produção de etanol a partir de celulose
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descriçao do processo de obtençao de etanol de fontes de celuloseTRANSCRIPT
Seminário
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS – EQA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Santiago Cadena Carrera
Disciplina: Engenharia de Bio-processosProf. Jorge L. Ninow
Florianópolis 2015
Estudo da hidrólise enzimática da celulose para a produção de etanol: processo de sacarificação e
fermentação simultânea SSF
APRESENTAÇÃO:
• Introdução
• Descrição do problema
• Revisão bibliográfica
• Objetivo geral do estudo
• Material e métodos
• Resultados e Discussão
• Conclusões
• Bibliografia
INTRODUÇÃO:
Crise energética1970
à procura de fontes alternativas de energia
Brasil: 50% importações → derivados!
↓ dependência ao petróleo (NR) Δ→ RENOV.
HidráulicaSolarGeotérmicaEólicaOutras (biodiesel, etanol, lenha e carvão vegetal, etc.
Brasil Produção de álcool: PROÁLCOOL (1975)1975: 700 mil m31979: 2,85 milhões m32002: 12,6 milhões m3 2013: 26,6 milhões m3
Brasil: Oferta Interna de Energia no 2013
INTRODUÇÃO:
Uso de etanol
Jun/2014 114.92 USD/barrilJan/2015 46.59 USD/barril
Perdas 60%
DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
ETANOL
Cana de açúcar
Milho
Batata
Fonte de açúcares (alimentos)
AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS
!!! ENGENHARIA DE ALIMENTOS!!!
SEGURANÇA ALIMENTAR
+ terra destinada ao monocultivo(não alimentos)
Maior Demanda
a)
b)
DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Resíduos ligno - celulósicos AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS
MadeiraBagaço Capim .... ENZIMAS
Produção de bagaço seco anual: 64 milhões toneladas
Precisa-se uma FONTE ALTERNATIVA de açúcares
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:
Produção de etanol a partir de material ligno-celulose
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:
Material ligno - celulósico
Pré-tratamentoDesorganizar a estrutura cristalina das macro e micro fibras
Liberar cadeias poliméricas de celulose hemicelulose
Físicos: vapor, moagem, pirólise, expansão
Químicos: ácidos, álcalis, agentes oxidantes
Biológicos: Actinomycetes, fungos
Variável de comparação Ácido-diluído
Enzimática
Condições de hidrólise mais amenas Não Sim
Alto rendimento da hidrólise Não Sim
Inibição por produto durante a hidrólise Não Sim
Formação de subprodutos inibidores Sim Não
Baixo custo da catálise Sim Não
Curtos tempos de hidrólise Sim Não
a) Quimicamente
b) Enzimas
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:
Hidrólise da celulose e hemicelulose
Ácido :↓pH, ↑T: corr
≈ 100%
Açúcares inib.
Enz. dias
SSF: SACARIFICAÇÃO FERMENTAÇÃO SIMULTANEA
Ácido forma inibidores
Comparação entre hidrólise ácido-diluído e enzimática
Ácido sulfúrico diluído
→ SSF
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:
SSF: SACARIFICAÇÃO FERMENTAÇÃO SIMULTANEA
Os açúcares produzidos são metabolizados pelos microrganismos (reduz efeito inibidor)Menor custo (não requer biorreator para hidrólise ou fermentação)Reduz perigo de contaminação cruzada
Existe efeito inibidor do etanolParâmetros ótimo de hidrólise ≠ fermentação
O ESTUDO:
ObjetivoAvaliar a cinética da hidrólise da celulose em um processo SSF usando modelos matemático s (já obtido).
