Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo

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1 Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo Prof. Dr. Antonio Aprigio da Silva Curvelo Instítuto de Química de São Carlos - USP Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol - CNPEM

2 Sumário q Objetivos q Biorrefinaria da Cana-de-açúcar q Biorrefinaria de 1ª Geração: Matéria-prima e Produtos q Biorrefinaria Integrada (1ª e 2ª Gerações): Matéria-prima e Produtos q Biorrefinaria Integrada (Modificado): Fracionamento da Biomassa q O Pré-tratamento é sempre necessário? q Onde começa a Biorrefinaria da Cana-de-açúcar? q Considerações Finais

3 Objetivos Escola de Química Verde: Fórum de Discussões Valorização da Cana-de-açúcar Necessidade de Fracionamento / Pré-tratamentos A integração Biorrefinaria 1G + Biorrefinaria 2G Utilização integral de Subprodutos e Efluentes Conclusões

4 A Cana-de-açúcar na Biorrefinaria de 1 a Geração /10/2015

5 A Cana-de-açúcar na Biorrefinaria de 1 a Geração Colmo integral: Moagem Caldo Açúcar e Etanol Bagaço de Cana-de-açúcar: Cogeração Ração animal Folhas / Palha: Permanece no campo Torta de filtro: Volta ao campo Vinhaça: Volta ao campo Cinzas: Volta ao campo

6 A nascente indústria de Etanol 2G deve se associar com a indústria de Etanol 1G (consolidada)? Figura 1. Fluxograma de produção de etanol de 1ª geração

7 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 Ração animal 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

8 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)

9 A Cana-de-açúcar: Estruturação em Tecidos

10 Bagaço Integral MO 425x (Geplacea 1990) A separação das frações Fibra e Medula é possível? Em que momento a separação das frações Fibra e Medula pode ser realizada?

11 Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo tilbytechnologies.com 18/10/2015

12 Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo COMFITH COMRIND tilbytechnologies.com 18/10/2015

13 Consequências do Fracionamento na Qualidade do Caldo de Cana tilbytechnologies.com 18/10/2015

14 Consequências do Fracionamento no Processo de Extração do Caldo Relação (média) carga aplicada vs volume de caldo extraído. Volume de caldo extraído a diferentes pressões de esmagamento. Conjunto 1 Conjunto 2 Conjunto 3 Conjunto 4 discos + anéis discos anéis discos anéis discos anéis Carga diâmetro total (ton) 30 mm 29 mm 0,5 mm 28 mm 1 mm 28 mm 1,5 mm volume volume volume volume volume volume volume (ml) (ml) (ml) (ml) (ml) (ml) (ml) diâmetro espessura diâmetro espessura diâmetro espessura 1 8,8 10,8 0 14,1 0,2 13,1 0,8 2 16,1 15,5 0 16,6 0,7 15,1 1,6 3 17,6 16,7 0,1 17,8 0,9 16,3 2,0 4 18,7 17,5 0,15 18,5 1,1 16,9 2,3 Volume = volume acumulado 5 19,9 18,3 0,6 19,8 1,3 17,7 2,5 Bárbara Branquinho Duarte Dissertação de Mestrado USP Volume = volume acumulado

15 Consequências do Fracionamento no Teor de Umidade do Bagaço Relação (média) carga aplicada vs teor de umidade do resíduo Volume total extraído (ml) Conjunto 1 discos + anéis diâmetro 30 mm 19,9 Conjunto 2 Conjunto 3 Conjunto 4 discos anéis discos anéis discos anéis diâmetro espessura diâmetro espessura diâmetro espessura 29 mm 0,5 mm 28 mm 1 mm 28 mm 1,5 mm 18,3 0,6 19,8 1,3 17,7 2,5 Massa residual (bagaço) (g) Umidade Resíduo (%) 10,3 8,4 3 9,3 5,3 6,23 4,9 48,7 50,6 37,7 55,9 38,5 49,1 37,3 Relação Volume extraído/ massa bagaço (ml/g) 1,93 2,18 0,2 2,13 0,25 2,84 0,51 Bárbara Branquinho Duarte Dissertação de Mestrado USP

