4º Encontro da Escola Brasileira de Química Verde

4º Encontro da Escola Brasileira de Química Verde Análise da Produção do Ácido Succínico a Partir de Fontes Renováveis: Perspectivas e Desafios Sabrina Dias de Oliveira ORIENTADORES: Prof. Nei Pereira Jr., PhD Profª. Adelaide Antunes, DSc 26 de setembro de 2014

Combustíveis derivados do petróleo e do carvão: aproximadamente 80% na matriz energética mundial MUDANÇA DE PARADIGMA DIVERSIFICAR A MATRIZ ENERGÉTICA E FONTES DE MP BUSCAR POR FONTES RENOVÁVEIS E ALTERNATIVAS MENOS POLUIDORAS REDUZIR A DEPENDÊNCIA POR FONTES FÓSSEIS Fonte: PEREIRA JR. (2012).

2002 ESCRITÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS (DOE) BIOCOMBUSTÍVEIS, BIOENERGIA E BIOQUÍMICOS PROGRAMA DE BIOMASSA BLOCOS DE CONSTRUÇÃO Ácido succínico, fumárico e málico Ácido 2,5 furanodicarboxílico Ácido 3 hidróxipropiônico 300 MOLÉCULAS Ácido aspártico Ácido glucárico Ácido glutâmico Ácido itacônico Ácido levulínico 3-hidróxibutirolactona Glicerol 15 produtos químicos produzidos a partir de açúcares por via bioquímica ou química Sorbitol Xilitol/ arabinitol Fonte. WERPY e PETERSEN (2004).

ÁCIDO SUCCÍNICO Ácido orgânico de maior potencialidade com uma variedade de aplicações industriais Produto de grande interesse para empresas de vários segmentos, por ser um building block, precursor de muitos produtos químicos importantes industrialmente INDÚSTRIA DE ALIMENTOS, FARMACÊUTICA E DE COSMÉTICOS

BUILDING BLOCK (Fonte: WERPY e PETERSEN, 2004) Ácido adípico, surfactantes, solventes verdes, ingredientes estimulantes para crescimento de plantas, antibióticos e vitaminas

Processo de Produção: ROTA QUÍMICA Oxidação do butano até anidrido maléico, que é hidrolisado até obtenção do ácido maléico e através de sua hidrogenação é obtido o ácido succínico. O custo elevado para a conversão de anidrido maleico para AS, representa uma limitação para as diversas aplicações deste produto. Produção de AS por microrganismos anaeróbios ou anaeróbios facultativos alternativa impacto econômico e ambiental da síntese química.

VANTAGENS: Processo por ROTA FERMENTATIVA Possibilidade de planejamento de produções alternativas, seqüenciais ou conjuntas, com outros produtos de interesse no mercado: Ácido cítrico - Ácido láctico - Ácido acético Ácido propiônico e/ou etanol Substituir as MP tradicionais (ácidos tereftálico ou adípico derivados de energia fóssil e o próprio AS petroquímico) Emprego de MP renovável, particularmente, os resíduos agrícolas e agroindustriais DESAFIOS: Redução do custo global da fermentação para competir com produtos petroquímicos

Demanda mundial de AS (BIO) 51 mil toneladas (2013) 593,4 mil toneladas (2020) Mercado global de AS (BIO) Taxa anual média de 32,2% (2014 a 2020) $ 992,9 milhões (2020) Taxa anual média de 23,3% (2014 a 2020) Mercado Mundial de Ácido Succínico (2011) Europa 33,6% América do Norte e Ásia-Pacífico 58,8% A região da Ásia-Pacífico é estimada para ser o mercado de maior crescimento para AS, devido à grande demanda da maioria das economias emergentes como China, Índia e Japão.

Participação de renováveis na matriz energética BNDES e FINEP assinaram um acordo para a execução de um Plano de Apoio à Inovação Tecnológica Industrial dos Setores Sucroenergético e Sucroquímico (PAISS) Fonte: EPE, 2013 R$ 1 bilhão 2011-2014 Fomentar projetos que contemplassem o desenvolvimento, a produção e a comercialização de novas tecnologias industriais destinadas ao processamento da biomassa oriunda da cana-de-açúcar para obtenção de produtos de maior valor agregado

2002 Farm Bill BIORREFINARIAS Significado de instalações, equipamentos e processos que convertem a biomassa em biocombustíveis e produtos químicos e ainda podem gerar eletricidade (BASTOS, 2007). Pereira Jr. (2006) associou Biorrefinaria ao uso de MP renováveis e de seus resíduos, de maneira integral e diversificada, para a produção, por rota química ou biotecnológica, de uma variedade de substâncias e energia, com a mínima geração de resíduos e emissões de gases poluidores. Participação estratégica da indústria química no fornecimento de insumos e produtos finais a diversos setores da economia Petroquímico Farmacêutico Automotivo Agronegócio Cosméticos Construção

