Avanços em Biotecnologia para o Processamento de Biomassas

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO NÚCLEO DE BIOCOMBUSTÍVEIS LAB DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS Avanços em Biotecnologia para o Processamento de Biomassas Pesquisa e Desenvolvimento no LADEBIO LUIZ ANDRÉ SCHILITTLER coordenador: Prof. Nei Pereira Jr. website:

2 UFRJ LADEBIO/NPPD/UFRJ Inaugurado em julho de Prédio de 4 pavimentos Area: 2000 m m 2 de área para plantas pilotos 18 laboratórios de pesquisa: Caracterização de biomassas Central analítica Microbiologia e Biologia molecular Tecnologia de fermentação Engenharia de enzymas Cultivo de microalgas Biocombustíveis não-convencionai Processos termoquímicos Desenvolvimento de catalizadores Produção de biodiesel Biomateriais Fuidodinâmica computacional Controle e automação de processos Termoanálise e reologia Análise de petróleo Utilidades

3 Projetos e Parcerias OTIMIZAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTOS DE BIOMASSAS (SUCARÍNEAS, AMILÁCEAS, LIGNOCELULÓSICAS E ALGÁCEA) UFPR CARACTERIZAÇÃO BIOMASSA UNB & UFAM BIOLOGIA MOLECULAR APLICADA USP/SCar & York University ENGENHARIA DE ENZIMAS (Production, Characterization, Formulation & Application) BIOTECNOLOGIA AMBIIENTAL (Hydrocarbon Biodegradation) PROTEÍNA CÉLULA ÚNICA GÁS NATURAL G&E-PETROBRAS ENGENHARIA BIOPROCESSO Modos de operação (Batelada, alimentada ; contínuo) Concep~ções de processos SHF; SSF; SSCF; SHCF; CBP Configurações de biorreatores (Seleção & Design) BIOPRODUÇÃO Etanol 1G; 2G & 3G Ácidos Orgânicos Solventes Polióis CENPES-PETROBRAS

4 O Complexo Lignocelulósico LIGNINA Composição Básica: (Base Seca) CELULOSE HEMICELULOSE Celulose (40-60%) Hemicelulose (20-40%) Lignina (10-25%) Microscopia Ótica Digital Microscopia Eletrônica de Varredura

5 Composição de Alguns Resíduos Lignocelulósicos Sabugo de Milho Palha de Trigo Palha de Arroz Bagaço de cana Semente de Algodão Papel de Jornal Resíduos Urbanos Carboidratos (%) Glicose Manose n.d Galactose n.d. n.d. Xilose Arabinose Não-carboidratos (%) Lignin Ashes Proteins n.d n.d. n.d. Fonte: Lee (1997) ~ 70% carboidrato

6

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

8 Processos Típicos das Biorrefinarias BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PRÉ-TRATAMENTOS (QUÍMICOS/BIOTECNOLÓGICOS) HEMICELULOSE (PENTOSES + HEXOSES) GLICOSE H + (HIDRÓLISE) OH - ou solventes orgânicos (DESLIGNIFICAÇÃO) LIGNINA CELULOSE + LIGNINA SOLÚVEL (CELULIGNINA) LIGNINA CELULOSE Hidrólise Enzimática ETANOL 2G GLICOSE

9 Prospecção de tecnologias para Produção de Etanol 2G

10 Produção de etanol 2G Hidrólise enzimática Modificação genética de microorganismos Produção de enzimas Produção de outros compostos

11 Processos de Valorização de Biomassas Residuais PROJETOS EM ANDAMENTO RESIDUAL BIOMASS: BAGAÇO E PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR RESÍDUOS DO PROCESSAMENTO DO MILHO TORTA DE MAMONA RESÍDUOAS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE RESÍDUOS URBANOS BAGAÇO E PALHA DO SORGO Arundo donax MELAÇO VINHAÇA PRODUTOS ALVO ETANOL BUTANOLDIOL XILITOL ÁCIDO SUCCÍNICO ÁCIDO PROPIÔNICO ÁCIDO D-LÁTICO ACETONA-BUTANOL-ETANOL XILANASES CELULASES FRUTOSE HMF POLÍMEROS VERDES FIBRA DE CARBONO Parceiros/colaboradores/financiadores: CENPES-PETROBRAS; FAPERJ; CNPq; DBMol/UNB; CAM/UFAM; LC/USP; IQ/UFRJ; IM/UFRJ; ICB/UFRJ; FIBRIA/ARACRUZ; BRASKEM; PEQ-COPPE/UFRJ; INETI/PT; YORK UNIVERSITY and INCT-BIOETANOL.

12 Xilose, Arabinose e Glicose (g/l) Biomassa, Etanol e Xilitol (g/l) ETANOL - Fermentação de Hidrolisado Hemicelulósico de Bagaço de Cana por Scheffersomyces stipitis Xilose Glicose Arabinose Xilitol Etanol Biomassa Tempo (h) XR XD XILOSE XILITOL XILULOSE NADPH NADP + NAD + NADH XR: xilose redutase; XD: xilitol desidrogenase Y ETOH/Xilose = 0.41 g/g (80%) Q P 1g/L.h

13 ÁCIDO SUCCÍNICO - Fermentação de Hidrolisado de Bagaço de Cana-de-Áçucar por Actinobacillus succinogenes Meio Sintético S 0 (g/l) t TOTAL (h) µ x (h -1 ) t d (h) SA (g/l) Y P/S (g/g) Q P (g/l.h) GLUCOSE XILOSE Fonte: Borges & Pereira Jr. (2011).

14 ÁCIDO PROPIÔNICO - Fermentação de Hidrolisado Hemicelulósico de Bagaço de Sorgo por Propionibacterium acidipropionici Batelada PSR (%) Y P/S (g/g) Q P (g/l.h) Cycle Cycle Cycle Fonte: Garcia & Pereira Jr. (2014). CAP: Celulose-acetato-propionato

15 ÁCIDO D-LÁTICO Fermentação de Glicose e Xilose por Lactobacillus Microorganism LACTIC ACID (g/l) Anaerobic Aerobic Isomer identified Lactobacillus helveticus Racemic mixture Lactobacillus delbrueckii lactis D(-) Lactic acid Lactobacillus coryniformis torquens D(-) Lactic acid Lactobacillus coryniformis coryniformis D(-) Lactic acid L. helveticus Microorganism Variáveis de resposta Y x/s (g/g) Y P/S (g/g) Q P (g/l.h) Lactobacillus helveticus L. coryniformis torquens Lactobacillus delbrueckii lactis Lactobacillus coryniformis torquens Lactobacillus coryniformis coryniformis L. coryniformis torquens L. coryniformis torquens Lactobacillus pentosus GLUCOSE GLUCOSE + XYLOSE XYLOSE

16 Desenvolvimentos e Desafios da Segunda Geração (2G) para o LADEBIO Estudar o aproveitamento de biomassas residuais não convencionais; Uso da biomolecular para construção de microrganismos geneticamente melhorados para a conversão otimizada das diferentes frações das biomassas; Desenvolver pré-tratamentos mais efetivos e menos intensivos em energia e insumos; Produção dedicada de enzimas (in plant); engenharia de enzimas para hidrólise mais eficiente das biomassas lignocelulósicas; P&D&I de novos processsos para a produção de outras moléculas; Integração energética de processos (valorização da lignin).

17 Equipe do LADEBIO

18 Parceiros