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8/14/2019 Etanol de celulose
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Programa de Pós-Graduação em Genética e
Melhoramento de PlantasLGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
Aluno: Bruno Marco de LimaOrientador: Luis Eduardo Aranha Camargo
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Introdução
Relembrando, o que é um combustível?
É tudo que é passível de entrarem combustão, liberando
energia
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Introdução
O uso dos combustíveis em máquinas
Máquina à vapor:-Queima de combustível Calor- Aquecimento da água Vapor
- Energia cinética
Motor de combustão interna-Queima de combustível Explosão- Energia cinética
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Introdução
“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se
transforma” - Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)
Combustível + → CO2 + H2O + EnergiaC6H12O6 + 6 → 6 CO2 + 6 H2O + Energia
Planta armazena a glicose de em moléculas mais estáveis :- Dímeros (sacarose, maltose)
- Polímeros (amido, lignina, hemiceluloses, celulose, pectina)
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A Celulose
Por que utilizar a celulose?
Polímero mais abundante dasuperfície terrestre
omponente e pare escelulares das plantas
Formado por estruturas decarbono, assim como oscombustíveis utilizados
Nelson & Cox. Lehninger’s Principles of Biochemistry, 4 ed. 2004.
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A Celulose
Do que é formada a celulose???
Origem química baseada na glicose
Na ligação entre moléculas de glicose há perda
de água (C6H10O5 anidroglicose)
Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
Celulose = (C6H10O5)n
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A Celulose
Problema: como utilizar a energia acumulada na celulose?
Características químico-físicas da celulose(em temperatura ambiente):
- Insolúvel em água- Insolúvel em solventes orgânicosneutros- Insolúvel em ácidos
“Cellulose has a high tensile strength,e uivalent to that o steel steel steel steel.... Cellulose is
- Insolúvel em hidróxidos diluídosalso insolubleinsolubleinsolubleinsoluble, chemically chemically chemically chemically stablestablestablestable, and relatively immuneimmuneimmuneimmune to to to to chemical chemical chemical chemical and and and and enzymatic enzymatic enzymatic enzymatic attack attack attack attack. These properties makecellulose an excellent structural material for building a strong cell wall.”
Taiz & Zeiger
Após hidrólise:
- Recupera-se até 96% da quantidadeteórica de glicose- Subprodutos: Celobiose (C12H22O11)e
Celotriose (C18H32O16)Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
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Biocombustíveis
Como extrair a energia armazenada nas plantas?
Simples queima;
Processos complexos de bioconversão (termoquímicos e/ou enzimáticos)
Devem se adaptar a existente tecnologia de combustíveis,
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Biocombustíveis
O que pode ser considerado um biocombustível?
- Plantas oleaginosas (soja, mamona, amendoim)- Plantas extrativas (cana-de-açúcar, milho)
- Lixo orgânico-
É considerado um biocombustível qualquer combustível oriundo de material biológico, deorigem não-fóssil
- Celulose (todas as plantas)
Combustíveis fósseis(petróleo e derivados,
carvão mineral, gás natural)
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Biocombustíveis
Os biocombustíveis podem ser usadostanto isoladamente, comoadicionados aos combustíveisconvencionais.
Etanol (cana-de-açúcar, milho)
Biodiesel (plantas oleaginosas)
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Biogás (biomassa)
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Preparo daMatéria-Prima(p.e. esmagamento)
TransesterificaçãoKOH ou NaOH
Separação
Álcool
Biocombustíveis
das fases
Glicerina +Álcool Ésteres + Álcool
BiodieselGlicerina
Produção
do
Biodiesel9% 86%
Adaptado de SEBRAE. Biodiesel, 2008.
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Produção
do
Biocombustíveis
Cana-de-açúcar
Extração do
caldo
Fermentação
Bagaço
Leveduras
Retirada dasleveduras
Destilação
EtanolVinhaça
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Biocombustíveis
Produçãodo
Etanol
Celulósico
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
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Etanol Celulósico
Etapas de produção
Pré-tratamento Termoquímico:-Torna os polímeros de celulose maisacessíveis às enzimas e há liberação
das hemiceluloses
Há algumas pesquisas em andamento que já combinam em um passo
a hidrólise e fermentação (SSF)
Fermentação:-Bactérias os Leveduras
r se a ce u ose:
-Celulases produção de açúcaressimples
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Degradação da biomassa e produção do etanol
- Atuais tratamentos são dependentes deácidos e aquecimento
- Dificuldade em encontrar enzimasestáveis nessas condi ões
Problemas enfrentados pelo Etanol Celulósico
Pode ser utilizada a mesmainfra-estrutura para a produção
do etanol atualmente, porém...
Problema do uso de enzimas paradegradação:
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
- Poucos organismos candidatos(dificuldade de cultivo in vitro)
Otimização é essencial, diante do altocusto da sacarificação, já que as celulases
são o maior impedimento para o usodesse tipo de biocombustível
Problema: grande diversidade deaçucares produzidos
Ex. hexoses são fermentáveis pela S.
cerevisiae, porém pentoses não são...
