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BIOTECNOLOGIA DE LIGNOCELULÓSICOS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL E O
CONTEXTO DE BIORREFINARIA
Nei Pereira Jr.
Professor Titular
Laboratórios de Desenvolvimento de Bioprocessos
Departamento de Engenharia Bioquímica
Escola de Química/UFRJ
e-mail: nei@eq.ufrj.br
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROESCOLA DE QUÍMICA
LABORATORIOS DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS
Seminário Fluminense deBIOCOMBUSTÍVEIS e BIOMASSAS
Niterói, 17/04/2008
outras
renováve is
0 ,5%
hidroe lé tr ica
2%
nuclear
7%
biomassa
11%
gás
na tura l
21%carvão
minera l 23%
petróleo
36%
80%fontes fósseis
Demanda mundial de energiaDemanda mundial de energia
Fonte: MAPA (2006)Fonte: MAPA (2006)
Taxa de crescimento de 2,3% a.a.Taxa de crescimento de 2,3% a.a.
eólicafotovoltáicatermosoloargeotérmicamaremotriz
ASPECTOS ASPECTOS
ECONÔMICOSECONÔMICOS
≅ US$ 114.93(16/04/2008)
A PROBLEMÁTICA DOS A PROBLEMÁTICA DOS
COMBUSTÍVEIS COMBUSTÍVEIS
FÓSSEIS FÓSSEIS
ESGOTAMENTOESGOTAMENTO
DO PETRÓLEODO PETRÓLEO
POLUIÇÃOPOLUIÇÃO
ATMOSFÉRICAATMOSFÉRICAAUMENTO DA AUMENTO DA
CONCENTRAÇÃOCONCENTRAÇÃO
DE CODE CO22
EFEITOEFEITO
ESTUFAESTUFA
AQUECIMENTOAQUECIMENTO
GLOBALGLOBAL
MUDANÇASMUDANÇAS
CLIMÁTICACLIMÁTICA
CONFLITOSCONFLITOS
GLOBAISGLOBAIS
50 YEARS AGO WORLD CONSUMPTION:
4 BILLION BARRELS/YEAR
NEW WELLS:
30 BILLION BARRELS/YEAR
PETROELUMWORLD DEMAND
Source: Aleklett, Uppsala University (2005).
TODAY WORLD CONSUMPTION:
30 BILLION BARRELS/YEAR
NEW WELLS:
4 BILLION BARRELS/YEAR
PETROELUMWORLD DEMAND
Source: Aleklett, Uppsala University (2005).
PARADIGM SHIFT RETHINK OUR ENERGY MATRIX AND
FEEDSTOCK SOURCES
DIVERSIFY THE USE OF SUCH RESOURCES
SEARCH FOR ALTERNATIVE AND RENEWABLE RESOURCES LESS POLLUTANT
REDUCE OUR DEPENDENCY ON FOSSIL SOURCES
O que é Biomassa e por que O que é Biomassa e por que
utilizá-la em substituição às utilizá-la em substituição às
fontes fosseis ?fontes fosseis ?
BIOMASSA:BIOMASSA:
� MATÉRIA ORGÂNICAMATÉRIA ORGÂNICA oriunda de fontes oriunda de fontes VEGETAISVEGETAIS ouou ANIMAISANIMAIS;;
� Origem direta ou indireta do Origem direta ou indireta do PROCESSO DE FOTOSSÍNTESEPROCESSO DE FOTOSSÍNTESE;;
� SÃO RENOVÁVEISSÃO RENOVÁVEIS..
� Biomassa NaturalBiomassa Natural
� Biomassa AlimentíciaBiomassa Alimentícia
� Biomassa ResidualBiomassa Residual
� Biomassa de Cultivos EnergéticosBiomassa de Cultivos Energéticos
BIOMASSAS VEGETAISBIOMASSAS VEGETAIS
ÁGUAÁGUA
AMIDOAMIDO
CELULOSECELULOSE
AÇÚCARAÇÚCAR
COCO22
LUZLUZ
OO22
� Um dos maiores potenciais de biomassas do planeta;Um dos maiores potenciais de biomassas do planeta;
� Possui uma grande área de expansão de agricultura de energia;Possui uma grande área de expansão de agricultura de energia;
� Intensa radiação solar;Intensa radiação solar;
� Diversidade de clima;Diversidade de clima;
� Exuberância da biodiversidade;Exuberância da biodiversidade;
� Água em abundância;Água em abundância;
� Pioneirismo na produção de biocombustível em larga escala; Pioneirismo na produção de biocombustível em larga escala;
� Elevada geração de empregos;Elevada geração de empregos;
� Recepção de recursos de investimento do Mercado de Carbono.Recepção de recursos de investimento do Mercado de Carbono.
Vantagens do Brasil Vantagens do Brasil
no Uso de Biomassasno Uso de Biomassas
13,313,31.331,91.331,910.038,310.038,3MundoMundo
4,34,399,199,12.281,42.281,4Estados UnidosEstados Unidos
1,11,12,52,5235,2235,2Reino UnidoReino Unido
2,62,69,29,2351,1351,1AlemanhaAlemanha
7,07,018,618,6265,6265,6FrançaFrança
44,744,782,782,7185,1185,1BrasilBrasil
5,75,76,66,6115,6115,6AustráliaAustrália
10,810,86,26,257,657,6ArgentinaArgentina
ENERGIA ENERGIA
RENOVÁVELRENOVÁVEL
(%)(%)
ENERGIA ENERGIA
RENOVÁVEL RENOVÁVEL
(TEP)(TEP)
SUPRIMENTO SUPRIMENTO
PRIMÁRIO DE PRIMÁRIO DE
ENERGIA (TEP)ENERGIA (TEP)
PAÍSPAÍS
Fonte: Adaptado de MAPA (2005) e de EPE/MME (2006) – Fonte: Adaptado de MAPA (2005) e de EPE/MME (2006) – http://www.epe.gov.brhttp://www.epe.gov.br
Suprimento Mundial de EnergiaSuprimento Mundial de Energia
A matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundoA matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundo
80 hidrelétricas de grande porte e80 hidrelétricas de grande porte e
47 de pequeno porte47 de pequeno porte
Sugar Cane plantation in center-south region of Brazil
LAND OCUPATION AND AVAILABLE AREA WITHOUT IMPACT
Source: Cortez (2006)
Cultivares/OcupaçãoÁrea
(million ha)
Cane 6
Soya 20
Corn 13
Planted wood 6.6
Pasture 150
Available area without impact 100-150
Cultivated area 63
Brazil – total area 855
(9,5%)
� It would be possible to substitute, today, the world demand of gasoline (4x109 liters daily);
� It would be avoided net CO2 emissions of
1.8x109 to 2.7x109 ton/year.