CLASSIFICAÇÃO DAS BIORREFINARIAS TECNOLOGIAS DE PRIMEIRA GERAÇÃO Tecnologias maduras Biomassas primárias, acessíveis Energia vs Alimentos TECNOLOGIAS DE SEGUNDA GERAÇÃO Tecnologias emergentes (em crescimento) Biomassa residual (lignocelulósica) Não compete com a produção de alimentos TECNOLOGIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO Biomassa algal Tecnologias portadoras de futuro Crescimento mais rápido do que culturas terrestres Não compete com culturas agrícolas. Fonte: PEREIRA JR. (2012).

BIOMASSA Candidata atraente como fonte alternativa ao petróleo Única fonte abundante de carbono renovável; Matéria-prima para Biorrefinarias; Baixas pegadas de carbono quando comparadas ao petróleo; Está domesticamente disponível. Fonte: PEREIRA JR. (2012). Biomassa Residual Resíduos lignocelulósicos como matérias-primas 50% da biomassa terrestre Fontes: SUNG & CHENG (2002); PANDEY et al., (2000)

Num cenário de constantes transformações econômicas, sociais, ambientais e institucionais e de rápida evolução do conhecimento ESTUDOS PROSPECTIVOS ferramentas analíticas que ajudam a diminuir as incertezas e os riscos em face do futuro. Trabalhos de prospecção tecnológica (econômicas, políticas e sociais) subsidiam processos decisórios, formulações de políticas tecnológico-industriais e fortalecem os planejamentos estratégicos governamentais e organizacionais Identificar as oportunidades e desafios inerentes a produção do AS por rota biotecnológica, a partir de recursos renováveis, através do estudo de prospecção tecnológica.

PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA É o processo que se ocupa de examinar, sistematicamente, o futuro de longo prazo da ciência, da tecnologia, da economia e da sociedade. Identificar áreas de pesquisas estratégicas e tecnologias genéricas emergentes com potencial de gerar os maiores benefícios econômicos e sociais Papel de orientar os investimentos no setor de interesse em médio e/ou longo prazo: líderes governamentais e empresas privadas utilizam essa ferramenta para a fundamentação do processo de análise do futuro UNIVERSIDADE Auxiliar na condução da pesquisa para áreas temáticas mais promissoras e estratégicas para o crescimento do país Identificação de tecnologias com maior potencial de competição no comércio nacional e internacional.

Metodologias de Prospecção Análise de tendências Sistemas de Avaliação e Decisão Criatividade Métodos descritivos e matrizes Cenários Opinião de especialistas Modelagens e simulações Monitoramento e Sistemas de Inteligência Fonte: Porter et al. (2004) Um estudo prospectivo deve envolver mais de um método ou técnica, quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade buscando compensar as possíveis deficiências trazidas pelo uso de técnicas ou métodos isolados (CGEE, 2010).

Monitoramento e Sistemas de Inteligência Identificar eventos científicos, técnicos ou socioeconômicos importantes para a organização. Definir ameaças potenciais para a organização, implícitas nesses eventos. Identificar oportunidades para a organização envolvidas nas mudanças no ambiente. Alertar a direção sobre tendências que estão convergindo, divergindo, ampliando, diminuindo ou interagindo. Fontes de Informação Artigos Patentes

Monitoramento e Sistemas de Inteligência Preservação do conhecimento Publicações em Periódicos Comunicação entre cientistas Divulgação de resultados de pesquisa e estudos acadêmicos As Universidades e Empresas pelo mundo se utilizam desses meios para publicarem suas pesquisas.

Monitoramento e Sistemas de Inteligência Mapeamento da evolução de tecnologias Identificação de novos mercados (protegidos e não-protegidos) Identificação de tecnologias emergentes PATENTES Previsão de novos produtos Definição de potenciais rotas para aperfeiçoamentos em produtos e processos existentes Rastreamento de capacitação tecnológica Identificação de fontes de licenciamento, entre outros aspectos.

Cenários SWOT ferramenta utilizada para fazer análises de cenário e planejamento estratégico de uma organização. Avaliação de fatores internos e externos que geram influência sobre a organização. Fonte: Adaptado de PESSÔA (2007)

Objetivo Geral O presente trabalho tem como objetivo realizar uma prospecção tecnológica da produção do ácido biosuccínico, utilizando indicadores científicos, tecnológicos e comerciais; além de investigar as oportunidades e desafios da produção biotecnológica do ÁCIDO SUCCÍNICO para o Brasil.

