Braskem: Biologia Sintética aplicada à Petroquímica

Universidade de São Paulo

Julho de 2012

Agenda

Introdução: Braskem

Inovação e Tecnologia

Braskem Polietileno Verde

Biologia Sintética na Petroquímica

Conclusões: desafios e oportunidades

Principais acionistas

EXTRACÃO Matéria-prima

1a GENERAÇÃO Insumos básicos

2a GENERAÇÃO Resinas termoplásticas

3a GENERAÇÃO Convertedores de plásticos

INTEGRADO NA CADEIA

NAFTA CONDENSED GAS ETHANOL

MAIOR VALOR AGREGADO

PETROQUÍMICA NACIONAL

2002

Tornar-se líder em resinas termoplásticas

na América Latina

2005

Revisão da Estratégia 2012

Estar entre as 10 maiores

petroquímicas do mundo em valor de

mercado

2006

POLITENO

2007

IPIRANGA

COPESUL

2008

Revisão da Estratégia 2020

2009

PETROQUÍMICA

TRIUNFO

2010

TRIKEM

POLIALDEN

PAULINIA QUATTOR

Ativos de PP SUNOCO

Ser a líder mundial da química sustentável, inovando para melhor servir às pessoas

VISÃO 2020

2011

Negócio de PP DOW

Industrial Presence Source: Braskem

Projects

Bahia - Brasil

1 UNIB

4 PE

1 PP

1 PVC

1 Cloro Soda

Alagoas - Brasil

1 PVC

1 Cloro Soda

São Paulo - BraSil

2 UNIB

2 PE

2 PP

Rio de Janeiro - Brasil

1 UNIB

1 PE

1 PP

Rio Grande do Sul - Brasil

2 UNIB

5 PE

2 PP

Estados Unidos

5 PP Neal | La Porte | Marcus

Hook | Freeport | Seadrift

Alemanha

2 PP Wesseling | Schkopau

35 unidades industriais

Evolução consistente de indicadores de ecoeficiência

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

3,97

3,83

4,25 4,26 4,29

4,50

3,83

4,14 4,15

Consumo de água (m³/t)

+1%

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

11,90

11,47

11,12

11,55 11,46 11,47

11,83

11,27

10,65

Consumo de energia (GJ/t)

-10%

Braskem pro forma for 2002

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

5,78

4,52

3,53 3,28 3,41

3,10 3,38

2,40 2,21

Geração de resíduos (kg/t)

-62%

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

1,94 1,74

1,40 1,50 1,34 1,28

1,44 1,40 1,24

Geração de efluentes (m³/t)

-36%

Crescimento com aumento de competitividade

Projects with Petrobras Source: Braskem

PVC Alagoas

Expansão da 200 kt/ano para PVC em Alagoas

Investimento de cerca de US$ 500 milhões, e start-up operacional esperado para 2o semestre 2012

Butadieno Rio Grande do Sul

Expansão de capacidade de 100 kt/ano e um investimento de R$ 300 milhões

Colaboração com a Petrobrás para novos projetos (sob avaliação)

Comperj: produção e venda de resinas e monômeros básicos. Localizado no estado do Rio de Janeiro

BRASIL

New Projects

Projects with Petrobras Source: Braskem

JVs com PEQUIVEN (em análise)

VENEZUELA

New Projects

Polipropileno del Sur – Propilsur

~350 kt/ano de PP

Polietilenos de America – Polimerica

1.3 Mt de etileno e 1.1 Mt/ano de PE

Braskem, Petrobras e PetroPerú concluíram um estudo para avaliação técnica e econômicade um projeto integrado para produzir cerca de 600 kt e 1,000 kt/year de etano e polietileno utilizando gás natural disponível no Peru

