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Análise da Produção do Ácido Succínico a Partir de
Fontes Renováveis: Perspectivas e Desafios
ORIENTADORES: Prof. Nei Pereira Jr., PhD
Profª. Adelaide Antunes, DSc
Sabrina Dias de Oliveira
26 de setembro de 2014
4º Encontro da Escola
Brasileira de Química Verde
Combustíveis derivados do petróleo e do carvão:
aproximadamente 80% na matriz energética mundial
DIVERSIFICAR A MATRIZ ENERGÉTICA E FONTES DE MP
REDUZIR A DEPENDÊNCIA POR FONTES FÓSSEIS
BUSCAR POR FONTES RENOVÁVEIS E ALTERNATIVAS MENOS POLUIDORAS
MUDANÇA DE
PARADIGMA
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
2002
ESCRITÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS (DOE)
BIOCOMBUSTÍVEIS, BIOENERGIA E BIOQUÍMICOS → PROGRAMA DE BIOMASSA
15 produtos químicos produzidos a partir de
açúcares por via bioquímica ou química
BLOCOS DE CONSTRUÇÃO
Ácido succínico, fumárico e málico
Ácido 2,5 furanodicarboxílico
Ácido 3 hidróxipropiônico
Ácido aspártico
Ácido glucárico
Ácido glutâmico
Ácido itacônico
Ácido levulínico
3-hidróxibutirolactona
Glicerol
Sorbitol
Xilitol/ arabinitol
Fonte. WERPY e PETERSEN (2004).
300 MOLÉCULAS
ÁCIDO SUCCÍNICO
INDÚSTRIA DE ALIMENTOS, FARMACÊUTICA E DE COSMÉTICOS
Ácido orgânico de maior potencialidade com
uma variedade de aplicações industriais
Produto de grande interesse para empresas
de vários segmentos, por ser um building
block, precursor de muitos produtos
químicos importantes industrialmente
BUILDING BLOCK
Ácido adípico, surfactantes, solventes verdes, ingredientes estimulantes para crescimento de plantas, antibióticos e vitaminas
(Fonte: WERPY e PETERSEN, 2004)
Processo de Produção: ROTA QUÍMICA
Oxidação do butano até anidrido maléico, que é hidrolisado até obtenção do ácido maléico e através de sua hidrogenação é obtido o ácido succínico.
O custo elevado para a conversão de anidrido maleico para AS, representa uma limitação para as diversas
aplicações deste produto.
Produção de AS por microrganismos anaeróbios ou anaeróbios facultativos ⇨ alternativa impacto
econômico e ambiental da síntese química.
Possibilidade de planejamento de produções alternativas, seqüenciais ou
conjuntas, com outros produtos de interesse no mercado:
Ácido cítrico - Ácido láctico - Ácido acético – Ácido propiônico e/ou etanol
Processo por ROTA FERMENTATIVA
Substituir as MP tradicionais (ácidos tereftálico ou adípico
derivados de energia fóssil e o próprio AS petroquímico)
Emprego de MP renovável, particularmente, os resíduos
agrícolas e agroindustriais
Redução do custo global da fermentação para
competir com produtos petroquímicos
DESAFIOS:
VANTAGENS:
Mercado Mundial de Ácido Succínico (2011)
Europa 33,6%
América do Norte e Ásia-Pacífico 58,8%
A região da Ásia-Pacífico é estimada para ser o mercado de maior crescimento para AS, devido à
grande demanda da maioria das economias emergentes como China, Índia e Japão.
