UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE QUÍMICA LABORATÓRIOS DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS Conversão de Biomassa segundo a Plataforma Bioquímica da Biorrefinaria 2G 27/03/2013 Nei Pereira Jr. nei@eq.ufrj.br LADEBIO-NBPD-EQ/UFRJ website: www.ladebio.org.br
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
Valorização Biotecnológica de Resíduos Agrícolas; Agroindustriais; Urbanos e Florestais no Contexto de BIORREFINARIA 2G Projetos em desenvolvimento RESÍDUOS: BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR SABUGO DE MILHO TORTA DE MAMONA RESÍDUOS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE RESÍDUO DA EXTRAÇÃO DO ÓLEO DE PALMA RESÍDUOS URBANOS BASEADOS EM CELULOSE BAGAÇO DE SORGO 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.
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
Oferta de Energia no Brasil (2010) e no Mundo (2009) Demanda cresce a uma taxa de 2,5%/ano O BRASIL POSSUI UMA DAS 80% FÓSSEIS vs 13% RENOVÁVEIS MATRIZES ENERGÉTICAS MAIS LIMPAS DO MUNDO E NOTÓRIA VOCAÇÃO PARA DESENVOLVIMENTOS NA ÁREA 55% FÓSSEIS vs 45% RENOVÁVEIS DE ENERGIA RENOVÁVEL E DE CONVERSÃO DE BIOMASSA Fontes: MME (2011) e IEA (2010).
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.
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 2 G Pré-tratamento Celulose Hemicelulose Lignina BIOTECNOLOGIA, QUÍMICA VERDE PRODUTOS DE INTERESSE INDUSTRIAL Fonte: Thomas & Octave (2009)
ESQUEMA SIMPLIFICADO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO ATRAVÉS DO CONCEITO DE BIORREFINARIA 2G ATRAVÉS DAS PLATAFORMAS BIOQUÍMICA E TERMOQUÍMICA Fonte: Schilitter & Pereira Jr. (2008).
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.
BIOMASSA LC PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS E OUTRAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA
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 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, Gasolina, Querosene e Lubrificantes). (2n+1)H 2 + nco C n H (2n+2) + n H 2 O
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
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
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
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.
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
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).
Principais Diferenças entre CELULOSE e HEMICELULOSE CELULOSE Homopolisscarídeo composto por unidades de GLICOSE Alto grau de polimerização (2.000 a 18.000) 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).
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
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
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.
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)
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% Enzimas 32,1% Álcalis 14,3% Fracionamento/Hidrólise da Hemicelulose e da Celulose Deslignificação Fonte: Schlittler, (2012)
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.
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)
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
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)
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 LADEBIO-EQ/UFRJ PAM-COPPE/UFRJ LBM-ICB/UNB LC-IF/USP CENPES/PETROBRAS GRAU DE INTEGRAÇÃO Inibição das celulases por celobiose e glicose concepção mais avançada
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), 9673 9680.
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
Biocombustíveis/Biorrefinarias avançados (next generation biofuels/biorefinery) Principais instalações nos EUA (com apóio do DOE) 29 unidades 12 6 9 Source: DOE (2012).
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
Estratégias para redução dos custos de produção de celulases PROSPECÇÃO DE NOVAS LINHAGENS superprodutoras secretoras de enzimas hidrolíticas altamente eficientes para a produção do etanol 2G; Métodos de MELHORAMENTO DE LINHAGENS (mutagêneses convencional ou sítio-dirigida, fusão de protoplastos, tecnologia de DNA recombinanteexpressão homóloga ou heteróloga); Emprego de CULTURAS MISTAS ou CO-CULTURAS DE MICRORGANISMOS; Utilização de NOVAS FONTES CELULÓSICAS baratas e facilmente disponíveis sob a forma de biomassa residual; Adoção do sistema de BATELADA ALIMENTADA para reduzir a repressão catabólica no caso de cultivos operados em fermentação submersa com substrato solúvel prontamente utilizável; ENGENHARIA DE ENZIMAS (ou ENZIMOLOGIA MOLECULAR), através de técnicas Genéticas, de Proteômica ou de pós-produção (FORMULAÇÃO), abre inúmeras possibilidades para o desenho racional de enzimas com várias propriedades engenheiradas;