Vegetal BiomassVegetal Biomass
SUGARY LIGNOCELLULOSICSTARCHY
STARCH CELLULOSE HEMICELLULOSESUCROSE
XYLOSEXYLOSE MANNOSEMANNOSE
ARABINOSEARABINOSE
FRUCTOSEFRUCTOSE
GALACTOSEGALACTOSE
XYLOSEXYLOSEXYLOSEXYLOSE
CCRRR STAGLUCOSEGLUCOSE
CARBOHYDRATESCARBOHYDRATES
==
SUGARSSUGARS
==
SACCHARIDESSACCHARIDES
RECEPÇÃO/EXTRAÇÃO/
PREPARO
FERMENTAÇÃO
PRODUÇÃO DE AÇÚCAR
VINHAÇA
MELAÇO
SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO E A PRODUÇÃO DE ETANOL NO BRASIL
CALDO
Fontes: Fairbanks (2005); MAPA (2007); Gazeta Mercantil (mar 2007); World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007) e MAPA (2008)
Brasil
USA
0
4
8
12
16
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
Pro
du
çã o d
e E
tan
ol
(bilh
õ es
lit
ros
) 54%
36%
2006
1818,1
17,3
Produção Brasileira e Norte-Americana de Etanol
Brasil: 363 Destilarias anexas e autônomas + 86 em construção
USA: 101 Destilarias autônomas + 30 novas Unidades (Biorrefinaria)
Produção 2007:(em bilhões de litros)
Brasil: 21,90USA: 24,55
MP AÇUCARADAS
MP AMILÁCEAS
MP LIGNOCELULÓSICAS
PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-TRATAMENTO:EXTRAÇÃO/HIDRÓLISE
DA HEMICELULOSE
FERMENTAÇÃO
• BATELADA
• BATELADA ALIMENTADA
• CONTÍNUA
RECUPERAÇÃO DO PRODUTO
• DESTILAÇÃO
• EXTRAÇÃO POR SOLVENTE
• ADSORÇÃO
HIDRÓLISE DA CELULOSE
HIDRÓLISE DO AMIDO
SACAROSEGLICOSEFRUTOSE
GLICOSE
RESÍDUOalimentação animal
produção de energia
RESÍDUOalimentação animal
produção de energia
XILOSEARABINOSEGLICOSEGALACTOSEMANOSE
GLICOSE
LIGNINAprodução de energia
co2
ETANOL
VINHOTO
TECNOLOGIAS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL DE BIOMASSAS
Tecnologias maduras Tecnologia emergente
COMPLEXIDADE TECNOLÓGICA
RESIDUAL BIOMASS RESIDUAL BIOMASS
OF OF
LIGNOCELLULOSIC LIGNOCELLULOSIC
COMPOSITIONCOMPOSITION
Benefits of Lignocellulose Conversion Technologies through Biological and/or Chemical
Routes
� Abundant and cheap renewable resources;
� Their generation does not compete with the use of land for food production;
� No necessity of expanding the agricultural land for feedstock production;
� Opportunity for industrial development based on the concept of BIOREFINERY;
� Reduction in gas emissions that cause the so called ‘green house effect’;
� Cleaner technologies;
�Macroeconomic benefits for rural communities and for Society as a whole;
� They are within the perspective of Sustainable Development.
BIOMASSAS RESIDUAIS DE COMPOSIÇÃO LIGNOCELULÓSICA
PLATAFORMA SUCRO-QUÍMICA
• Hidrólise (química/enzimática)
• Conversão da lignina
PLATAFORMA TERMO-QUÍMICA
• Pirólise (bio-óleo)
• Gaseificação BTL
Intermediários gasosos ou líquidos
Intermediários glicídicos ou
derivados de lignina
Biocombustíveis(Etanol e DMF)
Produtos químicos
Bioenergia
BIORREFINARIA é um termo relativamente novo que se refere ao uso de
matérias-primas renováveis e de seus resíduos (denominados de forma geral de BIOMASSAS), de maneira mais integral e diversificada, para a produção, por ROTA QUÍMICA ou BIOTECNOLÓGICA de uma variedade de valiosas substâncias e energia, com mínima geração de resíduos e emissões.
~ 112.0TOTAL
18.0NovozymesCellulase Cost-Reduction for Corn-derived Lignocellulosics
18.0Genencor Int.Cellulase Cost-Reduction for Corn-derived Lignocellulosics
2.4NCGA-National Corn Growers Association
Separation of Corn fiber and Conversion to Fuels and Chemicals Phase II: Pilot-Scale Operation
5.6Broin & AssociatesA Second Generation Dry Mill Biorefinery
17.7Abengoa S.A.
Advanced Biorefinering of Distillers’Grain and Corn Stover Blends: Pre-commercialization of a Biomass-Derived Process Technology
6.0Cargill, IncA New Biorefinery Platform Intermediate
26.0Cargill-Dow LLCMaking Industrial Biorefining Happen
18.2E.I. du Pont de Nemours & Co., Inc.
Integrated Corn-Based Biorefinery
Valor(milhões de US$)
ContratadoProjeto
SUGAR PLATAFORM BIOREFINERIES
Fonte: http:www.eere.energy.gov/biomass (2006)
Investimentos do US Department of Energy, no período 2002-2005, para implementação de
Biorrefinarias no País
O Complexo Lignocelulósico
Composição básica:
� Celulose (40-60%)
� Hemicelulose (20-40%)
� Lignina (10-25%)
�������
����������������
CeluloseCelulose::
homopolissacarídeo de unidades de homopolissacarídeo de unidades de ββ-(1-(1��4)-D-glucopiranose4)-D-glucopiranose
Celobiose
ligações de hidrogênio intramoleculares
ligações de hidrogênio intermoleculares
HemicelulosesHemiceluloses
• Segundo mais abundante componente dos materiais Segundo mais abundante componente dos materiais lignocelulósicos;lignocelulósicos;
• Natureza heteropolissacarídica, composta de açúcares de 5 e 6 Natureza heteropolissacarídica, composta de açúcares de 5 e 6 átomos de carbono, podendo estar presentes: átomos de carbono, podendo estar presentes: xilosexilose, , glicoseglicose, , manosemanose, , arabinosearabinose e e galactosegalactose, bem como ácidos orgânicos , bem como ácidos orgânicos (urônicos e acético);(urônicos e acético);
• Conforme a composição e predominância de monossacarídeos Conforme a composição e predominância de monossacarídeos recebem diferentes denominações (recebem diferentes denominações (xilanasxilanas, , mananasmananas, , arabinanasarabinanas,, galactanas galactanas, , arabino-xilanasarabino-xilanas, , galacto-mananasgalacto-mananas, , galacto-arabino-xilanasgalacto-arabino-xilanas););
• Matriz suporte para as microfibrilas de celulose;Matriz suporte para as microfibrilas de celulose;
• São decompostas por um amplo espectro de microrganismos, São decompostas por um amplo espectro de microrganismos, em particular fungos filamentosos e actinomicetos.em particular fungos filamentosos e actinomicetos.
