PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS INSERIDA NO CONTEXTO DE BIORREFINARIA 2G

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE QUÍMICA Núcleo de Biocombustíveis, de Petróleo e de seus Derivados Laboratórios de Desenvolvimento de Bioprocessos PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS INSERIDA NO CONTEXTO DE BIORREFINARIA 2G Nei Pereira Jr., PhD Professor Titular nei@eq.ufrj.br LADEBIO-EQ/UFRJ website:

2 Thanks to fundamental advances in genetics, BIOTECHNOLOGY will define scientific progress in the 21st Century. It is all happening faster than anyone expected Businessweek, march 10th. 1997

3 Valorização Biotecnológica de Resíduos Agrícolas; Agroindustriais; Urbanos e Florestais no Contexto de BIORREFINARIA 2G Projetos em desenvolvimento RESÍDUOS: BAGAÇO E PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR RESÍDUOS DO PROCESSAMENTO DO MILHO TORTA DE MAMONA RESÍDUOS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE RESÍDUO DA EXTRAÇÃO DO ÓLEO DE PALMA RESÍDUOS URBANOS BASEADOS EM CELULOSE BAGAÇO DE SORGO (Sorghym bicolor) APROVEITAMENTO INTEGRAL DO Arundo donax MELAÇO VINHOTO Produtos-alvo: ETANOL BUTANODIOL XILITOL ÁCIDO SUCCÍNICO ÁCIDO PROPIÔNICO ÁCIDO LÁTICO ACETONA-BUTANOL-ETANOL XILANASES CELULASES FRUTOSE HMF POLÍMEROS VERDES FIBRA DE CARBONO 40 Dissertações de MSc; 19 Teses de DSc e 05 Projetos de Pós-Doc Parceiros/Financiadores: PETROBRAS; ANP; FAPERJ; CNPq; DBMol/UNB; CAM/UFAM; LC/USP; IQ/UFRJ; IM/UFRJ; GreenTech/UFRJ; ICB/UFRJ; FIBRIA/ARACRUZ; BRASKEM; PEQ-COPPE/UFRJ; INETI/PT and INCT-BIOETANOL.

4 MUDANÇA DE PARADIGMA REPENSAR NOSSA MATRIZ ENERGÉTICA E FONTES DE MATÉRIAS-PRIMAS BUSCAR POR FONTES RENOVÁVEIS E ALTERNATIVAS MENOS POLUIDORAS DIVERSIFICAR O USO DESSAS FONTES REDUZIR A DEPENDÊNCIA POR FONTES FÓSSEIS

5 Oferta de Energia no Brasil (2010) e no Mundo (2009) Demanda cresce a uma taxa de 2,5%/ano 80% FÓSSEIS vs 13% RENOVÁVEIS 54% FÓSSEIS vs 45% RENOVÁVEIS Fontes: MME (2011) e IEA (2010).

6 Oferta de Energia no Brasil (2010) e no Mundo (2009) Demanda cresce a uma taxa de 2,5%/ano O BRASIL POSSUI UMA DAS MATRIZES ENERGÉTICAS MAIS LIMPAS DO MUNDO E NOTÓRIA VOCAÇÃO PARA DESENVOLVIMENTOS NA ÁREA DE ENERGIA RENOVÁVEL E DE CONVERSÃO DE BIOMASSA

7 CELULOSE CO 2 AÇÚCAR ÁGUA LUZ O QUE É BIOMASSA E POR QUE UTILIZÁ-LA EM SUBSTITUIÇÃO E/OU ASSOCIAÇÃO ÀS FONTES FOSSEIS? AMIDO O 2 MATERIAL ORGÂNICO oriundo de fontes vegetais ou animais; Direta ou indiretamente formada pelo PROCESSO DA FOTOSSÍNTESE; MATERIAL RENOVÁVEL. Biomassa Vegetal Biomassa Natural Biomassa Alimentícia Biomassa Energética Biomassa Residual

8 INTERMEDIÁRIOS DA BIOMASSA VEGETAL PARA A PLATAFORMA BIOQUÍMICA DA BIORREFINARIA SACARÍNEAS AMILÁCEAS LIGNOCELULÓSICAS SACAROSE AMIDO CELULOSE HEMICELULOSE FRUTOSE GLICOSE XILOSE MANOSE GALACTOSE ARABINOSE INTERMEDIÁRIOS PARA A PLATAFORMA BIOQUÍMICA DA BIORREFINARIA

9 O Contexto Brasileiro Candidata atraente como fonte alternativa ao petróleo: B I O M A S S A Única fonte abundante de carbono renovável; Matéria-prima para Biorrefinarias; Baixas pegadas de carbono quando comparadas ao Petróleo; Está domesticamente disponível.

