4º Encontro da Escola Brasileira de Química Verde

Análise da Produção do Ácido Succínico a Partir de

Fontes Renováveis: Perspectivas e Desafios

ORIENTADORES:

Prof. Nei Pereira Jr.,

PhD

Profª. Adelaide Antunes,

DSc

Sabrina Dias de Oliveira

26 de setembro de 2014

4º Encontro da Escola

Combustíveis derivados do petróleo e do carvão:

aproximadamente 80% na matriz energética mundial

DIVERSIFICAR A MATRIZ ENERGÉTICA E FONTES DE MP

REDUZIR A DEPENDÊNCIA POR FONTES FÓSSEIS BUSCAR POR FONTES RENOVÁVEIS E ALTERNATIVAS

MENOS POLUIDORAS

MUDANÇA DE

PARADIGMA

2002

ESCRITÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS (DOE)

BIOCOMBUSTÍVEIS, BIOENERGIA E BIOQUÍMICOS → PROGRAMA DE BIOMASSA

15 produtos químicos produzidos a partir de açúcares por via bioquímica

ou química

BLOCOS DE CONSTRUÇÃO Ácido succínico, fumárico e málico

Ácido 2,5 furanodicarboxílico Ácido 3 hidróxipropiônico Ácido aspártico Ácido glucárico Ácido glutâmico Ácido itacônico Ácido levulínico 3-hidróxibutirolactona Glicerol Sorbitol Xilitol/ arabinitol

Fonte. WERPY e PETERSEN (2004).

 300 MOLÉCULAS

ÁCIDO SUCCÍNICO

INDÚSTRIA DE ALIMENTOS, FARMACÊUTICA E DE COSMÉTICOS

Ácido orgânico de maior potencialidade com

uma variedade de aplicações industriais

Produto de grande interesse para empresas

de vários segmentos, por ser um building

block, precursor de muitos produtos

BUILDING BLOCK

Ácido adípico, surfactantes, solventes verdes, ingredientes

estimulantes para crescimento de plantas, antibióticos e vitaminas

(Fonte: WERPY e PETERSEN, 2004)

Processo de Produção: ROTA QUÍMICA

Oxidação do butano até anidrido maléico, que é hidrolisado até obtenção do

ácido maléico e através de sua hidrogenação é obtido o ácido succínico.

O custo elevado para a conversão de anidrido maleico

para AS, representa uma limitação para as diversas

aplicações deste produto.

Produção de AS por microrganismos anaeróbios ou

anaeróbios facultativos

⇨ alternativa impacto



Possibilidade de planejamento de produções alternativas, seqüenciais ou conjuntas, com outros produtos de interesse no mercado:

Ácido cítrico - Ácido láctico - Ácido acético – Ácido propiônico e/ou etanol

Processo por ROTA FERMENTATIVA



Substituir as MP tradicionais (ácidos tereftálico ou adípico derivados de energia fóssil e o próprio AS petroquímico)



Emprego de MP renovável, particularmente, os resíduos agrícolas e agroindustriais



Redução do custo global da fermentação para competir com produtos petroquímicos

DESAFIOS:

Mercado Mundial de Ácido Succínico (2011)

Europa

33,6%

América do Norte e Ásia-Pacífico

58,8%

A região da Ásia-Pacífico é estimada para ser o mercado de maior crescimento para AS, devido à

grande demanda da maioria das economias emergentes como China, Índia e Japão. Demanda mundial de AS (BIO)

51 mil toneladas

(2013) 593,4 mil toneladas ₍₂₀₂₀₎

Taxa anual média de 32,2%

(2014 a 2020) Mercado global de AS (BIO)

$ 992,9 milhões

Fomentar projetos que contemplassem o desenvolvimento, a produção e a comercialização de novas tecnologias

industriais destinadas ao processamento da biomassa oriunda da cana-de-açúcar para obtenção

de produtos de maior valor agregado

BNDES e FINEP assinaram um

acordo para a execução de um Plano

de Apoio à Inovação Tecnológica

Industrial dos Setores

Sucroenergético e Sucroquímico

(PAISS)

2011-2014

R$ 1 bilhão

Participação de renováveis na matriz

energética

BIORREFINARIAS

Significado de instalações, equipamentos e processos que convertem a biomassa em biocombustíveis e produtos químicos e ainda podem gerar eletricidade (BASTOS, 2007).

Farm Bill

2002

Pereira Jr. (2006) associou Biorrefinaria ao uso de MP renováveis e de seus resíduos, de maneira integral e diversificada, para a produção, por rota química ou biotecnológica, de uma variedade de substâncias e energia, com a mínima geração de resíduos e emissões de gases poluidores.