Estruturas de Xilanas de Estruturas de Xilanas de
angiosperma (A) e gimnosperma (B)angiosperma (A) e gimnosperma (B)
(A)(A)
(B)(B)
α-4-O-Me-GlcA
α-4-O-Me-GlcAα-4-O-Me-GlcA
αα -Araf-Araf αα -Araf-Araf
XILOSE
XILOSE
GRUPAMENTOACETIL
ARABINOSE
ÁCIDO α-4-O-METILGLUCURÔNICO
Principais Diferenças entre Celulose e Principais Diferenças entre Celulose e
HemicelulosesHemiceluloses
Consistem em várias unidades de Consistem em várias unidades de
pentosespentoses e e hexoseshexoses ligadas entre si ligadas entre si
(Natureza Heteropolissacarídica)(Natureza Heteropolissacarídica)
Consiste em unidades de Consiste em unidades de glicoseglicose
ligadas entre si ligadas entre si
(Natureza Homopolissacarídica)(Natureza Homopolissacarídica)
Baixo grau de polimerização (50 a Baixo grau de polimerização (50 a
300)300)Alto grau de polimerização Alto grau de polimerização
(10.00 a 15.000)(10.00 a 15.000)
Não formam arranjo fibrosoNão formam arranjo fibrosoForma arranjo fibrosoForma arranjo fibroso
Apresentam somente regiões Apresentam somente regiões amorfasamorfasApresenta regiões Apresenta regiões cristalinascristalinas e e amorfasamorfas
São atacadas São atacadas rapidamenterapidamente por ácido por ácido
inorgânico diluído a quenteinorgânico diluído a quenteÉ atacada É atacada lentamentelentamente por ácido por ácido
inorgânico diluído a quenteinorgânico diluído a quente
São solúveis em álcalisSão solúveis em álcalisÉ insolúvel em álcalisÉ insolúvel em álcalis
HEMICELULOSESHEMICELULOSESCELULOSECELULOSE
Lignina: Macromolécula constituída de Lignina: Macromolécula constituída de
Álcoois AromáticosÁlcoois Aromáticos
O
OCH3
H2CO
CO
CHCH
CH
O
H2COH
H2COH
O
CH
CH
CH2OH
O
CH3O OCH3
HC HC
HC
CH2OHO
CH2
H3CO OCH3
OH
OHC
CH2OH
CHO
OCH3
OCH3
O
H2COH
CO
CH
H3CO
O CH
CH
CH2OH
CH3O OCH3
O
CH
CH2OH
CHO
OCH3
H3CO
HC
CH2OH
CH
CH3OOH
OCH3 O
CH COOHHOCH
CO
HC
CH2OH
O
O
CH
CO
CH2OH
CH3OO CH
HC
CH2OH
O
CH3O OCH3
OH
OCH3
CH
HC
CH2OH
OCH3
O CH
HC
O
CH CHOHOCH2
CH3O
CH2O
COHCHOCH2
O
OCH3CH3O
HOHC
HC
HOH2C
OCH3
O CH
HC
OCH3
CH2OH
O
OCH3
HC O
HC
HOH2C
OH
CH
CH
CHO
OOCH3CH3O
HC
HC
H2C
OCH2
CH
CHO
OCH3CH2O
O CH
CH
CH2OH
O
OCH3CH3O
OH
CH3O
HC O
HC
HOH2C
CH
HC
CH2OH
OCH3
HC
HC
CH2OH
CH3O OCH3
O-
CH
CH2OH
HC
OH
OCH3
�1
CH2
HC
CH3O OCH3
O-
CH
CH2
OH
OCH3
CH2H2C
O
�5
Álcool trans coniferílico Álcool cumárico
Álcool sinapílico
n.d.n.d.n.d.n.d.4,04,04,04,0n.d.n.d.4,04,04,04,0ProteínasProteínas
1,01,00,40,414,814,84,84,84,44,49,69,64,34,3CinzasCinzas
20,020,021,021,017,617,618,418,49,99,914,514,515,115,1LigninaLignina
Não-carboidrato (%)Não-carboidrato (%)
4,04,00,50,54,34,34,54,54,54,54,44,44,24,2ArabinoseArabinose
14,014,04,64,64,64,624,324,314,814,819,219,214,814,8XiloseXilose
n.d.n.d.n.d.n.d.0,10,11,11,10,40,44,44,40,80,8GalactoseGalactose
8,08,016,616,64,14,1n.d.n.d.1,81,80,80,80,30,3ManoseManose
40,040,064,464,420,020,038,138,141,041,036,636,639,039,0GlicoseGlicose
Carboidratos (%)Carboidratos (%)
Resíduos Resíduos
urbanosurbanosJornalJornalSemente Semente
de de
algodãoalgodão
Bagaço Bagaço
de canade canaPalha Palha
de de
arrozarroz
Palha Palha
de trigode trigoSabugo Sabugo
de milhode milhoComponenteComponente
Composição em Carboidratos Composição em Carboidratos
(Glicídios) de Alguns Resíduos (Glicídios) de Alguns Resíduos
LignocelulósicosLignocelulósicos
Fonte: Lee (1997)Fonte: Lee (1997)
~ 70% carboidratos
� Os preços do barril de petróleo atingiram Os preços do barril de petróleo atingiram
patamares que inviabilizam o crescimento patamares que inviabilizam o crescimento
auto-sustentado da nações;auto-sustentado da nações;
� Crescente interesse por fontes alternativas Crescente interesse por fontes alternativas
de energia;de energia;
� Necessidade em se agregar valor às Necessidade em se agregar valor às
biomassas, cuja geração tende a crescer;biomassas, cuja geração tende a crescer;
� Possibilidade de se aumentar a produção de Possibilidade de se aumentar a produção de
etanol sem que haja a necessidade de maior etanol sem que haja a necessidade de maior
disponibilização de terras agricultáveis;disponibilização de terras agricultáveis;O preço do barril de petróleo ultrapassou US$ 78,44 (o equivalente a cerca de R$ 168,83) na Bolsa de Londres nesta segunda-feira, depois do anúncio de que a BP (British Petroleum) terá de fechar um dos maiores campos dos Estados Unidos devido a um vazamento em um oleoduto
Preço do barril de petróleo ultrapassa US$ 78
Importância do Bioetanol e da sua Produção a partir Importância do Bioetanol e da sua Produção a partir
de Resíduos Lignocelulósicosde Resíduos Lignocelulósicos
Excedente: 6 - 16 milhões de toneladas/anoExcedente: 6 - 16 milhões de toneladas/ano
Esquema de Geração de Energia do Bagaço de Esquema de Geração de Energia do Bagaço de
CanaCana
Bagaço
Cana de
Açúcar
Moendas
Caldeira
TURBO GERADORES
TURBINAS
Destilação do ÁlcoolProdução de Açúcar
Operação de Bombas;Centrifugas e outros,
Eletricidade excedente é comercializada
VAPOR
ELECTRICIDADE
VAPORDE BAIXA PRESSÃO
Operação das moendas
ENERGIA MECÂNICA
Fonte: Dedini (2005); MAPA (2005)Fonte: Dedini (2005); MAPA (2005)
RESÍDUOS SÓLIDOS DA CANA-DE-AÇÚCAR RESÍDUOS SÓLIDOS DA CANA-DE-AÇÚCAR
GERADOS NA SAFRA DE 2004/2005GERADOS NA SAFRA DE 2004/2005
BAGAÇOBAGAÇO
GERAÇÃO TOTAL = 130 milhões de toneladas GERAÇÃO TOTAL = 130 milhões de toneladas
(60 a 90% para produção de energia) (60 a 90% para produção de energia)
EXCEDENTE EXCEDENTE ≅≅ 6,6 (MAPA) - 16 milhões de toneladas (DEDINI)6,6 (MAPA) - 16 milhões de toneladas (DEDINI)
Fontes: Fontes: http://http://www.fapesp.gov.brwww.fapesp.gov.br// (2002); (2002); http://http://www.radiobras.gov.brwww.radiobras.gov.br// (2003) (2003)
PALHAPALHAGERAÇÃO TOTALGERAÇÃO TOTAL ≅≅ 76 milhões de toneladas 76 milhões de toneladas
� ainda queimada no próprio campo;ainda queimada no próprio campo;
� estimativa do potencial de lançamento anual na atmosfera de, aproximadamente, estimativa do potencial de lançamento anual na atmosfera de, aproximadamente,
30 milhões toneladas de C30 milhões toneladas de C; ; 94 milhões de toneladas de CO94 milhões de toneladas de CO22; ; 325 mil toneladas de 325 mil toneladas de
nitrogênionitrogênio; ; 65 mil toneladas de S65 mil toneladas de S; ; 89 89 µµ g particulados/mg particulados/m33 (máximo permitido pelo (máximo permitido pelo
CONAMA 50 CONAMA 50 µµ g/mg/m33).).