10 CONSUMO APARENTE DE ETANOL E GASOLINA NO BRASIL Combustível Consumo Aparente (mil m 3 ) Gasolina C Gasolina A Etanol Anidro Etanol Hidratado Etanol Total Fonte: ANP (2012). A gasolina tipo A é a gasolina produzida pelas refinarias ou petroquímicas, que não contém álcool. A gasolina tipo C é a gasolina comercializada nos postos de serviços, e que recebe a adição de álcool anidro nas Distribuidoras, no percentual determinado pela legislação federal. (site da Petrobras) DESTINAÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA Safra Destinação da Cana (%) Etanol Açúcar 2009/ / / Fonte: CONAB (2012).

11 USO DA TERRA E ÁREA DISPONÍVEL SEM IMPACTO NO BRASIL Cultivos/Atividades/Tipo de Área Área (milhões ha) Cana 7 Soja 20 9,1% da área cultivada e 1% da área total do país Milho 13 Floresta plantada 6,6 Pecuária 210 Área disponível sem impacto X a área ocupada pela cana Área cultivada para atividades agrícolas 76,7 Brasil área total 855 Correspondente a 4-5 x área total da Grã-Bretanha ( 24 milhões ha) Fonte: acesso em 03/02/2012.

12 Produção de Etanol Bilhões de litros Produção Brasileira e Norte-Americana de Etanol de 1 a Geração (juntos 90% da produção mundial) Produção 2011: (bilhões de litros) USA: 52,6 Brasil: 27,6 Brasil USA Fonte: LMC International (2009); SINDAÇUCAR & SIAMIG (2010); Nastari (2011); MDIC (2012); RFA Renewable Fuels Association (2012).

13 IMPACTO DAS INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NA PRODUTIVIDADE DO ETANOL BRASILEIRO Período/Fase/Estágio Fase inicial do Proálcool: baixas eficiências no processo industrial e na produção agrícola Consolidação do Proálcool: as produtividades agrícola e a industrial aumentam significativamente Processo de produção de etanol operando com a melhor tecnologia disponível Primeiro estágio de otimização dos processos Segundo estágio de otimização dos processos Terceiro estágio de otimização dos processos (incorporação Etanol 2G) (*) Fonte: adaptado de Nogueira (2010) Agrícola (t cana/ha) Produtividade Industrial (L etanol/t cana) Agroindustrial (L etanol/ha) , , (*) considerando que a geração de energia venha da queima da palha ou da lignina, em substituição ao bagaço, aumentando-se o seu excedente para incorporação na produção de ETANOL 2G

14 ETANOL E SUAS DIFERENTES GERAÇÕES ETANOL DE 1 a GERAÇÃO CALDO DE CANA & GRÃOS/CEREAIS TECNOLOGIAS MADURAS Energia vs Alimentos. ETANOL DE 2 a GERAÇÃO BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA TECNOLOGIAS EMERGENTES (EM CRESCIMENTO) Não compete com a produção de alimentos. ETANOL DE 3 a GERAÇÃO BIOMASSA ALGAL TECNOLOGIAS PORTADORAS DE FUTURO Crescimento mais rápido do que culturas terrestres; Não compete com culturas agrícolas.

15 O que são BIORREFINARIAS? ESTRUTURAS DE BIORREFINARIAS BIORREFINARIAS são similares às refinarias de petróleo em conceito; no entanto estas concepções tecnológicas utilizam BIOMASSA (em oposição ao petróleo e outras fontes fósseis) para produzir COMBUSTÍVEIS para TRANSPORTE, uma variedade de SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS e ENERGIA. Biorrefinaria baseada em Carboidratos (Sugar Biorefinery) Biorrefinaria baseada em Lipídeos (Lipids Biorefinery) Biorrefinaria baseada em Biomassa Lignocelulósica (Lignocellulosic Biorefinery) BIORREFINARIAS INDUSTRIAIS têm sido identificadas como as rotas mais promissoras para a criação e uma nova indústria baseada em fontes renováveis. RESERVAS VEGETAIS VEGETAL ESTRUTURA VEGETAL Estrutura simplificada de uma Concepção de BIORREFINARIA INTEGRAL (Whole Crop Biorefinery) AÇÚCARES amido, sacarose... LIPÍDIOS LIGNOCELULOSE Pré-tratamento Celulose Hemicelulose Lignina BIOTECNOLOGIA, QUÍMICA VERDE PRODUTOS DE INTERESSE INDUSTRIAL Fonte: Thomas & Octave (2009)

