BIOTECNOLOGIA DE LIGNOCELULÓSICOS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL E O CONTEXTO DE BIORREFINARIA

Texto

(1)

BIOTECNOLOGIA DE LIGNOCELULÓSICOS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL E O

CONTEXTO DE BIORREFINARIA

Nei Pereira Jr.

Professor Titular Laboratórios de Desenvolvimento de Bioprocessos Departamento de Engenharia Bioquímica Escola de Química/UFRJ e-mail: nei@eq.ufrj.br

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE QUÍMICA

LABORATORIOS DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS

Seminário Fluminense de

BIOCOMBUSTÍVEIS e BIOMASSAS

Niterói, 17/04/2008

(2)

out r a s r e nováve is

0 ,5 % hidr oe lét r ica

2 % nucle a r

7 % biom a ssa

1 1 %

gás na t ur a l

2 1 % ca r vão

m ine r a l 2 3 %

pe t róle o 3 6 %

80%

fontes fósseis

Demanda mundial de energia Demanda mundial de energia

Fonte: MAPA (2006) Fonte: MAPA (2006)

Taxa de crescimento de 2,3% a.a.

Taxa de crescimento de 2,3% a.a.

eólica fotovoltáica termosoloar geotérmica maremotriz

(3)

ASPECTOS ASPECTOS ECONÔMICOS ECONÔMICOS

US$ 114.93 (16/04/2008)

A PROBLEMÁTICA DOS A PROBLEMÁTICA DOS

COMBUSTÍVEIS COMBUSTÍVEIS

FÓSSEIS FÓSSEIS

ESGOTAMENTO ESGOTAMENTO DO PETRÓLEO DO PETRÓLEO POLUIÇÃO

POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA ATMOSFÉRICA AUMENTO DA

AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO CONCENTRAÇÃO

DE CO DE CO22

EFEITO EFEITO ESTUFA ESTUFA

AQUECIMENTO AQUECIMENTO

GLOBAL GLOBAL

MUDANÇAS MUDANÇAS CLIMÁTICA CLIMÁTICA

CONFLITOS CONFLITOS

GLOBAIS GLOBAIS

(4)

50 YEARS AGO

WORLD CONSUMPTION:

4 BILLION BARRELS/YEAR

NEW WELLS:

30 BILLION BARRELS/YEAR

PETROELUM

WORLD DEMAND

Source: Aleklett, Uppsala University (2005).

(5)

TODAY

WORLD CONSUMPTION:

30 BILLION BARRELS/YEAR

NEW WELLS:

4 BILLION BARRELS/YEAR

PETROELUM

WORLD DEMAND

Source: Aleklett, Uppsala University (2005).

(6)

PARADIGM SHIFT

RETHINK OUR ENERGY MATRIX AND FEEDSTOCK SOURCES

DIVERSIFY THE USE OF SUCH RESOURCES

SEARCH FOR ALTERNATIVE AND RENEWABLE RESOURCES LESS POLLUTANT

REDUCE OUR DEPENDENCY ON FOSSIL

SOURCES

(7)

O que é Biomassa e por que O que é Biomassa e por que

utilizá-la em substituição às utilizá-la em substituição às

fontes fosseis ? fontes fosseis ?

BIOMASSA:

BIOMASSA:

MATÉRIA ORGÂNICA MATÉRIA ORGÂNICA oriunda de fontes oriunda de fontes VEGETAIS VEGETAIS ou ou ANIMAIS ANIMAIS ; ;

Origem direta ou indireta do Origem direta ou indireta do PROCESSO DE FOTOSSÍNTESE PROCESSO DE FOTOSSÍNTESE ; ;

SÃO RENOVÁVEIS SÃO RENOVÁVEIS. .

Biomassa Natural Biomassa Natural

Biomassa Alimentícia Biomassa Alimentícia

Biomassa Residual Biomassa Residual

Biomassa de Cultivos Energéticos Biomassa de Cultivos Energéticos BIOMASSAS VEGETAIS

BIOMASSAS VEGETAIS

ÁGUAÁGUA

AMIDO AMIDO CELULOSE CELULOSE

AÇÚCAR AÇÚCAR

COCO22

LUZ LUZ

OO22

(8)

Um dos maiores potenciais de biomassas do planeta; Um dos maiores potenciais de biomassas do planeta;

Possui uma grande área de expansão de agricultura de energia; Possui uma grande área de expansão de agricultura de energia;

Intensa radiação solar; Intensa radiação solar;

Diversidade de clima; Diversidade de clima;

Exuberância da biodiversidade; Exuberância da biodiversidade;

Água em abundância; Água em abundância;

Pioneirismo na produção de biocombustível em larga escala; Pioneirismo na produção de biocombustível em larga escala;

Elevada geração de empregos; Elevada geração de empregos;

Recepção de recursos de investimento do Mercado de Carbono. Recepção de recursos de investimento do Mercado de Carbono.

