coordenador: Prof. Nei Pereira Jr.

website: www.ladebio.org.br

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

NÚCLEO DE BIOCOMBUSTÍVEIS

LAB DE DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS

Avanços em Biotecnologia para o

Processamento de Biomassas

Pesquisa e Desenvolvimento no LADEBIO

LUIZ ANDRÉ SCHILITTLER

UFRJ

Prédio de 4 pavimentos

Area: 2000 m2

• 500 m2 de área para plantas pilotos

• 18 laboratórios de pesquisa:

Caracterização de biomassas

Central analítica

Microbiologia e Biologia molecular

Tecnologia de fermentação

Engenharia de enzymas

Cultivo de microalgas

Biocombustíveis não-convencionai

Processos termoquímicos

Desenvolvimento de catalizadores

Produção de biodiesel

Biomateriais

Fuidodinâmica computacional

Controle e automação de processos

Termoanálise e reologia

Análise de petróleo

Utilidades

Inaugurado em julho de 2012.

LADEBIO/NPPD/UFRJ

CARACTERIZAÇÃO

BIOMASSA

BIOLOGIA

MOLECULAR

APLICADA

BIOPRODUÇÃO

Etanol 1G; 2G & 3G Ácidos Orgânicos

Solventes Polióis

OTIMIZAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTOS DE BIOMASSAS

(SUCARÍNEAS, AMILÁCEAS, LIGNOCELULÓSICAS E ALGÁCEA)

ENGENHARIA DE ENZIMAS

(Production, Characterization, Formulation & Application)

ENGENHARIA BIOPROCESSO

Modos de operação (Batelada, alimentada ; contínuo) Concep~ções de processos

SHF; SSF; SSCF; SHCF; CBP Configurações de biorreatores

(Seleção & Design)

UNB & UFAM

USP/SCar & York University

PROTEÍNA

CÉLULA ÚNICA

GÁS NATURAL

UFPR

BIOTECNOLOGIA

AMBIIENTAL

(Hydrocarbon Biodegradation)

G&E-PETROBRAS

CENPES-PETROBRAS

Projetos e Parcerias

O Complexo Lignocelulósico

Composição Básica: (Base Seca)

Celulose (40-60%) Hemicelulose (20-40%)

Lignina (10-25%)

LIGNINA

HEMICELULOSE CELULOSE

Microscopia Ótica Digital Microscopia Eletrônica de Varredura

Sabugo de

Milho

Palha de Trigo

Palha de

Arroz

Bagaço de cana

Semente de

Algodão

Papel de Jornal

Resíduos Urbanos

Carboidratos (%)

Glicose 39.0 36.6 41.0 38.1 20.0 64.4 40.0

Manose 0.3 0.8 1.8 n.d. 4.1 16.6 8.0

Galactose 0.8 4.4 0.4 1.1 0.1 n.d. n.d.

Xilose 14.8 19.2 14.8 24.3 4.6 4.6 14.0

Arabinose 4.2 4.4 4.5 4.5 4.3 0.5 4.0

Não-carboidratos (%)

Lignin 15.1 14.5 9.9 18.4 17.6 21.0 20.0

Ashes 4.3 9.6 4.4 4.8 14.8 0.4 1.0

Proteins 4.0 4.0 n.d. 4.0 4.0 n.d. n.d.

Fonte: Lee (1997)

Composição de Alguns

Resíduos Lignocelulósicos

~ 70% carboidrato

Estrutura das Biorrefinarias

Fonte: Thomas & Octave (2009)

Biorrefinaria baseada em Lipídeos

Biorrefinaria baseada em Proteínas

Biorrefinaria baseada em Carboidratos

Biorrefinaria baseada em Biomassa Lignocelulósica

VEGETAL

RESERVAS

VEGETAIS

ESTRUTURA

VEGETAL

AÇÚCARES

amido, sacarose...LIPÍDIOS LIGNOCELULOSE

BIOTECNOLOGIA, “QUÍMICA VERDE”

PRODUTOS DE INTERESSE INDUSTRIAL

Pré-tratamento

Celulose

HemiceluloseLignina

Estrutura simplificada de uma Concepção de BIORREFINARIA INTEGRAL (Whole Crop Biorefinery)

O que são BIORREFINARIAS?

BIORREFINARIAS são similares às refinarias de petróleo em conceito; no

entanto estas concepções tecnológicas utilizam material biológico (em oposição ao petróleo e outras fontes fósseis) para produzir COMBUSTÍVEIS para TRANSPORTE, uma variedade de SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS e ENERGIA. BIORREFINARIAS INDUSTRIAIS têm sido identificadas como as rotas mais

promissoras para a criação e uma nova indústria baseada em fontes renováveis.

