Biorrefinaria de lignocelulose

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Biorrefinaria 
Etanol 2a Geração
Universidade Federal do Tocantins
Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia
Disciplina: Biomassa
Docente: André Felipe 
Discentes: Anne Caroline Mascarenhas
Elaynne Costa Silva
João Victor Gomes Oliveira
Manuella Costa Souza
Sarah Tolentino Rocha Brandão
Tatiane Boaes
Thyenny Castro
Sumário
Introdução 
Materiais Lignocelulósicos
Pré-tratamento
Secagem
Pré-tratamento físico
Pré-tratramento biológico
Estratégia de Processo para a Produção de Etanol de Segunda Geração 
Fermentação
Destilação
Resíduos
Considerações Finais
Referências
2
Introdução
4
Etanol de segunda geração
Reutilizar
Etanol de 1º Geração
Etanol de 2º Geração
MEIO AMBIENTE
MAIS BARATO
↑ PRODUTIVIDADE
 
4
Etanol de Segunda Geração
5
Benefícios do etanol de segunda geração
Aproveitamento da cana-de-açúcar e seus subprodutos
Utilização de insumos 
já disponíveis nas unidades, 
apresentando uma vantagem logística
↑ fabricação de etanol 
em até 50% sem ampliar
 a área de cultivo
Produção na entressafra da cana
↓ emissão de carbono durante a produção.
Introdução
5
Biorrefinaria
6
Conceito
“Instalação que integra processos de conversão de biomassa em biocombustíveis, insumos químicos, materiais, alimentos, rações e energia.” 
Otimizar o uso de recursos por totalidade promovendo a minimização máxima de efluentes, máximizando os benefícios e o lucro
Introdução
6
Bagaço da Cana-de-açúcar
7
Bagaço da cana-de-açucar
SUBPRODUTO FIBROSO
Matéria
 orgânica lignocelulósicas:
 Hemicelulose;
Celulose;
Lignina;
Produção de energia 
Incorporação ao solo
Integrante da dieta bovina
Produção de etanol
Introdução
7
Hemicelulose e a celulose apresentam-se como uma das principais frações estruturais do bagaço de cana, representando uma fonte potencial 
Composição Química
(%)
Glicose
19,50
Xilose
10,50
Arabinose
1,50
Galactose
0,55
Lignina
9,91
Organosolúveis
2,70
Outros açucares redutores
1,85
Cinzas
1,6
Umidade
50,00
Hexoses Totais
20,04
Pentoses Totais
12,00
Tabela 1. Composição Química. Adaptado referência: Santos, 2012.
Introdução
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Este material, constituído por celulose, hemicelulose e lignina, compõe em média, 28% do peso do bagaço da cana de açúcar. Sua composição elementar dada na Tabela 2.
Tabela 2. Composição Elementar. Adaptado referências: Oliveira, 2012.
Composição Elementar
(%)
C (carbono)
44,6
H (hidrogênio)
5,8
O (oxigênio)
44,5
N (nitrogênio)
0,6
S (enxofre)
0,1
Outros
4,4
Introdução
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MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS
Celulose
Parede celular da fibra vegetal.
Classificado como homopolissacarídeo.
Celulose tem uma forte tendência a formar ligações de hidrogênio.
Difícil acesso a reagentes/catalisadores
Sua estrutura forma-se pela união de moléculas de β-D-glicose através de ligações β-1,4-glicosídicas
1.000 a 15.000 unidades de glicose
Materiais Lignocelulósicos
11
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Hemicelulose
Encontram-se intercaladas às microfibrilas de celulose
Polissacarídeos formados por diferentes unidades de açúcares (heteropolissacarídeo)
Zonas amorfas (ataque de enzimas)
Cadeias poliméricas ramificadas
Materiais Lignocelulósicos
12
Lignina
2a macromolécula polimérica mais abundate.
Moléculas aromáticas e alifáticas.
Presença de monômeros de fenil e propano
Recobre hemicelulose e celulose – dificulta a fermentação
Maior retirada – maior digestabilidade da biomassa
Álcoois coniferílico, sinapílico e 
p-cumarílico
Materiais Lignocelulósicos
13
13
Celulose
Parede celular da fibra vegetal.
Classificado como homopolissacarídeo.
Celulose tem uma forte tendência a formar ligações de hidrogênio.
Difícil acesso a reagentes/catalisadores
C. celulose nativa se abre e recombina (nova forma amórfica)
Sua estrutura forma-se pela união de moléculas de β-D-glicose através de ligações β-1,4-glicosídicas
1.000 a 15.000 unidades de glicose
Materiais Lignocelulósicos
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14
Hemicelulose
Encontram-se intercaladas às microfibrilas de celulose
Polissacarídeos formados por diferentes unidades de açúcares (heteropolissacarídeo)
Cadeias poliméricas ramificadas
Materiais Lignocelulósicos
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Lignina
2a macromolécula polimérica mais abundate.
Moléculas aromáticas e alifáticas.
Presença de monômeros de fenil propano
Recobre hemicelulose e celulose – dificulta a fermentação
Maior retirada – maior digestabilidade da biomassa
Álcoois coniferílico, sinapílico e 
p-cumarílico
Materiais Lignocelulósicos
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PRÉ-TRATAMENTO
Pré-Tratamento da Biomassa
A bioconversão do bagaço em etanol envolve básicamente duas etapas:
Hidrólise da celulose ;
 Fermentação. 
Entretanto é necessário romper a barreira vegetal formada por lignina + hemicelulose.
Pré-Tratamento
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Processo de Obtenção de Etanol Com Diferentes Matérias-Primas
Pré-Tratamento
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SECAGEM
Secador Rotativo
Não é um pré-tratamento, mas se torna necessário para evitar perdas por deterioração.
Secador Rotativo de um estágio;
Possui aletas no interior.
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Figuras 1 e 2: Secador rotativo e vista interna.
Fonte: Alibaba.com Global trate stars here.
Tambor gira  Aletas levantam a biomassa  Passa por uma corrente de ar quente  Biomassa seca  Coleta.
Secagem
Fonte: LIPPEL. Secador Rotativo para Secagem de Biomassa.
PRÉ-TRATAMENTO FÍSICO
Efeitos
Causa mudanças na estrutura da biomassa;
Não causa alteração na estrutura química; 
Reduz o grau de polimerização e cristalização;
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Pré-Tratamento físico
Moinho de Bolas
Moinho de Bolas - tambor rotatório preenchido com biomassa e várias esferas em um meio úmido ou seco.
Vantangens: 
redução da cristalinidade da biomassa;
não formação de inibidores;
não existe necessidade de lavar o material pré-tratado;
Pré-Tratamento físico
Figura 3 – Moinho de bolas
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfvIoAB/moinho-bolas-so-alpine
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(LHW – Liquid Hot Water)
Remoção da fração hemicelulósica 
Vapor Saturado
T P
Desintegração da matriz ligninocelulósica
Corrente sólida rica em celulose + outra liquida rica em açúcares da hemicelulose
 
