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8/14/2019 Etanol de celulose http://slidepdf.com/reader/full/etanol-de-celulose 1/40 Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS Departamento de Genética Avenida 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 Lima Orientador: Luis Eduardo Aranha Camargo

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

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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/