COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 175323

Desenvolvimento de bioprocessos perspectivas Alfredo Eduardo Maiorano

Palestra apresentado no Seminários Gerais do Programa de Pós- graduação em Biodiversidade Aquática do Instituto de Biociências, UNESP - Campus Litoral Paulista,2018

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS Perspectivas

Alfredo Eduardo Maiorano

Maio 2018

Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise

• A biotecnologia industrial aplicação de ferramentas da biotecnologia em processos industriais tradicionais e novos combustíveis, produtos químicos e plásticos, a partir de matérias-primas renováveis.

BIOPROCESSO BIOPROCESSO

Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise

• microrganismos, enzimas e suas formas geneticamente modificadas formam a base dos bioprocessos;

• Uso da biotecnologia data do período neolítico;

• revolução evolução de manipulação de genomas microbianos rápido aumento da inovação para usos industriais.

Bioprocessos

• Por que Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise?

• Por que biotecnologia como parte da visão ou planejamento estratégico da indústria química?

• Por que desenvolver novos biocatalisadores?

• Como se caracteriza a dinâmica tecnológica de P&D?

Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque?

• Mundo com incertezas;

• Mudanças muito mais rápidas;

• Word Economic Forum:

– Desemprego; crise hídrica; desigualdade econômica; mudanças climáticas

• Inovação e tecnologias aumento do IDH

• Efeitos negativos em ecossistemas, clima, biodiversidade

Modelo econômico

Consumo de energia

Consumo de água, geração de resíduos, emissão GEE, depleção de recursos naturais

Lopes, 2015

aumento de 1% no PIB aumento de 0,4 % no uso de recursos naturais

Natureza da indústria química

• Muito diversificada crucial para economia global £1,25 trilhões/a

• EUA:

– Faturamento ~ USD 767 bilhões (2016);

– produz mais de 70.000 produtos;

– emprega mais de um milhão de trabalhadores;

• BRASIL:

– um dos mais importantes e dinâmicos setores da economia brasileira, representando 2,9% do PIB do Brasil.

– emprega mais de 740 mil trabalhadores

– o quarto na formação do PIB Industrial

Ferreira, ABIQUIM – AP 002/2014;

DIEESE - Panorama Setorial do Complexo Industrial Químico no Brasil, 2014

Natureza da indústria química: cinco segmentos principais:

• produtos químicos de base: incluem produtos químicos inorgânicos, polímeros e plásticos. Chamados de commodities, são produzidos em grandes volumes;

• produtos farmacêuticos: substâncias de diagnóstico, vacinas, plasmas e outros produtos biológicos, vitaminas e preparações farmacêuticas para tanto humanos e uso veterinário;

• produtos químicos especiais: são de baixo volume, e alto valor agregado, venda com base no desempenho;

• Agroquímicos: fertilizantes e produtos químicos de proteção às culturas, i.e.pesticidas;

• produtos de consumo: sabão, detergentes, alvejantes, auxiliares de lavanderia, creme dental, xampus, cosméticos, desodorantes, perfumes.

FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA – 2017* (* estimado)

Fonte: Abiquim ,abril 2017

Natureza das matérias-primas da industria química

derivados de petroquímica ~ 5% PIB mundial (Lopes, 2015)

Rothemel, J. German-Brazilian Workshop on Value Creation from Bioresources,São Paulo, March 16th, 2011

Cenário atual – consenso?

• Meio- ambiente não pode sustentar as emissões previstas de dióxido de carbono

• passos para mitigar GEE são necessários

Indústria Química

uso de recursos não renováveis e processos de uso intensivo de energia e com impactos ambientais

uso de recursos renováveis e processos de produção mais ambientalmente amigáveis , mais limpos e seguros

Sustentabilidade

Sustentabilidade

paradigma Desenvolvimento Sustentável:

“O desenvolvimento que responde às necessidades

do presente sem comprometer as possibilidades

das gerações futuras de satisfazer suas próprias

necessidades”

– Promover o crescimento econômico com impactos

positivos em termos sociais e ambientais (Sachs)

– A sustentabilidade é um conceito pluridisciplinar e

não estritamente ambiental (Sachs)

(Ignacy Sachs)

Desenvolvimento Sustentável

Produção sustentável

• Uso recursos renováveis (matéria-prima / matéria-prima e catalisador

• Reduzir a demanda de energia

• Reduzir a demanda de água

• Evitar materiais tóxicos

• Reduzir a quantidade de resíduos - Reduzir o número de passos

Metas potenciais

As questões ambientais têm sido muito importantes para as indústrias

“Sustentabilidade + Química Verde”

Processos e produtos que minimizem: resíduos, GEE, energia e favorece o uso de recursos renováveis

Biotecnologia Industrial Biotecnologia Industrial

Biotecnologia industrial

Biotecnologia industrial, é a aplicação da biotecnologia moderna para a produção sustentável de produtos químicos, materiais e combustíveis a partir de fontes renováveis, utilizando células vivas e/ou enzimas.