Pouca ou nenhum a 
produção de inibidores
Hidrólise 
hemicelulose
Ácidos e Bases
Pré-Tratamento físico
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(LHW – Liquid Hot Water)
Pré-Tratamento físico
27
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PRÉ-TRATAMENTO BIOLÓGICO
Pré-Tratamento Biológico
Microrganismos
Enzimas
Aumento das regiões terminais da celulose;
Hidrólise da hemicelulose;
Degradação da Lignina. 
Efeitos sobre Material Lignocelulósico
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Pré-tratamento
Celulose
Hemicelulose
Lignina
Biolólógico
M.O.S/Enzimas
20-30% despolimerização
Acima de 80% de solubilização
40% dedeslignificação
 Tabela 1. Efeito do pré-tratamento biológico nos matériais lignocelulósicos. 
Pré-Tratamento Biológico
Várias enzimas são utilizadas:
Enzimas Hidrolíticas;
Enzimas Oxidativas .
Efeitos sobre Material Lignocelulósico
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Enzimas Hidrolíticas
Endoxilanase
β-xilosidases
α-arabinofuranosidase e α-glucuronidase
Acetil esterasess
Coquetel Enzimático
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Pré-Tratamento Biológico
Enzimas Oxidativas
Lacase
Manganês peroxidase
Lignina peroxidase 
Coquetel Enzimático
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Pré-Tratamento Biológico
Vantagens
Baixa exigência de consumo de energia;
Pouca exigência química;
Condições ambientais suaves;
Produção de baixa quantidade de compostos inibidores da fermentação em relação a outros tipos de pré-tratamentos;
Baixo custo;
Eficiente sistema de hidrólise.
Pré-Tratamento Biológico
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ESTRATÉGIA DE PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO 
Estratégia de Processo para a Produção de Etanol de Segunda Geração 
Hidrólise e fermentação separadas (SHF) 
Unidades separadas 
Ocorre a hidrólise e fermentação em condições ótimas 
Inibição das enzimas do complexos celulósicos pelos produtos finais (glicose e celobiose)
Eficiência da hidrólise de 75% a 80%
35
Estratégia de Processo paraa produção de Etanol de Segunda Geração 
36
Fermentação 
Condições de Cultivo
Saccharomyces cerevisiae: Hexoses
	pH: baixos - 4 a 7
	Alta concentração de açúcares e etanol
	Temperatura: 32°C 
Pichia stipitis: Pentoses 
	