Participação estratégica da indústria química no fornecimento de insumos e produtos finais a diversos setores da economia

 Petroquímico  Farmacêutico  Automotivo  Agronegócio  Cosméticos  Construção

TECNOLOGIAS DE PRIMEIRA GERAÇÃO

 Tecnologias maduras

 Biomassas primárias, acessíveis

 Energia vs Alimentos

TECNOLOGIAS DE SEGUNDA GERAÇÃO

 Tecnologias emergentes (em crescimento)

 Biomassa residual (lignocelulósica)

 Não compete com a produção de alimentos

TECNOLOGIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO

 Biomassa algal

 Tecnologias portadoras de futuro

 Crescimento mais rápido do que culturas terrestres

 Não compete com culturas agrícolas.

CLASSIFICAÇÃO DAS

BIORREFINARIAS

Fontes: SUNG & CHENG (2002); PANDEY et al., (2000)

Resíduos lignocelulósicos

como matérias-primas

50% da biomassa terrestre

Candidata atraente como fonte alternativa ao petróleo

 Única fonte abundante de carbono renovável;

 Matéria-prima para Biorrefinarias;

 Baixas pegadas de carbono quando comparadas ao petróleo;

 Está domesticamente disponível.

BIOMASSA

Biomassa Residual

Num cenário de constantes transformações econômicas, sociais, ambientais

e institucionais e de rápida evolução do conhecimento

ESTUDOS PROSPECTIVOS ⇨ ferramentas analíticas que ajudam a diminuir as incertezas e os riscos em face do futuro.

Trabalhos de prospecção tecnológica (econômicas, políticas e sociais) subsidiam processos decisórios, formulações de políticas tecnológico-industriais e fortalecem os planejamentos estratégicos governamentais e organizacionais

Identificar as oportunidades e desafios

inerentes a produção do AS por rota

biotecnológica, a partir de recursos renováveis,

através do estudo de prospecção tecnológica.

• Identificar áreas de pesquisas estratégicas e tecnologias

genéricas emergentes com potencial de gerar os maiores

benefícios econômicos e sociais

• Papel de orientar os investimentos no setor de interesse

em médio e/ou longo prazo: líderes governamentais e

empresas privadas utilizam essa ferramenta para a

fundamentação do processo de análise do futuro

UNIVERSIDADE

 Auxiliar na condução da pesquisa para áreas temáticas mais promissoras e estratégicas para o crescimento do país

 Identificação de tecnologias com maior potencial de competição no comércio nacional e internacional.

É o processo que se ocupa de examinar, sistematicamente, o

futuro de longo prazo da ciência, da tecnologia, da

economia e da sociedade.

Um estudo prospectivo deve envolver mais de um método ou técnica, quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade buscando compensar as possíveis deficiências trazidas pelo uso de técnicas ou métodos isolados (CGEE, 2010).

Metodologias de Prospecção

Criatividade Métodos descritivos e matrizes Opinião de especialistas Monitoramento e Sistemas de Inteligência Modelagens e simulações Cenários Análise de tendências Sistemas de Avaliação e Decisão

• Identificar eventos científicos, técnicos ou socioeconômicos importantes para a organização.

• Definir ameaças potenciais para a organização, implícitas nesses eventos.

• Identificar oportunidades para a organização envolvidas nas mudanças no ambiente.

• Alertar a direção sobre tendências que estão convergindo, divergindo, ampliando, diminuindo ou interagindo.

Monitoramento e Sistemas de Inteligência

Fontes de Informação

Artigos

Patentes

• Preservação do conhecimento • Comunicação entre cientistas

• Divulgação de resultados de pesquisa e estudos acadêmicos

• As Universidades e Empresas pelo mundo se utilizam desses meios para publicarem suas pesquisas.

Publicações em Periódicos

• Mapeamento da evolução de tecnologias • Identificação de novos mercados

(protegidos e não-protegidos)

• Identificação de tecnologias emergentes • Previsão de novos produtos

• Definição de potenciais rotas para aperfeiçoamentos em produtos e processos existentes

• Rastreamento de capacitação tecnológica • Identificação de fontes de licenciamento,

entre outros aspectos.

PATENTES

Cenários

Fonte: Adaptado de PESSÔA (2007)

 SWOT  ferramenta utilizada para fazer análises de cenário e planejamento estratégico de uma organização.

O presente trabalho tem como objetivo realizar uma

prospecção tecnológica da produção do ácido

bio-succínico, utilizando indicadores científicos,

tecnológicos e comerciais; além de investigar as

oportunidades e desafios da produção

biotecnológica do

ÁCIDO SUCCÍNICO

para o Brasil.

