avanços em biotecnologia para o processamento de...
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coordenador: Prof. Nei Pereira Jr.
website: www.ladebio.org.br
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
NÚCLEO DE BIOCOMBUSTÍVEIS
LAB DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS
Avanços em Biotecnologia para o
Processamento de Biomassas
Pesquisa e Desenvolvimento no LADEBIO
LUIZ ANDRÉ SCHILITTLER
UFRJ
Prédio de 4 pavimentos
Area: 2000 m2
• 500 m2 de área para plantas pilotos
• 18 laboratórios de pesquisa:
Caracterização de biomassas
Central analítica
Microbiologia e Biologia molecular
Tecnologia de fermentação
Engenharia de enzymas
Cultivo de microalgas
Biocombustíveis não-convencionai
Processos termoquímicos
Desenvolvimento de catalizadores
Produção de biodiesel
Biomateriais
Fuidodinâmica computacional
Controle e automação de processos
Termoanálise e reologia
Análise de petróleo
Utilidades
Inaugurado em julho de 2012.
LADEBIO/NPPD/UFRJ
CARACTERIZAÇÃO
BIOMASSA
BIOLOGIA
MOLECULAR
APLICADA
BIOPRODUÇÃO
Etanol 1G; 2G & 3G Ácidos Orgânicos
Solventes Polióis
OTIMIZAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTOS DE BIOMASSAS
(SUCARÍNEAS, AMILÁCEAS, LIGNOCELULÓSICAS E ALGÁCEA)
ENGENHARIA DE ENZIMAS
(Production, Characterization, Formulation & Application)
ENGENHARIA BIOPROCESSO
Modos de operação (Batelada, alimentada ; contínuo) Concep~ções de processos
SHF; SSF; SSCF; SHCF; CBP Configurações de biorreatores
(Seleção & Design)
UNB & UFAM
USP/SCar & York University
PROTEÍNA
CÉLULA ÚNICA
GÁS NATURAL
UFPR
BIOTECNOLOGIA
AMBIIENTAL
(Hydrocarbon Biodegradation)
G&E-PETROBRAS
CENPES-PETROBRAS
Projetos e Parcerias
O Complexo Lignocelulósico
Composição Básica: (Base Seca)
Celulose (40-60%) Hemicelulose (20-40%)
Lignina (10-25%)
LIGNINA
HEMICELULOSE CELULOSE
Microscopia Ótica Digital Microscopia Eletrônica de Varredura
Sabugo de
Milho
Palha de Trigo
Palha de
Arroz
Bagaço de cana
Semente de
Algodão
Papel de Jornal
Resíduos Urbanos
Carboidratos (%)
Glicose 39.0 36.6 41.0 38.1 20.0 64.4 40.0
Manose 0.3 0.8 1.8 n.d. 4.1 16.6 8.0
Galactose 0.8 4.4 0.4 1.1 0.1 n.d. n.d.
Xilose 14.8 19.2 14.8 24.3 4.6 4.6 14.0
Arabinose 4.2 4.4 4.5 4.5 4.3 0.5 4.0
Não-carboidratos (%)
Lignin 15.1 14.5 9.9 18.4 17.6 21.0 20.0
Ashes 4.3 9.6 4.4 4.8 14.8 0.4 1.0
Proteins 4.0 4.0 n.d. 4.0 4.0 n.d. n.d.
Fonte: Lee (1997)
Composição de Alguns
Resíduos Lignocelulósicos
~ 70% carboidrato
Estrutura das Biorrefinarias
Fonte: Thomas & Octave (2009)
Biorrefinaria baseada em Lipídeos
Biorrefinaria baseada em Proteínas
Biorrefinaria baseada em Carboidratos
Biorrefinaria baseada em Biomassa Lignocelulósica
VEGETAL
RESERVAS
VEGETAIS
ESTRUTURA
VEGETAL
AÇÚCARES
amido, sacarose...LIPÍDIOS LIGNOCELULOSE
BIOTECNOLOGIA, “QUÍMICA VERDE”
PRODUTOS DE INTERESSE INDUSTRIAL
Pré-tratamento
Celulose
HemiceluloseLignina
Estrutura simplificada de uma Concepção de BIORREFINARIA INTEGRAL (Whole Crop Biorefinery)
O que são BIORREFINARIAS?
BIORREFINARIAS são similares às refinarias de petróleo em conceito; no
entanto estas concepções tecnológicas utilizam material biológico (em oposição ao petróleo e outras fontes fósseis) para produzir COMBUSTÍVEIS para TRANSPORTE, uma variedade de SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS e ENERGIA. BIORREFINARIAS INDUSTRIAIS têm sido identificadas como as rotas mais
promissoras para a criação e uma nova indústria baseada em fontes renováveis.
