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ROTAS TECNOLÓGICAS PARA A PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ETANOL DE CELULOSE Cristina Machado Embrapa Agroenergia.

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Apresentação em tema: "ROTAS TECNOLÓGICAS PARA A PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ETANOL DE CELULOSE Cristina Machado Embrapa Agroenergia."— Transcrição da apresentação:

1 ROTAS TECNOLÓGICAS PARA A PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ETANOL DE CELULOSE Cristina Machado Embrapa Agroenergia

2 COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTAÇÃO DE CARBOIDRATOS Carboidratos Glicose Xilose Sacarose Amido Celulose Hemicelulose EtanolABE (3:6:1)Outros álcooisÁcido acéticoÁcido lácticoOutros ácidos orgânicos AcetaldeídoÁcido acéticoAnidrido acéticoAcetato de etilaAcetato de vinilaButanolAcetato de butilaPiridinaNicotinamidaGlicolButadieno Fermentação Síntese Química

3 QUAL MATÉRIA PRIMA (PROCESSO) ESCOLHER?

4 1ª Geração Parte específica de planta tradicional Processo relativamente simples Já produzidos e utilizados Expansão traz preocupações 2ª Geração Matérias-primas não alimentares – biomassa celulósica Processo significativamente complexo Não produzidos comercialmente Rotas bioquímica e termoquímica 3ª Geração Uso da engenharia genética – biomassa e/ou microrganismos Processos simplificados (modificação da matéria-prima) GERAÇÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS??? CGIR, 2008

5 CANA DE AÇÚCAR – COMPOSIÇÃO TÍPICA » 1 ton de cana contém cerca de de » 140 kg de açúcar » 140 kg de fibra (bagaço) » 140 kg de fibra (folhas e pontas) » Representa 1 barril de petróleo » 1 ha ( m 2 ) – 80 barris/eq de petróleo » Fonte: Valor Econômico, 2005

6 A PAREDE CELULAR Genomic Science Program – DOE /

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8 Plantas Matéria Prima Desconstrução Monômeros de açúcares Biocombustíveis Produção do etanol Microrganismos & Enzimas Lignina Hemiceluloses Celuloses DESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULÓSICO

9 CARACTERIZAÇÃO, SELEÇÃO E MODIFICAÇÃO DA BIOMASSA »Estabelecimento de critérios de seleção de matérias- primas »Adaptação e padronização de metodologias analíticas »É possível modificá-la ou desenvolver sistemas de produção mais adequados para os processos subsequentes? »Desenvolvimento de espécies que possuam, além de composição da parede celular desejável, alta produtividade em sistema de produção sustentáveis. »Milhares de genes participam na síntese, disposição e função das paredes celulares, poucos foram identificados e suas enzimas correspondentes são ainda menos conhecidas. Nature, 29/07/2010

10 Caracterização agronômica Adaptação e capacidade produtiva Curvas de produção de matéria seca, Parâmetros relacionados ao seu uso em processos de geração de energia Coeficientes técnicos para análise econômica. Caracterização físico química e estrutural Perfil de açúcares solúveis (HPLC) Celulose, hemicelulose e lignina Matéria seca CHN Ultraestrutura ótica, microscopia FTIR, DRX Avaliação em processo modelo Desenvolvimento de processo modelo Avaliação de materiais selecionadas no processo modelo Correlação entre características avaliadas e eficiência do processo Avaliação econômica Determinação de coeficientes técnicos e econômicos; Avaliação econômica Avaliação de custos de oportunidade da produção de etanol comparada a outras alternativas Fontes alternativas de biomassa para a produção sustentável de etanol a partir de materiais lignocelulósicos Dr. Marcelo Ayres de Carvalho – Embrapa Cerrados

11 Biomassas avaliadas Forrageiras tropicais: pannicum, brachiaria e capim elefante Sorgo energia e bagaço de sorgo sacarino Espécies florestais: eucaliptus, pinus e taxi-branco Bagaço e palhada de cana de açúcar Foto: Dr. Rafael Parella – CNPMS Foto: Dr. Marcelo Ayres – CPAC Foto: CNPF Fotos: Dr. Hugo Molinari – CNPAE

12 1 g GLICOSE = 0,51 g etanol 1 g XILOSE = 0,51 g etanol Caracterização de biomassas

13 Eficiência da hidrólise: Brachiaria 92%, bagaço de cana 93%, bagaço de sorgo 95 % eucalipto 60%. Eficiência da hidrólise: Brachiaria 92%, bagaço de cana 93%, bagaço de sorgo 95 % eucalipto 60%. Hidrólise enzimática de diferentes biomassas

14 DESCONSTRUÇÃO DA PAREDE CELULAR »Conhecimento dos mecanismos de quebra da parede »desenvolvimento de processos mais eficientes e econômicos de pré- tratamento termoquímico e de hidrólise enzimática. »Conhecer-se a interação da lignina com os outros polímeros da parede celular, enquanto é feita a desconstrução da parede celular durante o processo de pré-tratamento. »Enzimas mais eficientes »Prospecção de microrganismos produtores de enzimas hidrolíticas da parede celular »Desenvolvimento de processos para produção de enzimas »Definição das condições mais adequadas de hidrólise enzimática