Metodologia

Fonte: Bahruth et al. (2006)

Fases para execução, organização e conclusão da Prospecção Tecnológica

METODOLOGIA

Fonte: adaptada do método de Watts e Porter (1997).

Etapa A: Prospecção da Inovação e Análise da Curva de

Crescimento da Tecnologia

Etapa B: Análise de Forças e Fraquezas da tecnologia investigada

• Artigos científicos, documentos de patentes e informações de mercado; • Dissertações de Mestrado, Teses de Doutorado e Exames de Qualificação; • Portal do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (Organização Social

supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação);

• Portal do Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC)

Atributos Indicadores

Perfil de PD&I

Pesquisa

fundamental Artigos Científicos Pesquisa aplicada Patentes Aplicação comercial Notícias de Mercado + Dados da Balança Comercial Brasileira

Fonte: Adaptado de Watts e Porter (1997)

Detalhamento da metodologia e levantamento das fontes de dados

Estratégia de Busca Utilizada

Indicadores Base de Dados Abrangência da busca

Época de Atualização

Artigos científicos Web of Science 1945 – 2014 Maio/2014 Patentes Derwent Innovatons Index 1980 – 2010 Janeiro/2013 Notícias de Mercado Chemical Business NewsBase 1985 – 2013 Agosto/2013

Dados da Balança

Palavras-chave

butanedioic bio-based bioconversion biomass* *residue succinic biotechnolog* bioprocess carbon source* “raw material*” succinate microbial production succiniproducens sugarcane* feedstock* fermentation biotransformation renewable* bagasse* agroindustrial*

biobased biorefiner* lignocellulo* “industrial residue*” waste*

Palavras-chave utilizando a base de dados

Web of Science

Estratégia de busca utilizando a base de dados

Derwent Innovations Index

Subseções Descrição

C12P 7/00 Preparação de compostos orgânicos contendo oxigênio C12P 7/40. Contendo um grupo carboxila

C12P 7/44.. Ácidos policarboxílicos

C12P 7/46... Ácidos dicarboxílicos tendo quatro ou menos átomos de carbono, por ex., ácido fumárico, ácido maléico

Palavras-chave/CIP butanedioic succin* (succinic/succinate) C12P 7/46 C12P 7/40 C12P 7/44

Descrição das subseções da CIP C12P 7 relacionadas ao tema de busca

Estratégia de busca para Patentes

Estratégia de busca para Notícias Técnicas

Termo "Succinic acid”

Sem limitação de período de tempo

Período da base: 1985 - presente

Estratégia de busca para os dados da base AliceWeb

Produtos selecionados para avaliação dos seus valores totais de

importação/exportação e a Nomenclatura Comum do MERCOSUL (NCM)

Produtos químicos NCM Ácido succínico 2917.19.90 Ácido fumárico 2917.19.30 Gama-butirolactona ou 4-butirolactona 2932.29.90 1,4-butanodiol 2905.39.90 Tetrahidrofurano ou tetraidrofurano 2932.11.00

Ácido adípico, seus sais e ésteres 2917.12.10 e 2917.12.20 Ácido maléico, seus sais e ésteres 2917.19.21 e 2917.19.22

Base de Dados Resultado Final

Web of Science

525 artigos

Derwent Innovatons Index

295 patentes

Chemical Business NewsBase

660 informações de mercado

Coleta, tratamento e análise dos dados

Tratamento dos dados obtidos

Artigos Científicos

Patentes

Categorias Características Número de documentos Ácido Succínico

Patentes que demonstraram a produção ou purificação do ácido succínico e/ou succinato como produto principal por

rota biotecnológica.

225

Subproduto

Patentes que relatam a produção de outros produtos, tendo o ácido succínico e/ou succinato como subproduto do

processo de fermentação.

5

Insumo e/ou Coadjuvante

São as patentes que não possuem o foco na produção fermentativa do ácido succínico e/ou succinato. O ácido succínico e/ou succinato são utilizados durante o processo

para a produção de outros produtos.

63

Processo químico

Patentes que demonstraram a produção ou purificação do ácido succínico e/ou succinato como produto principal por

rota química.

2 Total de documentos 295

Comunicação dos resultados, implementação das ações

e monitoramento

EVOLUÇÃO GLOBAL: 1983 - 2010

Crescimento no número total a partir da década de 2000

Técnicas de genética molecular com a introdução da reação em

cadeia da polimerase (PCR) em 1987 → processos de produção do

AS utilizando microorganismos geneticamente modificados na

fermentação.