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Produção deMatéria-PrimaProdução deMatéria-Prima
Etanol Celulósico
Organismosfermentadores
Organismosfermentadores
Degradação daparede celularDegradação daparede celular
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
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Etanol Celulósico
Espécies em potencial
Plantas C3- Populus spp.- Eucalyptus spp.
Condições para escolha da espécieFora do espectrofotossinteticamente ativo
Refletido e transmitido
IneficienteFotoquimicamente
Síntese de Carboidratos
Fotorrespiração
PERDAS DE ENERGIASOL
Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Plantas C4 (em regiões mais quentes)- Panicum spp.- Miscanthus spp.- Cana-de-açúcar (que ainda possuí asacarose)
Adaptado de Zhu et al. Current Opinion in Biotechnology, vol. 19, p. 153-159, 2008.
Uso em terras pobres em fertilidade ecapacidade hídrica, não competindo emterras para produção de alimentos.
Respiração
Biomassa 46kJ Biomassa 60kJ
- Maximizar a biomassa total produzida ha/ano- Manutenção da sustentabilidade, minimizando“inputs”
- Maximizando a quantidade de combustívelproduzida por unidade de biomassa
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Miscanthus x giganteus
Espécies e Estádio de Melhoramento
Características:-Alta produção-Baixa necessidade de fertilizantes e baixa necessidade de pesticidas
Produtividade:-Em média 25 ton/ha/ano (ms) Europa- Há grande variabilidade na produção
Produçãode
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
- Pode ser mantido por de 3 a 5 anos
(reprodução vegetativa)
Poucos trabalhos de melhoramento daespécie (Europa e Illinois)
- Triploidia (Miscanthus x giganteus)dificulta os trabalhos de melhoramento
Lewandowski, I. et al. Biomass & Bio Energy, vol. 19, p. 209-227, 2000.
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Saccharum spp. (Cana-de-açúcar)
Espécies e Estádio de Melhoramento
Inicio das hibridações em 1888 em Java eBarbados
Objetivo principal dos programas demelhoramento:- Doenças- Produção de sacarose
-Resistência ao tombamento
- Resistência a penetração de pragas
Balanço energético da indústria
Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Cana-de-açúcar
Caldo86 a 92%
Fibra8 a 14%
Produção de açúcare álcool
Lavanholi, M.G.D.P. In: Cana de Açúcar, 2008.
Dados IBGE (Brasil):- Produtividade média: 79,5 ton/ha- Área colhida 2008: 8,2 milhões de ha
- ~ 11% Fibra = 71 710 000 ton de
fibra/ano
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Conteúdo de Celulose
Aumentando a biomassa das plantas
Genômica funcional e estudos com mutantes:
- Genes envolvidos na síntese de celulose e hemicelulose
Modelos da biossíntese de celulose são ainda apenasteóricos
Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Exemplos práticos:
- Mutantes de Giberelina: aumento de biomassa (Eriksson et al., 2000)
- ADP-glucose pyrophosphorylase (AGP, amido emendosperma) expressa em níveis mais altos (através depromotores de endosperma) em arroz: aumento inesperadode 20% na biomassa total (Smidansky et al., 2003)
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Conteúdo de Lignina
Lignina também é um polímero, porémfenólico
Dá rigidez a parede celular:Dificulta o contado das enzimas dehidrólise com o a celulose e hemicelulose
Repressão da lignina
Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Gera a necessidade de um pré-tratamento termoquímico
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Conteúdo de Lignina Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
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Decrescendo a necessidade de pré-tratamento
Vários trabalhos supressão de metabólitos da via da lignina resultaram em diminuição daquantidade de lignina
4CL: Populus spp. (Hu et al., 1999)
CCR: Tabaco (Chabannes et al., 2001)
CAD: Alfalfa e Populus spp. (Baucher et al., 1999; Pilate et al., 2002)
Conteúdo de Lignina Matéria-Prima
Matéria-Prima
ParedeCelular
Fermentação
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
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Degradação da Parede Celular
Hidrólise enzimática: uma idéia nova?
Matéria-Prima
ParedeCelularParedeCelular
Fermentação
ã
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Degradação da Parede Celular
Hidrólise da celulose
- Celulases: são necessário três tipos(endoglucanase, exoglucanase e β-glucosidase)-
Enzimas desconstrutoras de paredecelular:
Uso de Celulossomos:
-Maquinário supramolecular extracelular
- Sintetizado por alguns microorganismosanaeróbicos- Capaz de degradar a celulose cristalina eoutros polissacarídeos da parede celular
Matéria-Prima
ParedeCelularParedeCelular
Fermentação
celulases possam entrar em atividade- Ligninases
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
ã C
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Uma proteína “scaffolding”com várias enzimas (celulases)
ligadas.
Degradação da Parede Celular
As Celulossomas
Matéria-Prima
ParedeCelularParedeCelular
Fermentação
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
D ã P C
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As Celulossomas
Interesse no estudo da expressão eregulação de genes dessas enzimas
Em estudos de expressão, os genes eramexpressos em abundancia quando as
bactérias cresciam em meios feitos depolissacarídeos e baixa expressão em
-Potencial de transformação deorganismos não-degradadores de celuloseem degradadores.