Metodologia Fases para execução, organização e conclusão da Prospecção Tecnológica METODOLOGIA RESULTADOS Fonte: Bahruth et al. (2006)

Definição de objetivos, escopo, abordagem e metodologia Etapa A: Prospecção da Inovação e Análise da Curva de Crescimento da Tecnologia Etapa B: Análise de Forças e Fraquezas da tecnologia investigada Fonte: adaptada do método de Watts e Porter (1997). Artigos científicos, documentos de patentes e informações de mercado; Dissertações de Mestrado, Teses de Doutorado e Exames de Qualificação; Portal do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (Organização Social supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação); Portal do Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC)

Detalhamento da metodologia e levantamento das fontes de dados Atributos Pesquisa fundamental Indicadores Artigos Científicos Perfil de PD&I Pesquisa aplicada Aplicação comercial Patentes Notícias de Mercado + Dados da Balança Comercial Brasileira Estratégia de Busca Utilizada Indicadores Fonte: Adaptado de Watts e Abrangência Porter (1997) da Base de Dados busca Época de Atualização Artigos científicos Web of Science 1945 2014 Maio/2014 Patentes Derwent Innovatons Index 1980 2010 Janeiro/2013 Notícias de Mercado Chemical Business NewsBase 1985 2013 Agosto/2013 Dados da Balança Comercial Brasileira AliceWeb 2005 2010 Janeiro/2014

Estratégia de busca para Artigos Científicos Palavras-chave utilizando a base de dados Web of Science Palavras-chave butanedioic bio-based bioconversion biomass* *residue succinic biotechnolog* bioprocess carbon source* raw material* succinate microbial production succiniproducens sugarcane* feedstock* fermentation biotransformation renewable* bagasse* agroindustrial* biobased biorefiner* lignocellulo* industrial residue* waste*

Estratégia de busca para Patentes Descrição das subseções da CIP C12P 7 relacionadas ao tema de busca Subseções C12P 7/00 C12P 7/40. C12P 7/44.. C12P 7/46... Descrição Preparação de compostos orgânicos contendo oxigênio Contendo um grupo carboxila Ácidos policarboxílicos Ácidos dicarboxílicos tendo quatro ou menos átomos de carbono, por ex., ácido fumárico, ácido maléico Estratégia de busca utilizando a base de dados Derwent Innovations Index Palavras-chave/CIP butanedioic succin* (succinic/succinate) C12P 7/46 C12P 7/40 C12P 7/44

Estratégia de busca para Notícias Técnicas Termo "Succinic acid Sem limitação de período de tempo Período da base: 1985 - presente Estratégia de busca para os dados da base AliceWeb Produtos selecionados para avaliação dos seus valores totais de importação/exportação e a Nomenclatura Comum do MERCOSUL (NCM) Produtos químicos NCM Ácido succínico 2917.19.90 Ácido fumárico 2917.19.30 Gama-butirolactona ou 4-butirolactona 2932.29.90 1,4-butanodiol 2905.39.90 Tetrahidrofurano ou tetraidrofurano 2932.11.00 Ácido adípico, seus sais e ésteres 2917.12.10 e 2917.12.20 Ácido maléico, seus sais e ésteres 2917.19.21 e 2917.19.22

Coleta, tratamento e análise dos dados Base de Dados Web of Science Derwent Innovatons Index Chemical Business NewsBase Resultado Final 525 artigos 295 patentes 660 informações de mercado Tratamento dos dados obtidos Artigos Científicos Patentes Informações de mercado

TIPOS DE CATEGORIAS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS PATENTES Categorias Ácido Succínico Subproduto Insumo e/ou Coadjuvante Processo químico Número de Características documentos Patentes que demonstraram a produção ou purificação do ácido succínico e/ou succinato como produto principal por 225 rota biotecnológica. Patentes que relatam a produção de outros produtos, tendo o ácido succínico e/ou succinato como subproduto do 5 processo de fermentação. São as patentes que não possuem o foco na produção fermentativa do ácido succínico e/ou succinato. O ácido 63 succínico e/ou succinato são utilizados durante o processo para a produção de outros produtos. Patentes que demonstraram a produção ou purificação do ácido succínico e/ou succinato como produto principal por 2 rota química. Total de documentos 295

Comunicação dos resultados, implementação das ações e monitoramento

EVOLUÇÃO GLOBAL: 1983-2010 Crescimento no número total a partir da década de 2000 Técnicas de genética molecular com a introdução da reação em cadeia da polimerase (PCR) em 1987 processos de produção do AS utilizando microorganismos geneticamente modificados na fermentação.

