Projeto Etanol Curso Biocombustiveis Líquidos. Obtenção de Etanol pela hidrólise de Materiais...
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Projeto Etanol
Curso Biocombustiveis Líquidos.Curso Biocombustiveis Líquidos.Obtenção de Etanol pela hidrólise de Obtenção de Etanol pela hidrólise de
Materiais Ligno-celulósicosMateriais Ligno-celulósicos
AGRENER-GD 2006Junho/2006 – Campinas-SP
Carlos Eduardo Vaz Rossell
Grupo Energia-Projeto Etanol (MCT/NIPE)Fone (0xx19) 3512-1121 e-mail: [email protected]
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Hidrólise no Brasil
Modelo para Brasil: Processo associado às destilarias de
etanol de cana;Aproveita a matéria prima; Gera as necessidades energéticas;Aumento da produção de etanol sem
aumentar área de plantio; Potencial para processo em grande escalaMatéria prima disponível a custo
comparativamente menor.
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HEXOSES
PENTOSES
ETANOL
ETANOL
ETANOL TOTAL
123 L
63L
186 L
Fermentação
Fermentação Hidrólise209 Kg
126 Kg
CELULOSE: 200 KgHEMICELULOSE: 158 Kg
LIGNINA: 100 KgPROTEINAS: 17 Kg
CINZAS: 25 Kg
AGUA: 500 Kg
Matéria prima Bagaço de cana (futuramente palha e resíduos de
colheita).
Atualmente 1 TC: sobra de bagaço 33kg, palha não aproveitada Meta: sobra de bagaço 140 kg, palha aproveitada 70 Kg (b. seca)
Bagaço: baixo custo, preparado, sem custo de transporte, poucos tratamentos
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Barreiras à hidrólise dos materiais ligno-celulósicos
As reações de hidrólise são heterogêneas o tamanho da partícula deve ser controlado.
A celulose apresenta uma estrutura fortemente cristalina e está protegida pela lignina e hemicelulose, dificultando a despolimerização.
Na hidrólise ácida as condições para desdobramento da celulose a glicose são semelhantes as da decomposição da glicose (reações consecutivas).
A hidrólise ácida da hemicelulose transcorre rapidamente em condições mais brandas que para a celulose. Reações de decomposição das pentoses acontecem simultaneamente
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Pré-tratamentos
Craqueamento com vapor(steam explosion).(180-240ºC, 5-10 min)
Ácido diluído.(1-3% de ácido sobre a biomassa seca, 200ºC, 10 seg).
Organosolv. Outros: termohidrólise, ácidos concentrados, soluções
caústicas, Afex, Dióxido de carbono.
A Hidrólise requer: tratamento físico da m. prima para aumentar a área específica;Tratamentos físico-quimicos para desbloquear o acesso à celulose:
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Hidrólise catalisada por ácidos diluídos
Hidrólise ácido diluido-TAVDA. Tecnologia Schoeller otimizada. Processo industrial em operação até fim dos 90, em batelada, percolação com H2SO4 diluído (0,5%) a 250ºC, 100 min, conversão:60% , vinho final :1,3 ºGL, consumo de vapor aprox. 20 Kg/l de etanol, investimento elevadíssimo, ambientalmente insustentável.
Processo organosolv –DHR: Combina num reator a disolução total do lignocelulósico, um tratamento organosolv (etanol 75%), que dissolve lignina e libera a celulose para uma hidrólise rápida ácido diluida( 0,25-0,5%, H2SO4, 25-28 Bar, 180-200ºC). Reação rápida, baixa formação de subprodutos. Conversões acima de 65% e com potencial de otimização para atingir 80% . Tecnologia provada em escala de demonstração.
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Processo enzimático Biocatalisador: celulase (Complexo enzimático de endo e
exo1-4-glucanases e glucosidase).
Reação específica com elevada conversão (85%).
Condições de reação favoráveis, pressão ambiente, 50ºC, pH: 4,5-6,0.
Requer pré-tratamento eficiente para favorecer a hidrólise.
Cinética desfavorável(atividade enzimática 0,6UI/mg vs 100 UI/mg para amilases).
Inativação da enzima por associação com lignina. Inibição da enzima pela glicose formada. Custo elevado da enzima que ainda não viabiliza o
processo. Reciclo da enzima ainda não desenvolvido.
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Fermentação alcoólica do licor de hidrólise
Pentoses: Tecnologia de fermentação ainda não disponível As leveduras de fermentação (sacharomyces) não as
metabolizam; Novas cepas estão sendo isoladas ou construídas via biologia
molecular,
Hexoses: Os subprodutos de reação de hidrólise são inibidores:: furfural,
hidroxi-metil-furfural, ácidos orgânicos, compostos fenólicos soluveis.
Em curto prazo: fermentação combinada com caldo, xarope e meis de cana para reduzir a níveis toleráveis pela levedura.
Destoxificação do licor hidrolítico a traves de precipitação, extração com solvente, adsorção por trocadores de ions;
Seleção de cepas
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Consumo de energia e meio ambiente
Os processos de hidrólise geram licores com baixo teor de açúcar levando a consumo de energia comparativamente maior. Otimizar o consumo energético
Sustentabilidade:Alternativas para tratamento de um
volume de vinhoto muito maior que o gerado no processo de etanol de cana e com maior potencial poluidor;
Minimizar a geração de efluentes sólidos
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Expectativas da Hidrólise Em curto prazo a hidrólise ácida, se atingir a
expectativa de conversão prevista poderá se consolidar;
Em meio prazo a catálise enzimática oferece grande potencial face a eficiéncia de conversão.
Passar dos atuais 85 l/TC (6800 l/ha para 104,1 l/TC(8330 l/há) empregando: bagaço excedente (50%) e resíduos da colheita (50%).
Desenvolvimento de um processo para fermentação das pentoses a etanol ou outra alternativa de aproveitamento das pentoses.
Melhorar os processos de pré-tratamento dos materiais ligno-celulósicos;
Otimizar o processo com ácido diluído; Idem a conversão enzimática do ligno-celulósico Desenvolvimento de complexos enzimáticos mais
eficientes e a um custo menor.
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Expectativas da Hidrólise
1. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses, no estágio tecnológico atual.
2. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura.
3. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e pentoses, otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura.
4. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses, no estágio atual da tecnologia.
5. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses e pentoses, com a tecnologia otimizada.
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Cenário Conversões previstas
EtanolHexoses
EtanolPentoses
EtanolTotal
[1] 69,1 0 69,1
[2] 94,2 0 94,2
[3] 94,2 37,9 132,2
[4] 97 0 97
[5] 111,4 37,9 149,3
hexoses: 60% fermentação: 89%pentoses: 70 % fermentação: 0% destilação: 99,5 %
hexoses: 80% fermentação: 91% pentoses: 78,5 % fermentação: 0% destilação: 99,75 %
hexoses: 80% fermentação: 91%pentoses: 85% fermentação: 50% destilação: 99,75 %
hexoses: 85% fermentação: 89% pentoses: 70 % fermentação: 0% destilação: 99,5 %
hexoses: 95% fermentação: 91%pentoses: 85 % fermentação: 50% destilação: 99,75 %
Potencial de transformação de bagaço em etanol (litros/tonelada de bagaço)