UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA

GORETE RIBEIRO DE MACEDO

NATAL – RN

FEERN - 2013

Biomassa: Etanol de Segunda Geração

INTRODUÇÃO

União européia - 15 bilhões de litros de etanol por ano até 2020.

Demanda americana - 136 bilhões de litros de etanol até 2022; Produção : 57 bilhões de litros de etanol;

Há uma corrida mundial por novas fontes de energias renováveis.

GRANDES OPORTUNIDADES!

Biocombustíveis de fontes renováveis, principalmente de materiais lignocelulósicos, terão um papel importante para

alcançar essas metas.

Hahn-hägerdal et al., 2006

Biomassa Alimentícia Biomassa Energética

Biomassa Residual

BIOMASSAS VEGETAIS

O que é Biomassa e por que utilizá-la em substituição às fontes fósseis?

BIOMASSA: materiais de origem direta ou indireta do PROCESSO DE FOTOSSÍNTESE. Portanto, são formados periodicamente e sua produção não está limitada no tempo, SÃO RENOVÁVEIS.

Caracterização do problema

Fonte: Ministério de Minas e Energia

ETANOL DE 1° GERAÇÃO CALDO DA CANA-DE-AÇÚCAR

DE GRÃO E CEREAIS

Combustível vs Alimento.

BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA

ALGAS BIOMASS

Não compete com produção de alimento.

Rápido crescimento comparado com o tradicional milho;

Não compete por áreas agricultáveis.

ETANOL E SUAS DIFERENTES GERAÇÕES

ETANOL DE 2° GERAÇÃO

TECNOLOGIA MATURA

TECNOLOGIA EMERGENTE (DESENVOLVENDO)

TECNOLOGIA FUTURA

ETANOL DE 3° GERAÇÃO

Composição Básica: Celulose (40-60%)

Hemicelulose (20-40%)

Lignina (10-25%)

Composição Básica: Celulose (40-60%)

Hemicelulose (20-40%)

Lignina (10-25%)

Celobiose

Pontes intramolecular de Hidrogênio

Pontes intermolecular de Hidrogênio

Celulose: unidades de homopolissacarídeo de -(14)-D-glucopiranose

O COMPLEXO LIGNOCELULÓSICO

Parte da celulose é amorfa entre seções cristalinas.

BALANÇO HIPOTÉTICO DE MASSA DA PRODUÇÃO DE ETANOL DE 2G UTILIZANDO

BAGAÇO DE CANA

SAFRA 2010/2011 624.921 milhões de toneladas de cana Aproximadamente 2.000.000 milhões de equivalente de barril de petróleo/dia Produção de petróleo no Brasil é de 2.100.000 barril/dia

Diferentes materiais lignocelulósicos para a produção de bioprodutos:

Bagaço de cana-de-açúcar;

Bagaço de coco

Pedúnculo de caju

Palha da cana-de-açúcar;

Palha de arroz;

Casca de arroz;

Sabugo de Milho;

Palha de milho;

Palha de trigo;

Algodão;

BIOMASSA RESIDUAL

Brasil: 4,7 bilhões de ton/ano de bagaço passíveis de aproveitamento

Geração de energia nas usinas: Excedente de 50%

Potencial para produção de etanol

BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

BAGAÇO DO COCO

BRASIL - 6,7 milhões de ton/ano

de casca

RN - 53 ton/dia de resíduo

Potencial para produção de

enzimas celulolíticas e

microdestilarias de etanol

Quantidade de Resíduos Lignocelulósicos gerados anualmente no Brasil ~350 x 106 toneladas (40% de umidade)

Produção brasileira per capita

~2 toneladas/habitante/ano

147 x 106 toneladas de açúcares

Produção mundial de açúcar (sacarose e glicose) 140 x 106 tons

92 x 109 de litros de etanol (potencial)

(2,6 vezes a soma da produção brasileira e norte-americana = 35 x 109 de litros )

Considerando-se as eficiências de hidrólise e fermentação 60 x 109 de litros

de etanol

RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS

Nei Pereira (UFRJ), 2011

BIOETANOL

PRODUÇÃO DO BIOETANOL A PARTIR DE

LIGNOCELULÓSICO

BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA

HIDRÓLISE ÁCIDA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA

FERMENTAÇÃO SIMULTÂNEA

DAS HEXOSES E PENTOSE FERMENTAÇÃO SEPARADA

DAS HEXOSES E PENTOSE

ETANOL

Rotas de Hidrólise e Fermentação partindo de materiais lignocelulósicos para a produção de etanol (Rossell, 2006).