� Lei do Estado de SP nLei do Estado de SP noo 10.547 (02/05/2000) que dispõe sobre a eliminação 10.547 (02/05/2000) que dispõe sobre a eliminação
gradativa da queima da palha no campo, prevendo-se total eliminação desta prática gradativa da queima da palha no campo, prevendo-se total eliminação desta prática
em 2021.em 2021.
Potencial dos Resíduos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para Potencial dos Resíduos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para
a Produção de ETANOL (a Produção de ETANOL (cenário DEDINIcenário DEDINI- Otimista)- Otimista)
PALHA DE CANAPALHA DE CANA �� 76 milhões tons76 milhões tons (15% umidade) (15% umidade)
20,6% 20,6% XILOSEXILOSE
Eficiência de hidrólise de 98% Eficiência de hidrólise de 98%
Eficiência de fermentação de 80%Eficiência de fermentação de 80%
ρρ ETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33
6,65 bilhões de litros6,65 bilhões de litros
1,03 bilhão de litros1,03 bilhão de litros
Total Total HCELHCEL = 7,68 bilhões de litros = 7,68 bilhões de litros
Fração HemicelulósicaFração Hemicelulósica
Fração CelulósicaFração Celulósica
BAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANABAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANA
38,1% 38,1% GLICOSEGLICOSE; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%
ρρ ETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33
Total Total CELCEL = 13,51 bilhões de litros = 13,51 bilhões de litros
Etanol Etanol CEL+HCELCEL+HCEL = 21,2 bilhões litros = 21,2 bilhões litrosEtanolEtanol SAC SAC = 16,2 bilhões litros = 16,2 bilhões litros
BAGAÇO DE CANA BAGAÇO DE CANA (excedente) (excedente) �� 16 milhões tons16 milhões tons
(50% umidade)(50% umidade)
24,3% 24,3% XILOSEXILOSE
Eficiência de hidrólise de 98% Eficiência de hidrólise de 98%
Eficiência de fermentação de 85% Eficiência de fermentação de 85%
ρρ ETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm33
Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).
Safra 2004/2005Safra 2004/2005
duos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para duos do Setor Sucro-Alcooleiro Brasileiro para - Otimista)- Otimista)- Otimista)
es tonses tonses tonses tons (15% umidade) (15% umidade)es tons (15% umidade) (15% umidade)
lise de 98% lise de 98% lise de 98% lise de 98% ncia de fermentação de 80%ncia de fermentancia de fermentancia de fermentaçãçãção de 80%o de 80%o de 80% = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm3333
6,65 bilh6,65 bilh6,65 bilh6,65 bilh
1,03 bilhão de litros1,03 bilh1,03 bilh1,03 bilhããão de litroso de litroso de litros
Fração Celulóo Celul sicaFraFraFraçãFraFraçãção Celulçãção Celulo Celulóo Celulo Celulóóo Celulo Celulo Celulo Celulo Celulo Celulo Celul sicaóósicasica
BAGAÇO DE CANA + PALHA DE CANABAGABAGABAGAÇÇÇO DE CANA + PALHA DE CANAO DE CANA + PALHA DE CANAO DE CANA + PALHA DE CANA38,1% 38,1% 38,1% 38,1% GLICOSEGLICOSEGLICOSEGLICOSE; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%; EH de 85%; EF de 90%
ETANOLETANOLETANOLETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cmETANOL = 0,8 g/cm = 0,8 g/cm3333
EtanolEtanolEtanolEtanol SAC SAC SAC SAC = 16,2 bilhõ = 16,2 bilh SAC = 16,2 bilh = 16,2 bilhõõões litrosõ
Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).Fonte: Dedini (2005); Lee (1998) & LADEBIO-EQ/UFRJ (2006).