PERU

GROWTH WITH IMPROVED PRODUCTIVITY

Projects with Petrobras Source: Braskem

ETHYLENE XXI PROJECT: Início em 2015

MEXICO

New Projects

Parceria com o grupo mexicano IDESA (65% Braskem, 35% IDESA) para construir um complexo petroquímico de 1 Mt/ano de etileno e 1 Mt/ano de PE utilizando matérias-primas (etano) fornecido pela PEMEX

Investimentos estimados em US$ 3 bilhões em 5 anos

GROWTH WITH IMPROVED PRODUCTIVITY

11

Inovação e Tecnologia

298 pessoas (16% PhD, 30% dos

pesquisadores com MSc e Post – Graduação)

428 Aplicações de patentes

24 Laboratórios + 8 plantas pilotos

I&T Ativos: US$ 240 MM (2011)

CENTRO DE TECNOLOGIA BRASKEM – TRIUNFO/RS (BRASIL)

BRASKEM TECHNOLOGY CENTER – PITTSBURGH (EUA)

12

Laboratory

Technology Center

INOVAÇÃO E TECNOLOGIA Centros de Tecnologia e laboratórios

LABORATÓRIO DE BIOTECNOLOGIA BRASKEM – CAMPINAS/SP (BRASIL)

13

Laboratory

Technology Center

LABORATÓRIO BRASKEM UHMWPE F BRASKEM– CAMAÇARI/BAHIA (BRASIL)

INOVAÇÃO E TECNOLOGIA Centros de Tecnologia e laboratórios

14

Braskem Polietileno Verde

Braskem é a maior produtora de biopolímeros do mundo

Setembro, 2010

Volume 200 kton/ano

Investmento US$ 290 MM

Polietileno verde Uma alternativa ao PE tradicional

Tradicional Sustentável

Etanol

Polietileno

Óleo

Gás

2 – 2.5 KG CO2 Capturado*

Braskem green Polyethylene Unique product characteristics

Óleo Açúcar Caraterísticas idênticas

Polietileno

petroquímico

Polietileno

verde

PE Verde pode ser reciciclado juntamente com o PE petroquímco.

PE verde pode ser incorporado no sistema atual de conversão de plásticos.

Próximos Passos

Novas Plantas de PE

Novo produto: Polipropileno verde

Primeiro PP verde

Produção no laboratório e certificação verde

Pesquisa contínua para desenvolver maior competitividade do processo.

Planta de 50 kta em 2013 (aprovada).

Novo laboratório em Campinas + 25 pesquisadores

Propeno verde via fermentação

Cooperação com:

Estratégia

200 kta Green PE Novas capacidades Capacidades Adicionais

(Triunfo RS) PE Verde PE Verde

50 kta Green PP Novas Capacidades Capacidades mais altas

Tecnologia Existente PP Verde PP Verde

(Tec Melhorada) (Rota Biotec)

Green PE

Green PP

1ª onda 2a onda 3a onda

Conhecer Crescer Consolidação

o mercado

2010-2014 2015-2020 2020-futuro

Source: European Bioplastics

Produção de Biopolímeros

Visão 2020 - Líder Mundial em Química Verde

Consolidação de processos;

Altos rendimentos;

Monômeros drop-in.

BIOLOGIA SINTÉTICA

Porque biologia sintética??

Processamento de Gás Natural

Gás Natural

Refinaria de petróleo

Óleo cru

GLP (C3 e C4)

Nafta (C5 a C9-C12)

Querosene (C10 a C18)

Óleo Diesel (C10 a C21)

Asfasto, parafinas, etc

Metano

Etano

Propano

Butano

Craqueamento

Eteno

Oxido Etileno

Etileno glicol

Propeno Oxido

Propeno

Poliéster

Polietileno

Propeno glicol

Poliéster

Polipropileno

Buteno

Ácido acrílico SAP

Isobuteno Polisobuteno

Butadieno Polibutadieno

Isopreno

Ciclohexeno

Poliisopreno

Tolueno

Xileno

Ácido adípico

Caprolactama

Nylon 66

Nylon 6

Hexeno

Tolueno Diamina

Benzeno

Tolueno Diisocianato

Poliuretana

p-xileno Ácido tereftálico

Poliéster

Car

bo

idra

tos

Ácido mucônico

Etanol

Ácido lático Poliéster

2,3-Butanodiol

Isobutanol

3-HPA

1a geração de engenharia genética: mais rendimento para vias naturais.

