Nº

Transcrição

1 COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº Desenvolvimento de bioprocessos perspectivas Alfredo Eduardo Maiorano Palestra apresentado no Seminários Gerais do Programa de Pós- graduação em Biodiversidade Aquática do Instituto de Biociências, UNESP - Campus Litoral Paulista,2018 A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP São Paulo SP Brasil CEP Tel /4000 Fax

2 DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS Perspectivas Alfredo Eduardo Maiorano Maio 2018

3 Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise A biotecnologia industrial aplicação de ferramentas da biotecnologia em processos industriais tradicionais e novos combustíveis, produtos químicos e plásticos, a partir de matériasprimas renováveis. BIOPROCESSO

4 Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise microrganismos, enzimas e suas formas geneticamente modificadas formam a base dos bioprocessos; Uso da biotecnologia data do período neolítico; revolução evolução de manipulação de genomas microbianos rápido aumento da inovação para usos industriais.

5 Bioprocessos Por que Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise? Por que biotecnologia como parte da visão ou planejamento estratégico da indústria química? Por que desenvolver novos biocatalisadores? Como se caracteriza a dinâmica tecnológica de P&D? Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque?

6 Mundo com incertezas; Mudanças muito mais rápidas; Word Economic Forum: Desemprego; crise hídrica; desigualdade econômica; mudanças climáticas Inovação e tecnologias aumento do IDH Efeitos negativos em ecossistemas, clima, biodiversidade

7 Modelo econômico Consumo de energia Consumo de água, geração de resíduos, emissão GEE, depleção de recursos naturais aumento de 1% no PIB aumento de 0,4 % no uso de recursos naturais Lopes, 2015

8 Natureza da indústria química Muito diversificada crucial para economia global 1,25 trilhões/a EUA: Faturamento ~ USD 767 bilhões (2016); produz mais de produtos; emprega mais de um milhão de trabalhadores; BRASIL: um dos mais importantes e dinâmicos setores da economia brasileira, representando 2,9% do PIB do Brasil. emprega mais de 740 mil trabalhadores o quarto na formação do PIB Industrial Ferreira, ABIQUIM AP 002/2014; DIEESE - Panorama Setorial do Complexo Industrial Químico no Brasil, 2014

9 Natureza da indústria química: cinco segmentos principais: produtos químicos de base: incluem produtos químicos inorgânicos, polímeros e plásticos. Chamados de commodities, são produzidos em grandes volumes; produtos farmacêuticos: substâncias de diagnóstico, vacinas, plasmas e outros produtos biológicos, vitaminas e preparações farmacêuticas para tanto humanos e uso veterinário; produtos químicos especiais: são de baixo volume, e alto valor agregado, venda com base no desempenho; Agroquímicos: fertilizantes e produtos químicos de proteção às culturas, i.e.pesticidas; produtos de consumo: sabão, detergentes, alvejantes, auxiliares de lavanderia, creme dental, xampus, cosméticos, desodorantes, perfumes.

10 FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA 2017* (* estimado) Fonte: Abiquim,abril 2017

11 Natureza das matérias-primas da industria química derivados de petroquímica ~ 5% PIB mundial (Lopes, 2015) Rothemel, J. German-Brazilian Workshop on Value Creation from Bioresources,São Paulo, March 16th, 2011

12 Cenário atual consenso? Meio- ambiente não pode sustentar as emissões previstas de dióxido de carbono passos para mitigar GEE são necessários Indústria Química uso de recursos não renováveis e processos de uso intensivo de energia e com impactos ambientais uso de recursos renováveis e processos de produção mais ambientalmente amigáveis, mais limpos e seguros

13 Sustentabilidade

14 Sustentabilidade paradigma Desenvolvimento Sustentável: O desenvolvimento que responde às necessidades do presente sem comprometer as possibilidades das gerações futuras de satisfazer suas próprias necessidades Promover o crescimento econômico com impactos positivos em termos sociais e ambientais (Sachs) A sustentabilidade é um conceito pluridisciplinar e não estritamente ambiental (Sachs) (Ignacy Sachs)

15 Desenvolvimento Sustentável Produção sustentável Uso recursos renováveis (matéria-prima / matériaprima e catalisador Reduzir a demanda de energia Reduzir a demanda de água Evitar materiais tóxicos Reduzir a quantidade de resíduos - Reduzir o número de passos

16 Metas potenciais As questões ambientais têm sido muito importantes para as indústrias Sustentabilidade + Química Verde Processos e produtos que minimizem: resíduos, GEE, energia e favorece o uso de recursos renováveis Biotecnologia Industrial

17 Biotecnologia industrial Biotecnologia industrial, é a aplicação da biotecnologia moderna para a produção sustentável de produtos químicos, materiais e combustíveis a partir de fontes renováveis, utilizando células vivas e/ou enzimas.

