ROTAS TECNOLOGICAS PARA A PRODUCAO ROTAS TECNOLOGICAS PARA A PRODUCAO SUSTENTAVEL DE ETANOL DE CELULOSE SUSTENTAVEL DE ETANOL DE CELULOSE

Cristina MachadoEmbrapa Agroenergia

COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTACAO COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTACAO DE CARBOIDRATOSDE CARBOIDRATOS

QUAL MATÉRIA PRIMA (PROCESSO) ESCOLHER?

GERACÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS???GERACÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS???CGIR, 2008

CANA DE ACÚCAR – COMPOSICAO TÍPICACANA DE ACÚCAR – COMPOSICAO 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 (10.000 m2) – 80 barris/eq de petróleo

» Fonte: Valor Econômico, 2005

A PAREDE CELULARA PAREDE CELULARGenomic Science Program – DOE

http://genomicsgtl.energy.gov/biofuels/

Plantas

Matéria Prima Desconstrução

Monômeros de açúcares Biocombustíveis

Produção do etanol

Microrganismos & Enzimas

LigninaHemicelulosesCeluloses

DESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULOSICODESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULOSICO

CARACTERIZACAO, SELECAO E CARACTERIZACAO, SELECAO E MODIFICACAO DA BIOMASSAMODIFICACAO 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

Fontes alternativas de biomassa para a produção Fontes alternativas de biomassa para a produção sustentável de etanol a partir de materiais lignocelulósicossustentável de etanol a partir de materiais lignocelulósicos

Dr. Marcelo Ayres de Carvalho – Embrapa Cerrados

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

Componentes

% do componente

Taxi-branco Eucalipto Brachiaria Marandú

Bagaço de cana

Glicose 36,0 36,5 28,7 33,7

Xilose 11,6 8,8 16,4 14,7

Arabinose 1,2 0,8 3,3 2,3

Celobiose 2,3 2,5 0,3 0,9

Ácido acético 2,5 1,7 1,6 2,1

Ácido fórmico N.D. N.D. N.D. N.D.

Furfural * * * *

Hidroximetilfurfural * * * *

Lignina Solúvel 0,4 0,4 0,7 0,5

Lignina insolúvel 24,4 30,3 14,3 20,4

Cinzas 0,4 0,3 2,4 6,1

Umidade 6,0 1,2 6,7 5,7

1 g GLICOSE = 0,51 g etanol 1 g GLICOSE = 0,51 g etanol

1 g XILOSE = 0,51 g etanol 1 g XILOSE =

0,51 g etanol

Caracterização de biomassas

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

DESCONSTRUCAO DA PAREDE CELULARDESCONSTRUCAO 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

Pré-tratamento Celulose (%) Conversão HE(%)Material bruto (Brachiaria brizantha ) 37,29 ----

Ácido 1,5% * 53,94 32,51Ácido seguido de básico 1,5% 80,01 35,03

Ácido seguido de básico 4% ** 92,36 46,05Ácido seguido de organosolv básico 1,5% 81,69 34,29

Ácido seguido de organosolv sem catalisador 53,31 27,46Peróxido 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

HIDROLISE ENZIMATICA – FATORES HIDROLISE ENZIMATICA – FATORES LIMITANTESLIMITANTES

» 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.

CUSTO DAS ENZIMASCUSTO 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

FONTES: Wang et al. 2007 (milho); Tucker et al. 2003 (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

REDUCAO DO CUSTO DAS ENZIMASREDUCAO 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)

PROJETOS EM ANDAMENTOPROJETOS 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)

Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia

EmbrapaMeio Ambiente

Bioprospecção fungos filamentosos Trichoderma spp da coleção da Embrapa

Florencio, 2011Slide cedido por Dra. Cristiane Farinas

Coleta de bancos - na Embrapa

COLETA PROCESSAMENTO PROCESSAMENTO

ISOLAMENTO PURIFICACAO PURIFICACAO

SELECAO SELECAO SELECAO

Imagem cedida por Dra. Betania Quirino

Metagenômica

PROCESSO FERMENTATIVOPROCESSO 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?!

USOS DE PENTOSE - PROJETOS EM ANDAMENTOUSOS 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)

ESTRATÉGIAS DE FERMENTACAOESTRATÉGIAS DE FERMENTACAO

Bagaço de cana de açúcar e capim elefanteBagaço de cana de açúcar e capim elefante

Rotas tecnológicas para a produção Rotas tecnológicas para a produção sustentável de etanol de celulosesustentável de etanol de celulose

Dra. Cristina Machado (CNPAE, 2012)

CONSIDERACÕES FINAISCONSIDERACÕES 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)

OBRIGADA!

Cristina MachadoEmbrapa Agroenergia

E-mail: cristina.machado@embrapa.br