Demanda mundial de AS (BIO)
51 mil toneladas (2013)
593,4 mil toneladas (2020)
Taxa anual média de 32,2%
(2014 a 2020)
Mercado global de AS (BIO)
$ 992,9 milhões (2020)
Taxa anual média de 23,3% (2014 a 2020)
Fomentar projetos que contemplassem o desenvolvimento, a produção e a comercialização de novas tecnologias
industriais destinadas ao processamento da biomassa oriunda da cana-de-açúcar para obtenção
de produtos de maior valor agregado
BNDES e FINEP assinaram um acordo para a execução de um Plano
de Apoio à Inovação Tecnológica Industrial dos Setores
Sucroenergético e Sucroquímico (PAISS)
2011-2014
R$ 1 bilhão
Participação de renováveis na matriz
energética
Fonte: EPE, 2013
BIORREFINARIAS
Significado de instalações, equipamentos e processos que convertem a biomassa em biocombustíveis e produtos químicos e ainda podem gerar eletricidade (BASTOS, 2007).
Farm Bill
2002
Pereira Jr. (2006) associou Biorrefinaria ao uso de MP renováveis e de seus resíduos, de maneira integral e diversificada, para a produção, por rota química ou biotecnológica, de uma variedade de substâncias e energia, com a mínima geração de resíduos e emissões de gases poluidores.
Participação estratégica da indústria química no fornecimento de insumos e produtos finais a diversos setores da economia
Petroquímico Farmacêutico Automotivo Agronegócio Cosméticos Construção
TECNOLOGIAS DE PRIMEIRA GERAÇÃO
Tecnologias maduras
Biomassas primárias, acessíveis
Energia vs Alimentos
TECNOLOGIAS DE SEGUNDA GERAÇÃO
Tecnologias emergentes (em crescimento)
Biomassa residual (lignocelulósica)
Não compete com a produção de alimentos
TECNOLOGIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO
Biomassa algal
Tecnologias portadoras de futuro
Crescimento mais rápido do que culturas terrestres
Não compete com culturas agrícolas.
CLASSIFICAÇÃO DAS
BIORREFINARIAS
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
Fontes: SUNG & CHENG (2002); PANDEY et al., (2000)
Resíduos lignocelulósicos como matérias-primas
50% da biomassa terrestre
Candidata atraente como fonte alternativa ao petróleo
Única fonte abundante de carbono renovável;
Matéria-prima para Biorrefinarias;
Baixas pegadas de carbono quando comparadas ao petróleo;
Está domesticamente disponível.
BIOMASSA
Biomassa Residual
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
Num cenário de constantes transformações econômicas, sociais, ambientais e institucionais e de rápida evolução do conhecimento
ESTUDOS PROSPECTIVOS ⇨ ferramentas analíticas que ajudam a diminuir as
incertezas e os riscos em face do futuro.
Trabalhos de prospecção tecnológica (econômicas, políticas e sociais) subsidiam processos decisórios, formulações de políticas tecnológico-industriais e fortalecem os planejamentos estratégicos governamentais e organizacionais
Identificar as oportunidades e desafios inerentes a produção do AS por rota biotecnológica, a partir de recursos renováveis, através do estudo de prospecção tecnológica.
• Identificar áreas de pesquisas estratégicas e tecnologias
genéricas emergentes com potencial de gerar os maiores
benefícios econômicos e sociais
• Papel de orientar os investimentos no setor de interesse
em médio e/ou longo prazo: líderes governamentais e
empresas privadas utilizam essa ferramenta para a
fundamentação do processo de análise do futuro
UNIVERSIDADE Auxiliar na condução da pesquisa para áreas temáticas
mais promissoras e estratégicas para o crescimento do país
Identificação de tecnologias com maior potencial de competição no comércio nacional e internacional.
É o processo que se ocupa de examinar, sistematicamente, o
futuro de longo prazo da ciência, da tecnologia, da
economia e da sociedade.
PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA
Um estudo prospectivo deve envolver mais de um método ou técnica, quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade buscando compensar as possíveis deficiências trazidas pelo uso de técnicas ou métodos isolados (CGEE, 2010).
Metodologias de Prospecção
Criatividade
Métodos
descritivos e
matrizes
Opinião de
especialistas
Monitoramento
e Sistemas de
Inteligência
Modelagens e
simulações
Cenários
Análise de
tendências
Sistemas de
Avaliação e
Decisão
Fonte: Porter et al. (2004)
• Identificar eventos científicos, técnicos ou socioeconômicos importantes para a organização.