É possível m
ais do que dobrar a
produ
çã o de etanol sem demanda de
área adicional para a pro
du
çã o de matéria
-prima
PRODUÇÃO PRODUÇÃO versusversus CONSUMO CONSUMO
DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCARDE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR
Fonte: MAPA (2005); Rossel (2005)Fonte: MAPA (2005); Rossel (2005)
5 0 .0 0 0
6 0 .0 0 0
7 0 .0 0 0
8 0 .0 0 0
9 0 .0 0 0
1 0 0 .0 0 0
2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4
ANO
10
3 t
on
PRODUÇÃO
CONSUMO
excedente bagaço ( 2 0 0 4 ) = 6 .6 0 4 .0 0 0 ton
PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR
EM COBERTURA DE SOLOSEM COBERTURA DE SOLOS
Dados para Criação de Cenário mais RealistaDados para Criação de Cenário mais Realista
Palha disponível: 40%Palha disponível: 40%
8,428,4221,2021,20Total (10Total (109 9 litros/ano)litros/ano)
4,754,7512,0312,03CeluloseCelulose
2,632,636,656,65HemiceluloseHemicelulosePALHA DE CANAPALHA DE CANA
0,610,611,491,49CeluloseCelulose
0,430,431,031,03HemiceluloseHemiceluloseBAGAÇO DE CANABAGAÇO DE CANA
Cenário Cenário
MAPA-RosselMAPA-Rossel
10109 9 L/anoL/ano
Cenário DEDINICenário DEDINI
10109 9 L/anoL/anoComponenteComponenteRESÍDUORESÍDUO
Cenários para a Produção de Etanol Cenários para a Produção de Etanol
de Resíduos do Setor Sucro-alcooleirode Resíduos do Setor Sucro-alcooleiro
EtanolEtanol de etanol de sacarose (safra 2004/2005)de etanol de sacarose (safra 2004/2005)
[16,2 bilhões litros][16,2 bilhões litros]
Maior contribuição Maior contribuição �� Palha Palha
� 50%� 130%
Produção brasileira de etanolProdução brasileira de etanol
LIGNINA
SOLÚVEL
MATERIAL
LIGNOCELULÓSICO
PRÉ-TRATAMENTO
(PRÉ-HIDRÓLISE/AUTO-HIDRÓLISE)
HEMICELULOSE
(PENTOSES +HEXOSES)
CELULOSE + LIGNINA
(CELULIGNINA)
OH-/solvents
(DESLIGNIFICAÇÃO)
CELULOSELIGNINA
H+
(HIDRÓLISE) GLICOSE
Fracionamento dos Componentes de Biomassas Fracionamento dos Componentes de Biomassas
Lignocelulósicas para a Produção de EtanolLignocelulósicas para a Produção de Etanol
� HIDRÓLISE ENZIMÁTICATENDÊNCIA
GLICOSE
Pré-tratamento do Material LignocelulósicoPré-tratamento do Material Lignocelulósico
Visa à desorganização do complexo lignocelulósico e, como conseqüência, aumento da Visa à desorganização do complexo lignocelulósico e, como conseqüência, aumento da
acessibilidade das enzimas às moléculas de celuloseacessibilidade das enzimas às moléculas de celulose
IMPRESCIN
D
ÍVEL
CeluligninaCelulignina
de Bagaço de Canade Bagaço de Cana
Fonte: LADEBIO- EQ/UFRJFonte: LADEBIO- EQ/UFRJ
Bagaço de CanaBagaço de Cana
((in naturain natura) )
PRÉ-TRATAMENTOPRÉ-TRATAMENTO
Microscopia Eletrônica de VarreduraMicroscopia Eletrônica de Varredura
PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTOPRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO(para solubilização e hidrólise de Hemicelulose)(para solubilização e hidrólise de Hemicelulose)
� EXPLOSÃO COM VAPOREXPLOSÃO COM VAPOR (necessidade de posterior hidrólise)(necessidade de posterior hidrólise)
� EXPLOSÃO COM VAPOR CATALISADAEXPLOSÃO COM VAPOR CATALISADA (pré-tratamento associado à hidrólise) (pré-tratamento associado à hidrólise)
� HIDRÓLISE ÁCIDA DILUÍDAHIDRÓLISE ÁCIDA DILUÍDA (em condições brandas-mais usada) (em condições brandas-mais usada)
� TERMOHIDRÓLISETERMOHIDRÓLISE (necessidade de posterior hidrólise)(necessidade de posterior hidrólise)
DescompressãoDescompressão
rápidarápida
(auto-hidrólise)(auto-hidrólise)
MATERIALLIGNOCELULÓSICO
CONTENDOXILANAS
Compressão Compressão
com vapor d’águacom vapor d’água
Líquido extraível por explosão, Líquido extraível por explosão,
composto de:composto de:
• Xilose Xilose ~ 10%~ 10%
• Xilooligossacarídeos Xilooligossacarídeos
(GP 2 a 10) ~ 90%(GP 2 a 10) ~ 90%
• Ácidos urônicos e ácido acéticoÁcidos urônicos e ácido acético
Material úmido com o complexo Material úmido com o complexo
Lignocelulósico desorganizado e Lignocelulósico desorganizado e
com digestibilidade aumentadacom digestibilidade aumentada
Esquema Simplificado do Processo de Explosão com VaporEsquema Simplificado do Processo de Explosão com Vapor
Pré-tratamento Ácido de Materiais Pré-tratamento Ácido de Materiais
LignocelulósicosLignocelulósicos
VARIÁVEISVARIÁVEIS
eficiência de hidrólise eficiência de hidrólise
concentrações de açúcares no hidrolisado concentrações de açúcares no hidrolisado
formação de inibidores formação de inibidores
Relação Sól:Líq
Concentração de ácido
Tempo de exposição
TemperaturaTipo de ácido
HH22SOSO44; HCl; ; HCl;
HNOHNO33 e H e H33POPO44 9898OO ≤≤ T T ≤≤ 260 260OOCC
0,5% 0,5% ≤≤ [Ácido] [Ácido] ≤≤ 10% 10%
1:20 1:20 ≤≤ S:L S:L ≤≤ 1:4 1:4seg seg << θθ << hs hs
GS=log {GS=log {θθ . exp [(T-100)/14.75] . exp [(T-100)/14.75]}} - pH - pH
Fonte: McMillan (2003)Fonte: McMillan (2003)
ácidoácido p p-hidroxibenzóico-hidroxibenzóico
ácidoácido mm-hidroxibenzóico-hidroxibenzóico
ácido vanílicoácido vanílico
ácido siríngicoácido siríngico
pp-hidroxibenzaldeído-hidroxibenzaldeído
vanilinavanilina
ácido cinâmico ácido cinâmico
siringaldeídosiringaldeído
álcool coniferílicoálcool coniferílico
álcool sinapílicoálcool sinapílico
LIGNINALIGNINA
Parajó Parajó et al.et al. (1998) (1998)
hidroxi-metil furfuralhidroxi-metil furfural furfuralfurfural
HEMICELULOSEHEMICELULOSECELULOSECELULOSE
CHOCHOHOH2C
Potentes inibidores da atividade metabólica, provenientes de Potentes inibidores da atividade metabólica, provenientes de
processos de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicosprocessos de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos
ácido acéticoácido acético
acetaldeído acetaldeído ácidoááácáácidocidoácidoááácidoáácidocidoácidoááácidoáácidocidopppp hid-hidpp-hid-hidvanilv nilvanilvanilácidoááácidoáácidocidosiringsiringsiring
cido acéticocido accido acééététicoticocetaldeído t ldcetaldecetaldeíííd íídodo
CHO
Hidrólise Enzimática Hidrólise Enzimática
de Celulose de Celulose
1: ENDOGLUCANASE 2: EXOGLUCANASE 3: β-GLUCOSIDASE
Região amorfa
Região cristalina
Celodextrinas
1
Celobiose
2
Glicose
3
� CELULASES são inibidas por GLICOSE e CELOBIOSECELULASES são inibidas por GLICOSE e CELOBIOSE
Por que hidrolisar celulose
enzimaticamente?
�̀ Condições mais brandas de pressão, temperatura e pH;
‘� Alta especificidade;
‘� Eliminação de hidroximetilfurfural,dentre outras substâncias tóxicas (derivadas de lignina);
‘� Alto custo de produção das enzimas;
‘� Baixo consumo de energia;
‘� Baixo custo com materiais para a construção dos equipamentos, diferentemente de processos que empregam a hidrólise ácida.
P&D&I
Por quê a produção de celulases deve ser dedicada (in plant) para a produção industrial de etanol de biomassa lignocelulósica ?