Custo açúcar versus nafta 2005

Cenário antes de 2005 Açúcar – Média de USD206/t Nafta - Média de USD226/ton

Cenário 2005- 2012 Açúcar – Média de USD400/t Aumentou de 220 para 506USD (129%) Nafta - Média de USD 748/t Aumentou de USD 475 -1029 (116%)

2001: NatureWorks

2003: Amyris

2005: Gevo

2007: Braskem

Cenário 2012- 2040 Com aumento do uso de biocombustível o preço do açúcar vai acompanhar o preço da NAFTA (??). Aumento da oferta de açúcares de segunda geração vai diminuir os preços do açúcar (??)

2004: Genencor, 13-PDO

Etileno

Etanol

Propileno PE

PP PVC

Elastômeros de poliamida

Ácido adípico

Isobuteno

Acrylic acid

Gasolina 700.000,00

PTA

Isopreno

Volume 1-10 MM ton/ano e preço 1500-3000 USD/ton

Preços versus volume

Butanodiol

Butadieno

VISÃO 2020: ser líder da química verde mundial

Estireno PET Phenol

Processamento de Gás Natural

Gás Natural

Refinaria de petróleo

Óleo cru

GLP (C3 e C4)

Nafta (C5 a C9-C12)

Querosene (C10 a C18)

Óleo Diesel (C10 a C21)

Asfasto, parafinas, etc

Metano

Etano

Propano

Butano

Craqueamento

Eteno

Oxido Etileno

Etileno glicol

Propeno Oxido

Propeno

Poliéster

Polietileno

Propeno glicol

Poliéster

Polipropileno

Buteno

Ácido acrílico SAP

Isobuteno Polisobuteno

Butadieno Polibutadieno

Isopreno

Ciclohexeno

Poliisopreno

Tolueno

Xileno

Ácido adípico

Caprolactama

Nylon 66

Nylon 6

Hexeno

Tolueno Diamina

Benzeno

Tolueno Diisocianato

Poliuretana

p-xileno Ácido tereftálico

Poliéster

Car

bo

idra

tos

2a geração de engenharia genética: novas vias sintéticas para novos

produtos.

Produção de alcanos e alcenos:

Produção de novos álcoois e ácidos

Produção de aromáticos

Fermentação de novas moléculas Produção direta de hidrocarbonetos

Patent Application

US 2011/0165644

mevalonate

ATP

ATP

CO2

ATP

isopentenyl diphosphate

H2O

isopreno

dimethylallyl diphosphate

diphosphomevalonato

2-butenyl-4-phosphate

2-butenyl-4-diphosphate

ATP

butadiene

ATP

H2O

crotonyl-alcohol

Patent Application

US 2011/140171

Poplar trees

CO2

isobutylene

hydroxyvalerate

ATP

Fermentação de novas moléculas Produção direta de hidrocarbonetos

Jeotgalicoccus ssp.

cyanobacteria

fatty acyl-ACP

fatty aldehyde

alkane

NADPH

CO2

polyketides

propylene

ATP

fatty acid

alkene

CO2

Evaporação Fermentação Purificação do Isobutanol Suco de cana

clarificado (15 wt%)

Desidratação do Isobutanol Purificação do Isbuteno Polimerização Polibutileno

Evaporação Fermentação Purificação do isobuteno

Gevo

Global Bioenergies

Polimerização Polibutileno

100 kta

130 kta

100 kta

100 kta

Suco de cana clarificado (15 wt%)

