Biorefinarias (conceitos de uso integrado da biomassa vegetal)

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1 Biorefinarias (conceitos de uso integrado da biomassa vegetal) O problema HemCel:Cel:Lig HemCel:Cel:Lig Seria relativamente fácil e simples Mais difícil e não há plena separação dos componentes A solução:???? Há uma infinidade de processos (planejados, algumas vezes testados e poucas vezes demonstrados em escala ampliada) que propõem vias de fracionamento

2 Definição do NREL para biorrefinarias A biorefinery is a facility that integrates biomass conversion processes and equipment to produce fuels, power, and chemicals from biomass. The biorefinery concept is analogous to today's petroleum refineries, which produce multiple fuels and products from petroleum. Industrial biorefineries have been identified as the most promising route to the creation of a new domestic biobased industry. By producing multiple products, a biorefinery can take advantage of the differences in biomass components and intermediates and maximize the value derived from the biomass feedstock. A biorefinery might, for example, produce one or several low-volume, but highvalue, chemical products and a low-value, but high-volume liquid transportation fuel, while generating electricity and process heat for its own use and perhaps enough for sale of electricity. The high-value products enhance profitability, the high-volume fuel helps meet national energy needs, and the power production reduces costs and avoids greenhouse-gas emissions.

3 Soluções usadas em escala industrial ou escala ampliada Polpação kraft (produz celulose/hemicelulose polimérica na forma de fibras, além de vapor/eletricidade para uso próprio e excedente) - A celulose é recuperada com rendimento elevado; - Há perda significativa das polioses na forma polimérica; - A lignina é recuperada na forma quebrada e dissolvida. Para ser usada na geração de calor, demanda concentração até cerca de 60-70% de sólidos

4 Componente (% do inicial) Biorefinaria associada com o proceso kraft >> maximizar a utilização dos componentes Parte importante da hemicelulose é perdida no processo lignina glucana xilana grupos acetila Tempo de reação (h) Dissolução dos principais componenmtes durante um processo de polpação kraft (Gomide e Almeida, Proc. BSCLWC 2001)

5 Alternativa para recuperar hemicelulose perdida Remover a parte lábil por hidrólise ácida branda ou dissolução em meio alcalino, antes de iniciar o processo de polpação kraft. O licor contendo as frações de hemicelulose dissolvida pode ser destinado a processos de bioconversão, por exemplo

6 Exemplo com Eucalipto e autohidrólise

7 Exemplo com Eucalipto: autohidrólise seguida de polpação kraft

8 Exemplo com Eucalipto: autohidrólise seguida de polpação kraft Polpa aplicável somente para o processo de obtenção de derivados de celulose

9 Água quente (autohidrólise)

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11 Dissolução dos componentes na etapa de autohidrólise

12 Fermentação dos açúcares monoméricos à ácido lático

13 Outra abordagem de biorrefinaria dentro do processo kraft Recuperar a lignina na forma sólida (usualmente por precipitação em meio ácido) Visa minimizar o gasto energético necessário nas etapas de concentração do licor, além de proporcionar o desafogamento das indústrias na etapa de recuperação Lignoboost process Inventia, Sweden Lignina

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21 HHV high heating value LHV low heating value

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25 Lignina como fonte de energia na calcinação no lugar de combustível fóssil Mesma qualidade como fonte de CaO

26 Produção de açúcar e álcool (e eletricidade) (produz açúcar estocado nas células de parênquima da planta, além de etanol por fermentação de sacarose. Eletrecidade é produzida numa termoelétrica abastecida por bagaço da cana) Diversidade celular em cana de açúcar (material mais complexo para o processamento) - Uma alternativa nessa indústria é produzir fibras (celulose/hemicelulose) a partir do bagaço pelo processo kraft ou soda - Outra alternativa é o fracionamento da biomassa lignificada do bagaço para produção de diversos insumos dentro de um conceito de biorrefinaria.

27 Pré-tratamento em meio ácido, autohidrólise, ou explosão a vapor - O objetivo básico nesses sistemas é remover a hemicelulose seletivamente a partir de um processo de hidrólise branda. O licor gerado contém os monômeros ou oligômeros oriundos da hemicelulose. O resíduo sólido, contendo celulose e lignina, pode ser fracionado por deslignificação alcalina.

28 Planta piloto comercializada pela Stake Technologies - Canada

29 Matrizes encontradas na literatura (muitas vezes hipotéticas) Etanol do milho

30 Etanol de lignocelulósicos Geração de biogás

31 Pré-extração em meio ácido (Hemicellulose, Celulose, Lignina)

32 Pré-extração em meio alcalino

33 Pré-extração em meio álcalino com etapa de branqueamento

34 Pré-extração em meio ácido Seguido de separação dos extrativos

35 Biorefinaria hipotética acoplada à produção de polpas celulósicas

36 Exemplo de artigo com avaliação detalhada de uma matriz de biorrefinaria acoplada com polpação kraft

37 M&M 1. Wood: 42.5% glucan, 23.6% xylan, 6.3% acid soluble lignin, 14.3% acid insoluble lignin, 5.0% extractives, and 7.0% acetate 2. Wood chips (100 g based on dry wood) and steamed at 110 C for 10 min, then reweighed to measure water content inside the reactor. After steaming, make up water plus white liquor with a composition according to Table 1 or water alone were added to achieve a liquid to wood (L/W) ratio of 3:1. 3. Extraction temperatures C with hold times of 20-60

38 Results of screening xylan extractions where xylose concentrations presented are after a secondary hydrolysis of the extracted liquid. The conditions chosen for further study are highlighted; effective alkali (EA), white liquor (WL), not determined (n.d.). Yield% Xylan as xylose (g/l) Final ph

39 Relation between total solids extracted and recovered xylan (A) final ph (B), and acetate solubilized (C) for water and white liquor (WL) extractions

40 Correlation between H-factor and final K-number in the pulping step

41 água

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43 Enzymatic hydrolysis of hot water-extracted xylan (A) and its fermentation to succinate by metabolically engineered E. coli AFP 184 (B).

44 Rotas termoquímicas e bioquímicas comparadas C + H 2 O CO + H 2 H 298 = 323,1 kj/mol C + O 2 CO 2 H 298 = -394 kj/mol CO 2 + C 2CO H 298 = 282,1 kj/mol

45 Processo de Fischer-Tropsch Para uma refinaria de biomassa, a pirólise deveria maximizar CO e H 2 A reação depende de catalisadores de cobalto ou ferro. Para um bom rendimento se requer alta pressão (tipicamente bar) e temperatura ( C).

46 Rotas termoquímicas e bioquímicas comparadas

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