15 Pré-tratamentoCelulose (%)Conversão HE(%) Material bruto (Brachiaria brizantha ) 37, Ácido 1,5% * 53,9432,51 Ácido seguido de básico 1,5% 80,0135,03 Ácido seguido de básico 4% ** 92,3646,05 Ácido seguido de organosolv básico 1,5% 81,6934,29 Ácido seguido de organosolv sem catalisador 53,3127,46 Peróxido de hidrogênio 39,959,25 Ácido seguido de peróxido de hidrogênio 55,7728,67 * 48,6% (26,2 g/L) de conversão após 72 h de HE (estável a partir de 30 h) ** 94,6% (87,4 g/L) de conversão após 72 h de HE

16 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA – FATORES LIMITANTES »aumento gradativo da resistência da celulose à ação enzimática »Efeitos da ação hidrolítica sobre a porosidade e área superficial disponível do substrato »Efeitos sobre o grau de polimerização e cristalinidade da celulose. »Inibição das celulases devida ao acúmulo do produto final de hidrólise no meio de reação (glucose e celobiose) »Inativação ou desnaturação das enzimas pelo efeito prolongado da temperatura e agitação.

17 CUSTO DAS ENZIMAS AmidoCelulose Matéria-primaMilhoBagaço de milho pré-tratado com ácido diluído e lavado Enzima usadaAmilase comercialCelulase comercial mg enzima/g substrato4,9278 Rendimento etanol (%)8390 Produtividade (g/L.h)2,80,42 Custo (US$/L etanol)0,0025-0,0150,13 FONTES: Wang et al (milho); Tucker et al (bagaço de milho) O bagaço requer 50x mais enzimas e sua fermentação é 6,7x mais lenta que o milho. Assim, as celulases são mais caras porque são muito menos eficientes que as amilases

18 REDUÇÃO DO CUSTO DAS ENZIMAS »Desenvolver sistemas de produção de enzimas mais eficientes »Screening e modificação genética de de microrganismos para maior produção e produtividade »Uso de técnicas de metagenômica »Diminuir a quantidade consumida de enzimas »Desenvolvimento processos hidrolíticos mais eficientes »Entendimento do processo de hidrólise enzimática »Engenharia de celulases »Recuperação da enzima após operação de hidrólise (imobilização)

19 PROJETOS EM ANDAMENTO »Bioprospecção de microrganismos e enzimas a partir da diversidade microbiana para conversão de biomassa a etanol »Dra. Betânia Ferraz Quirino (CNPAE, 2011) »Identificação e avaliação de novos genes e microrganismos para conversão eficiente de resíduos agroindustriais e forrageiras em bioetanol »Dra. Thaís Salum (CNPAE e INTA, 2012) »Aplicação de enzimas celulolíticas imobilizadas na hidrólise de biomassa para a produção de etanol de segunda geração »Dra. Dasciana Rodrigues (CNPAE/CNPq, 2011)

20 Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia Embrapa Meio Ambiente Bioprospecção fungos filamentosos Trichoderma spp da coleção da Embrapa Florencio, 2011 Slide cedido por Dra. Cristiane Farinas Coleta de bancos - na Embrapa

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22 Imagem cedida por Dra. Betania Quirino Metagenômica

23 PROCESSO FERMENTATIVO »Identificação/desenvolvimento de microrganismos »resistentes às características da matéria prima e inibidores formados no pré-tratamento »capazes de fermentar pentoses e hexoses »Outros usos para as pentoses?!

24 USOS DE PENTOSE - PROJETOS EM ANDAMENTO »Linhagens microbianas superiores para a produção de etanol lignocelulósico »Dr. João Ricardo Moreira de Almeida (CNPAE, 2011) »Aproveitamento da D-xilose do bagaço de cana-de- açúcar para obtenção de compostos químicos renováveis de alto valor »Dr. Sílvio Vaz Junior (CNPAE, 2012) »Química convencional, química fina, fermentação microbiana e catálise enzimática (ácido succínico, o ácido levulínico, o furfural, o ácido xilônico e o xilitol)

25 ESTRATÉGIAS DE FERMENTAÇÃO

26 Caracterização Matéria prima Produtos intermediários Pré- tratamento Ácido Alcalino Explosão a vapor Hidrólise enzimática Produção Imobilização Aplicação Fermentação Hexoses Pentoses Aproveitamento de componentes Lignina Vinhaça Integração e modelagem PT + HE SSF Balanços de massa e energia Pré-viabilidade técnica e econômica Bagaço de cana de açúcar e capim elefante Rotas tecnológicas para a produção sustentável de etanol de celulose Dra. Cristina Machado (CNPAE, 2012)

27 CONSIDERAÇÕES FINAIS »Os biocombustíveis são produtos de alta demanda, porém, baixo preço »Ainda há bastante a se avançar nos processos e a microbiologia e biotecnologia contribuirão decisivamente »É um grande desafio, mas que certamente valerá os esforços. Nature 451, 880–883 (2008)

28 OBRIGADA! Cristina Machado Embrapa Agroenergia


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