• Definir ameaças potenciais para a organização, implícitas nesses eventos.
• Identificar oportunidades para a organização envolvidas nas mudanças no ambiente.
• Alertar a direção sobre tendências que estão convergindo, divergindo, ampliando, diminuindo ou interagindo.
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
Fontes de Informação
Artigos
Patentes
• Preservação do conhecimento
• Comunicação entre cientistas
• Divulgação de resultados de pesquisa e estudos acadêmicos
• As Universidades e Empresas pelo mundo se utilizam desses meios para publicarem suas pesquisas.
Publicações em Periódicos
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
• Mapeamento da evolução de tecnologias
• Identificação de novos mercados (protegidos e não-protegidos)
• Identificação de tecnologias emergentes
• Previsão de novos produtos
• Definição de potenciais rotas para aperfeiçoamentos em produtos e processos existentes
• Rastreamento de capacitação tecnológica
• Identificação de fontes de licenciamento, entre outros aspectos.
PATENTES
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
Cenários
Fonte: Adaptado de PESSÔA (2007)
SWOT ferramenta utilizada para fazer análises de cenário e planejamento
estratégico de uma organização.
Avaliação de fatores internos e externos que geram influência sobre a organização.
O presente trabalho tem como objetivo realizar uma prospecção tecnológica da produção do ácido bio-
succínico, utilizando indicadores científicos, tecnológicos e comerciais; além de investigar as
oportunidades e desafios da produção biotecnológica do ÁCIDO SUCCÍNICO para o Brasil.
Objetivo Geral
Metodologia
Fonte: Bahruth et al. (2006)
Fases para execução, organização e conclusão da Prospecção Tecnológica
METODOLOGIA
RESULTADOS
Fonte: adaptada do método de Watts e Porter (1997).
Etapa A: Prospecção da Inovação e Análise da Curva de
Crescimento da Tecnologia
Etapa B: Análise de Forças e Fraquezas da tecnologia investigada
• Artigos científicos, documentos de patentes e informações de mercado; • Dissertações de Mestrado, Teses de Doutorado e Exames de Qualificação; • Portal do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (Organização Social
supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação); • Portal do Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC)
Definição de objetivos, escopo, abordagem e metodologia
Atributos Indicadores
Perfil de PD&I
Pesquisa
fundamental Artigos Científicos
Pesquisa aplicada
Patentes
Aplicação comercial
Notícias de Mercado +
Dados da Balança Comercial Brasileira
Fonte: Adaptado de Watts e Porter (1997)
Detalhamento da metodologia e levantamento das fontes de dados
Estratégia de Busca Utilizada
Indicadores Base de Dados Abrangência da
busca
Época de
Atualização
Artigos científicos Web of Science 1945 – 2014 Maio/2014
Patentes Derwent Innovatons Index 1980 – 2010 Janeiro/2013
Notícias de Mercado Chemical Business NewsBase 1985 – 2013 Agosto/2013
Dados da Balança Comercial Brasileira
AliceWeb 2005 – 2010 Janeiro/2014
Palavras-chave
butanedioic bio-based bioconversion biomass* *residue
succinic biotechnolog* bioprocess carbon source* “raw material*”
succinate microbial production succiniproducens sugarcane* feedstock*
fermentation biotransformation renewable* bagasse* agroindustrial*
biobased biorefiner* lignocellulo* “industrial residue*” waste*
Palavras-chave utilizando a base de dados Web of Science
Estratégia de busca para Artigos Científicos
Estratégia de busca utilizando a base de dados Derwent Innovations Index
Subseções Descrição
C12P 7/00 Preparação de compostos orgânicos contendo oxigênio
C12P 7/40. Contendo um grupo carboxila