EVOLUÇÃO GLOBAL (1991 -2014): ARTIGOS

EVOLUÇÃO GLOBAL (1983- 2010): PATENTES

225 DOCUMENTOS → 20 BR (9% DO TOTAL) → NENHUM RESIDENTE BR

2000-2005 → 17 BR

EVOLUÇÃO GLOBAL (1985 – 2014): MERCADO

PAÍSES DE ORIGEM: ARTIGOS

JP [1991-1995]

EUA [1996 – 2010]

CN [2001]/

[2011-2014]

Instituição do Autor Principal Número de _artigos Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) 3

Universidade Federal de Lavras (UFLA) 1 Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”

(UNESP) 2

Universidade de São Paulo (USP) 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) 1

Total:

8 publicações científicas

1,5% do total de artigos

BRASIL

PAÍSES DE ORIGEM ( DE PRIORIDADE) : PATENTES

JP + EUA [1980 – 1995]

CN [2006]

PAÍSES DE DEPÓSITO:

PATENTES

Detentores das

Tecnologias

9% das tecnologias estão

protegidas (BR)

⇨ grande

oportunidade a indústria

química nacional: copiar e

comercializar diversas

tecnologias patenteadas em

outros países

 Vocação agrícola e abundância de MP

renováveis no país

 BR ser pouco competitivo no campo da

Biotecnologia e conhecido importador

de produtos com alto valor agregado

Não foram encontrados depósitos de residentes brasileiros.

20 depósitos no Brasil

Detentores das

Tecnologias

PAÍSES DE ORIGEM: MERCADO

PERFIL # ARTIGOS E PATENTES

Sedes de importantes

players

do setor

ou plantas demonstrativas/comerciais

EUA

MYRIANT CORP e CARGILL

FR

AGROINDUSTRIAL

RECHERCHES ET

DEVELOPPEMENTS (ARD)

CA

BIOAMBER

PLANTA: CHAMPAGNE (FR)

50%

35%

10%

5%

Engenharia Genética

Otimização do Processo

Separação/purificação

Dispositivo e Equipamento

Número de

Patentes CIPS Descrição

225 C12P composição ou composto químico desejado ou para separar isômeros ópticos de uma Processos de fermentação ou processos que utilizem enzimas para sintetizar uma mistura racêmica

143 C12N manutenção de micro-organismos; engenharia genética ou de mutações; meios de Micro-organismos ou enzimas; suas composições; propagação, conservação, ou cultura

61 C12R Esquema de indexação associado às subclasses C12C-C12Q, relativo a micro-organismos 29 C07C Compostos acíclicos ou carbocíclicos

Principais CIP encontradas nos documentos da produção do ácido bio-succínico

Processos de fermentação

Microorganismos naturalmente ocorrentes ou geneticamente

modificados

PATENTES: Identificação dos diferentes tipos de processos

Leitura dos

documentos

CIP genérica

Alteração de algumas

atividades enzimáticas

previamente selecionadas

⇨ elevar a concentração de

AS produzido e produzir

pouco ou nenhum outro

MP renovável utilizada na produção de AS

Tipo de documento _documentos Total de MP origem _{renovável (palha, bagaço e florestais)} Resíduos lignocelulósicos ARTIGOS 525 133 (25%) 52 (10%)

PATENTES 225 48 (21%) 57 (25%)

NOTÍCIAS DE

MERCADO 660 153 (35%) 11 (2%)

 Outros tipos de substratos:

glicose (206 artigos)

xilose (29 artigos)

glicerol (93 artigos)

 Emprego de bactérias versáteis com capacidade de fermentar

tanto glicose, xilose ou glicerol

NÚMERO

⇩ EXPRESSIVO DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS

Entraves na transformação

Tipos de MP utilizadas na produção de AS

Arroz Milho Milho Resíduos florestais Arroz Cana-de-açúcar Milho

ARTIGOS

Tipos de MP utilizadas na produção de AS

Resíduos

lignocelulósicos

Palha

5

Bagaço

10

Sem especificação

27

Resíduos florestais/madeira

10

Total

52

30 22 15 14 10 8 8 5 3 1 1 Milho Floresta / madeira / grama / serragem Arroz Trigo Cana-de-açúcar Melaço Sorgo Mandioca Cevada Centeio

PATENTES

Tipos de MP utilizadas na produção de AS

Resíduos

lignocelulósicos

Palha

21

Bagaço

11

Cascas

3

Resíduos florestais/madeira

22

Total

57

53 28 27 12 10 5 Arroz Cana-de-açúcar Milho Sorgo Trigo Madeira/resíduos florestais

