Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar

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1 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Prof. Dr. Antonio Aprigio da Silva Curvelo Instítuto de Química de São Carlos - USP Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol - CNPEM

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3 Sumário q Objetivos q Processamento da Cana-de-açúcar: Produtos e Subprodutos q Processamento da Madeira (Kraft): Produtos e Subprodutos q Processamento de Bagaço de Cana-de-açúcar: Kraft / Organossolve q Relação Matéria-prima/Processo/Produto/Subproduto q Biorrefinaria Integrada (1ª e 2ª Gerações): Matéria-prima e Produtos q Considerações Finais

4 Objetivos Escola Brasileira de Química Verde: Fórum de Discussões Química Verde / Biomassa Lignocelulósica: P&D&I Processamento da Cana-de-açúcar Processamento da Madeira (Celulose e Papel) Matéria-prima e Processo definindo Produto e Subproduto Utilização integral da Matéria-prima Lignocelulósica

5 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Usina de Açúcar e Álcool: Produtos e Subprodutos Colmos, Folhas e Ponteira

6 Processamento da Cana-de-açúcar: Produtos e Subprodutos Colmo integral: Moagem Caldo Açúcar e Etanol Bagaço de Cana-de-açúcar: Cogeração (Calor / Vapor e Energia Elétrica) Folhas / Palha: Permanece (em parte) no campo Torta de filtro: Volta ao campo Vinhaça: Volta ao campo Cinzas: Volta ao campo

7 Processamento da Madeira (Processo Kraft): Produtos e Subprodutos Produção Brasileira de Celulose (2015): ~ 18 x 10 6 Toneladas Cotação (2016): Fibra curta Branq. ~ US$700/ton Piotto (2003)

8 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Processamento da Madeira (Processo Kraft): Produtos e Subprodutos MADEIRA Hidrólise ácida XILANAS MADEIRA Deslignificação LICOR NEGRO Deslignificação Branqueamento Caldeira de Recuperação Branqueamento POLPA (DISSOLUÇÃO) POLPA (PAPEL)

9 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Processamento da Madeira (Processo Kraft): Produtos e Subprodutos Adequação de Processo Diversificação de Produtos MADEIRA Deslignificação LICOR NEGRO Precipitação (parcial) LIGNINAS Branqueamento POLPA (PAPEL) Caldeira de Recuperação Extração XILANAS POLPA (DISSOLUÇÃO) POLPA CELULÓSICA Refino Intensivo Hidrólise CELULOSE NANOFIBRILADA CELULOSE NANOCRISTAIS

10 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Processamento de Bagaço de Cana-de-açúcar: Processo Kraft Aproveitamento de Tecnologia Adequação de Processo BAGAÇO Deslignificação LICOR NEGRO Precipitação (parcial) LIGNINAS Branqueamento Caldeira de Recuperação Extração XILANAS POLPA CELULÓSICA Hidrólise Ácida/Enzimática GLICOSE

11 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Processamento de Bagaço de Cana-de-açúcar: Processo Organossolve Aproveitamento de Tecnologia Adequação de Processo Água (T, t) Cana-de-açúcar Etanol / Água (T, t) bagaço / palha Celulose e Lignina Hemiceluloses (Solução aquosa) Celulose Hemiceluloses e Lignina (Solução Etanol/água) Etanol / Água (T, t) Celulose Lignina Destilação Lignina (Solução Etanol / água) Destilação Hemiceluloses (Solução aquosa)

12 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Subprodutos = f (Processo, Produto) MATÉRIA-PRIMA Processos ETANOL + SUBPRODUTOS BAGAÇO Processo CELULOSE + Hemiceluloses Ligninas Hidrólise Ácida e/ou Enzimática GLICOSE Hidrólise Enzimática: Processo deve evitar redução da eficiência enzimática Hidrólise Ácida: Processo deve evitar redução da eficiência da etapa de fermentação Subprodutos: Hemiceluloses e Lignina

13 Processos de Extração, Deslignificação e Sacarificação Extração Deslignificação Sacarificação Celulose Polioses Ligninas Extrativos Glicose

14 Xilanas, Xilose, Xilitol, Furfural e derivados do Furfural Fig. 18 A selection of monomers derived from F. Gandini, A., Green Chemistry 2011

15 Derivados de Ligninas Micromolecular utilization Phenols; Vanilin; Aromatic compounds Lignin Molecule Quasi-direct utilization Dispersants; Emulsifiers; Lignosulfonates Macromolecular utilization flexible matrix Macromonomers; Polyesters; Polyurethanes: Thermoset resins Granit SA, 1991

16 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Subprodutos = f (Matéria-prima, Processo) MATÉRIA-PRIMA Processos BLOCOS QUÍMICOS + SUBPRODUTOS BAGAÇO Processo 1 CELULOSE + Hemiceluloses Ligninas Processo 2 PRODUTO BAGAÇO Processo 2 PRODUTO + SUBPRODUTOS GLICOSE Processo 2 PRODUTO + SUBPRODUTOS Produto Cana-de-açúcar Bagaço Polpa Glicose Rendimento (%)

17 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Subprodutos = f (Matéria-prima, Processo) MATÉRIA-PRIMA Processos BLOCOS QUÍMICOS + SUBPRODUTOS BAGAÇO Processo 1 LIGNINA + Celulose Hemiceluloses Processo 3 PRODUTO BAGAÇO Processo 3 PRODUTO + SUBPRODUTOS Produto Cana-de-açúcar Bagaço Lignina Rendimento (%) 4,0 2,1

18 A nascente indústria de Etanol 2G deve se associar com a indústria de Etanol 1G (consolidada)? Figura 2. Fluxograma de produção de etanol reunindo a 1 a e a 2ª gerações. (C5 representam pentoses principalmente xilose e C6 representa glicose)

19 A Cana-de-açúcar na Biorrefinaria Integrada (1ª e 2 a Gerações) Colmo integral: Moagem Caldo Açúcar e Etanol Bagaço de Cana-de-açúcar: Cogeração Folhas / Palha: Campo Torta de filtro: Volta ao campo Vinhaça: Volta ao campo Cinzas: Volta ao campo Bagaço de Cana-de-açúcar: Pré-tratamento Etanol HMF e derivados Folhas / Palha: Pré-tratamento Etanol Licor contendo Xilanas / Xilose: Etanol (?) Xilitol Furfural e derivados Licor contendo Ligninas: Fenóis (?) Vanilina (?) Cogeração

20 Considerações Finais Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø O status de Subproduto não é definitivo; A escolha de um Produto/Processo deve considerar o Subproduto gerado; O gargalo de um processo pode ser o próprio processo; Relações Matéria-prima / Processos / Produtos / Subprodutos; Biorrefinaria: Fracionamento e Diversificação; Utilização integral da Biomassa Lignocelulósica; Integração dos Processos (Biorrefinaria) de 1ª e 2ª Gerações; Ø Ø Ø Pesquisa Básica e Aplicada Necessidade de Abordagem Multidisciplinar Processos devem considerar a cultura da empresa

21 Valorização de subprodutos do processamento da Cana-de-açúcar Agradecimentos aos Estudantes, Colaboradores e

22 Pré-tratamentos na Biorrefinaria de 2 a Geração Physical effects of pretreatments. Native lignocellulose (top left), with cellulose fibrils (blue) embedded in a matrix of hemicelluloses (yellow) and lignin (brown). Delignification reveals large pores, while the hemicelluloses supports the fibril network. Autohydrolysis reveals cellulose surface, but accessibility is limited by lignin. Subsequent delignification leads to collapse of the network. (Ville Pihlajaniemia et al, Green Chem, 2015)