C12P 7/44.. Ácidos policarboxílicos
C12P 7/46... Ácidos dicarboxílicos tendo quatro ou menos átomos de carbono, por ex.,
ácido fumárico, ácido maléico
Palavras-chave/CIP
butanedioic
succin* (succinic/succinate)
C12P 7/46
C12P 7/40
C12P 7/44
Descrição das subseções da CIP C12P 7 relacionadas ao tema de busca
Estratégia de busca para Patentes
Estratégia de busca para Notícias Técnicas
Termo "Succinic acid”
Sem limitação de período de tempo Período da base: 1985 - presente
Estratégia de busca para os dados da base AliceWeb
Produtos selecionados para avaliação dos seus valores totais de
importação/exportação e a Nomenclatura Comum do MERCOSUL (NCM)
Produtos químicos NCM
Ácido succínico 2917.19.90
Ácido fumárico 2917.19.30
Gama-butirolactona ou 4-butirolactona 2932.29.90
1,4-butanodiol 2905.39.90
Tetrahidrofurano ou tetraidrofurano 2932.11.00
Ácido adípico, seus sais e ésteres 2917.12.10 e 2917.12.20
Ácido maléico, seus sais e ésteres 2917.19.21 e 2917.19.22
Base de Dados Resultado Final
Web of Science 525 artigos
Derwent Innovatons Index 295 patentes
Chemical Business NewsBase 660 informações de mercado
Coleta, tratamento e análise dos dados
Tratamento dos dados obtidos
Artigos Científicos
Patentes
Informações de mercado
Categorias Características Número de
documentos
Ácido Succínico
Patentes que demonstraram a produção ou purificação do
ácido succínico e/ou succinato como produto principal por
rota biotecnológica.
225
Subproduto
Patentes que relatam a produção de outros produtos, tendo
o ácido succínico e/ou succinato como subproduto do
processo de fermentação.
5
Insumo e/ou
Coadjuvante
São as patentes que não possuem o foco na produção
fermentativa do ácido succínico e/ou succinato. O ácido
succínico e/ou succinato são utilizados durante o processo
para a produção de outros produtos.
63
Processo
químico
Patentes que demonstraram a produção ou purificação do
ácido succínico e/ou succinato como produto principal por
rota química.
2
Total de documentos 295
TIPOS DE CATEGORIAS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS PATENTES
Comunicação dos resultados, implementação das ações
e monitoramento
EVOLUÇÃO GLOBAL: 1983 - 2010
Crescimento no número total a partir da década de 2000
Técnicas de genética molecular com a introdução da reação em cadeia da polimerase (PCR) em 1987 → processos de produção do
AS utilizando microorganismos geneticamente modificados na fermentação.
EVOLUÇÃO GLOBAL (1991 -2014): ARTIGOS
525 ARTIGOS → 8 BR (1,5% DO TOTAL)
EVOLUÇÃO GLOBAL (1983- 2010): PATENTES
225 DOCUMENTOS → 20 BR (9% DO TOTAL) → NENHUM RESIDENTE BR
2000-2005 → 17 BR
EVOLUÇÃO GLOBAL (1985 – 2014): MERCADO
660 INFORMAÇÕES → 32 BR (5% DO TOTAL)
PRINCIPAIS PAÍSES (TOP 12)
PAÍSES DE ORIGEM: ARTIGOS
JP [1991-1995] EUA [1996 – 2010]
CN [2001]/[2011-2014]
Instituição do Autor Principal Número de
artigos
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) 3
Universidade Federal de Lavras (UFLA) 1
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) 2
Universidade de São Paulo (USP) 1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) 1
Total:
8 publicações científicas
1,5% do total de artigos
BRASIL
ARTIGOS
PAÍSES DE ORIGEM ( DE PRIORIDADE) : PATENTES
JP + EUA [1980 – 1995] CN [2006]
PAÍSES DE DEPÓSITO: PATENTES
Detentores das
Tecnologias
9% das tecnologias estão
protegidas (BR) ⇨ grande
oportunidade a indústria
química nacional: copiar e
comercializar diversas
tecnologias patenteadas em
outros países
Vocação agrícola e abundância de MP
renováveis no país
BR ser pouco competitivo no campo da
Biotecnologia e conhecido importador
de produtos com alto valor agregado
Não foram encontrados depósitos
de residentes brasileiros.