MERCADO

Tipos de MP utilizadas na produção de AS

Resíduos

lignocelulósicos

Palha

5

Bagaço (BR)

1

Resíduos florestais/madeira

5

Total

11

Cluster: Informações de Mercado: MP Renováveis

• Interação entre as 28 empresas

e as MP renováveis

Arroz

Milho

Cana-de-açúcar

Trigo

Resíduos lignocelulósicos

Resíduos de palha

Empresas em comum

BioAmber

Roquette

Royal DSM

BioAmber

emprego de quase todas as

matérias-primas (exceção do sorgo, bagaço e

resíduos florestais).

Ranking das Instituições (10) : Artigos

21 artigos

8 hidrolisados lignocelulósicos como MP 10 técnicas de BM para produção do AS

26

22

18

14

11

10

9

7

6

MITSUBISHI CHEM CORP - Japão

AJINOMOTO CO INC - Japão

KOREA ADV INST SCI&TECHNOLOGY -Coréia do Sul

DSM IP ASSETS BV - Holanda

UNIV NANJING TECHNOLOGY - China

UNIV JIANGNAN - China

TORAY IND INC - Japão

UNIV RICE - EUA

MICHIGAN BIOTECH INST - EUA

Ranking das Instituições (9) : Patentes

RANKING DOS ARTIGOS

44,7 % dos pedidos de patentes

MCC

Produz, utilizando tecnologias próprias,

uma grande variedade de produtos

químicos pertencentes ao grupo C4 –

Principais CIP distribuídas pelas 4 principais instituições

depositantes

Ranking das Instituições (10) : Mercado

Succinity

⇢ maior produtora de AS (bio) - capacidade instalada – 23 notícias e

ocuparia o 14ª no ranking de instituições mais citadas.

Mercado de produção do AS (bio) em escala comercial foi consolidado em 2013,

com atuação de 4 empresas: BioAmber, Reverdia, Myriant e Succinity.

Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas

• Interação/parcerias

entre as 24 empresas

por meio das

informações de

mercado

ÂNCORA

BIOAMBER: 35%

MYRIANT: 20%

 joint venture

⇰ DNP Green

Technology e a ARD (FR)  Em 2009: processo de

primeira geração para a bioprodução de AS: cana-de-açúcar (e outras fontes de biomassa) em uma usina de 3.000 ton/ano em Champagne (FR).

BioAmber Inc. (CA)

 O AS-bio de elevado grau de pureza: MP renováveis e é quimicamente equivalente ao produto originado de fonte fóssil - reduz em 94% as emissões de gases do efeito estufa

Myriant Corp

(EUA)

Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas

• Interação/parcerias

entre as 24 empresas

por meio das

informações de

mercado

joint-ventures

joint-ventures

PTTMCC Biochem

joint venture entre a PTT

Chemical Group

(Tailândia) com a

japonesa Mitsubishi

Chemical Corporation

Succinity GmbH

joint venture formada entre a BASF (DE) e Corbion Purac

(subsidiária da CSM NV) 1ª unidade de produção comercial (Espanha) - 10.000

ton.

Reverdia Biosuccinium

joint venture formada

entre a Royal DSM NV (

NL) e a Roquette Frères

(FR) para a produção,

comercialização e

desenvolvimento de

mercado de

Biosuccinium™

2012: iniciou suas

operações na Itália (10.000

ton./ano)

1ª usina de grande escala

do mundo dedicada para a

produção de

Biosuccinium

Importação AS e derivados (2005 a 2010)

Exportação do AS e derivados (2005 a 2010)

• ⇮

Importação:

Ácido fumárico

Ácido adípico

Tetraidrofurano

• Bloco de construção

AS, BDO E BUTIROLACTONA

não apresentaram valores relevantes de venda ÁCIDO ADÍPICO precursor do nylon e MP na fabricação de espumas e produtos industriais Rhodia Poliamida

Se o objetivo for construir um país produtivo,

maduro na área de Biotecnologia e competitivo

no desenvolvimento de tecnologias de fronteira

ou emergentes, faz-se necessário enfrentar os

desafios e apostar nas potencialidades de novos

“O futuro não é um lugar para onde estejamos indo, mas um lugar que

estamos criando; o caminho para ele não é encontrado, mas construído,

e o ato de fazê-lo muda tanto o realizador quanto o destino."

C o n t a t o :

s a b r i n a @ i n o v a c a o . u f r j . b r

Te l e f o n e : ( 2 1 ) 3 7 3 3 - 1 7 8 8