Projeto Etanol

Curso Biocombustiveis Líquidos.Curso Biocombustiveis Líquidos.Obtenção de Etanol pela hidrólise de Obtenção de Etanol pela hidrólise de

Materiais Ligno-celulósicosMateriais Ligno-celulósicos

AGRENER-GD 2006Junho/2006 – Campinas-SP

Carlos Eduardo Vaz Rossell

Grupo Energia-Projeto Etanol (MCT/NIPE)Fone (0xx19) 3512-1121 e-mail: crossell@energiabr.org.br

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Hidrólise no Brasil

Modelo para Brasil: Processo associado às destilarias de

etanol de cana;Aproveita a matéria prima; Gera as necessidades energéticas;Aumento da produção de etanol sem

aumentar área de plantio; Potencial para processo em grande escalaMatéria prima disponível a custo

comparativamente menor.

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HEXOSES

PENTOSES

ETANOL

ETANOL

ETANOL TOTAL

123 L

63L

186 L

Fermentação

Fermentação Hidrólise209 Kg

126 Kg

CELULOSE: 200 KgHEMICELULOSE: 158 Kg

LIGNINA: 100 KgPROTEINAS: 17 Kg

CINZAS: 25 Kg

AGUA: 500 Kg

Matéria prima Bagaço de cana (futuramente palha e resíduos de

colheita).

Atualmente 1 TC: sobra de bagaço 33kg, palha não aproveitada Meta: sobra de bagaço 140 kg, palha aproveitada 70 Kg (b. seca)

Bagaço: baixo custo, preparado, sem custo de transporte, poucos tratamentos

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Barreiras à hidrólise dos materiais ligno-celulósicos

As reações de hidrólise são heterogêneas o tamanho da partícula deve ser controlado.

A celulose apresenta uma estrutura fortemente cristalina e está protegida pela lignina e hemicelulose, dificultando a despolimerização.

Na hidrólise ácida as condições para desdobramento da celulose a glicose são semelhantes as da decomposição da glicose (reações consecutivas).

A hidrólise ácida da hemicelulose transcorre rapidamente em condições mais brandas que para a celulose. Reações de decomposição das pentoses acontecem simultaneamente

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Pré-tratamentos

Craqueamento com vapor(steam explosion).(180-240ºC, 5-10 min)

Ácido diluído.(1-3% de ácido sobre a biomassa seca, 200ºC, 10 seg).

Organosolv. Outros: termohidrólise, ácidos concentrados, soluções

caústicas, Afex, Dióxido de carbono.

A Hidrólise requer: tratamento físico da m. prima para aumentar a área específica;Tratamentos físico-quimicos para desbloquear o acesso à celulose:

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Hidrólise catalisada por ácidos diluídos

Hidrólise ácido diluido-TAVDA. Tecnologia Schoeller otimizada. Processo industrial em operação até fim dos 90, em batelada, percolação com H2SO4 diluído (0,5%) a 250ºC, 100 min, conversão:60% , vinho final :1,3 ºGL, consumo de vapor aprox. 20 Kg/l de etanol, investimento elevadíssimo, ambientalmente insustentável.

Processo organosolv –DHR: Combina num reator a disolução total do lignocelulósico, um tratamento organosolv (etanol 75%), que dissolve lignina e libera a celulose para uma hidrólise rápida ácido diluida( 0,25-0,5%, H2SO4, 25-28 Bar, 180-200ºC). Reação rápida, baixa formação de subprodutos. Conversões acima de 65% e com potencial de otimização para atingir 80% . Tecnologia provada em escala de demonstração.

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Processo enzimático Biocatalisador: celulase (Complexo enzimático de endo e

exo1-4-glucanases e glucosidase).

Reação específica com elevada conversão (85%).

Condições de reação favoráveis, pressão ambiente, 50ºC, pH: 4,5-6,0.

Requer pré-tratamento eficiente para favorecer a hidrólise.

Cinética desfavorável(atividade enzimática 0,6UI/mg vs 100 UI/mg para amilases).

Inativação da enzima por associação com lignina. Inibição da enzima pela glicose formada. Custo elevado da enzima que ainda não viabiliza o

processo. Reciclo da enzima ainda não desenvolvido.

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Fermentação alcoólica do licor de hidrólise

Pentoses: Tecnologia de fermentação ainda não disponível As leveduras de fermentação (sacharomyces) não as

metabolizam; Novas cepas estão sendo isoladas ou construídas via biologia

molecular,

Hexoses: Os subprodutos de reação de hidrólise são inibidores:: furfural,

hidroxi-metil-furfural, ácidos orgânicos, compostos fenólicos soluveis.

Em curto prazo: fermentação combinada com caldo, xarope e meis de cana para reduzir a níveis toleráveis pela levedura.

Destoxificação do licor hidrolítico a traves de precipitação, extração com solvente, adsorção por trocadores de ions;

Seleção de cepas

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Consumo de energia e meio ambiente

Os processos de hidrólise geram licores com baixo teor de açúcar levando a consumo de energia comparativamente maior. Otimizar o consumo energético

Sustentabilidade:Alternativas para tratamento de um

volume de vinhoto muito maior que o gerado no processo de etanol de cana e com maior potencial poluidor;

Minimizar a geração de efluentes sólidos

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Expectativas da Hidrólise Em curto prazo a hidrólise ácida, se atingir a

expectativa de conversão prevista poderá se consolidar;

Em meio prazo a catálise enzimática oferece grande potencial face a eficiéncia de conversão.

Passar dos atuais 85 l/TC (6800 l/ha para 104,1 l/TC(8330 l/há) empregando: bagaço excedente (50%) e resíduos da colheita (50%).

Desenvolvimento de um processo para fermentação das pentoses a etanol ou outra alternativa de aproveitamento das pentoses.

Melhorar os processos de pré-tratamento dos materiais ligno-celulósicos;

Otimizar o processo com ácido diluído; Idem a conversão enzimática do ligno-celulósico Desenvolvimento de complexos enzimáticos mais

eficientes e a um custo menor.

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Expectativas da Hidrólise

1. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses, no estágio tecnológico atual.

2. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura.

3. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e pentoses, otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura.

4. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses, no estágio atual da tecnologia.

5. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses e pentoses, com a tecnologia otimizada.

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Cenário Conversões previstas

EtanolHexoses

EtanolPentoses

EtanolTotal

[1] 69,1 0 69,1

[2] 94,2 0 94,2

[3] 94,2 37,9 132,2

[4] 97 0 97

[5] 111,4 37,9 149,3

hexoses: 60% fermentação: 89%pentoses: 70 % fermentação: 0% destilação: 99,5 %

hexoses: 80% fermentação: 91% pentoses: 78,5 % fermentação: 0% destilação: 99,75 %

hexoses: 80% fermentação: 91%pentoses: 85% fermentação: 50% destilação: 99,75 %

hexoses: 85% fermentação: 89% pentoses: 70 % fermentação: 0% destilação: 99,5 %

hexoses: 95% fermentação: 91%pentoses: 85 % fermentação: 50% destilação: 99,75 %

Potencial de transformação de bagaço em etanol (litros/tonelada de bagaço)