Produção de Bioetanol a partir de Materiais Lenho-celulósicos de Sorgo Sacarino: Revisão Bibliográfica

Transcrição

1 Dissertação de Mestrado em Energia e Bioenergia Produção de Bioetanol a partir de Materiais Lenho-celulósicos de Sorgo Sacarino: Revisão Bibliográfica Luís Quilhó Orientador: Prof. Dr. Nuno Lapa Departamento de Ciências e Tecnologia da Biomassa FCT UNL

2 BIOETANOL Bioetanol: «etanol produzido a partir da biomassa, e/ou da fracção biodegradável de resíduos, para utilização como biocombustível». Directiva 2003/30/CE, 08 de Maio Biocombustível: «combustíveis líquidos ou gasosos para o transporte, produzidos a partir da biomassa». Directiva 2009/28/CE, 23 de Abril Biomassa: «fracção biodegradável de produtos, resíduos e detritos de origem biológica provenientes da agricultura, da exploração florestal e de indústrias afins ( )». Directiva 2009/28/CE, 23 de Abril

3 SIM Matérias-primas competem com utilização humana ou animal? NÃO BIOETANOL Culturas ricas em açúcar Culturas ricas em amido BIODIESEL Culturas oleaginosas BIOETANOL Materiais Lenho-Celulósicos BIOCOMBUSTÍVEIS DE 1ª GERAÇÃO BIOCOMBUSTÍVEIS DE 2ª GERAÇÃO

4 Importância crescente a nível Mundial resultado de políticas de incentivos à produção Milhares de Barris por Dia Produção mundial de biotanol Estados Unidos Brasil UE - 27 China Canadá Índia Produção de biocombustíveis na UE Produção de biocombustíveis em Portugal Milhares de Barris por Dia 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 Milhares de Barris por Dia 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Biodiesel Bioetanol Biodiesel Bioetanol

5 MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS Celulose Unicamente formada por monómeros de D-glicose Moléculas de 500 a 5000 monómeros Ligadas entre si por pontes de Hidrogénio

6 MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS Hemicelulose Unidades repetidas de vários monossacarídeos Polímeros de pentoses (Xilose, Arabinose, Manose), de Hexoses e ácidos urónicos Função principal: mantêm unidas as fibras de celulose

7 MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS Lenhina Macromolécula aromática natural Rede complexa formada pela polimerização do fenilpropano Componente mais recalcitrante da parede celular vegetal Função principal: proporcionar suporte estrutural e providenciar impermeabilidade e resistência contra ataques microbianos

8 MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS

9 PROCESSOS ENVOLVIDOS NA PRODUÇÃO DE BIOETANOL A PARTIR DE MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS PRÉ-TRATAMENTO HIDRÓLISE FERMENTAÇÃO

10 PRÉ-TRATAMENTO OBJECTIVO Alterar ou remover impedimentos estruturais ou composicionais a hidrólise

11 PRÉ-TRATAMENTO Físicos Físico-químicos Fragmentação mecânica Extrusão Irradiação Explosão a vapor Água Líquida Sobreaquecida Explosão de fibras com amoníaco Químicos Biológicos Ácido Alcalino Líquidos Iónicos Microrganismos

12 HIDRÓLISE DOS MATERIAIS LENHO-CELULÓSICOS Química Ácidos Enzimática Celulases Hemicelulases

13 FERMENTAÇÃO Leveduras Saccharomyces cerevisiae Pichia stipitis Candida shehatae Bactérias Zymomonas mobilis Escherichia coli Klebsiella oxytoca

14 FERMENTAÇÃO ESTRATÉGIAS Hidrólise e Fermentação Separadas (HFS)

15 FERMENTAÇÃO ESTRATÉGIAS Sacarificação e Fermentação Simultâneas (SFS)

16 SORGO Sorghum bicolor(l.) Moench Quinta cultura cerealífera mais importante do mundo Grande distribuição geográfica Elevada adaptabilidade a várias condições edafo-climáticas

17 SORGO Sorghum bicolor(l.) Moench Três tipos de variedades: Granífero Forrageiro Sacarino

18 SORGO Sorghum bicolor(l.) Moench (Fernando et al., 2007) Cana-de-açúcar Beterraba sacarina Sorgo sacarino Produção / ha t t t Açúcar / ha 7 8 t 5 6 t 6 8 t Etanol / ha l l 3000 l (Almodores e Hadi, 2009)

19 SORGO Sorghum bicolor(l.) Moench Fonte de três de matérias-primas para a produção de etanol

20 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO Efectuou-se revisão bibliográfica Identificaram-se os efeitos dos pré-tratamentos: Matriz lenho-celulósica Hidrólise enzimática Resultados fermentação

21 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Explosão a Vapor mais utilizado entre os pré-tratamentos físico-químicos da biomassa lenhocelulósica Biomassa sujeita a vapor pressurizado Despressurização repentina causa separação das fibras Hidrólise e solubilização da hemicelulose Redistribuição da lenhina

22 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Explosão a Vapor

23 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Alcalino Remove a hemicelulose e a lenhina da biomassa Remove o grupo acetil e os vários ácidos urónicos da hemicelulose Utiliza temperaturas e pressões mais baixas que outras tecnologias de pré-tratamento

24 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Alcalino

25 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Ácido Método mais aplicado entre os prétratamentos químicos Tempos de reacção rápidos Também pode ser utilizado como método de hidrólise Remove quase 100% da hemicelulose Possibilidade de recuperar açúcares dissolvidos da hemicelulose Quebra da lenhina

26 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Ácido

27 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Água Líquida Sobreaquecida (ALS) Utiliza pressão para manter a água em estado líquido, e a temperaturas elevadas Solubiliza principalmente a hemicelulose Não exige a aplicação de produtos químicos Não exige redução prévia do tamanho da biomassa

28 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO Água Líquida Sobreaquecida (ALS)

29 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO AFEX Exposição dos materiais lenho-celulósicos a amoníaco líquido a elevada temperatura e pressão Despressurização repentina causa expansão do gás e ruptura das fibras Produz apenas um material sólido prétratado Modifica ou remove eficientemente a fracção de lenhina Fracção de celulose e hemicelulose permanecem intactas

30 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO AFEX Sem lavagem Após lavagem (Li et al., 2010)

31 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO EFEITOS DO PRÉ-TRATAMENTO NA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA

32 VALORIZAÇÃO DOS RESÍDUOS LENHO-CELULÓSICOS DE SORGO SACARINO FERMENTAÇÃO

33 CONCLUSÕES O Sorgo Sacarino apresenta vantagens como cultura energética. Cultura com boa adaptabilidade ao clima mediterrânico. Produção de bioetanol a partir de materiais lenho-celulósicos apresenta ainda desafios técnico-económicos. A escolha do tipo de pré-tratamento é determinante para os processos a jusante.

34 CONCLUSÕES Conversão de 98,7% de celulose em glicose. Recuperação total de açúcares (glicose e xilose) de 90% após prétratamento com Água Líquida Sobreaquecida. Melhor produtividade de produção de etanol de 97%, após prétratamento com AFEX, com co-fermentação da glicose e xilose com um único microrganismo (S. cerevisiae 424A).

35 CONCLUSÕES LINHAS DE INVESTIGAÇÃO FUTURAS: Fermentação com um único microrganismo, seguida de prétratamento com ALS e hidrólise enzimática (P. ex.: S. cerevisiae 424A). Fermentação com outros microrganismos capazes de fermentar pentoses e hexoses. Ensaiar diferentes variedades de sorgo sacarino para a produção de bioetanol.

36 OBRIGADO!