16 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO ATRAVÉS DO CONCEITO DE BIORREFINARIA 2G ATRAVÉS DAS PLATAFORMAS BIOQUÍMICA E TERMOQUÍMICA Fonte: Schilitter & Pereira Jr. (2008).

17 Benefícios de Tecnologias de Conversão de Biomassa Lignocelulósica para Desenvolvimentos em Biorrefinaria 2G Fontes abundantes e baratas de recursos renováveis; Geração não compete com o uso da terra para a produção de alimentos; Não há necessidade de expansão das fronteiras agrícolas para a produção de matéria-prima; Oportunidade para o desenvolvimento industrial com base no conceito de BIORREFINARIA; Redução nas emissões gasosas que causam o efeito estufa ; São tecnologias mais limpas; Promovem benefícios macroeconômicos para as comunidades rurais e para a Sociedade como um todo; Estão inseridas no contexto de Desenvolvimento Sustentável.

18 BIOMASSA LC PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS E OUTRAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA

19 PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS E OUTRAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA O 2 + Energia GAS DE SÍNTESE CO + H 2 PROCESSO QUÍMICO Fischer-Tropsch PLATAFORMA TERMOQUÍMICA COMBUSTÍVEIS VERDES Diesel; Gasolina; Querosene etc BIOMASSA LC ENZIMAS celulases GLICOSE MICRORGANISMOS PROCESSO BIOQUÍMICO BIOCOMBUSTÍVEIS & PRODUTOS QUÍMICOS & BIOMATERIAIS PLATAFORMA BIOQUÍMICA + CO 2 Fischer-Tropsch (1920) é uma reação química catalisada na qual monóxido de carbono e hidrogênio (gás de síntese) são convertidos a hidrocarbonetos líquidos de várias formas (Diesel, Gasoline, Kerosene e Lubricants). (2n+1)H 2 + nco C n H (2n+2) + n H 2 O

20 PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS E OUTRAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA O 2 + Energia GAS DE SÍNTESE CO + H 2 PROCESSO QUÍMICO Fischer-Tropsch PLATAFORMA TERMOQUÍMICA COMBUSTÍVEIS VERDES Diesel; Gasolina; Querosene etc BIOMASSA LC ENZIMAS celulases GLICOSE ENZIMA isomerase MICRORGANISMOS PROCESSO BIOQUÍMICO BIOCOMBUSTÍVEIS & PRODUTOS QUÍMICOS & BIOMATERIAIS PLATAFORMA BIOQUÍMICA PROCESSO HÍBRIDO + CO 2 FRUTOSE CATÁLISE ÁCIDA HMF HIDROGENÓLISE (H 2 ) DMF

21 PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS E OUTRAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA O 2 + Energia GAS DE SÍNTESE CO + H 2 PROCESSO QUÍMICO Fischer-Tropsch PLATAFORMA TERMOQUÍMICA COMBUSTÍVEIS VERDES Diesel; Gasolina; Querosene etc BIOMASSA LC ENZIMAS celulases GLICOSE ENZIMA isomerase MICRORGANISMOS PROCESSO BIOQUÍMICO PLATAFORMA BIOQUÍMICA PROCESSO HÍBRIDO BIOCOMBUSTÍVEIS & PRODUTOS QUÍMICOS & BIOMATERIAIS FDCA + CO 2 FRUTOSE CATÁLISE ÁCIDA HMF OXIDAÇÃO POLIMERIZAÇÃO POLÍMEROS FURÂNICOS

22 12 Building Block Chemicals That Can Be Produced From Sugars Via Biological or Chemical Conversions The circled derivatives are those in commercial use and produced in commodity-scale volume today. A dashed line indicates a lack of knowledge about how to undertake the proposed pathway. The team attempted to identify most of the derivative pathways that could be replacements for petrochemically-derived compounds and for novel compounds that have growth potential. Taken together the number of potential pathways and associated technical barriers for each star are an indication of the value of the candidate as a building block. Source: Top Value Added Chemicals From Biomass. Produced by Staff at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) and the National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2005.