LIGNINA

SOLÚVEL

BIOMASSA

LIGNOCELULÓSICA

PRÉ-TRATAMENTOS

(QUÍMICOS/BIOTECNOLÓGICOS)

HEMICELULOSE

(PENTOSES + HEXOSES)

CELULOSE + LIGNINA

(CELULIGNINA)

OH- ou solventes orgânicos

(DESLIGNIFICAÇÃO)

CELULOSE LIGNINA

H+

(HIDRÓLISE)

GLICOSE

Processos Típicos das Biorrefinarias

Hidrólise Enzimática

GLICOSE

ETANOL 2G

Prospecção de tecnologias para

Produção de Etanol 2G

Modificação genética

de microorganismos

Produção de outros compostos

Produção de enzimas

Hidrólise enzimática

Produção de etanol 2G

RESIDUAL BIOMASS:

BAGAÇO E PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR

RESÍDUOS DO PROCESSAMENTO DO MILHO

TORTA DE MAMONA

RESÍDUOAS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE

RESÍDUOS URBANOS

BAGAÇO E PALHA DO SORGO

Arundo donax

MELAÇO

VINHAÇA

Processos de Valorização

de Biomassas Residuais

PROJETOS EM ANDAMENTO

PRODUTOS ALVO

ETANOL

BUTANOLDIOL

XILITOL

ÁCIDO SUCCÍNICO

ÁCIDO PROPIÔNICO

ÁCIDO D-LÁTICO

ACETONA-BUTANOL-ETANOL

XILANASES

CELULASES

FRUTOSE

HMF POLÍMEROS VERDES

FIBRA DE CARBONO

Parceiros/colaboradores/financiadores: CENPES-PETROBRAS; FAPERJ; CNPq; DBMol/UNB; CAM/UFAM; LC/USP; IQ/UFRJ; IM/UFRJ; ICB/UFRJ; FIBRIA/ARACRUZ; BRASKEM; PEQ-COPPE/UFRJ; INETI/PT; YORK UNIVERSITY and INCT-BIOETANOL.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40

Tempo (h)

Xilose, Ara

bin

ose e

Glicose (

g/L

)

0

10

20

30

40

50

Bio

massa, Eta

nol e X

ilitol (g

/L)

Xilose

Glicose

Arabinose

Xilitol

Etanol

Biomassa

ETANOL - Fermentação de Hidrolisado

Hemicelulósico de Bagaço de Cana por

Scheffersomyces stipitis

NAD+ NADH

XR XD

XR: xilose redutase; XD: xilitol desidrogenase

XILOSE XILITOL XILULOSE

NADPH

NADP+

YETOH/Xilose = 0.41 g/g (80%)

QP1g/L.h

ÁCIDO SUCCÍNICO - Fermentação de

Hidrolisado de Bagaço de Cana-de-Áçucar por

Actinobacillus succinogenes

Meio Sintético S

0

(g/L)

tTOTAL

(h)

µx

(h-1

)

td

(h)

SA

(g/L)

YP/S

(g/g)

QP

(g/L.h)

GLUCOSE 21.2 24 0.273 2.5 4.98 0.240 0.415

XILOSE 20.9 24 0.305 2.1 5.20 0.261 0.433

Fonte: Borges & Pereira Jr. (2011).

ÁCIDO PROPIÔNICO - Fermentação de

Hidrolisado Hemicelulósico de Bagaço de Sorgo

por Propionibacterium acidipropionici

CAP: Celulose-acetato-propionato

Fonte: Garcia & Pereira Jr. (2014).

Batelada PSR (%)

YP/S (g/g)

QP (g/L.h)

Cycle 1 100 0.491 0.35

Cycle 2 100 0.536 0.83

Cycle 3 100 0.617 1.17

L. coryniformis torquens

L. helveticus

Microorganism LACTIC ACID (g/L)

Isomer identified Anaerobic Aerobic

Lactobacillus helveticus 15.0 12.0 Racemic mixture

Lactobacillus delbrueckii lactis 7.6 1.8 D(-) Lactic acid

Lactobacillus coryniformis torquens 18.5 14.5 D(-) Lactic acid

Lactobacillus coryniformis coryniformis 20.0 13.7 D(-) Lactic acid

Microorganism Variáveis de resposta

Yx/S (g/g) YP/S (g/g) QP (g/L.h)

Lactobacillus helveticus 0.17 0.79 0.67

Lactobacillus delbrueckii lactis 0.24 0.36 0.32

Lactobacillus coryniformis torquens 0.20 0.90 0.77

Lactobacillus coryniformis coryniformis 0.20 0.88 0.88

ÁCIDO D-LÁTICO – Fermentação de

Glicose e Xilose por Lactobacillus

GLUCOSE + XYLOSE

L. coryniformis torquens L. coryniformis torquens

GLUCOSE

Lactobacillus pentosus

XYLOSE

Desenvolvimentos e Desafios da

Segunda Geração (2G) para o

LADEBIO

Estudar o aproveitamento de biomassas residuais não convencionais;

Uso da biomolecular para construção de microrganismos geneticamente melhorados para a conversão otimizada das diferentes frações das biomassas;

Desenvolver pré-tratamentos mais efetivos e menos intensivos em energia e insumos;

Produção dedicada de enzimas (in plant);

engenharia de enzimas para hidrólise mais eficiente das biomassas lignocelulósicas;

P&D&I de novos processsos para a produção de outras moléculas;

Integração energética de processos (valorização da lignin).

Equipe do LADEBIO

Parceiros