Consolidação de processos via biologia sintética é fundamental para a viabildiade econômica e diminuição

de impactos ambientais

Evaporação Fermentação

isobutanol Purificação do

isobutanol

Suco de cana clarificado (15 wt%)

Desidratação do isobutanol

Purificação do isobuteno

Dimerização do isobuteno (p-xileno)

Engenharia genética: Gevo + Coca-Cola

100 kt

Purificação do p-xileno

Oxidação do p-xileno Purificação do ácido

tereftálico

Polimerização com Etileo glicol

PET

+

L-fenilanina L-tirosina

fenol

58% de Ymax 38 g/l de CIM em levedura

p-hidroxibenzoato p-coumarato

Produção de biodiesel em E. coli utilizando expressão heteróloga de S. cerevisiae, M. musculus, A. calcoaceticus, A. baylyiADP1, Z. mobilis ZM4, C. stercorarium, B. ovatus, U. california, C. hookeriania, and A. thaliana, em diferentes condições de expressão.

Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, Hu Z, Schirmer A, McClure A, Del Cardayre SB, & Keasling JD (2010). Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass. Nature, 463 (7280), 559-62

Consolidação de processos: biodiesel

Prova de Conceito

Desenho conceitual

Análise dos mecanismos enzimáticos de cada

reação.

Análise de toxicidade dos intermediários/produtos.

Análise do balanço estequiométrico e redox:

preferência por vias anaeróbias e com alto

rendimento.

Análise termodinâmica das reações.

Simulação de processos de downstream

Análise in vitro

Bancos de enzimas (variedades, mutantes , metagenoma,...) da

enzima de interesse.

Clonagem em vetores de expressão: pET em E. coli por

exemplo.

Desenvolvimento de ensaio para análise da reação: colorimétrico,

análise de comprimento de onda ou cromatografia.

Detecção dos produtos dos novas reações enzimáticas.

Análise in vivo

Clonagem em vetores de clonagem.

Fermentação e análise química.

Produção de mg do produto de interesse.

2-8 pessoas:

Química analítica; Enzimologia;

Biologia molecular;

Prova de Conceito

na Universidade

Estratégias das start-ups na área de biotecnologia

Start-up Prof. Bernhard Pallson - UCLA

Prof. Jay Keasling - UCLA

Prof. James Liao - UCLA

Prof. Jay Keasling - UCLA

Prof. Tom Knight - MIT

Philippe Marliere –

Instituto Pasteur

Prof. Francis Arnold - UCLA

Prof. Lonnie Ingram - UF

Prof. Jack Pronk- TU Delft

Prof. Gonçalo Pereira –

Unicamp

Prof. Sinskey-

MIT Prof. Peter Dürre –

Ulm University

Prof. Daniel Thomas

Compiègne University

Prof. John Frost

- MSU

Avaliação do potencial de rotas renováveis

Viabilidade econômica

Mercado/

Aplicação

Escala Industrial

Impactos ambientais e

sociais

Diferenciação tecnológicas

Análise do mercado; projeção de oferta/demanda do

produto e da matéria-prima; definição de capacidade

mercado nacional ou exportação

Análise do processo e purificação; simulação do processo no Aspen;

estimativa de CAPEX e OPEX; Avaliação tecno-econômica

Análise de ciclo de vida, Projeção da área de necessária

(localização), Percepção social do projeto

Panorama de propriedade intelectual;

Freedom to Operate (FTO)

Desenvolvimento do processo no laboratório

Biologia Molecular

Desenvolvimento de ferramentas genéticas (plasmídios e

integração). Padronização e montagem de DNA.

Construção de bancos de promotores, RNAi, bancos de

mutantes, por ex.

Microarranjo e proteômica.

Fermentação

Análise dos possíveis microrganismos hospedeiros para a rota metabólica: tolerância a alta concentrações de

solventes ou tolerância a contaminação.