Vantagens do Brasil Vantagens do Brasil

no Uso de Biomassas

no Uso de Biomassas

(9)

13,3 13,3 1.331,9

1.331,9 10.038,3

10.038,3 Mundo

Mundo

4,3 4,3 99,1 99,1

2.281,4 2.281,4 Estados Unidos

Estados Unidos

1,1 1,1 2,5 2,5

235,2 235,2 Reino Unido

Reino Unido

2,6 2,6 9,2 9,2

351,1 351,1 Alemanha

Alemanha

7,0 7,0 18,6 18,6

265,6 265,6 França

França

44,7 44,7 82,7 82,7

185,1 185,1 Brasil

Brasil

5,7 5,7 6,6 6,6

115,6 115,6 Austrália

Austrália

10,8 10,8 6,2 6,2

57,6 57,6 Argentina

Argentina

ENERGIA ENERGIA RENOVÁVEL RENOVÁVEL

(%) (%) ENERGIA

ENERGIA RENOVÁVEL RENOVÁVEL

(TEP) (TEP) SUPRIMENTO

SUPRIMENTO PRIMÁRIO DE PRIMÁRIO DE ENERGIA (TEP) ENERGIA (TEP) PAÍS PAÍS

Fonte: Adaptado de MAPA (2005) e de EPE/MME (2006) –

Fonte: Adaptado de MAPA (2005) e de EPE/MME (2006) – http://www.epe.gov.brhttp://www.epe.gov.br

Suprimento Mundial de Energia Suprimento Mundial de Energia

A matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundo A matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundo

80 hidrelétricas de grande porte e 80 hidrelétricas de grande porte e 47 de pequeno porte

47 de pequeno porte

(10)

Sugar Cane plantation in center-south region of Brazil

LAND OCUPATION AND AVAILABLE AREA WITHOUT IMPACT

Source: Cortez (2006)

Cultivares/Ocupação

Área (million ha)

Cane 6

Soya 20

Corn 13

Planted wood 6.6

Pasture 150

Available area without impact 100-150

Cultivated area 63

Brazil – total area 855

(9,5%)

It would be possible to substitute, today, the world demand of gasoline (4x109 liters daily);

It would be avoided net CO2 emissions of 1.8x109 to 2.7x109 ton/year.

(11)

Vegetal Biomass Vegetal Biomass

SUGARY STARCHY LIGNOCELLULOSIC

STARCH CELLULOSE HEMICELLULOSE SUCROSE

XYLOSE

XYLOSE MANNOSE MANNOSE ARABINOSE

ARABINOSE FRUCTOSE

FRUCTOSE

GALACTOSE GALACTOSE

XYLOSE XYLOSE XYLOSE XYLOSE

C

CR R R ST A

GLUCOSE GLUCOSE

CARBOHYDRATES CARBOHYDRATES

= =

SUGARS SUGARS

= =

SACCHARIDES

SACCHARIDES

(12)

RECEPÇÃO/

EXTRAÇÃO/

PREPARO

FERMENTAÇÃO PRODUÇÃO

DE AÇÚCAR

VINHAÇA MELAÇO

SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO E A PRODUÇÃO DE ETANOL NO BRASIL

CALDO

(13)

Fontes: Fairbanks (2005); MAPA (2007); Gazeta Mercantil (mar 2007); World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007) e MAPA (2008)

Brasil

USA

0

4 8 12 16

1980 1982

1984 1986

1988 1990

1992 1994

1996 1998

2000 2002

2004

Produ çã o de Etanol

(bilh õ es litros) 54%

36%

2006

18 18,1

17,3

Produção Brasileira e Norte- Americana de Etanol

Brasil: 363 Destilarias anexas e autônomas + 86 em

construção

USA: 101 Destilarias autônomas + 30 novas Unidades (Biorrefinaria)

Produção 2007:

(em bilhões de litros) Brasil: 21,90

USA: 24,55

(14)

MP

AÇUCARADAS MP

AMILÁCEAS MP

LIGNOCELULÓSICAS

PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO:

EXTRAÇÃO/HIDRÓLISE DA HEMICELULOSE

FERMENTAÇÃO

• BATELADA

• BATELADA ALIMENTADA

CONTÍNUA

RECUPERAÇÃO DO PRODUTO

• DESTILAÇÃO

• EXTRAÇÃO POR SOLVENTE

• ADSORÇÃO

HIDRÓLISE DA CELULOSE HIDRÓLISE

DO AMIDO

SACAROSE GLICOSE FRUTOSE

GLICOSE

RESÍDUO alimentação animal produção de energia

RESÍDUO alimentação animal produção de energia

XILOSE ARABINOSE GLICOSE GALACTOSE MANOSE

GLICOSE

LIGNINA produção de energia

co

2

ETANOL

VINHOTO

TECNOLOGIAS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL DE BIOMASSAS

Tecnologias maduras Tecnologia emergente

COMPLEXIDADE TECNOLÓGICA

(15)

RESIDUAL BIOMASS RESIDUAL BIOMASS

OF OF

LIGNOCELLULOSIC LIGNOCELLULOSIC

COMPOSITION

COMPOSITION

(16)

Benefits of Lignocellulose Conversion

Technologies through Biological and/or Chemical Routes

Abundant and cheap renewable resources;

Their generation does not compete with the use of land for food production;

No necessity of expanding the agricultural land for feedstock production;

Opportunity for industrial development based on the concept of BIOREFINERY;

Reduction in gas emissions that cause the so called ‘green house effect’;

Cleaner technologies;

Macroeconomic benefits for rural communities and for Society as a whole;

They are within the perspective of Sustainable Development.