Fonte: NEW BIOCATALYSTS: ESSENTIAL TOOLS FOR A SUSTAINABLE 21st CENTURY CHEMICAL INDUSTRY

Matérias-primas e produtos

Matérias-Primas

• Açúcares

• Amido

• Óleos vegatais

• Lignocelulose

• Plantas medicinais

• Gordura animal

• “Bioetanol”

• .......

Produtos • Polímeros

• Tensoativos

• Solventes

• Fármacos

• Lubrificantes

• Biocmbustíveis

• Fibras

• Adesivos

• etc

Desafios do fornecimento de materiais renováveis (biomassa)

Matérias-primas para a indústria química devem ser disponíveis em:

• Quantidade; boa qualidade; estável

• Fornecimento seguro

• preços de mercado

Petróleo, carvão e gás demanda estabelecida

Produção e preço das principais matérias-primas para bioprocessos

Material-prima Produção

mundial

(milhões t)*

Preço FOB

($/t)*

Glicerol (refinado) 2-3 231 -319

Açúcares 170 -180 350 -375

Ácidos graxos 6 -8 980 - 1050

Resíduos

lignocelulósicos

6.000 30 -45**

*estimativa ** base seca Fonte: Lopes, 2015

Petróleo: US$ 46,00/ barril US$ 362,00/t (ago/16)

Biorrefinaria

Matéria-prima Matéria-prima Matéria-prima

(petróleo) (renovável) (renovável)

Intermediário intermediário intermediário

(Biotec) ( Biotec)

Produto Produto Novo Produto

Biorrefinaria

Bonomi et al, 2008

Força motora para o desenvolvimento de bioprocessos

• Social – “demanda” novas tecnologias, novos produtos, melhorias na qualidade de vida: – novos medicamentos, alimentos com baixo valor calórico,

preservação ambiental

• Negocial – competição entre processos clássicos e biotecnológicos lucro, menor custo, menor pegada ecológica;

• Governamental – pressões regulatórias, substituição de combustíveis fósseis, preservação ambiental;

• Desenvolvimento científico – conhecimento disponível

Situação atual

biocatalisadores aplicados

na produção de química fina,

produtos farmacêuticos e

produtos químicos agrícolas.

Vantagens:

• elevada seletividade,

• uso em condições

ambientais

• facilidade de disposição.

Top 12 (2004)

Top 12

Critérios:

• Matéria prima;

• Custo estimado de processamento;

• Preço estimado de venda;

• Complexidade tecnológica associada à rota

de processamento;

• Potencial de Mercado.

TOP 30

Glicerol

Ác. Malônico

Ác. Hidroxipropiônico

Ác. Lático

Serina

C3

Acetona

Ác. Aspártico

3-HidroxiButirolactona

C4

Treonina

Xilitol

Arabinitol

Ác. Glutâmico

Ác. Itanônico

C5

Furfural

Ác. Levolinico

Ác. Aconítico

Ác. Cítrico

Ác. Glucarico

Ác. Glucônico

Lisina

Sorbitol

C6

Ácido Xilonico

Top Candidate

Ác. Málico

Ác. Fumárico

Ác. Succínico

Ác. 2,5 furano-Dicarboxílico

A Visão de Bioprocessos - hoje

• década de 1980 - as indústrias de produtos farmacêuticos começaram a empregá-la extensivamente. Vários produtos farmacêuticos produzidos por essa via;

• Biotecnologia, como estamos vendo hoje, tem “poucas” aplicações industriais;

• “commodities”, tais como: alimentos, etanol, HFCS, ácido cítrico, aminoácidos e tratamento de efluentes.

• No entanto, a produção de outros produtos químicos está aquém desses.

em um sentido geral, a biotecnologia, em muitos aspectos, ainda está em sua fase inicial de desenvolvimento

Woodley, J. M. Potential and Challenges of Bio-based Chemicals

Curto prazo

Médio prazo

Longo prazo

Situação atual: números impressionantes

• Faturamento = $ 18,6 bilhões (1999);

• investimento de US $ 97 bilhões;

• emprega mais de 153.000 pessoas em altos salários ;

• mais de US $ 9 bilhões em P&D;

• mais de 90 produtos de biotecnologia drogas e vacinas ajudando mais de 200 milhões de pessoas em todo o mundo;

• Biotecnologia responsável por centenas de testes de diagnóstico;

• Biotecnologia responsável por tratamento de efluentes/resíduos, biorremediação de derramamento de poluentes .

Situação atual: números impressionantes

• Faturamento global:

– 2008 ~ €110 bilhões

– Estimativa:

– 2020 ~ €450 bilhões

http://crodaincmktg.com/2015/Natural-Functional_Beauty/BiotechnolgyWhitepaper.pdf 05/09/16

Situação atual: exemplos

• O processo de DSM-Toyo Soda utiliza a protease termolisina para a produção de aspartame (seletividade e estereosseletividade).