Análise das cepas construídas em fermentadores de bancada. E

Experimentos de evolução dirigida.

Engenharia Metabólica

Modelos in silico do metabolismo celular para o desenvolvimento da estratégia de otimização da cepa.

Análise in vivo dos fluxos metabólicos: análise de carbono marcado.

Engenharia de protéinas

Análise estrutural de proteínas. Otimização racional (in silico) ou aleatória proteínas e criação de

bancos de proteínas.

Análise in vitro e in vivo de proteínas.

Química analítica e Automação

Desenvolvimento de experimentos e metodologias

automatizadas e de alta precisão que permitam

realizar um grande número de experimentos, em um curto período de tempo e a baixo

custo.

Engenharia de Processo

Desenho da planta Piloto/Demo, incluindo downstream.

Simulação e projeto da planta industrial.

15-35 pessoas trabalhando/ano

exclusivamente no projeto. 30 a 100 MM USD

Alto Custo e time-to-market longo ->

projetos de alto risco.

Prova de Conceito Desenvolvimento da linhagem no

laboratório

Desenvolvimento da linhagem no

laboratório

Desenvolvimento da linhagem no

Laboratório

Desenvolvimento da linhagem no

laboratório

Desenvolvimento da linhagem no

laboratório

Planta Piloto Planta Piloto

Planta Demo

Desenvolvimento do processo no laboratório Mitigação de risco

Produção de mg do produto de

interesse

2O ano Y = 0,05 g/g

Prod = 0,5 g/ lh

3O ano

Y = 0,1 g/g Prod = 1 g/ lh

4O ano Y = 0,2 g/g

Prod = 2 g/ lh

5O ano Y = 0,3 g/g

Prod = 3 g/ lh

6O ano

Y = 0,4 g/g Prod = 4 g/ lh

Definição de objetivos de pesquisas baseados em planos de

negócios para mitigar riscos de desenvolvimento.

Escala Industrial

Matéria-prima: - Glicerol: problema de logística/custo Produção dispersa em pequenas plantas de esterificação com média de: 60.000 m3/ano em média-> 50 000 kta de biodiesel -> 5.000 kta de glicerina . 100.000 kta de 1,3 PDO necessita de pelo menos 140.000 kta de glicerina (Ymax = 72%). Apropriado para produtos com menor volume e maior agregado.

- Ácido graxo: custo Preço do óleo de soja: > 800 USD/ton O biodiesel só é viável quando subsidiado. Apropriado para produtos de maior valor agregado.

- Sacarose: potencial Preço do VHP: ~ 300-400 USD/ton Açúcares de segunda geração: maior oferta. Mais apropriado para comodities petroquímicas. Rendimento máximo teórico: 3811 or 4712 ton/ha.

Rendimento comercial máximo: 260 ton/ha.3 Obtido sobre irrigação

1 A.J. Waclawovsky, P. M. Sato, C. G. Lembke, P. H. Moore, G. M. Souza .Sugarcane for bioenergy production: an assessment of yield and regulation of sucrose content. Plant Biotechnology Journal (2010) 8, pp.

263–276. 2 J. Goldemberg, P. Guardabassi (2010) The potential for first-generation ethanol production from sugarcane. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4: 17–24 .2 Fazenda Agrovale, Bahia.

40

50

60

70

80

90

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Rendimento da cana-de-açúcar

Agricultural yield (ton/ha) Ethanol Industrial yield (l/ton)

Assegurar nossa posição de alta produtividade e preços competitivos na base da cadeia:

Novas variedades de cana;

Novas matérias-primas e tecnologias de segunda geração;

Combustíveis versus “petroquímica”

+ etanol para o mercado

Etanol de segunda geração

À médio prazo

Combustíveis renováveis para aviões veículo pesados

Novos processos de alto rendimento energético;

À curto prazo À longo prazo

Diferentes tecnologia tem o potencial de

substituir ou diminuir a demanda de biocombustíveis, principalmente, tecnologias baseadas em fontes limpas de eletricidade de alta eficiência.