(17)

BIOMASSAS RESIDUAIS DE

COMPOSIÇÃO LIGNOCELULÓSICA

PLATAFORMA SUCRO-QUÍMICA

• Hidrólise (química/enzimática)

• Conversão da lignina

PLATAFORMA TERMO-QUÍMICA

Pirólise (bio-óleo)

Gaseificação BTL

Intermediários gasosos ou líquidos

Intermediários glicídicos ou derivados de lignina

Biocombustíveis (Etanol e DMF) Produtos químicos Bioenergia

BIORREFINARIA

é um termo relativamente novo que se refere ao uso de matérias-primas renováveis e de seus resíduos (denominados de forma geral de BIOMASSAS), de maneira mais integral e diversificada, para a produção, por ROTA QUÍMICA ou BIOTECNOLÓGICA de uma variedade de valiosas substâncias e energia, com mínima geração de resíduos e emissões.

(18)

~ 112.0 TOTAL

18.0 Novozymes

Cellulase Cost-Reduction for Corn-derived Lignocellulosics

18.0 Genencor Int.

Cellulase Cost-Reduction for Corn-derived Lignocellulosics

2.4 NCGA-National Corn

Growers Association Separation of Corn fiber and Conversion to Fuels and Chemicals

Phase II: Pilot-Scale Operation

5.6 Broin & Associates

A Second Generation Dry Mill Biorefinery

17.7 Abengoa S.A.

Advanced Biorefinering of Distillers’Grain and Corn Stover Blends:

Pre-commercialization of a Biomass-Derived Process Technology

6.0 Cargill, Inc

A New Biorefinery Platform Intermediate

26.0 Cargill-Dow LLC

Making Industrial Biorefining Happen

18.2 E.I. du Pont de Nemours

& Co., Inc.

Integrated Corn-Based Biorefinery

Valor

(milhões de US$) Contratado

Projeto

SUGAR PLATAFORM BIOREFINERIES

Fonte: http:www.eere.energy.gov/biomass (2006)

Investimentos do US Department of Energy, no período 2002-2005, para implementação de

Biorrefinarias no País

(19)

O Complexo Lignocelulósico

Composição básica:

Celulose (40-60%)

Hemicelulose (20-40%)

Lignina (10-25%)

(20)

Celulose Celulose : :

homopolissacarídeo de unidades de

homopolissacarídeo de unidades de β β -(1 -(1 4)-D-glucopiranose 4)-D-glucopiranose

Celobiose

ligações de hidrogênio intramoleculares

ligações de hidrogênio intermoleculares

(21)

Hemiceluloses Hemiceluloses

Segundo Segundo mais mais abundante abundante componente componente dos dos materiais materiais lignocelulósicos;

lignocelulósicos;

Natureza heteropolissacarídica, composta de açúcares de 5 e 6 Natureza heteropolissacarídica, composta de açúcares de 5 e 6 átomos de carbono, podendo estar presentes:

átomos de carbono, podendo estar presentes: xilose xilose , , glicose glicose , , manose

manose , , arabinose arabinose e e galactose galactose , bem como , bem como ácidos orgânicos ácidos orgânicos (urônicos e acético);

(urônicos e acético);

Conforme a composição e predominância de monossacarídeos Conforme a composição e predominância de monossacarídeos recebem diferentes denominações (

recebem diferentes denominações ( xilanas, xilanas , mananas mananas , , arabinanas

arabinanas , , galactanas galactanas , , arabino-xilanas arabino-xilanas , , galacto-mananas galacto-mananas , , galacto-arabino-xilanas

galacto-arabino-xilanas ); );

Matriz suporte para as microfibrilas de celulose; Matriz suporte para as microfibrilas de celulose;

São decompostas por um amplo espectro de microrganismos, São decompostas por um amplo espectro de microrganismos, em particular fungos filamentosos e actinomicetos.

em particular fungos filamentosos e actinomicetos.

(22)

Estruturas de Xilanas de Estruturas de Xilanas de

angiosperma (A) e gimnosperma (B) angiosperma (A) e gimnosperma (B)

(A) (A)

(B) (B)

α-4-O-Me-GlcA

α-4-O-Me-GlcA α-4-O-Me-GlcA

αα-Araf-Araf αα-Araf-Araf

XILOSE

XILOSE

GRUPAMENTO ACETIL

ARABINOSE

ÁCIDO α -4-O-METILGLUCURÔNICO

(23)

Principais Diferenças entre Celulose e Principais Diferenças entre Celulose e

Hemiceluloses Hemiceluloses

Consistem em várias unidades de Consistem em várias unidades de

pentoses

pentoses e e hexoses hexoses ligadas entre si ligadas entre si (Natureza Heteropolissacarídica)

(Natureza Heteropolissacarídica) Consiste em unidades de

Consiste em unidades de glicose glicose ligadas entre si

ligadas entre si

(Natureza Homopolissacarídica) (Natureza Homopolissacarídica)

Baixo grau de polimerização (50 a Baixo grau de polimerização (50 a 300) 300)

Alto grau de polimerização Alto grau de polimerização (10.00 a 15.000)

(10.00 a 15.000)