20 depósitos no Brasil
Detentores das
Tecnologias
PAÍSES DE ORIGEM: MERCADO
PERFIL # ARTIGOS E PATENTES Sedes de importantes players do setor ou plantas demonstrativas/comerciais
EUA MYRIANT CORP e CARGILL
FR AGROINDUSTRIAL RECHERCHES ET
DEVELOPPEMENTS (ARD)
CA BIOAMBER
PLANTA: CHAMPAGNE (FR)
50%
35%
10% 5%
Engenharia Genética Otimização do Processo
Separação/purificação Dispositivo e Equipamento
Número de Patentes
CIPS Descrição
225 C12P Processos de fermentação ou processos que utilizem enzimas para sintetizar uma
composição ou composto químico desejado ou para separar isômeros ópticos de uma mistura racêmica
143 C12N Micro-organismos ou enzimas; suas composições; propagação, conservação, ou
manutenção de micro-organismos; engenharia genética ou de mutações; meios de cultura
61 C12R Esquema de indexação associado às subclasses C12C-C12Q, relativo a micro-organismos 29 C07C Compostos acíclicos ou carbocíclicos
Principais CIP encontradas nos documentos da produção do ácido bio-succínico
Processos de fermentação
Microorganismos naturalmente ocorrentes ou geneticamente
modificados
PATENTES: Identificação dos diferentes tipos de processos
Leitura dos
documentos
CIP genérica
Alteração de algumas
atividades enzimáticas
previamente selecionadas
⇨ elevar a concentração de
AS produzido e produzir
pouco ou nenhum outro
subproduto
MP renovável utilizada na produção de AS
Tipo de documento Total de
documentos
MP origem
renovável
Resíduos lignocelulósicos
(palha, bagaço e florestais)
ARTIGOS 525 133 (25%) 52 (10%)
PATENTES 225 48 (21%) 57 (25%)
NOTÍCIAS DE
MERCADO 660 153 (35%) 11 (2%)
Outros tipos de substratos:
glicose (206 artigos)
xilose (29 artigos)
glicerol (93 artigos)
Emprego de bactérias versáteis com capacidade de fermentar
tanto glicose, xilose ou glicerol
NÚMERO ⇩ EXPRESSIVO DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Entraves na transformação
(⇩ produtividade, ⇮quantidade de água)
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
Arroz
Milho
Milho
Resíduos
florestais
Arroz
Cana-de-açúcar
Milho
ARTIGOS
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
Resíduos
lignocelulósicos
Palha 5
Bagaço 10
Sem especificação 27
Resíduos florestais/madeira 10
Total 52
30
22
15
14
10
8
8 5 3 1 1
Milho
Floresta / madeira /grama / serragemArroz
Trigo
Cana-de-açúcar
Melaço
Sorgo
Mandioca
Cevada
Centeio
PATENTES
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
Resíduos
lignocelulósicos
Palha 21
Bagaço 11
Cascas 3
Resíduos florestais/madeira 22
Total 57
53
28
27
12
10 5
Arroz
Cana-de-açúcar
Milho
Sorgo
Trigo
Madeira/resíduosflorestais
MERCADO
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
Resíduos
lignocelulósicos
Palha 5
Bagaço (BR) 1
Resíduos florestais/madeira 5
Total 11
Cluster: Informações de Mercado: MP Renováveis
• Interação entre as 28 empresas
e as MP renováveis
Arroz
Milho
Cana-de-açúcar
Trigo
Resíduos lignocelulósicos
Resíduos de palha
Empresas em comum
BioAmber
Roquette
Royal DSM
BioAmber
emprego de quase todas as matérias-
primas (exceção do sorgo, bagaço e
resíduos florestais).