EVOLUÇÃO GLOBAL (1991-2014): ARTIGOS 525 ARTIGOS 8 BR (1,5% DO TOTAL)

EVOLUÇÃO GLOBAL (1983-2010): PATENTES 2000-2005 17 BR 225 DOCUMENTOS 20 BR (9% DO TOTAL) NENHUM RESIDENTE BR

EVOLUÇÃO GLOBAL (1985 2014): MERCADO 660 INFORMAÇÕES 32 BR (5% DO TOTAL)

PRINCIPAIS PAÍSES (TOP 12)

JP [1991-1995] EUA [1996 2010] CN [2001]/[2011-2014] PAÍSES DE ORIGEM: ARTIGOS

BRASIL ARTIGOS Instituição do Autor Principal Número de artigos Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) 3 Universidade Federal de Lavras (UFLA) 1 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP) 2 Universidade de São Paulo (USP) 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) 1 Total: 8 publicações científicas 1,5% do total de artigos

PAÍSES DE ORIGEM ( DE PRIORIDADE) : PATENTES JP + EUA [1980 1995] CN [2006]

PAÍSES DE DEPÓSITO: PATENTES Detentores das Tecnologias Não foram encontrados depósitos de residentes brasileiros. 20 depósitos no Brasil Vocação agrícola e abundância de MP renováveis no país BR ser pouco competitivo no campo da Biotecnologia e conhecido importador de produtos com alto valor agregado 9% das tecnologias estão protegidas (BR) grande oportunidade a indústria química nacional: copiar e comercializar diversas tecnologias patenteadas em outros países

PAÍSES DE ORIGEM: MERCADO PERFIL # ARTIGOS E PATENTES Sedes de importantes players do setor ou plantas demonstrativas/comerciais EUA MYRIANT CORP e CARGILL FR AGROINDUSTRIAL RECHERCHES ET DEVELOPPEMENTS (ARD) CA BIOAMBER PLANTA: CHAMPAGNE (FR)

PATENTES: Identificação dos diferentes tipos de processos 10% 5% 35% Engenharia Genética Separação/purificação 50% Leitura dos documentos Otimização do Processo Dispositivo e Equipamento Alteração de algumas atividades enzimáticas previamente selecionadas elevar a concentração de AS produzido e produzir pouco ou nenhum outro subproduto Principais CIP encontradas nos documentos da produção do ácido bio-succínico Número de Patentes CIPS Descrição Processos de fermentação ou processos que utilizem enzimas para sintetizar uma 225 C12P composição ou composto Processos químico desejado de fermentação ou para separar isômeros ópticos de uma mistura racêmica Microorganismos Micro-organismos ou enzimas; naturalmente suas composições; ocorrentes propagação, ou geneticamente conservação, ou cultura 143 C12N manutenção de micro-organismos; engenharia genética ou de mutações; meios de modificados 61 C12R Esquema de indexação associado às subclasses C12C-C12Q, relativo a micro-organismos 29 C07C Compostos acíclicos ou carbocíclicos CIP genérica

MP renovável utilizada na produção de AS Tipo de documento Total de documentos MP origem renovável Resíduos lignocelulósicos (palha, bagaço e florestais) ARTIGOS 525 133 (25%) 52 (10%) PATENTES 225 48 (21%) 57 (25%) NOTÍCIAS DE MERCADO 660 153 (35%) 11 (2%) Outros tipos de substratos: glicose (206 artigos) xilose (29 artigos) glicerol (93 artigos) Emprego de bactérias versáteis com capacidade de fermentar tanto glicose, xilose ou glicerol NÚMERO EXPRESSIVO DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS Entraves na transformação ( produtividade, quantidade de água)

Tipos de MP utilizadas na produção de AS Arroz Milho Milho Resíduos florestais Arroz Cana-de-açúcar Milho

Tipos de MP utilizadas na produção de AS ARTIGOS Resíduos lignocelulósicos Palha 5 Bagaço 10 Sem especificação 27 Resíduos florestais/madeira 10 Total 52

Tipos de MP utilizadas na produção de AS PATENTES Milho 8 5 3 1 1 30 Floresta / madeira / grama / serragem Arroz Trigo 8 Cana-de-açúcar 10 Melaço 14 15 22 Sorgo Mandioca Cevada Centeio Resíduos lignocelulósicos Palha 21 Bagaço 11 Cascas 3 Resíduos florestais/madeira 22 Total 57