Não formam arranjo fibroso Não formam arranjo fibroso Forma arranjo fibroso

Forma arranjo fibroso

Apresentam somente regiões

Apresentam somente regiões amorfas amorfas Apresenta regiões

Apresenta regiões cristalinas cristalinas e e amorfas amorfas

São atacadas

São atacadas rapidamente rapidamente por por ácido ácido inorgânico diluído a quente

inorgânico diluído a quente É atacada

É atacada lentamente lentamente por por ácido ácido inorgânico diluído a quente

inorgânico diluído a quente

São solúveis em álcalis São solúveis em álcalis É insolúvel em álcalis

É insolúvel em álcalis

HEMICELULOSES HEMICELULOSES CELULOSE

CELULOSE

(24)

Lignina: Macromolécula constituída de Lignina: Macromolécula constituída de

Álcoois Aromáticos Álcoois Aromáticos

O OCH3 H2CO

CO CH CH

CH

O H2COH

H2COH

O

CH CH CH2OH

O CH3O OCH3

HC HC

HC CH2OH

O

CH2

H3CO OCH3 OH

O HC

CH2OH

CHO OCH3

OCH3 O H2COH

CO CH

H3CO

O CH CH CH2OH

CH3O OCH3 O

CH CH2OH

CH O OCH3 H3CO HC

CH2OH

CH

CH3O OH

OCH3 O

CH COOH HOCH

CO HC

CH2OH

O

O

CH CO CH2OH

CH3O

O CH

HC CH2OH

O

CH3O OCH3 OH

OCH3 CH HC

CH2OH

OCH3 O CH

HC

O CH CHO HOCH2 CH3O

CH2 O CO HC HOCH2

O OCH3

CH3O HOHC

HC HOH2C

OCH3

O CH

HC

OCH3 CH2OH

O OCH3

HC O

HC HOH2C

OH CH CH CHO

O OCH3 CH3O

HC HC H2C

OCH2 CH OCH

OCH3 CH2O

O CH

CH CH2OH O

OCH3 CH3O

OH CH3O

HC O

HC HOH2C

CH HC

CH2OH

OCH3

HC HC

CH2OH

CH3O OCH3 O-

CH CH2OH

HC

OH OCH3

1 CH2

HC

CH3O OCH3 O-

CH CH2

OH OCH3 CH2 H2C

O

5

Álcool trans coniferílico Álcool cumárico

Álcool sinapílico

(25)

n.d.n.d.

n.d.n.d.

4,04,0 4,04,0

n.d.n.d.

4,04,0 4,04,0

Proteínas Proteínas

1,01,0 0,40,4

14,814,8 4,84,8

4,44,4 9,69,6

4,34,3 Cinzas

Cinzas

20,020,0 21,021,0

17,617,6 18,418,4

9,99,9 14,514,5

15,115,1 Lignina

Lignina

Não-carboidrato (%) Não-carboidrato (%)

4,04,0 0,50,5

4,34,3 4,54,5

4,54,5 4,44,4

4,24,2 Arabinose

Arabinose

14,014,0 4,64,6

4,64,6 24,324,3

14,814,8 19,219,2

14,814,8 Xilose

Xilose

n.d.n.d.

n.d.n.d.

0,10,1 1,11,1

0,40,4 4,44,4

0,80,8 Galactose

Galactose

8,08,0 16,616,6

4,14,1 n.d.n.d.

1,81,8 0,80,8

0,30,3 Manose

Manose

40,040,0 64,464,4

20,020,0 38,138,1

41,041,0 36,636,6

39,039,0 Glicose

Glicose

Carboidratos (%) Carboidratos (%)

Resíduos Resíduos urbanos urbanos Jornal

Jornal Semente

Semente de de algodão algodão Bagaço

Bagaço de cana de cana Palha

Palha de de arroz arroz Palha

Palha de trigo de trigo Sabugo

Sabugo de milho de milho Componente

Componente

Composição em Carboidratos Composição em Carboidratos (Glicídios) de Alguns Resíduos (Glicídios) de Alguns Resíduos

Lignocelulósicos Lignocelulósicos

Fonte: Lee (1997) Fonte: Lee (1997)

~ 70% carboidratos

(26)

Os preços do barril de petróleo atingiram Os preços do barril de petróleo atingiram patamares que inviabilizam o crescimento patamares que inviabilizam o crescimento

auto-sustentado da nações;

auto-sustentado da nações;

Crescente interesse por fontes alternativas Crescente interesse por fontes alternativas de energia;

de energia;

Necessidade em se agregar valor Necessidade em se agregar valor às às biomassas, cuja geração tende a crescer;

biomassas, cuja geração tende a crescer;

Possibilidade de se aumentar a produção de Possibilidade de se aumentar a produção de etanol sem que haja a necessidade de maior etanol sem que haja a necessidade de maior

disponibilização de terras agricultáveis;

disponibilização de terras agricultáveis;

O preço do barril de petróleo ultrapassou US$ 78,44 (o equivalente a cerca de R$ 168,83) na Bolsa de Londres nesta segunda-feira, depois do anúncio de que a BP (British Petroleum) terá de fechar um dos maiores campos dos Estados Unidos devido a um vazamento em um oleoduto

Preço do barril de petróleo ultrapassa US$ 78

Importância do Bioetanol e da sua Produção a partir Importância do Bioetanol e da sua Produção a partir

de Resíduos Lignocelulósicos

de Resíduos Lignocelulósicos

(27)