Materiais: celulose (α-celulose), celobiose e δ-glucanolactone para os ensaios de celulase e β-glucosidase.Todos os ensaios foram feito em meio YP (extrato de levedura + pentona), pH 5, T 38 ◦C (condic. SSF) Enzima Celulase Laminex (GENENCOR ®)
Materiais
celobiosecelulose
Endo glucanasesExo glucanases
celulase β-glucosidase
glicose etanol
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Isolamento β-glucosidase - celulase δ-gluconolactone (análoga à celobiose) seletivamente inibe a atividade da β-glucosidase enquanto tem pouco efeito na celulase
δ-gluconolactone praticamente não tem efeito na atividade da celulase, mesmo que pouca ação além de 3 g/l (redondo)
para o caso da β-glucosidase tem um impacto grande e em concentrações acima de 3 g/l a enzima perde aproximadamente 70% da sua atividade.
βG-ase
C-ase
3 g/L →↓ 70%
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Cinética celobiose - celulaseO efeito da celobiose na atividade da celulase foi avaliado
Celobiose é o produto da ação da celulase, e ele é um inibidor forte na atividade da enzima.
Em concentrações de celobiose tão baixas quanto 6 g/l a atividade da celulase foi reduzida num 60%
K1B=5.85 g/l
C-ose INIB C-ase
6 g/L →↓60%
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Cinética celobiose - β-glucosidaseA cinética da hidrólise da celobiose em diferentes concentrações
Não de inibição pelo substrato na atividade da β-glucosidase, até os valores existentes no SSF de celobiose
Km = 10.56 g/l
Michaelis-Menten
Cinética glicose – enzima (celulase – β-glucosidase)
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Linearização inibição da celulase pela glicose foi menos do 20% abaixo de 20 g/l
um efeito forte inibitório da glicose na atividade da β-glucosidase
Apenas 3 g/l, 75% da atividade enzimática foi perdida.
Em 20 g/L de glicose, a enzima foi praticamente inativa.
K1G = 53.16 g/lK2G = 0,62g/l
βG-ase
C-ase inib. < 20%
3 g/L →↓75%
≈ inativa
Muita sensitividade da β-glucosidase para com a glicose, →↓K2G
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Efeito do produto (etanol) na enzima (celulase – β-glucosidase)
K1E = 50.35 g/l
βG-ase Não inib. etanol
C-ase inib. mod. 30 g/L →↓25%
70 g/L →↓50%
mmm
RESULTADOS E DISCUSÃO:
Cinética da hidrólise da celulose
Sem álcoolNão existiu inibição do substrato para β-glucosidase
k1’ =0.025 h-1k2’= 14.22 gl-1h-1g/l
Glicose
Celobiose
Celulose
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
A celulase e β-glucosidase exibem diferentes comportamentos cinemáticos e são afetadas em diferentes proporções pela presença de celobiose, glicose e etanol.
O modelo conseguiu descrever as cinéticas da hidrolise da celulose a glicose
A capacidade para predizer deve estar baseada num melhor entendimento do rol que têm as propriedades do substrato celulósico durante a hidrolise e a interação enzima-substrato.
Continuar afinamento do modelo para que seja uma ferramenta para desenho, otimização e extrapolação do processo SSF.
Realizar experimentações com substrato real (ex. bagaço de cana), e produzindo etanol.
BIBLIOGRAFIA
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA DO BRASIL, Resenha energética Brasileira – exercício de 2013, Núcleo de estudos estratégicos de energia, 2014.
PHILIPPIDIS, G.; SMITH, T.; WYMAN, C. Study of the enzymatic hydrolysis of Cellulose for production of fuel ethanol by simultaneous saccharification and fermentation process, Biotechnology and Bioengineering, v. 41, p. 846-853, 1993.
TAHERZADEH, M.; KARIMI, K. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review. Bioresources, v. 2, p. 707-738, 2007.
Análise Energética Brasileira - período 1970 a 2002. Disponível em: http://ecen.com/eee40/analise_energetica_brasileira.htm
Arranjo Produtivo Local do Álcool. Disponível em:http://www.apla.org.br/producao-de-etanol-no-brasil-crescera-137-preve-oia
Obrigado!!