23 Composição de Alguns Resíduos Lignocelulósicos Sabugo de Milho Palha de Trigo Palha de Arroz Bagaço de Cana Semente de Algodão Jornal Resíduos Urbanos CARBOIDRATOS (%) GLICOSE 39,0 36,6 41,0 38,1 20,0 64,4 40,0 MANOSE 0,3 0,8 1,8 n.d. 4,1 16,6 8,0 GALACTOSE 0,8 4,4 0,4 1,1 0,1 n.d. n.d. XILOSE 14,8 19,2 14,8 24,3 4,6 4,6 14,0 ARABINOSE 4,2 4,4 4,5 4,5 4,3 0,5 4,0 NÃO-CARBOIDRATOS (%) Lignina 15,1 14,5 9,9 18,4 17,6 21,0 20,0 Cinzas 4,3 9,6 4,4 4,8 14,8 0,4 1,0 Proteínas 4,0 4,0 n.d. 4,0 4,0 n.d. n.d. Fonte: Lee (1997) ~ 70% carboidratos

24 O Complexo Lignocelulósico Composição Básica: CELULOSE (40-60%) HEMICELULOSE (20-40%) LIGNINA (10-25%) CELULOSE: homopolissacarídeo constituído por unidades de GLICOSE [ -(1 4)-D-glucopiranose]. A unidade que se repete é CELOBIOSE. HEMICELULOSE: heteropolissacarídeo composto de pentoses e hexoses (XILOSE, GLICOSE, MANOSE, ARABINOSE e GALACTOSE), assim como ácidos orgânicos (glucurônico and acético). LIGNINA: macromolécula constituída por álcoois aromáticos (coumarílico, trans-coniferílico e sinapílico).

25 Principais Diferenças entre CELULOSE e HEMICELULOSE CELULOSE Homopolisscarídeo composto por unidades de GLICOSE Alto grau de polimerização (2.000 a ) Produz arranjo fibroso Apresenta regiões cristalinas e amorfas Hidrolisada lentamente por ácidos inorgânicos diluídos a altas temperaturas É insolúvel em álcalis HEMICELULOSE Heteropolissacarídeo composto por várias unidades de PENTOSES and HEXOSES Baixo grau de polimerização (50 a 300) Não produz arranjo fibroso Apresenta somente regiões amorfas Atacada rapidamente por ácidos inorgânicos diluídos a altas temperaturas É solúvel em álcalis Modelo do complexo lignocelulósico mostrando o efeito geral do ph na solubilização da HEMICELLULOSE and LIGNIN (A) Parede celular não tratada, e (B) Parede celular durante o pré-tratamento. Celulose pode também ser degradada sob condições ácidas extremas, que não está mostrada na representação esquemática. Fontes: Mosier et al. (2005); Pereira Jr. et al (2008) e Pedersen and Meyer (2010).

26 FRACIONAMENTO DA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PARA UTILIZAÇÃO NA PLATAFORMA BIOQUÍMICA PRÉ-TRATAMENTO (PRÉ-HIDRÓLISE/AUTO-HIDRÓLISE) GLICOSE H + (HIDRÓLISE) LIGNINA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA HEMICELULOSE (PENTOSES + HEXOSES) OH - ou solventes orgânicos (DESLIGNIFICAÇÃO) LIGNINA CELULOSE + LIGNINA SOLÚVEL (CELULIGNINA) CELULOSE Hidrólise Enzimática Inibidores de Processos Fermentativos GLICOSE TENDÊNCIA

27 Pré-tratamento da Biomassa Lignocelulósica Objetiva desorganizar o complexo lignocelulósico, resultando no aumento da DIGESTIBILIDADE DA CELULOSE (maior acessibilidade das enzimas às moléculas de celulose) Lignina Celulose Pré-tratamento PT Bagaço de Cana in nature Hemicelulose Celulignina de Bagaço de Cana Microscopia Eletrônica de Varredura

