ROTAS TECNOLÓGICAS PARA A PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ETANOL DE CELULOSE Cristina Machado...
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ROTAS TECNOLOGICAS PARA A PRODUCAO ROTAS TECNOLOGICAS PARA A PRODUCAO SUSTENTAVEL DE ETANOL DE CELULOSE SUSTENTAVEL DE ETANOL DE CELULOSE
Cristina MachadoEmbrapa Agroenergia
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COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTACAO COMPOSTOS QUÍMICOS PELA FERMENTACAO DE CARBOIDRATOSDE CARBOIDRATOS
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QUAL MATÉRIA PRIMA (PROCESSO) ESCOLHER?
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GERACÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS???GERACÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS???CGIR, 2008
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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
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A PAREDE CELULARA PAREDE CELULARGenomic Science Program – DOE
http://genomicsgtl.energy.gov/biofuels/
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Plantas
Matéria Prima Desconstrução
Monômeros de açúcares Biocombustíveis
Produção do etanol
Microrganismos & Enzimas
LigninaHemicelulosesCeluloses
DESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULOSICODESENVOLVIMENTO DO ETANOL CELULOSICO
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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)
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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)
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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
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COLETA PROCESSAMENTO PROCESSAMENTO
ISOLAMENTO PURIFICACAO PURIFICACAO
SELECAO SELECAO SELECAO
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Imagem cedida por Dra. Betania Quirino
Metagenômica
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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?!
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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)
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ESTRATÉGIAS DE FERMENTACAOESTRATÉGIAS DE FERMENTACAO
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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)
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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)