Aspectos da conversão de biomassas vegetais em Etanol 2G. Prof. Dr. Bruno Chaboli Gambarato

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1 Aspectos da conversão de biomassas vegetais em Etanol 2G Prof. Dr. Bruno Chaboli Gambarato Lorena 2016

2 Oferta Interna de Energia no Brasil ( ) Fonte: Ministério de Minas e Energia (2016)

3 Uso de combustíveis fósseis Impacto no ciclo do carbono Aumento na taxa de emissão gera impacto de 2ª ordem na cinética do ciclo do carbono Migração para uma economia baseada em recursos sustentáveis Fonte: Ministério de Minas e Energia (2016)

4 Etanol Combustível produzido a partir da fermentação de açúcares Brasil figura entre os maiores produtores mundiais Cana-de-açúcar é a principal matéria-prima provedora de açúcares Saccharomyces cereviseae Safra 2015/ milhões de toneladas de cana 33 milhões de toneladas de açúcar 30 milhões de m³ de etanol

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6 Cana 666 milhões de toneladas ( ) Caldo Bagaço Palha 33,8 milhões de toneladas Açúcar Etanol 30,2 milhões de m³ Energia Etanol 2G Produtos Fonte: UNICA, 2016

7 Fonte: Ministério de Minas e Energia (2016)

8 Cana Moagem Bagaço Caldeiras Tratamento Químico Filtração Torta de filtro Evaporação Fermentação Cozimento Destilação Vinhaça Centrifugação Retificação Secagem Açúcar Etanol hidratado Retificação Etanol anidro

9 Fermentação Alcoólica

10 Processamento da biomassa para obtenção de etanol 2G Etanol Fermentação Biomassa Vegetal Etapas de separação (Pré-tratamentos) Celulose Hemiceluloses Lignina Hidrólise Açúcares Biomassas vegetais: Bagaço de cana Palha de cana Palha de milho Palha de trigo Energia Etapas Físicas e Químicas

11 Componentes da biomassa vegetal Celulose Polímero de β-d-glicose Fibra muito resistente; Principal componente da parede celular vegetal Cristalinidade das cadeias - Alta resistência química e mecânica

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13 O Hemiceluloses Formadas por diversos açúcares (xilose, arabinose, manose, glicose, etc); Cadeia amorfa; Facilmente hidrolisável; Fonte de pentoses; A c ( 4 - M e )- G l c A 1 A c A c ( 4 - M e )- G l c A 1 A c X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l L i g n i n a A r a D - A r a A r a D - A r a L i g n i n a - F A - - A r a D 2 D F A c F F A A r a A A r a A A r a A r a X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l - - X y l A c A c A c 1 A c ( 4 - M e )- G l c A

14 Lignina Macromolécula polifenólica Responsável pela resistência mecânica e pela proteção contra ataques de microrganismos OCH3 OH Estrutura bastante complexa Alto teor de carbono (~60%) Elevado poder calorífico HO H 3 C H3C H3CO O 2 OH O OCH3 3 OCH3 H3CO OCH3 O Xil Xil Xil HO O OH HO 4 5 O O OH 7 6 OCH3 OCH3 O OH O Xil Xil Xil HO 1 OCH3 H3CO HO 8 O CHO OH HO OH 9 H3CO 10 OH OCH3 A maior parte dos pré-tratamentos tem foco nas reações com a lignina O O Xil Xil Xil H3CO HOH2C OH

15 Material Bagaço de cana Palha de cana Celulose % % Hemiceluloses % % Lignina % % Inorgânicos 1-4 % 3-7 % Extrativos 3-11 % 6-12 %

16 Material %C PCS (MJ.kg -1 ) %C PCS (MJ.kg -1 ) Bagaço de cana 47% 18,06 61% 22,46 Palha de cana 46% 18,1 60% 25,24 Palha de trigo 47% 18,6 57% 21,44 Palha de milho 45% 18,21 55% 22,13

17 Tratamentos aplicados à biomassa vegetal Têm por finalidade a separação das 3 frações macromoleculares principais: Celulose, Hemiceluloses e Lignina.

18 Principais tratamentos aplicados à biomassa vegetal Polpação KRAFT Polpação SODA Tratamento com ácido diluído Explosão a vapor Meio alcalino Meio ácido Etanol:H2O Acetosolv COSLIF Processos Organosolv Polpação mecânica Radiação de alta energia Métodos Físicos

19 Polpação em meio alcalino Objetivo é solubilizar a maior parte da lignina Para isso, usa NaOH, Na 2 S e outras bases fortes Temperaturas elevadas (~ 170 C) Vantagens Polpa celulósica de alta qualidade (elevada remoção de lignina) Processo já estabelecido pela indústria de papel e celulose Desvantagens Efluentes tóxicos Processo de recuperação dos reagentes contém várias etapas

20 Tratamentos em meio ácido Geralmente, utilizam ácido forte diluído (H 2 SO 4 ) Objetivo é hidrolisar a fração hemicelulósica, degradar parte da lignina e tornar a celulose mais acessível Temperaturas de 100 a 190 C Explosão a vapor* Vantagens Obtenção de açúcares hemicelulósicos Bons resultados em combinação com hidrólise enzimática Desvantagens Hidrolisado hemicelulósicos contém compostos inibidores Processo exige etapa posterior de polpação

21 Processos organosolv Utilizam solventes orgânicos para promover a deslignificação Etanol, Ácido acético, Ácido fosfórico, Glicerol; Temperaturas variam de 80 a 190 C; Pode ser catalisado (ácido, básico ou auto) ou não; COSLIF usa mais de um solvente Vantagens Recuperação dos reagentes por destilação Precipitação da lignina ocorre por meio da adição de água Lignina organosolv tem várias aplicações além de conversão em energia Explosão a vapor + Polpação Etanol:H2O tem se mostrado como a melhor alternativa para biomassas brasileiras

22 Fig. 4. Surface images of the untreated sugarcane bagasse obtained by FESEM. (a) general view of a fibre surface, bar scale: 50 μm; (b) flat surface of a fibre showing pits, bar scale: 10 μm and (c) amplification of the surface, bar scale: 2 μm. Fig. 5. Surface images obtained by FESEM on sugarcane bagasse treated with NaOH 0.2 M, under a 320 W microwave power with variable holding times: (a, d, g) 3 min; (b, e, h) 7 min, (c, f, i) 10 min. Three different magnifications with scale bars between 100 μm...

23 Resultado destes tratamentos Material (Polpa) com elevado teor de celulose Licor rico em açúcares hemicelulósicos Hidrólise (Sacarificação) Lignina Açúcares Energia e Produtos

24 Hidrólise Hidrólise ácida Usa ácido diluído e temperaturas elevadas (> 105 C) Rendimento menor devido a formação de subprodutos tóxicos Etapas de destoxificação Hidrólise enzimática Utiliza enzimas (β-glicosidades) e temperaturas brandas Maior rendimento Não há geração de subprodutos tóxicos Processo mais caro (?) Hidrólise enzimática contribui mais para o objetivo de produzir mais etanol por hectare e dispensa pré-tratamentos complexos

25 Considerações Finais Desafios para a viabilização da produção de etanol 2G Economia gerada pela maior produção por hectare Custo do processamento da biomassa Balanço energético Qual o papel da Lignina nesse processo?

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