������������������� �����������
� Cada biomassa lignocelulósica terá requisitos diferentes em termos de composição dos preparados enzimáticos;
� Diminuir-se-ia a dependência exógena por esses biocatalisadores;
� Racionalizar-se-ia a produção nacional de celulases;
� Estaria inserida no contexto de Biorrefinaria.
HEMICELULOSEHEMICELULOSE
PARCIALMENTEPARCIALMENTE
HIDROLISADAHIDROLISADA
GP: 2-10GP: 2-10
Concepção Atual Concepção Atual : Fracionamento e Hidrólise Separada dos Polissacarídeos: Fracionamento e Hidrólise Separada dos Polissacarídeos
HIDRÓLISEHIDRÓLISE
QUÍM. OU QUÍM. OU ENZ.ENZ.
CELULOSE CELULOSE
HIDROLISADA HIDROLISADA
C6C6
CONVERSÃOCONVERSÃO
QUÍMICAQUÍMICA
Poliálcoois Poliálcoois
Glicois Glicois
FurfuralFurfural
Metil etil cetonaMetil etil cetona
EtilenoEtileno
DioisDiois
Propileno etc Propileno etc
CONVERSÃOCONVERSÃO
BIOLOGICA BIOLOGICA
Combustíveis Combustíveis
SolventesSolventes
Acidos orgânicos Acidos orgânicos
PoliálcooisPoliálcoois
Biopolímeros Biopolímeros
Enzimas etcEnzimas etc
PRÉ-TRATAMENTOPRÉ-TRATAMENTO
• Mecânico;Mecânico;
• Explosão a vapor;Explosão a vapor;
• Hidrotérmico.Hidrotérmico.
CONVERSÃO QUÍMICACONVERSÃO QUÍMICA
Emulsificantes, Dispersantes, Sequestrantes,Emulsificantes, Dispersantes, Sequestrantes,
Surfactantes; Ligantes, Aromáticos etc.Surfactantes; Ligantes, Aromáticos etc.
MATERIAL MATERIAL
LIGNOCELULÓSICOLIGNOCELULÓSICO
HEMICELULOSE HEMICELULOSE
HIDROLISADA HIDROLISADA
C5 & C6C5 & C6
HIDRÓLISEHIDRÓLISE
QUÍM.QUÍM. OU ENZ. OU ENZ.
(combustível & energia)(combustível & energia)
LIGNINALIGNINA
CCCCLigninaLignina ~ 24 MJ/Kg ~ 24 MJ/Kg
CCCCbagaçobagaço ~ 7 MJ/Kg ~ 7 MJ/Kg
CClignina ~3,5 X CCbagaço
CELULIGNINACELULIGNINA
Estratégias para a Estratégias para a
Produção de Etanol de Produção de Etanol de
Materiais Materiais
LignocelulósicosLignocelulósicos
PRÉ-TRATAMENTOHIDRÓLISE
HEMICELULOSE
HIDRÓLISEENZIMÁTICA
DE CELULOSE
PRODUÇÃODE CELULASES
FERMENTAÇÃOC6
DESTILAÇÃO
FERMENTAÇÃO C5
ETANOLETANOL
açúcares solúveisaçúcares solúveis
sólidos sólidos
(celulignina)(celulignina)
HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SEPARADASHIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SEPARADAS
SHFSHF
No entanto, as enzimas do complexo celulásico No entanto, as enzimas do complexo celulásico
são inibidas pelos seus produtos finais de são inibidas pelos seus produtos finais de
hidrólisehidrólise
(CELOBIOSE e GLICOSE)(CELOBIOSE e GLICOSE)
PRÉ-TRATAMENTOHIDRÓLISE
HEMICELULOSE
HIDRÓLISEENZIMÁTICA
DE CELULOSE
PRODUÇÃODE CELULASES
FERMENTAÇÃOC6
DESTILAÇÃO
FERMENTAÇÃO C5
ETANOLETANOL
açúcares solúveisaçúcares solúveis
sólidos sólidos
(celulignina)(celulignina)
HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SIMULTÂNEASHIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS
HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE &
FERMENTAÇÃO C6
SSFSSF
Modelo deModelo de
Duas CorrentesDuas Correntes
PRÉ-TRATAMENTOHIDRÓLISE
HEMICELULOSE
HIDRÓLISEENZIMÁTICA
DE CELULOSE
PRODUÇÃODE CELULASES
FERMENTAÇÃOC6
DESTILAÇÃO
ETANOLETANOL
sólidos sólidos
(celulignina)(celulignina)
SACARIFICAÇÃO E COFERMENTAÇÃO SIMULTÂNEASSACARIFICAÇÃO E COFERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS
HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE
&FERMENTAÇÃO C6
&FERMENTAÇÃO C5açúcares solúveisaçúcares solúveis
SSCFSSCF
microrganismosrecombinantes
ModeloModelo
IntegradoIntegrado
PRÉ-TRATAMENTOHIDRÓLISE
HEMICELULOSE
DESTILAÇÃO
ETANOLETANOL
BIOPROCESSO CONSOLIDADOBIOPROCESSO CONSOLIDADO
açúcares solúveisaçúcares solúveis
PRODUÇÃO DE CELULASES&
HIDRÓLISE DA CELULOSE&
FERMENTAÇÃO C6&
FERMENTAÇÃO C5
CBPCBP
sólidos sólidos
(celulignina)(celulignina)
microrganismosrecombinantes
ModeloModelo
ConsolidadoConsolidado
Fermentação de glicose e xilose Fermentação de glicose e xilose
por por Saccharomyces Saccharomyces geneticamente geneticamente
modificadamodificada
Fonte: Ho Fonte: Ho et al.et al. (2003) (2003)
Fermentação de Fermentação de hidrolisado bruto de hidrolisado bruto de
palha de trigopalha de trigo por uma linhagem de por uma linhagem de
Saccharomyces Saccharomyces 1400 geneticamente 1400 geneticamente
modificada (pLNH32)modificada (pLNH32)
Fermentação de glicose e xilose Fermentação de glicose e xilose
por uma linhagem naturalmente por uma linhagem naturalmente
ocorrente de ocorrente de Saccharomyces Saccharomyces
1400 em meio sintético1400 em meio sintético
Fermentação de glicose e xilose por Fermentação de glicose e xilose por
uma linhagem geneticamente uma linhagem geneticamente
modificada de modificada de Saccharomyces Saccharomyces
(pLNH33) em (pLNH33) em meio sintéticomeio sintético
XIL
GLI
ETOH
XIL
GLI
ETOH
XIL
GLI
ETOH
Professor Nancy HoProfessor Nancy Ho
Purdue UniversityPurdue University
Processo DHR: Dedini Hidrólise RápidaProcesso DHR: Dedini Hidrólise Rápida
Unidade DHR montada em PirassunungaUnidade DHR montada em Pirassununga
Usina São LuisUsina São Luis
Brasil: Dá sinais positivos para a valorização do bagaço de cana Brasil: Dá sinais positivos para a valorização do bagaço de cana
Investimentos: R$12 milhões Investimentos: R$12 milhões
(R$ 9 milhões DEDINI e R$ 3 milhões COPERSUCAR)(R$ 9 milhões DEDINI e R$ 3 milhões COPERSUCAR)
• Remoção inicial de lignina pelo Remoção inicial de lignina pelo
Processo Processo OrganosolvOrganosolv (etanol) (etanol)
• Processo de hidrólise em uma única etapaProcesso de hidrólise em uma única etapa
• [H[H22SOSO44] = 0,1%] = 0,1%
• Temperatura de hidrólise = 200Temperatura de hidrólise = 200ooC C
• Tempo de hidrólise = 15 minTempo de hidrólise = 15 min
• Eficiência de hidrólise = 65%Eficiência de hidrólise = 65%
• Capacidade = 5.000 litros de etanol/diaCapacidade = 5.000 litros de etanol/dia
O hidrolisado não é fermentado diretamente, O hidrolisado não é fermentado diretamente,
sendo misturado ao caldo de cana em uma sendo misturado ao caldo de cana em uma
proporção volumétrica de, proporção volumétrica de,
aproximadamente, 20%.aproximadamente, 20%.