16 Extrativos presentes nas Folhas e no Colmo da Cana-de-açúcar O O O H O OH R R R R= C 9 H 19, 24-metilcolesta-3,6-diona (1) R= C 10 H 21, 24-etilcolesta-3,6-diona (2) R= C 10 H 19, 24-etilcolesta-22-en-3,6-diona (3) R= C 9 H 19, 6-hidroxi-campest-4-en-3-ona (4) R= C 10 H 21, 6-hidroxistigmast-4-en-3-ona (5) R= C 10 H 19, 6-hidroxistigmasta-4,22-dien-3-ona (6) R= C 9 H 19, 24-metilcolest-4-en-3-ona (7) R= C 10 H 21, 24-etilcolest-4-en-3-ona (8) R= C 10 H 19, 24-etilcolesta-4,22-dien-3-ona(9) H H H H R 2 O R 1 R 3 OH O O R 4 R 5 (15) tricin-7-o-neohesperosideo: R 1 =R 3 =H, R 4 =R 6 =OCH 3, R 2 = Glc-Rha, R 5 = OH (16) vitexina: R 1 =R 2 =R 4 =R 6 =H, R 3 = Glc, R 5 = OH (17) orientina: R 1 =R 2 =R 6 =H, R 3 = Glc, R 4 =R 5 = OH (18) schaftosideo: R 1 =Glc, R 2 =R 4 =R 6 =H, R 3 = Ara, R 5 = OH Flavonoides isolado de folhas, suco e bagaço da Cana-de-açúcar. R 6 H Et HO HO HO campesterol (10) stigmasterol (11) β-sitosterol (12) H arundoin (13) sawamilletin (14) Esteroides (e terpenos) isolados das folhas e torta de filtro (do processamento) da Cana-de-açúcar.

17 Composição Química da Cera presente no Colmo da Cana-de-açúcar H 3 C tetracosanol (C 24 OH) OH H 3 C hexacosanol (C 26 OH) OH H 3 C octacosanol (C 28 OH) OH H 3 C triacontanol (C 30 OH) OH O H 3 C hexacosanal (C 25 CHO) H O H 3 C octacosanal (C 27 CHO) H O H 3 C triacontanal (C 29 CHO) Componentes majoritários presentes na Cera da Cana-de-açúcar. H

18 Recalcitrância das Frações Rind e Pith da Cana-de-açúcar Siqueira et al. Biotechnology for Biofuels 2011, 4:7

19 Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo Biorrefinaria Integrada - Modificada.

20 A Cana-de-açúcar na Biorrefinaria Integrada (Modificada) Colmo Fração Medula: Moagem Caldo Açúcar e Etanol Colmo Fração Fibra: Extração de Cera Fibra industrial Cogeração Bagaço de Cana-de-açúcar (Fração Medula): Cogeração Folhas / Palha: Extração de produtos naturais Torta de filtro: Fração minimizada Volta ao campo Vinhaça: Utilização em pré-tratamentos (Etanol 2G) Volta ao campo (posterior) Cinzas: Utilização em pré-tratamentos (Etanol 2G) Volta ao campo (posterior) Bagaço de Cana-de-açúcar (Fração Medula): Pré-tratamento Fração C6: Etanol HMF e derivados Licor contendo Xilanas / Xilose: Etanol (?) Xilitol Furfural e derivados Licor contendo Ligninas: Fenóis (?) Vanilina (?) Cogeração Folhas / Palha: Pré-tratamento Etanol

21 Onde começa a Biorrefinaria da Cana-de-açúcar?

22 Considerações Finais (1/2) Ø Biorrefinaria: Conceito e Processos ü Refinaria como Conceito ü Processos a serem desenvolvidos Ø Relações Matéria-prima / Processos / Produtos ü Pré-tratamentos ü Especificidade dos Tecidos Vegetais ü Fracionamento Prévio da Cana-de-açúcar ü Extração de Produtos Naturais

23 Considerações Finais (2/2) Ø Biorrefinaria ü Necessidade de Abordagem Multidisciplinar ü Pesquisa Fundamental e Pesquisa Aplicada ² Processos e Equipamentos de Conversão Ø Biorrefinaria da Cana-de-açúcar ü Integração Biorrefinaria 1G + 2G ü Necessidade de Pré-tratamentos f [Produtos] ü Utilização Integral da Cana-de-açúcar v Matéria-prima, Produtos e Subprodutos

24 Biorrefinaria da Cana-de-açúcar: Matéria-prima e produtos definindo o Processo Agradecimentos aos Estudantes, Colaboradores e