- Construção e uso de designer
celulossomas para fins específicos (mini-scaffoldings).
Degradação da Parede Celular Matéria-Prima
ParedeCelularParedeCelular
Fermentação
Em Clostridium thermocellum foramidentificadas 26 enzimas celulossômicas
(polivalente)
me os e monossacar eos.
CATABOLITE-REPRESSION-LIKE mechanism
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Deg ção P e e Ce
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As Celulossomas
- Realiza a troca de domínios funcionaisem proteínas, podendo gerar, e.g.,enzimas degradadoras de celulose e
Recombinação in vitro ou “DNAshuffling”
Degradação da Parede Celular Matéria-Prima
ParedeCelularParedeCelular
Fermentação
tolerantes a altas temperaturas
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Há ainda estudos de sinergia
- Combinações de enzimas específicaspodem resultar em atividade ainda maiorde celulases
Organismos Fermentadores
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Fermentação de pentoses
Organismos Fermentadores
Leveduras fermentadoras de Xilose
-Pichia stipitis levedura nativa com
maior capacidade de fermentação dexiloses
- Vive em endossimbiose com um
Produçãode Matéria-
Prima
ParedeCelular
Fermentação
Fermentação
besouro apodrecedor de madeira
Jeffries, T.W. et al. Nature Biotechnology, vol. 25, n. 03. 2007.
Já tentou-se manipular genes de P. stipitis
em S. cerevisiae:Problema: Regulação com mecanismos
diferentes
Sequenciamento de seu genoma forneceuinformações a respeito dessa suacapacidade de fermentação
Há outros organismos etanol-produtores:- E. coli KO11 (mutante)- Zymomonas mobilis
*Não resistem a altas [ ] de etanol
Organismos Fermentadores P d
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Fermentação de pentoses
Organismos Fermentadores Produçãode Matéria-
Prima
ParedeCelular
Fermentação
Fermentação
Transformação de Saccharomyces cerevisiae com genes deThermus thermophilus
Uso do gene xylA de Xilose Isomerase de T. thermophilus
Thermus thermophilus
Xilose Isomerase
Xilose Etanol
Vantagens:
- Suporta altas temperaturas (85˚C)
- S. cerevisiae passa a fermentar todos os tipos de açucaresoriundos da celulose e hemicelulose
Walfridsson, M. et al. Appl Env Microbiol, vol. 62, n. 12, p. 4648-4651, 1996.
Genômica e o Etanol Celulósico Prod ção
Prod ção Degradação
DegradaçãoDesenvolvi
Desenvolvi
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Genômica e o Etanol Celulósico
Projetos genoma existentes
Uma série de projetos genoma tem sido feitosfocando organismos importantes no processode produção do Etanol Celulósico
Produçãode Matéria-
Prima
Produçãode Matéria-
Prima
Degradaçãoda parede
celular
Degradaçãoda parede
celular
mento defermentado
res
mento defermentado
res
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
- Conhecimento de genes envolvidos na síntesede celulose e hemiceluloses
- Alterações nas taxas e estruturas de várias
macromoléculas formadoras da parede celular
- Identificação de genes codificadores deenzimas degradadoras e organismosfermentadores mais eficientes e adaptados
Mercado do Etanol
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Mercado do Etanol
Produção mundial
Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008. Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Custos e Rendimento
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(US$/quantidade) US$/GJPetróleo 314/m³ 8,7
Custos e Rendimento
Valores de produção
Adaptado de Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
, ,
Gás Natural 0,212/m³ 7,9Carvão 20/ton 0,9Eletricidade 0,04/kWh 11,1Óleo de Soja 105/ton 13,8Culturas Celulósicas 50/ton 3,0
Situação Mundial
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Situação Mundial
Plantas sendo construídas nos EUA
Expectativa de produzir 500 milhões de litrosde álcool por ano
(Brasil prevê produzir na safra 2008/2009 24
bilhões de litros de etanol de sacarose)
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008. Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Situação Mundial
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Situação Mundial
Plantas sendo construídas nos EUA
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Biocombustível
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Biocombustível
Contexto ambiental
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Conclusões
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l e
Em que áreas atuar para ganhos de produção?
Produção de
Matéria-Prima
Produção de
Matéria-Prima
Açúcares otimizados das plantasRedução de toxinasRedução dos custos de MP
Polissacarídeos mais disponíveisRedução da Lignina
Enzimas de digestão in planta
Adaptado de Breaking the biological barriers
to cellulosic ethanol: A joint research agenda.U.S. Department of Energy. 2006.
Desenvolvimentode organismosfermentadores
Desenvolvimentode organismosfermentadores
Degradação daparede celularDegradação daparede celular
Maiores produtividades de açúcarMenor custo de capital
Menor custo de enzimas
Etanol Celulósico
8/14/2019 Etanol de celulose
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Kleiner, K. Nature Reports Climate Change, vol. 2, p. 9-11. 2008.
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Obrigado pela atenção
http://www.biodieselbr.com/