Excedente: 6 - 16 milhões de toneladas/ano Excedente: 6 - 16 milhões de toneladas/ano

Esquema de Geração de Energia do Bagaço de Esquema de Geração de Energia do Bagaço de

Cana Cana

Bagaço

Cana de Açúcar

Moendas

Caldeira

TURBO GERADORES

TURBINAS

Destilação do Álcool Produção de Açúcar Operação de Bombas;

Centrifugas e outros, Eletricidade excedente

é comercializada

VAPOR

ELECTRICIDADE VAPOR DE BAIXA

PRESSÃO Operação das

moendas

ENERGIA MECÂNICA

Fonte: Dedini (2005); MAPA (2005) Fonte: Dedini (2005); MAPA (2005)

(28)

RESÍDUOS SÓLIDOS DA CANA-DE-AÇÚCAR RESÍDUOS SÓLIDOS DA CANA-DE-AÇÚCAR

GERADOS NA SAFRA DE 2004/2005 GERADOS NA SAFRA DE 2004/2005

BAGAÇO BAGAÇO

GERAÇÃO TOTAL = 130 milhões de toneladas GERAÇÃO TOTAL = 130 milhões de toneladas

(60 a 90% para produção de energia) (60 a 90% para produção de energia) EXCEDENTE

EXCEDENTE

≅ ≅

6,6 (MAPA) - 16 milhões de toneladas (DEDINI)6,6 (MAPA) - 16 milhões de toneladas (DEDINI)

Fontes:

Fontes: http://http://www.fapesp.gov.brwww.fapesp.gov.br// (2002); (2002); http://http://www.radiobras.gov.brwww.radiobras.gov.br// (2003) (2003)

PALHA PALHA

GERAÇÃO TOTAL

GERAÇÃO TOTAL

≅ ≅

76 milhões de toneladas 76 milhões de toneladas ainda queimada no próprio campo;ainda queimada no próprio campo;

estimativa do potencial de lançamento anual na atmosfera de, aproximadamente, estimativa do potencial de lançamento anual na atmosfera de, aproximadamente, 30 milhões toneladas de C

30 milhões toneladas de C; ; 94 milhões de toneladas de CO94 milhões de toneladas de CO22; ; 325 mil toneladas de 325 mil toneladas de nitrogênio

nitrogênio; ; 65 mil toneladas de S; 65 mil toneladas de S; 89 89 µµg particulados/mg particulados/m33 (máximo permitido pelo (máximo permitido pelo CONAMA 50

CONAMA 50 µµg/mg/m33).).

Lei do Estado de SP nLei do Estado de SP noo 10.547 (02/05/2000) que dispõe sobre a eliminação 10.547 (02/05/2000) que dispõe sobre a eliminação gradativa da queima da palha no campo, prevendo-se total eliminação desta prática gradativa da queima da palha no campo, prevendo-se total eliminação desta prática em 2021.

em 2021.

(29)

Potencial dos Resíduos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para Potencial dos Resíduos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para

a Produção de ETANOL (

a Produção de ETANOL ( cenário DEDINI cenário DEDINI - Otimista) - Otimista)

PALHA DE CANA

PALHA DE CANA 76 milhões tons76 milhões tons (15% umidade) (15% umidade) 20,6%

20,6% XILOSEXILOSE

Eficiência de hidrólise de 98%

Eficiência de hidrólise de 98%

Eficiência de fermentação de 80%

Eficiência de fermentação de 80%

ρρETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33

6,65 bilhões de litros 6,65 bilhões de litros 1,03 bilhão de litros 1,03 bilhão de litros

Total

Total HCELHCEL = 7,68 bilhões de litros = 7,68 bilhões de litros

Fração Hemicelulósica Fração Hemicelulósica

Fração Celulósica Fração Celulósica

BAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANA BAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANA 38,1%

38,1% GLICOSEGLICOSE; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%

ρρETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33 Total Total CELCEL = 13,51 bilhões de litros = 13,51 bilhões de litros

Etanol

Etanol CEL+HCELCEL+HCEL = 21,2 bilhões litros = 21,2 bilhões litros Etanol

Etanol SAC SAC = 16,2 bilhões litros = 16,2 bilhões litros

BAGAÇO DE CANA

BAGAÇO DE CANA (excedente) (excedente) 16 milhões tons16 milhões tons (50% umidade)

(50% umidade) 24,3%

24,3% XILOSEXILOSE

Eficiência de hidrólise de 98%

Eficiência de hidrólise de 98%

Eficiência de fermentação de 85%

Eficiência de fermentação de 85%

ρρETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33

Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).

Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).

Safra 2004/2005 Safra 2004/2005

duos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para duos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para

- Otimista) - Otimista) - Otimista)

es tons

es tonses tonses tons (15% umidade)es tons (15% umidade) (15% umidade) (15% umidade) lise de 98%

lise de 98% lise de 98% lise de 98%

ncia de fermentação de 80%

ncia de fermentancia de fermentancia de fermentaçãçãção de 80%o de 80%o de 80%

= 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm3333

6,65 bilh 6,65 bilh6,65 bilh6,65 bilh

1,03 bilhão de litros 1,03 bilh1,03 bilh1,03 bilhããão de litroso de litroso de litros

Fração Celuló o Celul sica Fra Fra Fra Fra Fraçã çã çã çã ção Celul o Celul o Celul o Celuló o Celul o Celuló o Celul o Celul o Celul o Celul o Celul o Celul sica ó ó ósica sica

BAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANA BAGABAGABAGAÇÇÇO DE CANA + PALHA DE CANAO DE CANA + PALHA DE CANAO DE CANA + PALHA DE CANA 38,1%

38,1% 38,1% 38,1% GLICOSEGLICOSEGLICOSEGLICOSE; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%

ETANOL

ETANOLETANOLETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm3333

Etanol

EtanolEtanolEtanol SAC SAC SAC SAC SAC = 16,2 bilh = 16,2 bilhõ = 16,2 bilh = 16,2 bilhõõões litrosõ

Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).

Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).

É pos

s íve l m ais do que dob

rar a

produ çã o d e e tano

l s em de ma nd a de á rea ad ici ona l pa ra a pr odu

çã o de ma t

é ria -pr im a

(30)

PRODUÇÃO

PRODUÇÃO versus versus CONSUMO CONSUMO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

Fonte: MAPA (2005); Rossel (2005) Fonte: MAPA (2005); Rossel (2005)

5 0 .0 0 0 6 0 .0 0 0 7 0 .0 0 0 8 0 .0 0 0 9 0 .0 0 0 1 0 0 .0 0 0

2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 ANO

103 ton

PRODUÇÃO CONSUMO

excedent e bagaço ( 2 0 0 4 ) = 6 .6 0 4 .0 0 0 t on

PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR

EM COBERTURA DE SOLOS EM COBERTURA DE SOLOS

Dados para Criação de Cenário mais Realista Dados para Criação de Cenário mais Realista

Palha disponível: 40%

Palha disponível: 40%

(31)

8,428,42 21,20

21,20 Total (10

Total (109 9 litros/ano)litros/ano)

4,754,75 12,03

12,03 Celulose

Celulose

2,632,63 6,656,65

Hemicelulose Hemicelulose PALHA DE CANA

PALHA DE CANA

0,610,61 1,491,49

Celulose Celulose

0,430,43 1,031,03

Hemicelulose Hemicelulose BAGAÇO DE CANA

BAGAÇO DE CANA

Cenário Cenário MAPA-Rossel MAPA-Rossel

10109 9 L/anoL/ano Cenário DEDINI

Cenário DEDINI 10109 9 L/anoL/ano Componente

Componente RESÍDUO

RESÍDUO

Cenários para a Produção de Etanol Cenários para a Produção de Etanol de Resíduos do Setor Sucro-alcooleiro de Resíduos do Setor Sucro-alcooleiro

Etanol

Etanol de etanol de sacarose (safra 2004/2005) de etanol de sacarose (safra 2004/2005) [16,2 bilhões litros]

[16,2 bilhões litros]

Maior contribuição

Maior contribuição Palha Palha

50%

130%

Produção brasileira de etanol

Produção brasileira de etanol

(32)

LIGNINA SOLÚVEL MATERIAL

LIGNOCELULÓSICO PRÉ-TRATAMENTO

(PRÉ-HIDRÓLISE/AUTO-HIDRÓLISE)

HEMICELULOSE (PENTOSES +HEXOSES)

CELULOSE + LIGNINA (CELULIGNINA)

OH-/solvents (DESLIGNIFICAÇÃO)

CELULOSE LIGNINA

H+ (HIDRÓLISE) GLICOSE

Fracionamento dos Componentes de Biomassas Fracionamento dos Componentes de Biomassas

Lignocelulósicas para a Produção de Etanol Lignocelulósicas para a Produção de Etanol

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA

TENDÊNCIA

GLICOSE

(33)

Pré-tratamento do Material Lignocelulósico Pré-tratamento do Material Lignocelulósico

Visa à desorganização do complexo lignocelulósico e, como conseqüência, aumento da Visa à desorganização do complexo lignocelulósico e, como conseqüência, aumento da

acessibilidade das enzimas às moléculas de celulose acessibilidade das enzimas às moléculas de celulose

IMPR

ESC

IN D

Í VE L

(34)

Celulignina Celulignina

de Bagaço de Cana de Bagaço de Cana

Fonte: LADEBIO- EQ/UFRJ Fonte: LADEBIO- EQ/UFRJ

Bagaço de Cana Bagaço de Cana ( ( in natura in natura ) )

PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO

Microscopia Eletrônica de Varredura

Microscopia Eletrônica de Varredura

(35)

PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO

(para solubilização e hidrólise de Hemicelulose) (para solubilização e hidrólise de Hemicelulose)

EXPLOSÃO COM VAPOR EXPLOSÃO COM VAPOR(necessidade de posterior hidrólise)(necessidade de posterior hidrólise)

EXPLOSÃO COM VAPOR CATALISADAEXPLOSÃO COM VAPOR CATALISADA (pré-tratamento associado à hidrólise) (pré-tratamento associado à hidrólise)

HIDRÓLISE ÁCIDA DILUÍDAHIDRÓLISE ÁCIDA DILUÍDA (em condições brandas-mais usada) (em condições brandas-mais usada)

TERMOHIDRÓLISETERMOHIDRÓLISE (necessidade de posterior hidrólise)(necessidade de posterior hidrólise)

