelada, em biorreator com meio de cultivo sintético: Bacillus coagulans 162, Lactococcus lactis, Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus paracasei, Lactobacillus paracasei subsp. paracasei, ATB49 e ATB34. 

Utilizando experimentos em biorreator foi possível obter os parâmetros cinéticos necessários para escolha do melhor microrganismo produtor de ácido lático em meio sintético visando o hidrolisado hemicelulósico do bagaço da cana de açúcar. 

• O objetivo dos testes em biorreator foi obter valores de máximo rendimento (Yp/s) e produtividade volumétrica (Qp) em condições de crescimento estritamente controladas (pH, aeração e temperatura). Além disso, esta etapa permitiu classificar as linhagens em relação a sua habilidade em utilizar a via homo ou heterolática. 

A bactéria Bacillus coagulans 162 alcançou Yp/s igual a 0,95 e Qp igual a 2,13 g h-1 L-1 e foi selecionada para fermentação do hidrolisado hemicelulósico do bagaço da cana de açúcar, devido ao seu desempenho no uso de pentoses.

Fabricantes investem no mercado de 'sacos de lixo ecológicos'