no entanto,no entanto,
Ethanol Production Plant from Corn Processing Residues Ethanol Production Plant from Corn Processing Residues
(‘corn stover’ e ‘corncob’) in USA(‘corn stover’ e ‘corncob’) in USA
Simultaneous Saccharification and Co-FermentationSimultaneous Saccharification and Co-Fermentation Process Process
NREL-DOE/Golden-CO/USANREL-DOE/Golden-CO/USA
04 bioreactors of 9.000 L; 02 of 1.450 L and 02 of 160 L (ethanol concentration = 30-40 g/L)04 bioreactors of 9.000 L; 02 of 1.450 L and 02 of 160 L (ethanol concentration = 30-40 g/L)
Processing Capacity: 2 ton of lignocellulosic material/dayProcessing Capacity: 2 ton of lignocellulosic material/day
Ethanol Production Capacity = 750 L/dayEthanol Production Capacity = 750 L/day
Ethanol Production Plant from Lignocellulosic Residues Ethanol Production Plant from Lignocellulosic Residues
arising from Corn Industry (arising from Corn Industry (corn stover corn stover e e corncobscorncobs) in Canada ) in Canada
Partnership: IOGEN/Petro-Canada/ShellPartnership: IOGEN/Petro-Canada/Shell
(Investments of US$ 110 million)(Investments of US$ 110 million)
Press Release 21 April, 2004Press Release 21 April, 2004
CELLULOSE ETHANOL IS READY TO GOCELLULOSE ETHANOL IS READY TO GO
Iogen producing world’s first cellulose ethanol fuelIogen producing world’s first cellulose ethanol fuel
Prime Minister Paul Martin congratulates Prime Minister Paul Martin congratulates
Iogen on its success in the cellulose Iogen on its success in the cellulose
ethanol technology at an event at the ethanol technology at an event at the
Iogen demonstration plant April 21, 2004.Iogen demonstration plant April 21, 2004.
����������
Prime Minister Paul Martin and Iogen Prime Minister Paul Martin and Iogen
President Brian Foody launch the world's first President Brian Foody launch the world's first
shipment of cellulose ethanol to the shipment of cellulose ethanol to the
commercial fuel market April 21, 2004.commercial fuel market April 21, 2004.
��������������������������������������������������������
��
�
Processing capacity: 12,000-15,000 ton/yearProcessing capacity: 12,000-15,000 ton/year
Production capacity: 4 . 10Production capacity: 4 . 1066 liters/year liters/year
385385480,6480,6Total Total
7676151151Range FuelsRange Fuels
80806868Logem Biorefinery Partners Logem Biorefinery Partners
80809494Broin Companies of Sioux Broin Companies of Sioux
fallsfalls
404071,971,9Blue Fire EthanolBlue Fire Ethanol
333352,652,6ALICOALICO
7676 43,143,1Abengoa BioenergyAbengoa Bioenergy
Recursos DOE (US$ milhões)
Produção (106 L/ano)
Empresa
Plantas industriais em construção nos EUAPlantas industriais em construção nos EUA
para a produção de biocombustíveis e outras para a produção de biocombustíveis e outras
substâncias químicas de interesse comercialsubstâncias químicas de interesse comercial
utilizando utilizando BIOMASSAS RESIDUAISBIOMASSAS RESIDUAIS
Fonte: http:www.eere.energy.gov/biomass (2007) Fonte: http:www.eere.energy.gov/biomass (2007)
P-2
Utilidade Fria
Utilidade Quente
Água
Utilidade fria
Utilidade quente
CaO
BAGAÇO
VINHOTO
ETANOLCaSO4
Acid
Pre
treatm
en
tHEMICELLULOSE
HYDROLYSATE
SSF (Saccharomyces cerevisiae)
Alcohol Fermentation Pichia stipitis
Cellulase Production
CELLULIGNIN
Lignocellulosic Biomass Ethanol
UFRJ
Patent PI0505299-8 (11/2005)Patent PI0605017-4 (12/2006)
(PATENT nb. 1000)
26/10/2007
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50
t em po ( h)
Co
nc
en
tra
tio
n (
g/
L)
ce llobiose
glucose
et hanol
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40
Tem po (h)
Xilo
se
, A
rab
ino
se
e G
lico
se
(g
/L)
0
10
20
30
40
50
Bio
ma
ssa
, E
tan
ol
e X
ilit
ol
(g
/L)
Xilose
Glicose
Arabinose
Xilit o l
Etanol
Biomassa
≅ 40 g/L EtOH
QP ≅ 1 g/L.h
Ethanol Production from Cane Bagasse
≅ 70 g/L EtOH
Simultaneous Saccharification and Fermentation of CELULOSE
Fermentation of the HEMICELLULOSE Hydrolysate
QP ≅ 1,8 g/L.h
PHE SSF
QP (ethanol from sucrose) = 5-8 g/L.h
UFRJ
Histórico do Desenvolvimento do Projeto de Histórico do Desenvolvimento do Projeto de
Produção de Etanol de Bagaço de Cana-de-Produção de Etanol de Bagaço de Cana-de-
AçúcarAçúcar
74
16 2
22 0
0
50
100
150
200
250
Eta
no
l/B
ag
ad
e c
an
a (
L/
ton
)
2004 200 5 20 06
Ano
HEMICELULOSE
HEMICELULOSE+
CELULOSE
290290Resíduos de milhoResíduos de milho
290290Palha de trigoPalha de trigo
280280Palha de arrozPalha de arroz
280280Palha de canaPalha de cana
280280Bagaço de canaBagaço de cana
L ETOH/L ETOH/
ton de BSton de BSResíduoResíduo
Taxas Máximas de Conversão de Taxas Máximas de Conversão de
Diferentes Resíduos em Etanol Diferentes Resíduos em Etanol
(considerando as eficiências de (considerando as eficiências de
hidrólise e fermentação)hidrólise e fermentação)
Fonte: Kim, S. & Dale, B.E. (2004). Fonte: Kim, S. & Dale, B.E. (2004).