CELULASES Micro-organismos produtores Bactérias Aeróbias Bactérias Anaeróbias Fungos Filamentosos Actinomycetes Aspergillus Trichoderma Clostridium
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 ) 1000 800 1000 800 FPase Avicelase CMCase -glucosidase 12000 10000 2250 2000 1750 600 400 600 400 8000 6000 4000 1500 1250 1000 750 CMCase: 11000 U/L β-glucosidase: 1900 U/L FPase: 950 U/L Avicelase: 900 U/L 200 200 2000 500 250 0 0 0 0 0 12 24 36 48 60 72 84 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/ 3 1 2 3 glu 0 D 1 A otimização em frasco foi atendida em 87% Source: Maeda & Pereira Jr. (2008)
Atividades dos Preparados Enzimáticos LADEBIO Microrganismo Atividades (U/L) FPase CMCase -glucosidase Penicillium funiculosum 63.000 602.000 140.500 Trichoderma harzianum 46.500 1.035.000 24.000 Aspergillus niger 4 500 49.000 Bagaço in natura Celulignina Ácida Celulignina Parcialmente Deslignificada
Glicose (g/l) Performance of Enzymatic Preparations (GENENCOR and LADEBIO-BR) 20 M25 M12,5 18 P25 16 M12,5 P12,5 Ctrl 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tempo de hidrólise (h) Enzyme Total Enzyme Load (FPU/g) Yield (%) ( ) M25 25 66.3 ± 3,5 ( ) M12.5 12.5 46.7 ± 0,4 ( ) P25 25 85.9 ± 1,1 ( ) M12.5+P12.5 25 94.8 ± 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)
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 0 20 40 60 80 100 Relative Activity (%) ß-glucosidases Endoglucanases Celobiohidrolases Fonte: Castro & Pereira Jr. (2006)
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 120 50 100 ETANOL 40 PHE SSF Xilose 80 30 Glicose Arabinose ETANOL 60 Xilitol 20 Etanol 40 Biomassa 20 10 0 0 0 10 20 30 40 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
ETANOL 2G PATENTE PETROBRAS n o 1000
CELULASES
Sorgo: Vantagens Zonas temperadas e tropicais Mais resistente ao estresse hídrico Custo de manutenção da plantação: 15% menor milho; 1/5 cana Maior resistência a pragas, insetos e doenças Maior tolerância a acidez e salinidade do solo Colheita 100% mecanizada (milho: 60%; cana: 25%) Consumo de água: 1/8 cana; 33% menos que o milho Grande quantidade de massa verde (28,6 137,7 ton/ha): PRODUÇÃO DE ETANOL CELULÓSICO Fonte: Paziani e Duarte (2006); Embrapa Milho e Sorgo (2008).
CALDO DE SORGO GRÃOS DE SORGO APROVEITAMENTO INTEGRAL DAS FRAÇÕES DE SORGO (SACARÍNEA; AMILÁCEA E LIGNOCELULÓSICA) HIDROLISADO ÁCIDO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DE BAGAÇO DE SORGO CELULIGNINA PARCIALMENTE DESLIGINIFICADA DE BAGAÇO DE SORGO
Glicose, Frutose e Sacarose (g/l) Etanol e X (g/l) PRODUÇÃO DE ETANOL DAS FRAÇÕES DE SORGO Glicose Sacarose Frutose Etanol X 140 80 120 70 100 60 50 80 40 CALDO 60 160 DE SORGO L/ton 30 de sorgo (1G+2G) 40 20 20 87 L/ton 10 de cana (1G) 0 0 0 3 6 Tempo (h) 9 12 PRODUTIVIDADE INDUSTRIAL HIDROLISADO ENZIMÁTICO DE GRÃOS DE SORGO [Sacarose] 0 : 121 g/l; [Glicose] 0 : 31 g/l; [Frutose] 0 : 29 g/l; Em 8 h: [ETOH]: 72 g/l; Q P : 9,0 g/l.h Y P/S : 0,407 g/g E.F.: 79,6 %; X: 26,3 g/l. Meio sem suplementação. HIDROLISADO ÁCIDO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DE BAGAÇO DE SORGO S 0 : 250 g/l; [ETOH]: 105,8 g/l (24 h); Q P : 4,40 g/l.h; E.F.: 97,8%; Glicerol: 7,3 g.l -1 PRODUTIVIDADE AGROINDUSTRIAL HIDROLISADO ENZIMÁTICO DA FRAÇÃO CELULÓSICA DE BAGAÇO DE SORGO 13.600 L/ha.safra de sorgo (1G+2G) (80% do potencial teórico) 7.000 L/ha.safra de cana (1G) Xilose inicial: 47,7 g/l; Glicose inicial: 15,3 g/l Em 23 h: Etanol: 31,3 g/l; Y P/S : 0,476 g/g EF (%): 93,18% Q P : 1,30 g/l.h Pré-Hidrólise: 15 h Glicose: 102,0 g/l Em 36 h: [EtOH]: 84,5 g/l Q P : 1,9 g/l.h
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).
Parceiros
Obrigado à minha equipe! e Obrigado pela atenção!
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