Curso Biocombustiveis Líquidos. Obtenção de Etanol pela hidrólise de Materiais Ligno-celulósicos

1. Curso Biocombustiveis Líquidos.Obtenção de Etanol pela hidrólise de Materiais Ligno-celulósicos AGRENER-GD 2006 Junho/2006 – Campinas-SP Carlos Eduardo Vaz Rossell Grupo Energia-Projeto Etanol (MCT/NIPE) Fone (0xx19) 3512-1121 e-mail: crossell@energiabr.org.br

2. Hidrólise no Brasil • Modelo para Brasil: • Processoassociado 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 escala • Matéria prima disponível a custo comparativamente menor.

3. 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 ETANOL Fermentação CELULOSE: 200 Kg 123 L HEXOSES HEMI CELULOSE: 158 Kg ETANOL Hidrólise 209 Kg Fermentação 63L LIGNINA: 100 Kg PROTEINAS: 17 Kg PENTOSES ETANOL TOTAL CINZAS: 25 Kg AGUA: 500 Kg 126 Kg 186 L

4. 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

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

6. 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.

7. Processo enzimático • Biocatalisador: celulase(Complexo enzimático de endo e exo1-4-glucanases e b-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.

8. 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

9. 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

10. 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.

11. Expectativas da Hidrólise • Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses, no estágio tecnológico atual. • Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura. • Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e pentoses, otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura. • Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses, no estágio atual da tecnologia. • Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses e pentoses, com a tecnologia otimizada.

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