Etanol de Segunda Geração

1. Etanol de Segunda Geração Lee Ernest Balster Martins Luis Henrique Souza Aquaroli

2. Etanol Produção dividida em dois tipo:

3. Matéria Vegetal Lignocelulósica Bagaço da cana de açucar

4. Viabilidade Aumento de até 50% da produção de álcool sem expansão de área de plantio; Demanda do Mercado Desenvolvimento de tecnologias de produção de etanol a partir da Biomassa Custo de produção no Brasil são os menores do mundo

5. Histórico dos processos de Produção

6. Processos Enzimáticos

7. Pré-tratamento • Índice de cristalinidade; • Área superficial acessível da celulose; • Hidrólise enzimática: absorção da enzima celulase a partir da fase líquida, pela superfície da celulose; • Biodegradação da celulose a açucares simples, celobiose e oligômeros; • Dessorção da celulase para a fase líquida; • Composição da matéria prima (hemicelulose e lignina)

8. Pré-tratamento

9. Tecnologias de Pré-tratamento • Pré-tratamento físico; • Pré-tratamento físico-químico; • Pré-tratamento químico; • Pré-tratamento biológico;

10. Pré-tratamento físico

11. Pré tratamentos Químicos e Físico-Químicos

12. Processos Processos mais promissores:

13. Processos de Hidrólise- Hidrólise com ácido diluído • Hidrólise é uma reação química de quebra de uma molécula por água. • Promissora tecnologia para produção de álcool; • Grande vantagem deste processo é uma corrosão menor dos equipamentos em relação ao processo com ácido concentrado; • No entanto, o baixo rendimento de açúcares e o alto custo de energia devido à necessidade de altas temperaturas e pressões são as grandes desvantagens desta tecnologia; • Barreira de ordem operacional e a falta de equipamentos;

14. Processos de Hidrólise- Hidrólise com ácido diluído O rendimento do processo de hidrólise por ácido diluído pode ser otimizado se for realizada em dois estágios; - O primeiro estágio é feito em condições mais leves, a fim de se converter hemicelulose em monossacarídeos; - O segundo estágio é realizado em condições mais severas, hidrolisando a celulose restante, diminuindo a produção de inibidores formados pela hemicelulose;

15. Processos de Hidrólise- Hidrólise com ácido diluído • As principais vantagens do processo com dois estágios são: - Maior produtividade de açucares, minimização do consumo de energia; - Solução hidrolisada resultante é mais concentrada; - Menor formação de compostos inibidores da fermentação.

16. Processos de Hidrólise- Hidrólise com ácido concentrado • Ácidos como o sulfúrico o clorídrico são utilizados para hidrolisar a hemicelulose e a celulose em baixas temperaturas, geralmente abaixo dos 100°C; • Os grandes desafios da tecnologia são o custo na construção de equipamentos resistentes à corrosão e a recuperação do ácido, que é um problema econômico e ambiental;

17. Processos de Hidrólise- Hidrólise com ácido concentrado • Vantagens: - A celulose cristalina é completamente solúvel com os ácidos; - Alto rendimento em períodos de reação relativamente curtos e baixas temperaturas, minimizando o consumo energético. • O processo se mostra entre uma das mais promissoras tecnologias de produção de bioetanol a partir de resíduos lignocelulósicos, apesar das desvantagens.

18. Processos de Hidrólise- Hidrólise Enzimática • Baseado na ação de três celulases distintas (endo-β-gluconases, exo-β-gluconases, e β-glucosidases). • Depende da proporção da concentração e adsorção destas enzimas; • Dividido em três etapas: - Decomposição das ligações glicosídicas; - Ataque sinergético; - Catálise da hidrólise dos oligossacarídeos;

19. Processos de Hidrólise- Hidrólise Enzimática • Vantagens em relação aos processos com ácidos: - Realização de hidrólise em temperaturas baixas (em torno de 40 - 50°C); - Baixa formação de subprodutos de degradação; • Desvantagem em relação aos processos com ácidos: - Alto custo (Desenvolvimento tecnológico das enzimas); • Alternativas aparentemente viáveis: - recuperação e a reciclagem das enzimas a partir do hidrolisado da celulose;

20. Mecanismo e Cinética da Hidrólise • Dividida em duas etapas: K1 e K2 são as constantes de taxa de reação. • Relação de Arrhenius - Concentração de glicose e frutose dada pela expressão: • Através da manipulação das Equações 1 e 2, obtém-se as equações das taxas de hidrólise , em função do tempo (3) e em função da temperatura(4).