Âncora
PRINCIPAIS INSTITUIÇÕES (TOP 5)
Ranking das Instituições (10) : Artigos
21 artigos 8 hidrolisados lignocelulósicos como MP 10 técnicas de BM para produção do AS
26
22
18 14
11
10
9 7 6
MITSUBISHI CHEM CORP - Japão
AJINOMOTO CO INC - Japão
KOREA ADV INST SCI&TECHNOLOGY -Coréia do Sul
DSM IP ASSETS BV - Holanda
UNIV NANJING TECHNOLOGY - China
UNIV JIANGNAN - China
TORAY IND INC - Japão
UNIV RICE - EUA
MICHIGAN BIOTECH INST - EUA
Ranking das Instituições (9) : Patentes
RANKING DOS ARTIGOS
44,7 % dos pedidos de patentes
MCC
Produz, utilizando tecnologias próprias,
uma grande variedade de produtos
químicos pertencentes ao grupo C4 – 1,4-
BDO, THF e anidrido maleico
Principais CIP distribuídas pelas 4 principais instituições depositantes
Ranking das Instituições (10) : Mercado
Succinity ⇢ maior produtora de AS (bio) - capacidade instalada – 23 notícias e
ocuparia o 14ª no ranking de instituições mais citadas.
Mercado de produção do AS (bio) em escala comercial foi consolidado em 2013,
com atuação de 4 empresas: BioAmber, Reverdia, Myriant e Succinity.
Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas
• Interação/parcerias
entre as 24 empresas
por meio das
informações de
mercado
ÂNCORA
BIOAMBER: 35%
MYRIANT: 20%
joint venture ⇰ DNP Green
Technology e a ARD (FR)
Em 2009: processo de
primeira geração para a
bioprodução de AS: cana-
de-açúcar (e outras fontes
de biomassa) em uma
usina de 3.000 ton/ano em
Champagne (FR).
BioAmber Inc. (CA)
O AS-bio de elevado grau
de pureza: MP renováveis
e é quimicamente
equivalente ao produto
originado de fonte fóssil -
reduz em 94% as
emissões de gases do
efeito estufa
Myriant Corp
(EUA)
Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas
• Interação/parcerias
entre as 24 empresas
por meio das
informações de
mercado
joint-ventures
joint-ventures
PTTMCC Biochem
joint venture entre a PTT
Chemical Group
(Tailândia) com a
japonesa Mitsubishi
Chemical Corporation
Succinity GmbH joint venture formada entre a
BASF (DE) e Corbion Purac
(subsidiária da CSM NV)
1ª unidade de produção
comercial (Espanha) - 10.000
ton.
Reverdia Biosuccinium
joint venture formada
entre a Royal DSM NV (
NL) e a Roquette Frères
(FR) para a produção,
comercialização e
desenvolvimento de
mercado de
Biosuccinium™
2012: iniciou suas
operações na Itália (10.000
ton./ano)
1ª usina de grande escala
do mundo dedicada para a
produção de
Biosuccinium
Importação AS e derivados (2005 a 2010)
Exportação do AS e derivados (2005 a 2010)
• ⇮ Importação:
Ácido fumárico
Ácido adípico
Tetraidrofurano
• Bloco de construção
AS, BDO E BUTIROLACTONA
não apresentaram valores
relevantes de venda
ÁCIDO ADÍPICO
precursor do nylon e MP na
fabricação de espumas e
produtos industriais
Rhodia Poliamida
Análise SWOT da produção do ácido bio-succínico no Brasil
Se o objetivo for construir um país produtivo,
maduro na área de Biotecnologia e competitivo
no desenvolvimento de tecnologias de fronteira
ou emergentes, faz-se necessário enfrentar os
desafios e apostar nas potencialidades de novos
produtos e processos.
“O futuro não é um lugar para onde estejamos indo, mas um lugar que
estamos criando; o caminho para ele não é encontrado, mas construído,
e o ato de fazê-lo muda tanto o realizador quanto o destino."
(John Schaar - escritor norte-americano)