Descompressão Descompressão

rápida rápida (auto-hidrólise) (auto-hidrólise) MATERIAL

LIGNOCELULÓSICO CONTENDO

XILANAS

Compressão Compressão com vapor d’água com vapor d’água

Líquido extraível por explosão, Líquido extraível por explosão, composto de:

composto de:

Xilose Xilose ~ 10%~ 10%

Xilooligossacarídeos Xilooligossacarídeos (GP 2 a 10) ~ 90% (GP 2 a 10) ~ 90%

Ácidos urônicos e ácido acéticoÁcidos urônicos e ácido acético Material úmido com o complexo Material úmido com o complexo Lignocelulósico desorganizado e Lignocelulósico desorganizado e com digestibilidade aumentada com digestibilidade aumentada

Esquema Simplificado do Processo de Explosão com Vapor

Esquema Simplificado do Processo de Explosão com Vapor

(36)

Pré-tratamento Ácido de Materiais Pré-tratamento Ácido de Materiais

Lignocelulósicos Lignocelulósicos

VARIÁVEIS VARIÁVEIS

eficiência de hidrólise eficiência de hidrólise

concentrações de açúcares no hidrolisado concentrações de açúcares no hidrolisado

formação de inibidores formação de inibidores Relação Sól:Líq

Concentração de ácido

Tempo de exposição

Temperatura Tipo de ácido

HH22SOSO44; HCl; ; HCl;

HNOHNO33 e H e H33POPO44 9898OO T ≤ T 260 260OOCC 0,5%

0,5% ≤ [Ácido] ≤ [Ácido] 10% 10%

1:20

1:20 ≤ S:L S:L ≤≤ 1:4 1:4 seg <seg < θθ << hs hs

GS=log {

GS=log { θ θ . exp [(T-100)/14.75] . exp [(T-100)/14.75] } } - pH - pH

Fonte: McMillan (2003) Fonte: McMillan (2003)

(37)

ácido

ácido p p -hidroxibenzóico -hidroxibenzóico ácido

ácido m m -hidroxibenzóico -hidroxibenzóico ácido vanílico

ácido vanílico ácido siríngico ácido siríngico

p p -hidroxibenzaldeído -hidroxibenzaldeído vanilina

vanilina

ácido cinâmico ácido cinâmico siringaldeído siringaldeído

álcool coniferílico álcool coniferílico álcool sinapílico álcool sinapílico LIGNINA LIGNINA

Parajó

Parajó et al.et al. (1998) (1998)

hidroxi-metil furfural

hidroxi-metil furfural furfural furfural

HEMICELULOSE HEMICELULOSE CELULOSE

CELULOSE

CHO CHO

HOH2C

Potentes inibidores da atividade metabólica, provenientes de Potentes inibidores da atividade metabólica, provenientes de

processos de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos processos de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos

ácido acético ácido acético acetaldeído

acetaldeído á ácido á á á ácido c cido ácido á á á á ácido cido cido ácido á á á á ácido cido cido p p p p p p-hid -hid -hid hid vanil v nil vanil vanil ácido á á á á ácido cido cido siring siring siring cido acético

cido ac

cido ac é é é ético t tico cetaldeído t ld cetalde cetalde í í í í ído d do

CHO

(38)

Hidrólise Enzimática Hidrólise Enzimática

de Celulose de Celulose

1: ENDOGLUCANASE 2: EXOGLUCANASE 3: β-GLUCOSIDASE

Região amorfa

Região cristalina

Celodextrinas

1

Celobiose

2

Glicose

3

CELULASES são inibidas por GLICOSE e CELOBIOSE CELULASES são inibidas por GLICOSE e CELOBIOSE

(39)

Por que hidrolisar celulose

enzimaticamente?

` Condições mais brandas de pressão, temperatura e pH;

Alta especificidade;

Eliminação de hidroximetilfurfural,dentre outras substâncias tóxicas (derivadas de lignina);

Alto custo de produção das enzimas;

Baixo consumo de energia;

Baixo custo com materiais para a construção dos equipamentos, diferentemente de processos que empregam a hidrólise ácida.

P&D&I

(40)

Por quê a produção de celulases deve ser dedicada (in plant) para a produção industrial de etanol de biomassa lignocelulósica ?

Cada biomassa lignocelulósica terá requisitos diferentes em termos de composição dos preparados enzimáticos;

Diminuir-se-ia a dependência exógena por esses biocatalisadores;

Racionalizar-se-ia a produção nacional de celulases;

Estaria inserida no contexto de Biorrefinaria.

(41)

HEMICELULOSE HEMICELULOSE PARCIALMENTE PARCIALMENTE HIDROLISADA HIDROLISADA

GP: 2-10 GP: 2-10

Concepção Atual

Concepção Atual : Fracionamento e Hidrólise Separada dos Polissacarídeos : Fracionamento e Hidrólise Separada dos Polissacarídeos

HIDRÓLISE HIDRÓLISE QUÍM. OU QUÍM. OU ENZ.ENZ.

