Lee Ernest Balster Martins Luis Henrique Souza Aquaroli
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Etanol Produo dividida em dois tipo: Primeira Gerao Segunda
Gerao (Etanol Lignocelulsico) sacarose da biomassa Celulose de
matrias primas lignocelulsicas
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Matria Vegetal Lignocelulsica Bagao da cana de aucar Composio
(%) Celulose39-40 Hemicelulose22-23 Lignina23-24 Cinzas4-5 Outros
componentes 8-9
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Viabilidade Aumento de at 50% da produo de lcool sem expanso de
rea de plantio; Demanda do Mercado Desenvolvimento de tecnologias
de produo de etanol a partir da Biomassa Custo de produo no Brasil
so os menores do mundo
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Histrico dos processos de Produo Pesquisa ou Processo (ano)
Principais caractersticasPesquisa ou Processo (ano) Principais
caractersticas Kirchhoff (1811) Sacarificao de amido com cido
diludo (precursora) Processo Madison (1099-1951) H2SO4 diludo
Corroses e eroses Alto custo de manuteno Classen (1901)Utilizao de
H2SO3 Corroso dos equip. Cons. Carvo e H2SO4 Processo Hokkaido
(1948) H2SO4 diludo na pr- hidrolise e concentrado na hidrlise
Tomlonson (1910) H2SO4 7,3L/100kg MP seca Processo Inventa (1950)
240L/MP seca Consumo de vapor de 14- 16.10kg/t (auto suficiente em
energia) Processo Classen (1914- 1931) H2SO4 8-11 L/100kg MP seca
Processo Noguchi- Chisso (1953) HCl+vapor no pre-trat., e HCl(g) na
hidrlise Pequeno tempo de reao Processo Scholler (1923-1931) H2SO4
diludo 200L/ton MP seca Grande escala
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Processos Enzimticos ProcessosPrincipais Caractersticas Gulf
Oil Chemicals (Tecnologia SSF fermentao e sacarificao simultneas
-aplicada a resduos lignocelulsicos) Diminuio no tempo da hidrlise
e fermentao. Melhoria na produtividade. Minimizao de formao de
subprodutos. Procter & Gamble (Tecnologia SSF aplicada a
resduos de polpa e papel) Pr-tratamento mais leve, devido maior
parte da lignina ter sido removida no processo de polpao.
Desenvolvimento de tcnicas de batelada alimentada. Bom desempenho
em temperaturas baixas (na faixa de 37C).
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Pr-tratamento ndice de cristalinidade; rea superficial acessvel
da celulose; Hidrlise enzimtica: absoro da enzima celulase a partir
da fase lquida, pela superfcie da celulose; Biodegradao da celulose
a aucares simples, celobiose e oligmeros; Dessoro da celulase para
a fase lquida; Composio da matria prima (hemicelulose e
lignina)
Pr-tratamento fsico Tipo de ProcessoProcesso Possveis mudanas
na biomassa Observaes importantes Moagem Por bolas; por martelos;
coloidal; vibratria; por compresso Aumento na rea superficial
acessvel e no tamanho dos poros; Diminuio da cristalinidade da
celulose; Diminuio no grau de polimerizao; Grande demanda de
energia; No removem totalmente a lignina; No so indicados para
aplicaes industriais; Nenhum reagente qumico requerido nestes
mtodos; Irradiao Com raio gama; feixe de eltrons; por microondas
Outros Hidrotrmico; vapor a alta presso; expanso; extruso;
pirlise
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Pr tratamentos Qumicos e Fsico-Qumicos Tipo de
processoProcessoMudanasobservaes Exploso ou craqueamento Por vapor;
AFEX; CO2 supercrtico Aumenta a rea superficial acessvel;
Deslignificao parcial a completa; Diminui a cristalinidade da
celulose; Diminui o grau de polimerizao da celulose; Hidrlise
parcial ou completa da hemicelulse; Esto entre os mais efetivos e
so os mais promissores para aplicaes industriais; Taxa de
tratamento rpida; Necessidade de condies severas; Utilizao de
reagentes qumicos AlcalinoHidrxido de sdio;amna; sulfito de amnia
cidocido sulfrico; cido Clordrico; cido Fosfrico; GsDioxido de Cl;
Dixido de N; Dixido de S; Agentes OxidantesPerxido de H; Oxidao
mida; Oznio SolventesEtanol-gua; Etilenoglicol; Butanol-gua;
Agentes de inchao
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Processos Processos mais promissores: Hidrlise cida cido diludo
e concentrado Hidrlise Enzimtica
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Processos de Hidrlise - Hidrlise com cido diludo Hidrlise uma
reao qumica de quebra de uma molcula por gua. Promissora tecnologia
para produo de lcool; Grande vantagem deste processo uma corroso
menor dos equipamentos em relao ao processo com cido concentrado;
No entanto, o baixo rendimento de acares e o alto custo de energia
devido necessidade de altas temperaturas e presses so as grandes
desvantagens desta tecnologia; Barreira de ordem operacional e a
falta de equipamentos;
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Processos de Hidrlise - Hidrlise com cido diludo O rendimento
do processo de hidrlise por cido diludo pode ser otimizado se for
realizada em dois estgios; - O primeiro estgio feito em condies
mais leves, a fim de se converter hemicelulose em monossacardeos; -
O segundo estgio realizado em condies mais severas, hidrolisando a
celulose restante, diminuindo a produo de inibidores formados pela
hemicelulose;
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Processos de Hidrlise - Hidrlise com cido diludo As principais
vantagens do processo com dois estgios so: - Maior produtividade de
aucares, minimizao do consumo de energia; - Soluo hidrolisada
resultante mais concentrada; - Menor formao de compostos inibidores
da fermentao.