PRÉ- TRATAMENTO

AÇÚCARES microrganismos recombinantes

Reduzir os custos de produção das enzimas hidrolíticas

Desenvolvimento de processos de fermentação otimizados para a produção de enzimas

Modelo de enzima celulase, produzida por T. fusca

No âmbito da produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, as celulases são insumos que impactam significativamente o processo, podendo representar até 18% do custo operacional de uma planta (Philippidis & Hatzis, 1997).

PRODUÇÃO DE ENZIMAS

C6

Fermentação

C5

Fermentação

Pré-tratamento

Celulase

Produção

Celulose

Hidrólise

Destilação

PROCESSOS DE INTEGRAÇÃO TÍPICOS NA PRODUÇÃO DE ETANOL

GRAU DE INTEGRAÇÃO

• Hidrolise enzimática (HE)

• Processo (SSF)

• 40% de digestão da celulose (HE)

• 86% de digestão da celulose (SSF)

• 1 ton de bagaço – 87 L etanol

Componentes (%) In natura Pre-tratado

Celulose 38,59 64,89

Hemicelulose 27,89 9,61

Lignina 17,79 7,85

Extrativos em solventes

orgânicos 1,61 0,71

Extrativos em água 100 °C 1,11 11,23

Cinzas 8,80 5,75

• Biorreator

• 6% de celulose

• 1 L de volume

In natura

Pré-tratado

1 ton de cana-de-açúcar

• 850 L caldo – 70 L etanol

• 270 kg bagaço – 22,8 L

etanol

• Xilose – 14 L etanol

• Total – 106,8 L etanol

• Aumento de 52,57%

1 ton de cana-de-açúcar

• 850 L caldo – 70 L etanol

• 270 kg bagaço – 22,8 L

etanol

• Total – 92,8 L etanol

• Aumento de 32,57%

BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR (LEB – UFRN)

PRE-TRATAMENTO ÁCIDO/ALCALINO

• Hidrólise enzimática

(HE)

• Processo (SSSF)

• 88 % de digestão da celulose (HE)

• 91 % de rendimento em etanol (SSSF)

• 1 ton de fibra de coco maduro – 110 L de

etanol

Componentes (%) In natura Pré-tratado

Celulose 32,12 56,44

Hemicelulose 27,81 12,59

Lignina 25,02 13,52

Cinzas 3,31 8,30

• Biorreator

• 10 % de fibra de coco

maduro

• 1 L de volume

In natura

Pré-tratado

1 ton de fibra de coco

maduro

• 110 L de etanol

• Xilose – 59,7 L etanol

• Total – 169,7 L etanol

• Aumento de 54,3 %

1 ton de fibra de coco

maduro

• 110 L de etanol

Fibra de coco maduro (LEB – UFRN)

Pré-tratamento hidrotérmico catalisado

com hidróxido de sódio

Benefícios Gerais da Conversão de Biomassas Residuais

Fontes abundantes e baratas de recursos renováveis;

Oportunidade para o desenvolvimento industrial com base no conceito de BIORREFINARIA;

Redução nas emissões gasosas que causam o efeito estufa;

São tecnologias mais limpas;

Promovem benefícios macroeconômicos para as comunidades rurais e para a Sociedade como um todo;

Estão inseridas no contexto de Desenvolvimento Sustentável.

BIORREFINARIA é um termo relativamente novo que se refere ao uso de

matérias-primas renováveis e de seus resíduos ( 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.

BIOMASSAS • Cultivos energéticos • Resíduos agrícolas/agroindustriais • Oleaginosas

PLATAFORMA SUCRO-QUÍMICA • Hidrólise (química/enzimática) • Conversão da lignina

PLATAFORMA TERMO-QUÍMICA • Pirólise

• Gaseificação XTL

Intermediários gasosos ou líquidos

intermediários glicídicos ou

derivados de lignina

Biocombustíveis (Etanol e Biodiesel) Produtos químicos Bioenergia

PLATAFORMA OLEO-QUÍMICA Transesterificação/ Esterificação

BIORREFINARIA

Obrigada

gomacedo@eq.ufrn.br