28 ASPECTOS RELEVANTES DO PRÉ-TRATAMENTO NÃO HÁ UM PRÉ-TRATAMENTO UNIVERSAL; A escolha do pré-tratamento será dependente principalmente da DESTINAÇÃO que se pretende dar a biomassa lignocelulósica; Na maioria dos casos, PROCESSOS TÉRMICOS são necessários e deve-se avaliar o SINERGISMO existente entre as variáveis de processo envolvidas; Se a decisão for a utilização de toda a porção CARBOIDRATO, o prétratamento deverá estar associado a um PROCESSO DE HIDRÓLISE DA HEMICELULOSE, cujo hidrolisado, por sua vez, deve ser prontamente fermentável por microorganismo com atividade preparatória; É essencial a redução prévia da recalcitrância da biomassa para que seja eficientemente atacada por enzimas. A composição do material sólido prétratado torna-se MAIS SUSCETÍVEL À HIDRÓLISE ENZIMÁTICA por celulases (AUMENTO DA DIGESTIBILIDADE DA CELULOSE); Altos RENDIMENTOS EM AÇÚCAR são vitais. O aumento dos rendimentos via otimização do pré-tratamento é uma condição sine qua non para redução dos custos unitários do processo. Os critérios para o sucesso do PRÉ-TRATAMENTO incluem: minimização da degradação da lignina (lignina ácida) e dos carboidratos (compostos furânicos), ser de baixo custos energéticos de capital e incluir a recuperação dos insumos químicos utilizados.

29 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO (para solubilização e/ou hidrólise da HEMICELULOSE) EXPLOSÃO COM VAPOR (requer hidrólise posterior, para utilização da corrente C5) EXPLOSÃO COM VAPOR CATALISADA (pré-tratamento associado à hidrólise) PRÉ-TRATAMENTO COM ÁCIDO DILUÍDO EM CONDIÇÕES MODERADAS (pré-tratamento associado à hidrólise) TERMOHIDRÓLISE (requer hidrólise posterior, para utilização da corrente C5) EXPANSÃO DA FIBRA COM AMÔNIA (requer separação da hemicelulose da lignina)

30 Agentes Químicos Utilizados nos Pré-tratamentos com Foco na Produção de Etanol 2G Água 9,1% Solventes orgânicos 5,6% Oxigênio 9,2% Ácidos 29,7% Desorganização do complexo lignocelulósico Enzimas 32,1% Hidrólise da HEM/CELULOSE Álcalis 14,3% Remoção da lignina Fracionamento/Hidrólise da Hemicelulose e da Celulose Deslignificação Fonte: Schlittler, (2012)

31 Pré-tratamento ácido do Bagaço de Cana - Otimização conjunta (concentração de xilose e eficiência de hidrólise da hemicelulose) 87,5% PRODUTOS DA DEGRADAÇÃO DE XILOSE Fonte: Betancur & Pereira Jr. (2010). Sugar cane bagasse as feedstock for second generation ethanol production. Part I: Diluted acid pretreatment optimization.electronic Journal of Biotechnology.

32 Substâncias que são comumente reportadas como inibidores da atividade metabólica, provenientes do pré-tratamento ácido de materiais lignocelulósicos CELULOSE HEMICELULOSE LIGNINA hidroxi-metil furfural HOH 2 C CHO furfural CHO ácido acético acetaldeído ácido p-hidroxibenzóico ácido m-hidroxibenzóico ácido vanilínico ácido siríngico ácido cinâmico vanilina p-hidroxibenzaldeído siringaldeído álcool coniferílico álcool sinapílico Fonte: Parajó et al. (1998)

33 Por que hidrolisar celulose enzimaticamente? Condições moderadas de pressão, temperatura e ph; Alta especificidade; Eliminação de hidroximetil furfural, dentre outras substâncias tóxicas (derivados da lignina); Baixo consumo de energia; Baixo custo com material de construção dos equipamentos, diferentemente daqueles processo que utilizam a hidrólise ácida. Entretanto, Podem apresentar altos custos de produção; R & D & I

34 CELULASES E AÇÃO SINÉRGICA DO COMPLEXO CELULÁSICO NO PROCESSO HIDROLÍTICO AMORFOGÊNESE da celulose cristalina. Dispersão/tumefação das fibras de celulose NR GH61 e Swoleninas R Hidrólise da cadeia insolúvel (DP>6) Hidrólise de celooligossacarídeos (DP 6) Endoglucanases Celobiohidrolases -glucosidases Glicose Hidrólise de celobiose Fonte: Arantes e Saddler (2010)