21. Mecanismo e Cinética da Hidrólise • Relacionando as duas equações (3) e (4) chega-se a equação (5): • Variáveis como tempo e temperatura devem receber grande atenção, a fim de se evitar uma decomposição excessiva dos açúcares, afetando a subsequente fermentação. • A partira da equação final, foi modelado a curva da hidrólise em um gráfico em 3 condições diferentes:

22. Mecanismo e Cinética da Hidrólise Formação de glicose pela hidrólise de celulose por ácido diluído. Fonte: WETTSTEIN e DEVOS, 1980, apud KOSARIC et al., 2001.

23. Mecanismo e Cinética da Hidrólise • Para a hidrólise ácida, variáveis como pH tem grande influência nas taxas de decomposição dos açúcares. • Para a hidrolise ácida foi criado um modelo cinético para a degradação da glicose a partir da equação de Arrhenius e as regras de catálise ácido-base. • Pelas regras de catálise ácido-base, o fator pré-exponencial consiste de três partes: fator ácido (KH+), fator básico (KOH-) e fator solvente (KH2O)

24. Mecanismo e Cinética da Hidrólise • Outro modelo cinético é apresentado, relacionando conversão, tempo de residência e temperatura para a hidrólise de madeira com H2SO4 2%; • Fonte: DUARTE, 1989

25. Mecanismo e Cinética da Hidrólise • Outro método que utiliza a hidrolise ácida foi capaz de minimizar o efeito de degradação dos açúcares, através da realização em vários estágios de hidrólise; • Cada etapa de hidrólise limitada liberou cerca de 20% de monômeros a partir da cadeia celulósica. - Craqueamento a vapor; - H2SO4 2%, 190° C e 2o min; - 90% de rendimento no final do processo; - Retirada dos açucares a cada estagio;

26. O Futuro do Bioetanol • Biocombustíveis: principais objetos de estudo, ligados ao esgotamento dos recursos naturais e problemas ambientais no mundo; • Combustíveis fósseis com dias contados: reservas de petróleo (41 anos), gás natural (64 anos) e carvão (155 anos); • Investimento em bioetanol: US$30 bilhões em 20 anos; mais de US$50 bilhões desde o fim de 2006. • Principais consumidores de energia nos próximos 50 anos: meios de transporte (veículos rápidos) da América do Norte e Europa Central.

27. Redescoberta da Alcoolquímica: promessa para um futuro sustentável, substituindo a petroquímica (etanol como fonte de matérias primas); grandes investimentos, com foco no etanol lignocelulósico em países da União Europeia e Estados Unidos. • Desenvolvimento de tecnologias alternativas ao petróleo determinará as futuras lideranças da economia mundial; • Crescimento exponencial de biocombustíveis convencionais e celulósicos até 2022 (padrões norte-americanos): novas tecnologias e redescoberta da alcoolquímica no cenário mundial; • Etanol celulósico: otimização da área de plantio, beneficiando países como o Brasil.

28. Projeção do crescimento de combustíveis renováveis entre 2006 e 2022 (padrões norte-americanos). Fonte: VELASCO, 2009 (GHG – Greenhouse Gas).

29. O Futuro do Bioetanol no Brasil • Não há grandes expectativas: - falta de investimentos no setor de pesquisas e desenvolvimento; - concorrência com Estados Unidos (etanol celulósico); • Perda da vantagem tecnológica na produção de etanol em no máximo 3 anos; • Meta da Comissão Europeia: substituir 20% dos combustíveis fósseis por combustíveis alternativos até 2020; • Benefícios da tecnologia para a população: extinção de queimadas nas lavouras; • Problemas sociais gerados: - desemprego imediato de mais de 100 mil trabalhadores rurais sazonais; - possível deslocamento da produção visando fuga da legislação vigente; • "Ouro Líquido do Século XXI" no Brasil: êxito depende de mudanças na consciência política do país.