Cristina Machado Embrapa Agroenergia

Apresentação em tema: "Cristina Machado Embrapa Agroenergia"— Transcrição da apresentação:

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

2 COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTAÇÃO DE CARBOIDRATOS
Acetaldeído Ácido acético Anidrido acético Acetato de etila Acetato de vinila Butanol Acetato de butila Piridina Nicotinamida Glicol Butadieno Síntese Química Etanol ABE (3:6:1) Outros álcoois Ácido acético Ácido láctico Outros ácidos orgânicos Fermentação Carboidratos Glicose Xilose Sacarose Amido Celulose Hemicelulose

3 QUAL MATÉRIA PRIMA (PROCESSO) ESCOLHER?

4 GERAÇÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS???
CGIR, 2008 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)

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 ( m2) – 80 barris/eq de petróleo Fonte: Valor Econômico, 2005

6 A PAREDE CELULAR Genomic Science Program – DOE

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8 DESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULÓSICO
Biotecnologia Informática e automação (Genômica, Processos, TI) Tecnologias de alto desempenho (Biologia avançada, ״Ohmics״) Fermentação Plantas Matéria Prima Desconstrução Monômeros de açúcares Biocombustíveis Produção do etanol Microrganismos & Enzimas Lignina Hemiceluloses Celuloses

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 Fontes alternativas de biomassa para a produção sustentável de etanol a partir de materiais lignocelulósicos Dr. Marcelo Ayres de Carvalho – Embrapa Cerrados 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 de custos de oportunidade da produção de etanol comparada a outras alternativas

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

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

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

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-tratamento Celulose (%) Conversão HE(%)
Material bruto (Brachiaria brizantha ) 37,29 ---- Ácido 1,5% * 53,94 32,51 Ácido seguido de básico 1,5% 80,01 35,03 Ácido seguido de básico 4% ** 92,36 46,05 Ácido seguido de organosolv básico 1,5% 81,69 34,29 Ácido seguido de organosolv sem catalisador 53,31 27,46 Peróxido de hidrogênio 39,95 9,25 Ácido seguido de peróxido de hidrogênio 55,77 28,67 * 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 Bagaço de milho pré-tratado com ácido diluído e lavado
CUSTO DAS ENZIMAS Amido Celulose Matéria-prima Milho Bagaço de milho pré-tratado com ácido diluído e lavado Enzima usada Amilase comercial Celulase comercial mg enzima/g substrato 4,9 278 Rendimento etanol (%) 83 90 Produtividade (g/L.h) 2,8 0,42 Custo (US$/L etanol) 0,0025-0,015 0,13 Starch = 48 hr Cellulose = 72 hr 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 FONTES: Wang et al (milho); Tucker et al (bagaço de milho)

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

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22 Metagenômica Imagem cedida por Dra. Betania Quirino

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 Rotas tecnológicas para a produção sustentável de etanol de celulose
Dra. Cristina Machado (CNPAE, 2012) Bagaço de cana de açúcar e capim elefante 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

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 E-mail: cristina.machado@embrapa.br
OBRIGADA! Cristina Machado Embrapa Agroenergia