18 Fonte: NEW BIOCATALYSTS: ESSENTIAL TOOLS FOR A SUSTAINABLE 21st CENTURY CHEMICAL INDUSTRY

19 Matérias-primas e produtos Matérias-Primas Açúcares Amido Óleos vegatais Lignocelulose Plantas medicinais Gordura animal Bioetanol... Produtos Polímeros Tensoativos Solventes Fármacos Lubrificantes Biocmbustíveis Fibras Adesivos etc

20 Desafios do fornecimento de materiais renováveis (biomassa) Matérias-primas para a indústria química devem ser disponíveis em: Quantidade; boa qualidade; estável Fornecimento seguro preços de mercado Petróleo, carvão e gás demanda estabelecida

21 Produção e preço das principais matérias-primas para bioprocessos Material-prima Produção mundial (milhões t)* Preço FOB ($/t)* Glicerol (refinado) Açúcares Ácidos graxos Resíduos lignocelulósicos ** *estimativa ** base seca Fonte: Lopes, 2015 Petróleo: US$ 46,00/ barril US$ 362,00/t (ago/16)

22 Biorrefinaria Matéria-prima Matéria-prima Matéria-prima (petróleo) (renovável) (renovável) Intermediário intermediário intermediário (Biotec) ( Biotec) Produto Produto Novo Produto

23 Biorrefinaria Bonomi et al, 2008

24 Força motora para o desenvolvimento de bioprocessos Social demanda novas tecnologias, novos produtos, melhorias na qualidade de vida: novos medicamentos, alimentos com baixo valor calórico, preservação ambiental Negocial competição entre processos clássicos e biotecnológicos lucro, menor custo, menor pegada ecológica; Governamental pressões regulatórias, substituição de combustíveis fósseis, preservação ambiental; Desenvolvimento científico conhecimento disponível

25 Situação atual biocatalisadores aplicados na produção de química fina, produtos farmacêuticos e produtos químicos agrícolas. Vantagens: elevada seletividade, uso em condições ambientais facilidade de disposição. Top 12 (2004)

26 Top 12 Critérios: Matéria prima; Custo estimado de processamento; Preço estimado de venda; Complexidade tecnológica associada à rota de processamento; Potencial de Mercado.

27 TOP 30 Ác. Lático Ác. Malônico Ác. Hidroxipropiônico Glicerol Serina 3-HidroxiButirolactona Acetona Ác. Aspártico Ác. Fumárico Ác. Málico Ác. Succínico Treonina Top Candidate C3 C4 Arabinitol Ác. Glutâmico Ác. Itanônico Ác. Levolinico Ácido Xilonico Furfural Xilitol Ác. 2,5 furano-dicarboxílico Ác. Aconítico Ác. Cítrico Ác. Glucarico Ác. Glucônico Lisina Sorbitol C5 C6

28

29 A Visão de Bioprocessos - hoje década de as indústrias de produtos farmacêuticos começaram a empregá-la extensivamente. Vários produtos farmacêuticos produzidos por essa via; Biotecnologia, como estamos vendo hoje, tem poucas aplicações industriais; commodities, tais como: alimentos, etanol, HFCS, ácido cítrico, aminoácidos e tratamento de efluentes. No entanto, a produção de outros produtos químicos está aquém desses.

30 em um sentido geral, a biotecnologia, em muitos aspectos, ainda está em sua fase inicial de desenvolvimento Woodley, J. M. Potential and Challenges of Bio-based Chemicals

31 Curto prazo

32 Médio prazo

33 Longo prazo

34 Situação atual: números impressionantes Faturamento = $ 18,6 bilhões (1999); investimento de US $ 97 bilhões; emprega mais de pessoas em altos salários ; mais de US $ 9 bilhões em P&D; mais de 90 produtos de biotecnologia drogas e vacinas ajudando mais de 200 milhões de pessoas em todo o mundo; Biotecnologia responsável por centenas de testes de diagnóstico; Biotecnologia responsável por tratamento de efluentes/resíduos, biorremediação de derramamento de poluentes.