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Processos de Hidrlise - Hidrlise com cido concentrado cidos
como o sulfrico o clordrico so utilizados para hidrolisar a
hemicelulose e a celulose em baixas temperaturas, geralmente abaixo
dos 100C; Os grandes desafios da tecnologia so o custo na construo
de equipamentos resistentes corroso e a recuperao do cido, que um
problema econmico e ambiental;
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Processos de Hidrlise - Hidrlise com cido concentrado
Vantagens: - A celulose cristalina completamente solvel com os
cidos; - Alto rendimento em perodos de reao relativamente curtos e
baixas temperaturas, minimizando o consumo energtico. O processo se
mostra entre uma das mais promissoras tecnologias de produo de
bioetanol a partir de resduos lignocelulsicos, apesar das
desvantagens.
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Processos de Hidrlise - Hidrlise Enzimtica Baseado na ao de trs
celulases distintas (endo--gluconases, exo-- gluconases, e
-glucosidases). Depende da proporo da concentrao e adsoro destas
enzimas; Dividido em trs etapas: - Decomposio das ligaes
glicosdicas; - Ataque sinergtico; - Catlise da hidrlise dos
oligossacardeos;
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Processos de Hidrlise - Hidrlise Enzimtica Vantagens em relao
aos processos com cidos: - Realizao de hidrlise em temperaturas
baixas (em torno de 40 - 50C); - Baixa formao de subprodutos de
degradao; Desvantagem em relao aos processos com cidos: - Alto
custo (Desenvolvimento tecnolgico das enzimas); Alternativas
aparentemente viveis: - recuperao e a reciclagem das enzimas a
partir do hidrolisado da celulose;
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Dividida em duas etapas: K1 e
K2 so as constantes de taxa de reao. Relao de Arrhenius -
Concentrao de glicose e frutose dada pela expresso: Atravs da
manipulao das Equaes 1 e 2, obtm-se as equaes das taxas de
hidrlise, em funo do tempo (3) e em funo da temperatura(4).
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Relacionando as duas equaes (3)
e (4) chega-se a equao (5): Variveis como tempo e temperatura devem
receber grande ateno, a fim de se evitar uma decomposio excessiva
dos acares, afetando a subsequente fermentao. A partira da equao
final, foi modelado a curva da hidrlise em um grfico em 3 condies
diferentes:
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Formao de glicose pela hidrlise
de celulose por cido diludo. Fonte: WETTSTEIN e DEVOS, 1980, apud
KOSARIC et al., 2001.
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Para a hidrlise cida, variveis
como pH tem grande influncia nas taxas de decomposio dos acares.
Para a hidrolise cida foi criado um modelo cintico para a degradao
da glicose a partir da equao de Arrhenius e as regras de catlise
cido-base. Pelas regras de catlise cido-base, o fator
pr-exponencial consiste de trs partes: fator cido (KH+), fator
bsico (KOH-) e fator solvente (KH2O)
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Outro modelo cintico
apresentado, relacionando converso, tempo de residncia e
temperatura para a hidrlise de madeira com H2SO4 2%; Fonte: DUARTE,
1989
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Mecanismo e Cintica da Hidrlise Outro mtodo que utiliza a
hidrolise cida foi capaz de minimizar o efeito de degradao dos
acares, atravs da realizao em vrios estgios de hidrlise; Cada etapa
de hidrlise limitada liberou cerca de 20% de monmeros a partir da
cadeia celulsica. - Craqueamento a vapor; - H2SO4 2%, 190 C e 2o
min; - 90% de rendimento no final do processo; - Retirada dos
aucares a cada estagio;
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O Futuro do Bioetanol Biocombustveis: principais objetos de
estudo, ligados ao esgotamento dos recursos naturais e problemas
ambientais no mundo; Combustveis fsseis com dias contados: reservas
de petrleo (41 anos), gs natural (64 anos) e carvo (155 anos);
Investimento em bioetanol: US$30 bilhes em 20 anos; mais de US$50
bilhes desde o fim de 2006. Principais consumidores de energia nos
prximos 50 anos: meios de transporte (veculos rpidos) da Amrica do
Norte e Europa Central.
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Redescoberta da Alcoolqumica: promessa para um futuro
sustentvel, substituindo a petroqumica (etanol como fonte de
matrias primas); grandes investimentos, com foco no etanol
lignocelulsico em pases da Unio Europeia e Estados Unidos.
Desenvolvimento de tecnologias alternativas ao petrleo determinar
as futuras lideranas da economia mundial; Crescimento exponencial
de biocombustveis convencionais e celulsicos at 2022 (padres
norte-americanos): novas tecnologias e redescoberta da alcoolqumica
no cenrio mundial; Etanol celulsico: otimizao da rea de plantio,
beneficiando pases como o Brasil.
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Projeo do crescimento de combustveis renovveis entre 2006 e
2022 (padres norte- americanos). Fonte: VELASCO, 2009 (GHG
Greenhouse Gas).
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O Futuro do Bioetanol no Brasil No h grandes expectativas: -
falta de investimentos no setor de pesquisas e desenvolvimento; -
concorrncia com Estados Unidos (etanol celulsico); Perda da
vantagem tecnolgica na produo de etanol em no mximo 3 anos; Meta da
Comisso Europeia: substituir 20% dos combustveis fsseis por
combustveis alternativos at 2020; Benefcios da tecnologia para a
populao: extino de queimadas nas lavouras; Problemas sociais
gerados: - desemprego imediato de mais de 100 mil trabalhadores
rurais sazonais; - possvel deslocamento da produo visando fuga da
legislao vigente; "Ouro Lquido do Sculo XXI" no Brasil: xito
depende de mudanas na conscincia poltica do pas.