35 Concepções Tecnológicas e Integração de Processo na Produção de ETANOL 2G segundo a Plataforma Bioquímica da Biorrefinaria SHF SSF SSCF CBP Pré-tratamento Produção de Celulases Hidrólise da Celulose Fermentação de Glicose (C 6 ) Fermentação de Xilose (C 5 ) Destilação Inibição das celulases por celobiose e glicose concepção mais avançada

36 Processo Híbrido: Fermentação de Gás de Síntese (CO+H 2 ) destilação gaseificação fermentação Via de Wood Ljungdahl Kundiyana, DK et al. (2010). Feasibility of incorporating cotton seed extract in Clostridium strain P11 fermentation medium during synthesis gas fermentation. Bioresource Technology, 101(24),

37 Biorrefinarias 2G em Operação (>100 m 3 /ano) CONTINENTE ESTRATÉGIA América SHF SSF SSCF Blue Fire Ethanol American Process Inc Cargill EMPRESAS AE Biofuels Citrus Energy LLC Blue Sugars Colusa Biomass Energy Corp. Catchlight Energy LLC Edeniq Globex Inc. Lignol Energy Pacific Ethanol Poet Pure Energy Corporation Du Pont Danisco Cellulosic Ethanol Pure Vision Tembec Verenium Iogen CBP Aemetis Inc. Mascoma Europa Ásia SSF SSCF Abengoa Biogasol Inbicon Sekab Borregard Mossi & Ghisolfi Group ST1 Biofuels Sud-Chemie SSF COFCO/Sinopec Marubeni Corp. Praj Matrix SSCF BioEthanol Japan

38 Estratégias para Redução de Custos na Produção de Etanol 2G Os custos de produção de etanol variam em função do preço da matéria-prima, rendimento e produtividade em produto e custos de produção de celulases. Alto custo das celulases é um dos maiores obstáculos para fazer o ETANOL 2G comercializado. A redução dos custos de produção de etanol pode ser atingido, adotando principalmente duas estratégias: No nível de produção de etanol (Integração de Processo; Biologia Molecular) No nível de produção de celulases (Screening de microrganismos produtores - Engenharia de Enzimas)

39 CELULASES Micro-organismos produtores Bactérias Aeróbias Bactérias Anaeróbias Fungos Filamentosos Actinomycetes Aspergillus Trichoderma Clostridium

40 Cellulolytic Activities of Commercial and LADEBIO-BR Enzymatic Preparations LADEBIO Strain A LADEBIO Strain B LADEBIO Strain C LADEBIO Strain D LADEBIO Strain E LADEBIO Strain F Celuclast GC-220 Spezyme Commercial preparations Relative Activity (%) ß-glucosidases Endoglucanases Celobiohidrolases Fonte: Castro & Pereira Jr. (2006)

41 FPase (U/L) Avicelase (U/L) CMCase (U/L) -glucosidase (U/L) Evolução da Otimização das Condições de Cultivo para a Produção de Celulases em Frascos Agitados e Biorreator (Penicillium funiculosum LADEBIO D1 ) FPase Avicelase CMCase -glucosidase CMCase: U/L β-glucosidase: 1900 U/L FPase: 950 U/L Avicelase: 900 U/L Tempo de fermentação (h) Tempo de Fermentação (h) Superfície de Resposta da função Desirability para a otimização das condições de cultivo na produção de celulases por Penicillium funiculosum D d FPase d CMCase d 1/ glu 0 D 1 A otimização em frasco foi atendida em 87% Source: Maeda & Pereira Jr. (2008)

42 Atividades dos Preparados Enzimáticos LADEBIO Microrganismo Atividades (U/L) FPase CMCase -glucosidase Penicillium funiculosum Trichoderma harzianum Aspergillus niger Bagaço in natura Celulignina Ácida Celulignina Parcialmente Deslignificada

43 Glicose (g/l) Performance of Enzymatic Preparations (GENENCOR and LADEBIO-BR) 20 M25 M12,5 18 P25 16 M12,5 P12,5 Ctrl Tempo de hidrólise (h) Enzyme Total Enzyme Load (FPU/g) Yield (%) ( ) M ± 3,5 ( ) M ± 0,4 ( ) P ± 1,1 ( ) M12.5+P ± 2,0 Enzymatic hydrolysis of partially delignified sugarcane bagasse cellulignin (PDCL). Solid concentration 25 g/l (cellulignin with 70 % cellulose). M25 (MULTIFECT 25 FPU/g); M12.5 (MULTIFECT 12.5 FPU/g); P25 (LADEBIO 25 FPU/g); M12.5 P12.5 (MULTIFECT 12.5 FPU/g + LADEBIO 12,5 FPU/g). Fonte: Maeda & Pereira Jr. (2009)