35 Situação atual: números impressionantes Faturamento global: 2008 ~ 110 bilhões Estimativa: 2020 ~ 450 bilhões 05/09/16

36 Situação atual: exemplos O processo de DSM-Toyo Soda utiliza a protease termolisina para a produção de aspartame (seletividade e estereosseletividade). HFCS 23 milhões de toneladas em (α-amilase, glicoamilase e glicose isomerase ) A hidrólise de penicilina G ou V para o ácido 6- aminopenicilânico (6-F-APA), utilizando penicilina acilase. - 9 mil toneladas de 6F-APA produzidas em 1995 DuPont e Genencor patentes de processos e microrganismos para 1,3 propanodiol (1,3-PD) O 1,3-PD é usado na produção do tereftalato de politrimetileno.

37 Situação atual: exemplos Produção de acrilamida por nitrila hidratase imobilizada; [acrilamida] > do que 600 g / L; produção de t / a. Fonte: Gravilescu& Chisti, 2005

38 Limitações bioprocessos não são, per se superiores aos processos químicos; Introdução de um novo bioprocesso é demorado e caro; Biotecnologia não vai substituir a química - ferramenta adicional; bioprodutos e bioprocessos são ainda limitados; uso matérias-primas renováveis utilização em biocombustíveis, alimentos, rações, fibras, farmacêuticos. Rothermel, 2011

39 Limitações Limitação logística; Baixa densidade energética Biomassa D. E. (GJ/m3) palha 2 carvão 31 madeira 8 Pellets de madeira 11 Usina: 3,5 milhões t cana 125 kta etanol e 250 kta açúcar Etileno: kta Lopes, 2015

40 Qual é o futuro? Grande potencial para a biotecnologia industrial; Como aproveitar e implementar esse potencial? Enfrentar os principais limites operacionais: ph, temperatura; Inibição por produto; Velocidade de reação baixa; Concentração de produto baixa Grande concorrência : Preço do petróleo

41 Qual é o futuro? Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque? Em qual horizonte? 20..?

42 Estratégia Metas Implementação

43 Qual é o horizonte? Quais metas para 20..? Definindo metas para o futuro: Bioprocessos dentro dos princípios de Química Verde Redução do consumo de água; Redução do consumo de energia; Menor impacto ambiental; Menor consumo de materiais; Mais custo-efetivo genéricas

44 Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!? Definindo metas mais específicas e métricas Aumentar a produtividade em

45 Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!? Definindo metas mais específicas e métricas Microrganismos mais robustos Sistemas enzimáticos mais robustos termoresistente aumentar a atividade velocidade de turnover estabilidade Processos com células ou enzimas imobilizadas mais robustos; Aumentar o número de bioprocessos. Política P&D&I, definir prioridades Implementar o uso de ferramentas, p.e. ônicas, sintéticas.

46 Algumas perspectivas Objetivo operacional rápido barato melhor chegar ao mercado + rápido custo de produção variedade Processo químico Bioprocesso atual futuro 2-5 anos 10 anos 2-3 anos 1-10 US$/kg US$/kg 1-3 US$/kg ampla pouca ampla adaptado New Biocatalysts, Genencor and Eastman Chemicals at NIST-ATP workshop, an industrial partnering, Boulder, CO, October, 1996

47 Estratégia Promover P&D&I Agências federais e estaduais; Academia, ICT; Indústria parceria Monitoramento FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS

48 Considerações finais Infraestrutura existentes para os processos químicos para produtos de base biológica Usar as ferramentas existentes e desenvolver novas para processos de base biológica para resolver problemas como: Uso de água Recuperação de produtos Integração de Processos Seleção e projeto de biorreator.

49 Considerações finais Há grande potencialidade e oportunidades para o desenvolvimento de bioprocessos; Foco da conversão da biomassa voltado para obtenção de produtos e biocombustíveis; Compreensão integrada de oportunidades e desafios; P&D integrando fermentação, biocatálise e DSP

50 BRASIL Competividade A = alta B = média C = baixa Fonte: adaptado

51 Obrigado

52 "[...] Na primeira noite eles se aproximam e roubam uma flor do nosso jardim. E não dizemos nada. Na segunda noite, já não se escondem; pisam as flores, matam nosso cão, e não dizemos nada. Até que um dia, o mais frágil deles entra sozinho em nossa casa, rouba-nos a luz, e, conhecendo nosso medo, arranca-nos a voz da garganta. E já não podemos dizer nada. [...]" Eduardo Alves da Costa

53 FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA 2010* (* estimado) Total US$ 130,2 bilhões* Fonte: Abiquim,abril 2011