	Capacidade de fermentar xilose
	pH : 4 a 5.5
	Temperatura : 25°C
	
	
	
Fermentação
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Processo Produtivo
Preparo do inóculo 
	Leveduras – 10 a 20g/L de mosto diluído 
	Volume aumentando de meio em 1:5 ou 1:10 até volume útil 
Biorreator :STR
Sistema descontínuo 
	Processo Melle Boinot
Fermentação
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Controle do Processo
Fatores que afetam a fermentação: 
	
Nutrição mineral e orgânica
Temperatura
pH
Inibidores
Contaminação 
Fermentação
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DESTILAÇÃO
Destilação Convencional
Destilação convencional (azeotrópica e extrativa):
Elevado gasto de energia
Desidratação necessária
Pressão menor que a atmosférica
Uso de reagentes fósseis/tóxicos
Método tradicional
Adaptação de equipamentos
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Destilação
Coluna de destilação
Destilação Híbrida
Destilação + Pervaporação
Concentração e desidratação
Menor gasto de energia
Uso dos processos otimizados
Preconceito das biorrefinarias brasileiras
Eco-friendly
Destilação
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Resíduos Gerados
44
Adubação em pastagens 
(vinhoto)
Biogás a partir da vinhaça
Biomassa para ração animal
44
Considerações Finais
Considerações Finais
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O trabalho é viável! E potencial para alcançar um resultado satisfatório na sua produção
Referênicas
ASSUMPÇÃO, S, M, N. Pré-Tratamento Químico Combinado do Bagaço da Cana Visando a Produção de Etanol de Segunda Geração. 2015. 99 f. Dissertação (Engenharia Química) - Universidade Federal da Bahia, Salvador – BA.
Destilação Álcool. Fermentação e Destilação – Extração e Moenda. SD. Disponível em: <http://destilacaoalcool.blogspot.com.br/p/fermentacao.html>. Acesso em: maio de 2017.
JUNQUEIRA, T. L. SIMULAÇÃO DE COLUNAS DE DESTILAÇÃO CONVENCIONAL, EXTRATIVA E AZEOTRÓPICA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE BIOETANOL ATRAVÉS DA MODELAGEM DE NÃO EQUILÍBRIO E DA MODELAGEM DE ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO COM EFICIÊNCIA. Dissertação de Mestrado. Campinas – SP, 2010. Disponível em: <http://repositorio.unicamp.br/bitstream/REPOSIP/267011/1/Junqueira%2c%20Tassia%20Lopes_M.pdf>. Acesso em: maio de 2017.
LIPPEL. Secador Rotativo para Secagem de Biomassa. 
Disponível em: < http://www.lippel.com.br/br/categorias/energia/queimadores-e-secadores-de-biomassa/secador-rotativo/secador-rotativo-para-secagem-de-biomassa-179.html>. Acesso em: 20 mai. 2013.
MORO, M, K. Pré-Tratamento da Biomassa de Cana-de-Açúcar por Extrusão com Dupla-Rosca. 2015. 119 f. Dissertação (Engenharia Química) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro – RJ.
Nova Cana. Processos de fabricação do etanol. 2017. Disponível em: <https://www.novacana.com/etanol/fabricacao/>. Acesso em: maio de 2017.
SANTOS, A.F. et al. POTENCIAL DA PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR PARA PRODUÇÃO DE ETANOL. Quim. Nova. 35(5):1004-1010. 2012. 
Referências
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OBRIGADO!
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