Tipos de MP utilizadas na produção de AS 12 10 5 MERCADO 53 Arroz Cana-de-açúcar Milho 27 Sorgo Trigo 28 Madeira/resíduos florestais Resíduos lignocelulósicos Palha 5 Bagaço (BR) 1 Resíduos florestais/madeira 5 Total 11

Cluster: Informações de Mercado: MP Renováveis Interação entre as 28 empresas e as MP renováveis Arroz Milho Cana-de-açúcar Trigo Resíduos lignocelulósicos Resíduos de palha Âncora Empresas em comum BioAmber Roquette Royal DSM BioAmber emprego de quase todas as matériasprimas (exceção do sorgo, bagaço e resíduos florestais).

PRINCIPAIS INSTITUIÇÕES (TOP 5)

Ranking das Instituições (10) : Artigos 21 artigos 8 hidrolisados lignocelulósicos como MP 10 técnicas de BM para produção do AS

Ranking das Instituições (9) : Patentes 44,7 % dos pedidos de patentes MITSUBISHI CHEM CORP - Japão AJINOMOTO CO INC - Japão 10 9 7 6 26 KOREA ADV INST SCI&TECHNOLOGY - Coréia do Sul DSM IP ASSETS BV - Holanda 11 14 18 22 UNIV NANJING TECHNOLOGY - China UNIV JIANGNAN - China MCC Produz, utilizando tecnologias próprias, uma grande variedade de produtos químicos pertencentes ao grupo C4 1,4- BDO, THF e anidrido maleico TORAY IND INC - Japão UNIV RICE - EUA MICHIGAN BIOTECH INST - EUA RANKING DOS ARTIGOS

Principais CIP distribuídas pelas 4 principais instituições depositantes

Ranking das Instituições (10) : Mercado Mercado de produção do AS (bio) em escala comercial foi consolidado em 2013, com atuação de 4 empresas: BioAmber, Reverdia, Myriant e Succinity. Succinity maior produtora de AS (bio) - capacidade instalada 23 notícias e ocuparia o 14ª no ranking de instituições mais citadas.

Cluster: Informações de Mercado Notícias x Empresas ÂNCORA Interação/parcerias entre as 24 empresas por meio das informações de mercado BIOAMBER: 35% MYRIANT: 20% BioAmber Inc. (CA) Myriant Corp joint venture (EUA) DNP Green Technology e a ARD (FR) Em O AS-bio 2009: de processo elevado grau de primeira de pureza: geração MP renováveis para a bioprodução e é quimicamente de AS: canade-açúcar equivalente (e ao outras produto fontes de originado biomassa) de fonte em fóssil uma - usina reduz de em 3.000 ton/ano 94% as em Champagne emissões de (FR). gases do efeito estufa

Cluster: Informações de Mercado Notícias x Empresas joint-ventures joint-ventures Interação/parcerias entre as 24 empresas por meio das informações de mercado Reverdia PTTMCC Biosuccinium Biochem joint joint venture venture entre formada a PTT entre Chemical a Royal Group DSM NV ( NL) (Tailândia) e a Roquette com Frères a (FR) japonesa para Mitsubishi a produção, Chemical comercialização Corporation e desenvolvimento de mercado de Succinity Biosuccinium GmbH joint venture formada entre a 2012: iniciou suas BASF (DE) e Corbion Purac operações (subsidiária na da Itália CSM (10.000 NV) 1ª unidade ton./ano) de produção comercial 1ª usina de (Espanha) grande - escala 10.000 do mundo dedicada ton. para a produção de Biosuccinium

Importação AS e derivados (2005 a 2010) Importação: Ácido fumárico Ácido adípico Tetraidrofurano Bloco de construção Exportação do AS e derivados (2005 a 2010) AS, BDO E BUTIROLACTONA não apresentaram valores relevantes de venda ÁCIDO ADÍPICO precursor do nylon e MP na fabricação de espumas e produtos industriais Rhodia Poliamida

Análise SWOT da produção do ácido bio-succínico no Brasil

Se o objetivo for construir um país produtivo, maduro na área de Biotecnologia e competitivo no desenvolvimento de tecnologias de fronteira ou emergentes, faz-se necessário enfrentar os desafios e apostar nas potencialidades de novos produtos e processos.

O futuro não é um lugar para onde estejamos indo, mas um lugar que estamos criando; o caminho para ele não é encontrado, mas construído, e o ato de fazê-lo muda tanto o realizador quanto o destino." (John Schaar - escritor norte-americano)

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