LIGNINA
SOLÚVEL
BIOMASSA
LIGNOCELULÓSICA
PRÉ-TRATAMENTOS
(QUÍMICOS/BIOTECNOLÓGICOS)
HEMICELULOSE
(PENTOSES + HEXOSES)
CELULOSE + LIGNINA
(CELULIGNINA)
OH- ou solventes orgânicos
(DESLIGNIFICAÇÃO)
CELULOSE LIGNINA
H+
(HIDRÓLISE)
GLICOSE
Processos Típicos das Biorrefinarias
Hidrólise Enzimática
GLICOSE
ETANOL 2G
Prospecção de tecnologias para
Produção de Etanol 2G
Modificação genética
de microorganismos
Produção de outros compostos
Produção de enzimas
Hidrólise enzimática
Produção de etanol 2G
RESIDUAL BIOMASS:
BAGAÇO E PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR
RESÍDUOS DO PROCESSAMENTO DO MILHO
TORTA DE MAMONA
RESÍDUOAS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE
RESÍDUOS URBANOS
BAGAÇO E PALHA DO SORGO
Arundo donax
MELAÇO
VINHAÇA
Processos de Valorização
de Biomassas Residuais
PROJETOS EM ANDAMENTO
PRODUTOS ALVO
ETANOL
BUTANOLDIOL
XILITOL
ÁCIDO SUCCÍNICO
ÁCIDO PROPIÔNICO
ÁCIDO D-LÁTICO
ACETONA-BUTANOL-ETANOL
XILANASES
CELULASES
FRUTOSE
HMF POLÍMEROS VERDES
FIBRA DE CARBONO
Parceiros/colaboradores/financiadores: CENPES-PETROBRAS; FAPERJ; CNPq; DBMol/UNB; CAM/UFAM; LC/USP; IQ/UFRJ; IM/UFRJ; ICB/UFRJ; FIBRIA/ARACRUZ; BRASKEM; PEQ-COPPE/UFRJ; INETI/PT; YORK UNIVERSITY and INCT-BIOETANOL.
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40
Tempo (h)
Xilose, Ara
bin
ose e
Glicose (
g/L
)
0
10
20
30
40
50
Bio
massa, Eta
nol e X
ilitol (g
/L)
Xilose
Glicose
Arabinose
Xilitol
Etanol
Biomassa
ETANOL - Fermentação de Hidrolisado
Hemicelulósico de Bagaço de Cana por
Scheffersomyces stipitis
NAD+ NADH
XR XD
XR: xilose redutase; XD: xilitol desidrogenase
XILOSE XILITOL XILULOSE
NADPH
NADP+
YETOH/Xilose = 0.41 g/g (80%)
QP1g/L.h
ÁCIDO SUCCÍNICO - Fermentação de
Hidrolisado de Bagaço de Cana-de-Áçucar por
Actinobacillus succinogenes
Meio Sintético S
0
(g/L)
tTOTAL
(h)
µx
(h-1
)
td
(h)
SA
(g/L)
YP/S
(g/g)
QP
(g/L.h)
GLUCOSE 21.2 24 0.273 2.5 4.98 0.240 0.415
XILOSE 20.9 24 0.305 2.1 5.20 0.261 0.433
Fonte: Borges & Pereira Jr. (2011).
ÁCIDO PROPIÔNICO - Fermentação de
Hidrolisado Hemicelulósico de Bagaço de Sorgo
por Propionibacterium acidipropionici
CAP: Celulose-acetato-propionato
Fonte: Garcia & Pereira Jr. (2014).
Batelada PSR (%)
YP/S (g/g)
QP (g/L.h)
Cycle 1 100 0.491 0.35
Cycle 2 100 0.536 0.83
Cycle 3 100 0.617 1.17
L. coryniformis torquens
L. helveticus
Microorganism LACTIC ACID (g/L)
Isomer identified Anaerobic Aerobic
Lactobacillus helveticus 15.0 12.0 Racemic mixture
Lactobacillus delbrueckii lactis 7.6 1.8 D(-) Lactic acid
Lactobacillus coryniformis torquens 18.5 14.5 D(-) Lactic acid
Lactobacillus coryniformis coryniformis 20.0 13.7 D(-) Lactic acid
Microorganism Variáveis de resposta
Yx/S (g/g) YP/S (g/g) QP (g/L.h)
Lactobacillus helveticus 0.17 0.79 0.67
Lactobacillus delbrueckii lactis 0.24 0.36 0.32
Lactobacillus coryniformis torquens 0.20 0.90 0.77
Lactobacillus coryniformis coryniformis 0.20 0.88 0.88
ÁCIDO D-LÁTICO – Fermentação de
Glicose e Xilose por Lactobacillus
GLUCOSE + XYLOSE
L. coryniformis torquens L. coryniformis torquens
GLUCOSE
Lactobacillus pentosus
XYLOSE
Desenvolvimentos e Desafios da
Segunda Geração (2G) para o
LADEBIO
Estudar o aproveitamento de biomassas residuais não convencionais;
Uso da biomolecular para construção de microrganismos geneticamente melhorados para a conversão otimizada das diferentes frações das biomassas;
Desenvolver pré-tratamentos mais efetivos e menos intensivos em energia e insumos;
Produção dedicada de enzimas (in plant);
engenharia de enzimas para hidrólise mais eficiente das biomassas lignocelulósicas;
P&D&I de novos processsos para a produção de outras moléculas;
Integração energética de processos (valorização da lignin).
Equipe do LADEBIO
Parceiros