Análise do Bioprocesso: Balanço EnergéticoAnálise do Bioprocesso: Balanço Energético
29,43 MJ/L29,43 MJ/L
Consumido na Consumido na
produçãoprodução
21,06 MJ/L21,06 MJ/L
FornecidoFornecido
1.000 ton de Bagaço: 220.000 L1.000 ton de Bagaço: 220.000 L SuperPro DesignSuperPro Design
(empresa (empresa InteligenInteligen))
ResíduoResíduo
(Lignina)(Lignina)
~ 25 MJ/L~ 25 MJ/Linput / output de
energia
1 : 0,72
Reaproveitamento térmico (NEV)Reaproveitamento térmico (NEV)
input / output de energia
1 : 4,75
Consumo pode alcançar Consumo pode alcançar
valores de apenasvalores de apenas 5 MJ/L 5 MJ/L
EtOHEtOH
CONSIDERAÇÕES FINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS
A A GRANDE DISPONIBILIDADEGRANDE DISPONIBILIDADE dos dos RESÍDUOS AGROINDUSTRIAISRESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS aliada ao seu aliada ao seu
POTENCIALPOTENCIAL como como MATÉRIA-PRIMAMATÉRIA-PRIMA para a produção de uma variedade de para a produção de uma variedade de
substâncias químicas não podem ser subestimados e ditam que estes materiais de substâncias químicas não podem ser subestimados e ditam que estes materiais de
composição lignocelulósica devam ter um composição lignocelulósica devam ter um aproveitamento mais racionalaproveitamento mais racional;;
Neste tema, o Neste tema, o ETANOL ETANOL ainda é a substância química que tem tido a tecnologia de ainda é a substância química que tem tido a tecnologia de
produção mais pesquisada. No entanto, já se começa a ver intensivos esforços e produção mais pesquisada. No entanto, já se começa a ver intensivos esforços e
grandes investimentos no sentido de se diversificar o uso desses abundantes grandes investimentos no sentido de se diversificar o uso desses abundantes
resíduos, dentro do conceito, do que vem sendo denominado, de resíduos, dentro do conceito, do que vem sendo denominado, de BIORREFINARIABIORREFINARIA; ;
O pré-tratamento de emprego mais comum é a O pré-tratamento de emprego mais comum é a EXPLOSÃO COM VAPOR EXPLOSÃO COM VAPOR
CATALISADACATALISADA, que visa a solubilização e hidrólise da , que visa a solubilização e hidrólise da HEMICELULOSEHEMICELULOSE;;
Da Da HEMICELULOSEHEMICELULOSE, várias substâncias podem ser obtidas e o desenvolvimento dos , várias substâncias podem ser obtidas e o desenvolvimento dos
processos produtivos vem se mostrando cada vez mais competitivos. Destes, processos produtivos vem se mostrando cada vez mais competitivos. Destes,
destacam-se a produção de destacam-se a produção de XILITOLXILITOL e de e de ETANOLETANOL. No entanto, esforços devem ser . No entanto, esforços devem ser
envidados no sentido de se aumentar as taxas de produção de tais moléculas.envidados no sentido de se aumentar as taxas de produção de tais moléculas.
No que tange ao aproveitamento de No que tange ao aproveitamento de CELULOSECELULOSE, verifica-se uma forte uma , verifica-se uma forte uma
tendência à integração das etapas de tendência à integração das etapas de HIDRÓLISE ENZIMÁTICAHIDRÓLISE ENZIMÁTICA e e FERMENTAÇÃO FERMENTAÇÃO
para a produção de para a produção de ETANOLETANOL (Processo SSF). (Processo SSF).
A integração de etapas gera hidrolisados com uma variedade de açúcares A integração de etapas gera hidrolisados com uma variedade de açúcares
(principalmente (principalmente GLICOSEGLICOSE e e XILOSEXILOSE), que deverão ser prontamente consumidos ), que deverão ser prontamente consumidos
por por MICRORGANISMOS RECOMBINANTESMICRORGANISMOS RECOMBINANTES, tendo em vista a diversidade , tendo em vista a diversidade
metabólica que se pode conseguir com estes agentes biológicos (Processo metabólica que se pode conseguir com estes agentes biológicos (Processo
SSCF);SSCF);
As pesquisas sobre As pesquisas sobre CELULASESCELULASES têm se concentrado sobre o desenvolvimento de têm se concentrado sobre o desenvolvimento de
uma mistura de enzimas que atuem cooperativamente e com uma mistura de enzimas que atuem cooperativamente e com altas atividadesaltas atividades e no e no
desenvolvimento de desenvolvimento de processos deprocessos de produção mais econômicosprodução mais econômicos, a fim de se reduzir , a fim de se reduzir
o custo desses biocatalisadores;o custo desses biocatalisadores;
Pesquisas integradas e o desenvolvimento de Pesquisas integradas e o desenvolvimento de PROCESSOS BIOLÓGICOSPROCESSOS BIOLÓGICOS e e
QUÍMICOSQUÍMICOS a partir de resíduos lignocelulósicos têm avançado de forma célere e a partir de resíduos lignocelulósicos têm avançado de forma célere e
plantas comerciais para o aproveitamento de tais materiais estão por se tornar plantas comerciais para o aproveitamento de tais materiais estão por se tornar
uma realidade. uma realidade.
03 professores; 10 alunos de 03 professores; 10 alunos de DScDSc; 04 de ; 04 de MScMSc; 02 Técnicos; 03 Pós-Doc’s;; 02 Técnicos; 03 Pós-Doc’s;
06 alunos de IC; 04 estagiários e 01 técnico-administrativo (total=32).06 alunos de IC; 04 estagiários e 01 técnico-administrativo (total=32).
Equipe do LADEBIO/UFRJEquipe do LADEBIO/UFRJ
A dependência por petróleo permanece como o fator mais importante que afeta a distribuição mundial de riqueza, os conflitos globais, a saúde humana e a qualidade do meio ambiente.
O crescimento populacional e a associada demanda por combustíveis e bens de consumo têm intensificado Pesquisa e Desenvolvimento para a utilização, de forma mais diversificada, de matérias-primas renováveis, em substituição às fontes fósseis, em particular os abundantes RESÍDUOS AGRÍCOLAS e AGRO-INDUSTRIAIS.
Os avanços nesta área sinalizam que, seguramente, o aproveitamento de matérias-primas renováveis, incluindo os seus resíduos, reverterá essa dependência. É uma questão de tempo.
O Brasil encontra-se em posição bastante privilegiada para assumir a liderança no aproveitamento integral de ‘BIOMASSAS’. O momento nunca foi tão propício (preço do barril > US$ 100).
COLHEITA DE CANA NO BRASIL
Estimativa:
• Cana é cortada 65% à mão após queimada
• 15% é cortada mecanicamente após queimada
• 20% é cortada mecanicamente sem queimar
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