• HFCS 23 milhões de toneladas em 1998. (α-amilase, glicoamilase e glicose isomerase )

• A hidrólise de penicilina G ou V para o ácido 6-aminopenicilânico (6-F-APA), utilizando penicilina acilase. - ≈ 9 mil toneladas de 6F-APA produzidas em 1995

• DuPont e Genencor patentes de processos e microrganismos para 1,3 propanodiol (1,3-PD) O 1,3-PD é usado na produção do tereftalato de politrimetileno.

Situação atual: exemplos

• Produção de acrilamida por nitrila hidratase imobilizada; [acrilamida] > do que 600 g / L; produção de 100.000 t / a.

Fonte: Gravilescu& Chisti, 2005

Limitações

• bioprocessos não são, per se superiores aos processos químicos;

• Introdução de um novo bioprocesso é demorado e caro;

• Biotecnologia não vai substituir a química - ferramenta adicional;

• bioprodutos e bioprocessos são ainda limitados;

• uso matérias-primas renováveis utilização em biocombustíveis, alimentos, rações, fibras, farmacêuticos.

Rothermel, 2011

Limitações

• Limitação logística;

• Baixa densidade energética

Usina: 3,5 milhões t cana 125 kta etanol e 250 kta açúcar

Etileno: 1.000 kta

Biomassa D. E. (GJ/m3)

palha 2

carvão 31

madeira 8

Pellets de madeira 11

Lopes, 2015

Qual é o futuro?

• Grande potencial para a biotecnologia industrial;

• Como aproveitar e implementar esse potencial?

• Enfrentar os principais limites operacionais:

– pH, temperatura;

– Inibição por produto;

– Velocidade de reação baixa;

– Concentração de produto baixa

• Grande concorrência :

Preço do petróleo

Qual é o futuro?

• Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque?

• Em qual horizonte? 20..?

Metas

Estratégia

Implementação

Qual é o horizonte? Quais metas para 20..?

Definindo metas para o futuro:

• Bioprocessos dentro dos princípios de “Química Verde”

• Redução do consumo de água;

• Redução do consumo de energia;

• Menor impacto ambiental;

• Menor consumo de materiais;

• Mais custo-efetivo

genéricas genéricas

Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!?

Definindo metas mais específicas e métricas

• Aumentar a produtividade em…

Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!?

Definindo metas mais específicas e métricas

• Microrganismos mais robustos

• Sistemas enzimáticos mais robustos

– termoresistente

– aumentar a atividade

– velocidade de turnover

– estabilidade

• Processos com células ou enzimas imobilizadas mais robustos;

• Aumentar o número de bioprocessos.

• Política P&D&I, definir prioridades

• Implementar o uso de ferramentas, p.e. ônicas, sintéticas.

Algumas perspectivas

Objetivo operacional Processo

químico

Bioprocesso

atual futuro

rápido chegar ao

mercado +

rápido

2 - 5 anos 10 anos 2 - 3 anos

barato custo de

produção

1 - 10

US$/kg

10 - 100

US$/kg

1 - 3

US$/kg

melhor variedade

ampla pouca ampla

adaptado New Biocatalysts, Genencor and Eastman Chemicals at NIST-ATP workshop, an industrial partnering, Boulder, CO,

October, 1996

Estratégia

• Promover P&D&I

– Agências federais e estaduais;

– Academia, ICT;

– Indústria

• Monitoramento

parceria

FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS

Considerações finais

• Infraestrutura existentes para os processos químicos para produtos de base biológica

• Usar as ferramentas existentes e desenvolver novas para processos de base biológica para resolver problemas como:

– Uso de água

– Recuperação de produtos

– Integração de Processos

– Seleção e projeto de biorreator.

Considerações finais

• Há grande potencialidade e oportunidades para o desenvolvimento de bioprocessos;

• Foco da conversão da biomassa voltado para obtenção de produtos e biocombustíveis;

• Compreensão integrada de oportunidades e desafios;

• P&D integrando fermentação, biocatálise e DSP

Competividade A = alta B = média C = baixa

Fonte:https://ec.europa.eu/energy/sites, adaptado

BRASIL

Obrigado

maiorano@ipt.br

"[...]

Na primeira noite eles se aproximam e roubam uma flor do nosso jardim. E não dizemos nada. Na segunda noite, já não se escondem; pisam as flores, matam nosso cão, e não dizemos nada. Até que um dia, o mais frágil deles entra sozinho em nossa casa, rouba-nos a luz, e, conhecendo nosso medo, arranca-nos a voz da garganta. E já não podemos dizer nada.

[...]"

Eduardo Alves da Costa

Total US$ 130,2 bilhões*

FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA – 2010* (* estimado)

Fonte: Abiquim ,abril 2011