CELULOSE CELULOSE HIDROLISADA HIDROLISADA

C6C6

CONVERSÃO CONVERSÃO

QUÍMICA QUÍMICA Poliálcoois Poliálcoois

Glicois Glicois Furfural Furfural Metil etil cetona Metil etil cetona

Etileno Etileno Diois Diois Propileno etc Propileno etc

CONVERSÃO CONVERSÃO BIOLOGICA BIOLOGICA Combustíveis Combustíveis

Solventes Solventes Acidos orgânicos Acidos orgânicos

Poliálcoois Poliálcoois Biopolímeros Biopolímeros Enzimas etc Enzimas etc

PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO

Mecânico;Mecânico;

Explosão a vapor;Explosão a vapor;

Hidrotérmico.Hidrotérmico.

CONVERSÃO QUÍMICA CONVERSÃO QUÍMICA

Emulsificantes, Dispersantes, Sequestrantes, Emulsificantes, Dispersantes, Sequestrantes,

Surfactantes; Ligantes, Aromáticos etc.

Surfactantes; Ligantes, Aromáticos etc.

MATERIAL MATERIAL LIGNOCELULÓSICO LIGNOCELULÓSICO

HEMICELULOSE HEMICELULOSE HIDROLISADA HIDROLISADA

C5 & C6 C5 & C6 HIDRÓLISE HIDRÓLISE QUÍM.

QUÍM. OU ENZ. OU ENZ.

(combustível & energia) (combustível & energia)

LIGNINA LIGNINA

CCCCLigninaLignina ~ 24 MJ/Kg ~ 24 MJ/Kg CCCCbagaçobagaço ~ 7 MJ/Kg ~ 7 MJ/Kg CClignina ~3,5 X CCbagaço

CELULIGNINA CELULIGNINA

(42)

Estratégias para a Estratégias para a Produção de Etanol de Produção de Etanol de

Materiais Materiais

Lignocelulósicos

Lignocelulósicos

(43)

PRÉ-TRATAMENTO HIDRÓLISE HEMICELULOSE

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE CELULOSE

PRODUÇÃO DE CELULASES

FERMENTAÇÃO C6

DESTILAÇÃO FERMENTAÇÃO

C5

ETANOL ETANOL

açúcares solúveis açúcares solúveis

sólidos sólidos (celulignina) (celulignina)

HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SEPARADAS HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SEPARADAS

SHF SHF

No entanto, as enzimas do complexo celulásico No entanto, as enzimas do complexo celulásico

são inibidas pelos seus produtos finais de são inibidas pelos seus produtos finais de

hidrólise hidrólise

(CELOBIOSE e GLICOSE)

(CELOBIOSE e GLICOSE)

(44)

PRÉ-TRATAMENTO HIDRÓLISE HEMICELULOSE

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE CELULOSE

PRODUÇÃO DE CELULASES

FERMENTAÇÃO C6

DESTILAÇÃO FERMENTAÇÃO

C5

ETANOL ETANOL

açúcares solúveis açúcares solúveis

sólidos sólidos (celulignina) (celulignina)

HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE &

FERMENTAÇÃO C6

SSF SSF

Modelo de Modelo de

Duas Correntes

Duas Correntes

(45)

PRÉ-TRATAMENTO HIDRÓLISE HEMICELULOSE

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE CELULOSE

PRODUÇÃO DE CELULASES

FERMENTAÇÃO C6

DESTILAÇÃO

ETANOL ETANOL

sólidos sólidos (celulignina) (celulignina)

SACARIFICAÇÃO E COFERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS SACARIFICAÇÃO E COFERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE

&

FERMENTAÇÃO C6

&

FERMENTAÇÃO C5

açúcares solúveis açúcares solúveis

SSCF SSCF

microrganismos recombinantes

Modelo

Modelo

Integrado

Integrado

(46)

PRÉ-TRATAMENTO HIDRÓLISE HEMICELULOSE

DESTILAÇÃO

ETANOL ETANOL

BIOPROCESSO CONSOLIDADO BIOPROCESSO CONSOLIDADO

açúcares solúveis açúcares solúveis

PRODUÇÃO DE CELULASES

&

HIDRÓLISE DA CELULOSE

&

FERMENTAÇÃO C6

&

FERMENTAÇÃO C5

CBP CBP

sólidos sólidos (celulignina) (celulignina)

microrganismos recombinantes

Modelo Modelo

Consolidado

Consolidado

(47)

Fermentação de glicose e xilose Fermentação de glicose e xilose por por Saccharomyces Saccharomyces geneticamente geneticamente

modificada modificada

Fonte: Ho

Fonte: Ho et al.et al. (2003) (2003)

Fermentação de

Fermentação de hidrolisado bruto de hidrolisado bruto de palha de trigo

palha de trigo por uma linhagem de por uma linhagem de Saccharomyces

Saccharomyces 1400 geneticamente 1400 geneticamente modificada (pLNH32)

modificada (pLNH32) Fermentação de glicose e xilose

Fermentação de glicose e xilose por uma linhagem naturalmente por uma linhagem naturalmente

ocorrente de

ocorrente de Saccharomyces Saccharomyces 1400 em meio sintético

1400 em meio sintético

Fermentação de glicose e xilose por Fermentação de glicose e xilose por uma linhagem geneticamente uma linhagem geneticamente modificada de

modificada de Saccharomyces Saccharomyces (pLNH33) em

(pLNH33) em meio sintéticomeio sintético XIL

GLI

ETOH

XIL GLI

ETOH

XIL

GLI

ETOH

Professor Nancy Ho Professor Nancy Ho Purdue University Purdue University

Imagem

Referências

temas relacionados :