Produção de etanol a partir de resíduos celulósicos

II GERA - Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria

Sucroalcooleira 13/06/2007

2

Ésteres

Álcoois superiores

Energia (ATP)

CO2

Etanol

AçucaresGlicoseFrutoseMaltotriose

FermentaFermentaççãoão

3

4

5

RECEPÇÃO/PREPARO EXTRAÇÃO

GERAÇÃO DEVAPOR e

ELETRICIDADE PROCESSOÁLCOOL

PROCESSOAÇÚCAR

AÇÚCAR

ÁLCOOL

VINHAÇA

CANA CALDO

MELAÇOBAGAÇO

PRODUPRODUÇÇÃO DE AÃO DE AÇÚÇÚCAR E CAR E ÁÁLCOOLLCOOL

CALDO

6

Conversão da sacarose da cana

85 L/TC•Etanol:Etanol (Destilaria Autônoma)

42 L/TC•Etanol:67 kg/TC•Açúcar:

Açúcar / Etanol (50/50) (Usina com Destilaria anexa)

7 L/TC•Etanol do melaço:

120 kg/TC•Açúcar:Usina de açúcar

7

MatMatééria prima para produria prima para produçção de ão de áálcoollcool

• Cana-de-açúcar– Caldo– Melaços

• Milho • Sorgo• Mandioca• Resíduos celulósicos

8

9

A HIDROLISE PODE SER FEITA EMPREGANDO DIVERSOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS

• Requerimentos para as matérias primas– Disponibilidade– Baixo custo

• No Brasil a matéria prima mais apropriada é o bagaço de cana (Futuramente a palha)– Não requer preparo– Está disponível em grandes volumes– Seu custo é comparativamente menor– Estando disponível no local não envolve custos adicionais de

transporte

10

11

Bagaço de cana

• Cada 3 ton de cana produz 1 ton de bagaço,

• este pode ser utilizado como matéria-prima na obtenção de outros produtos, como furfural, carvão ativado, produtos moldados, alimentação animal e outros

(O Novo Ciclo da Cana, 2005).

12

Bagaço de cana

• quimicamente composto por– celulose (41 – 44 %),– hemicelulose (25 – 27 %) e – lignina (20 – 22 %); – com pequenas quantidades de outros

compostos classificados conjuntamente como componentes estranhos

(O Novo Ciclo da Cana, 2005).

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21,719,520,7LIGNINA %

26,025,025,2HEMICELULOSE %

41,247,746,6CELULOSE %

MEDULAFIBRABAGAÇO INTEGRAL

COMPOSIÇÃO DO BAGAÇO DE CANA

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Kg Kg litroshidrolise fermentação

celulose 200 glicose 209 etanol 123hemicelulose 158

lignina 100 xiloseproteinas 17 arabinose 126 etanol 63

cinza 25agua 500 total 186

Potencial de conversão do Bagaço em etanol

Rossell, 2006

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PROCESSOS DE HIDRÓLISE

Hidrólise Química

Hidrólise Enzimática

Pré-tratamentos

Solventeorgânico

Ácidoconcentrado

Ácidodiluído

TECNOLOGIADHR

16

17

Produção de etanol a partir de materiais celulósicos por hidrólise enzimática

Lynd et al., 1991. Science 251:1318.

18

Figure: Generalized schematic of concentrated sulfuric acid process

http://www1.eere.energy.gov/biomass/technology_background.html. Acesso 15/03/2007

19

Figure: General schematic of two-stage dilute acid hydrolysis processStage 1: 0.7% sulfuric acid, 190°C, and a 3-minute residence time Stage 2: 0.4% sulfuric acid, 215°C, and a 3-minute residence time

http://www1.eere.energy.gov/biomass/technology_background.html. Acesso 15/03/2007

20

BiorefinariasBiorefinarias

instalações industriais nas quais a biomassa pode ser convertida, econômica e ecologicamente, em produtos químicos,

materiais, combustíveis e energia.

Pye, E.K. Int. Sugar J., 107: 222, 2005Schuchardt, U. Biorefinarias, 2007

21

22

Lavoura de Cana Bagaço

Cana

Torta

Açúca

r

Vinhaça

Etanol

Unidade de Vapor e

Eletricidade

Fabricação

Açúcar

Fábrica de Etanol

Unidade de

HidróliseAçúcares

Xaro

pe e

m

ela

ço

Rossell, C., 2006

23

Schematic for basic process of enzymatic hydrolysis

24

25

26

METODOLOGIA PROPOSTA

• Experimentos de hidrólise enzimática do bagaço

• Caracterização do licor obtido na hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado

• Fermentação do licor– Parâmetros fermentativos

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(NH4)2SO4(NH4)2SO4

Bagaço seco / moído

Pré-tratamento com fungos

Pré-tratamento ácido

Pré-tratamento ácido com neutralização

Extração dos açucares

Licor

(NH4)2SO4

Fermentação(30°C / 70rpm)

Fermentação(30°C / 70rpm)

Fermentação(30°C / 70rpm)

Análise dos Parâmetros Fermentativos

Extração dos açucares

Extração dos açucares

LicorLicor

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I. Tratamento do bagaçoA. Hidrólise de bagaço de cana por fungos

Valores máximos de AR (g/L) obtidos após cultivo

0,30Aspergillus niger / 10d

0,780,67Phanerochaetechrysosporium / 17d

0,160,22Pleurotus eryngii / 17d0,250,32Pleurotus sajor-caju / 22d0,190,19Pleurotus ostreatus / 22d

Bagaço moídoBagaço seco

29

I. Tratamento do bagaço

B. Hidrólise ácida de bagaço de cana

Valores de AR (g/L) após hidrólise ácida do bagaço

18,66-H2SO4 + neutralizaçãoa

17,844,91H2SO4

8,564,43HCl

-0,31CH3COOH

Bagaço moídoBagaço seco

a adição de 14,5 mL de NaOH 2% sobre o bagaço após hidrólise ácida (pH ~ 5,5)

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Figura. Parâmetros cinéticos (teor alcoólico, açúcares redutores e viabilidade celular) obtidos após fermentação por células Saccharomyces cerevisiae Y-904 do bagaço hidrolisado por H2SO4 ( -□- ) e H2SO4 neutralizado com NaOH ( -○- ).

0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

Viab

ilidad

e C

elul

ar (

% )

tempo (h)

0

5

10

15

20

AR (g

/L)

0,0

0,2

0,4

0,6

teor

alc

oólic

o (m

L/10

0 m

L)

310 5 10 15 20 25024

40

60

80

100

Viab

ilidad

e C

elul

ar (

% )

tempo (h)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

AR (g

/L)

0,0

0,2

0,4

teor

alc

oólic

o (m

L/10

0 m

L)

Figura. Parâmetros cinéticos (teor alcoólico, açúcares redutores e viabilidade celular) obtidos após fermentação por células Saccharomycescerevisiae Y-904 do bagaço hidrolisado por Aspergillus niger IZ- 9 ( -□- ) e Phanerochaete chrysosporium( -○- ).

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PARTICIPANTES

• Setor de Açúcar e Álcool – Prof. Dr. André R. Alcarde– Prof. Dr. Jorge Horii– Profa. Dra. Sandra Helena

da Cruz

• Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ), USP, Piracicaba/SP –

– Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição (LAN)

shcruz@esalq.usp.br

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Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA), USP, Piracicaba/SP –

Laboratório de Ecotoxicologia Profa. Dra. Regina T. R. Monteiro

PARTICIPANTES