44 Xilose, Arabinose e Glicose (g/l) Biomassa, Etanol e Xilitol (g/l) Produção de Etanol de Bagaço de Cana-de-Açúcar segundo o Modelo de Duas Correntes Fermentação alcoólica da fração hidrolisada HEMICELULÓSICA de bagaço de cana pré-tratado por uma linhagem de levedura fermentadora de xilose Fermentação alcoólica de CELULOSE de bagaço de cana, parcialmente deslignificada, pelo processo SSF utilizando um preparado enzimático customizado produzido por uma linhagem selecionada de Penicillium sp e fermentação com levedura industrial ETANOL 40 PHE SSF Xilose Glicose Arabinose ETANOL 60 Xilitol Etanol Biomassa Tempo (h) XR XD XILOSE XILITOL XILULOSE NADPH NADP + NAD + NADH As setas indicam o tempo em que o biorreator foi alimentado com celulignina. A área cinza representa a etapa de pré-hidrólise enzimática (PHE) XR: xilose redutase; XD: xilitol desidrogenase

45 ETANOL 2G PATENTE PETROBRAS n o 1000

46 CELULASES

47 Pré-tratamento BAGAÇO PLANTA PILOTO DA PETROBRAS HIDROLIDADO HEMICELULÓSICO CaO Utilidade Fria Fermentação Alcoólica 26/10/2007 CaSO 4 ETANOL P-2 CELULIGNINA Utilidade Quente Água Produção de Celulase Utilidade fria VINHOTO Utilidade quente UFRJ SSF (Sacarificação Simultânea à Fermentação) Patente PI (11/2005) Patente PI (12/2006) (PATENT nb. 1000) Patente PI (12/2008)

48 Etanol/Bagaço de cana (L/ton) Histórico do Desenvolvimento do Projeto de Produção de Etanol de Bagaço de Cana-de-Açúcar UFRJ Ano Máximo obtenível teoricamente (glicose+xilose)=390l (300 L na prática)

49 Análise Energética do Bioprocesso ton de Bagaço: L SuperPro Design (Inteligen Co.) Reaproveitamento Energético (NEV) Resíduo (Lignina) CC lignina 3,5 X HC bagaço + 25 MJ/L 29,43 MJ/L Consumido na produção input / output of energy 1 : 4,75 0,72 Consumo pode atingir valores de apenas 5 MJ/L EtOH 21,06 MJ/L Produzido

50 Desafios para Desenvolvimentos em BIORREFINARIA 2G segundo a Plataforma Bioquímica Modificação genética da parede celular de vegetais para aumento da produção e utilização da biomassa; Tecnologias de pré-tratamento eficazes, com mínima geração de substâncias tóxicas (inibidores da fermentação); Produção dedicada de celulases (in plant production); Engenharia de enzimas para eficiente hidrólise da biomassa; Microrganismos geneticamente modificados para a fermentação eficiente de C5 e C6; Integração energética de processo (valorização da lignina).

51 UFRJ Núcleo de Biocombustíveis, de Petróleo e de seus Derivados da EQ/UFRJ Inaugurado em 06/07/2012 Prédio de 4 pavimentos Área: 2000 m 2 Planta piloto (500 m 2 ) Laboratório de Tratamento Térmico e Armazenamento de Biomassa Laboratórios de Pesquisa: (18): Caracterização de Biomassa Central Analítica Microbiologia Biologia Molecular Tecnologia de Fermentação Engenharia de Enzimas Cultivo de Microalgas Biocombustíveis não convencionais Processos Termoquímicos Desenvolvimento de Catalisadores Produção e Caracterização de Biodiesel Biomateriais Fluidodinâmica Computacional Automação e Controle de Processos Reologia e Termo-análise Modelagem Termodinâmica e Cinética Análises de Petróleo e de seus Derivados Escola de Química Verde Utilidades Sala para Workshop

52 Obrigado à minha equipe! e Obrigado pela atenção!

53 Parceiros

54 Moving from an economy based on GEOLOGY to one based on BIOLOGY. Changes that will have effects comparable to those of the Industrial Revolution are now beginning. Joseph Bozell, 2010