Combustíveis

“Petróquimica”

Novos produtos renováveis drop-in;

Açúcares de segunda-geração;

À médio prazo

Consolidação dos produtos renováveis: redução de custos e aumento de competitividade.

Vias metabólicas para novas moléculas desenhadas para determinada perfomance ou segmento.

À curto prazo À longo prazo

À médio prazo

Novas tecnologias de maior eficiência de conversão de luz em carbono e carbono em materiais. e-

Formic acid

NADH + CO2

Piruvato

Ácido fórmico

Produto

Chamada para projetos de pesquisa em 2011

FAPESP – USD ~15 MM BRASKEM + ~15 MM FAPESP para projetos em conjunto com a Braskem e a Universidade.

FAPESB (The State of Bahia Research Foundation) – USD ~950 M BRASKEM + ~950 M FAPESB para projetos em conjunto com a Braskem e a Universidade.

Foco

Químicos e polímeros verdes;

Captura e conversão de CO2

PE, PP, PVC

Inovação Aberta

Bolsas Braskem de Msc e PhD em 2011

Um total de 10 bolsas de mestrado e 10 bolsas de doutorado são atualmente financiadas pela Braskem.

Tópicos de interesse:

1. Produtos químcios verdes;

2. Soluções de pós-consumo para plásticos;

3. Deselvolvimento da área de processos, produtos e catalizadores para a química verde.

Inovação Aberta

Inovação Aberta

Treinamento e intercâmbio de pesquisadores;

Licenciamento de softwares;

Acesso a pesquisas online e PI com prioridade

Consulta investigadores principais

A Braskem está procurando ativamente profissionais com experiência em Biologia

Molecular, Engenharia de Proteínas, Enzimologia , Engenharia Genética e Biologia Sintética.

43

MERCADO - DRIVERS

Ambiental

Crise

Performance

PRODUTOS

Biocombustíveis

Químicos

Biopolímeros

TECNOLOGIAS

Gaseificação/Pirólise

Hidrólise ácida/Enzimática

Catálise/Polimerização

Fermentação

Genética

Pré-Tratamento

Processos de Separação

BRASKEM- RENEWABLE ROADMAP

Conclusões

Aproveitar as oportunidades que o país oferece.

Desenvolver competências voltadas para a geração de valor a partir de

recursos renováveis.

Desenvolver grupos especializados em Biologia Sintética para a desenvolvimento de toda a cadeia da química verde nacional.

Vision 2020

To be the world leader in sustainable chemistry,

innovating to serve people

better.

Muito obrigado! mateus.lopes@braskem.com.br Inovação Corporativa

Escala Industrial

Processo:

- Processos de altos rendimento são necessários: O custo da matéria-prima não pode representar mais de 70% do valor do produto;

- Processos anaeróbico são tem o scale-up mais fácil (+ 500 m3) e possuem menor custo;

- Altas concentrações e produtividade (toxicidade);

- Processos que necessitam de mais de duas etapas (fermentação + Catálise química ) dificilmente são viáveis;

- Algas: lagoas raceway e fermentadores fechados : altíssimo investimento, dowstream complicado (baixa concentração final e produtividade).

- Microrganismos industriais: Ferramentas genéticas disponíveis, altas produtividades e habilidade de sobreviver em condições extremas de solventes, pH, osmolaridade, suprimento de nutrientes, contaminação e temperatura*. * A Cargill apostaram em selecionar uma levedura nova com a características desejadas em e desenvolver as ferramentas genéticas.

-

5

10

15

20

25

2007 2008 2009 2010 2011

Bill

ion

Gal

lon

s

Global Ethanol Production by Country/Region and Year

Africa

Australia

Mexico & Central America

Other

South America (minus Brazil)

Asia (minus China)

Canada

China

Europe

Brazil

USA