introdução aos bioprodutos

Introdução aos

Bioprodutos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

EQB737 – TECNOLOGIAS VERDES PARA BIOPRODUTOS

Prof Bernardo DiasProf Bernardo Dias

bernardo@eq.ufrj.br

E-101/102/103, http://cleantech.eq.ufrj.br/

Bioprodutos

Definição

Bioproducts are products made with some component of

biological or renewable materials.

The “bio” in “bioproducts” relates to inputs derived from

biological sources, including agriculture (e.g., crops and

crop residues, dried distillers grains) and/or food

processing (byproducts, residues and off-specification

materials). Forestry is another potential source of

biological materials.

http://www.omafra.gov.on.ca/english/crops/facts/10-013w.htm

Bioprodutos

Definição

Bioproducts are products made with some component of

biological or renewable materials.

The “bio” in “bioproducts” relates to inputs derived from

biological sources, including agriculture (e.g., crops and

crop residues, dried distillers grains) and/or food

processing (byproducts, residues and off-specification

materials). Forestry is another potential source of

biological materials.

http://www.omafra.gov.on.ca/english/crops/facts/10-013w.htm

Bioprodutos

Definição

Bioprodutos são definidos aqui como qualquer produto gerado

a partir de biomassa, que poderiam de outra forma ser

produzidos usando matérias-primas fósseis

Coutinho P, Bomtempo, JV. Quimica Nova, 34 (5), 910-916, 2011

Bioprodutos

Definição

Bioprodutos são definidos aqui como qualquer produto gerado

a partir de biomassa, que poderiam de outra forma ser

produzidos usando matérias-primas fósseis

Coutinho P, Bomtempo, JV. Quimica Nova, 34 (5), 910-916, 2011

Bioprodutos

Definição

Produtos de origem biológica, podendo ser

derivados de:

- Vegetais: plantas inteiras, células e tecidos,

resíduos agroindustriais e florestais

- Microbianas: processos fermentativos,

biotransformação, biomassa celular

- Animais: células e tecidos

Bioprodutos

Exemplos

Iogurte

SIM OU NÃO?

Bioprodutos

Exemplos

SIM OU NÃO?

Vacina

Bioprodutos

Exemplos

SIM OU NÃO?

Bagaço de cana

Bioprodutos

Exemplos

SIM OU NÃO?

Poli (ácido láctico)

Bioprodutos

Exemplos

SIM OU NÃO?

Carotenóides

Bioprodutos

Açúcares

Bioprodutos

Proteínas e derivados

Bioprodutos

Lipideos

Cera de carnaúba

Bioprodutos

Lignina

Resina Fenol-Formol

Aditivo para concreto

Bioprodutos

Pigmentos

Bioprodutos

Surfactantes

Bioprodutos

Aromas

Bioprodutos

Antimicrobianos

Lisozima

Nisina

Bioprodutos

Toxinas

Aflatoxina

Ricina

Bioprodutos

PolióisQuímico x Enzimático

Glicerol

Bioprodutos

Ácidos Orgânicos

Bioprodutos

Vitaminas

Bioprodutos

Biocombustíveis

Bioprodutos

Biomateriais

Tecnologias

Processos Químicos

Tecnologias

Processos Químicos

Tecnologias

Processos Químicos

Pirólise

Tecnologias

Processos Químicos

Meio e Mosto

Processos Fermentativos

Tecnologias

Processos Fermentativos

Tecnologias

Processos Fermentativos

Tecnologias

Processos Fermentativos

Tecnologias

Processos Fermentativos

Tecnologias

Processos Fermentativos

Tecnologias

Hairy root

Integração Produção-Separação

Fermentação Extrativa → Solventes utilizados: Dodecanol, dibutil-

ftalato, querosene, dioctil-ftalato, octanol, ciclohexano, silicone, dodecano,

hexadecano, e tetradecano

Arraste por Gás → Passagem de gás (N2 ou CO2) pelo fermentador

durante a produção do metabólito, que é depois condensado, sendo o gás

reciclado para o processo

Adsorção→ Uso de matrizes poliméricas, carvão ativo, zeólitas, silica,

resinas de troca iônica.

Complexação→ Ciclodextrinas

Processos Enzimáticos

Tecnologias

→ Biocatalisadores

→ Proteínas altamente especificas

→Atuam eficientemente sob condições brandas, que são as

requeridas para preservar a funcionalidade e integridade de

sistemas biológicos

Processos Enzimáticos

Tecnologias

H2O2 H2O O2+Catalase

Condições da Reação Energia livre de Ativação

KJ/mol Kcal/mol

Velocidade

Relativa

Sem catalisador

Platina

Enzima Catalase

75,2 18,0

48,9 11,7

23,0 5,5

1

2,77 x 104

6,51 x 108

Características

Aplicações de Enzimas

- Detergentes

- Têxteis

- Papel e Celulose

- Biocombustíveis

- Cosméticos

- Síntese Orgânica

Principais Empresas:

Novozymes, Dupont (Genencor, Danisco), DSM → 75% mercado

- Laticínios

- Panificação

- Suco

- Amido

- Cerveja

Mercado Mundial (2017) ~ US$ 7 bilhões

Aplicações de Enzimas

Classificação

2. Transferases

1. Oxidorredutasescatalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi‐redução. São as Desidrogenases e as Oxidases.

atuam em CH‐OH, C=O , C=O‐ , CH‐NH2 , CH‐NH‐ e NADH, NADPH.

Glicose Ácido Glucônico

Glicose Oxidase

(EC 1.1.3.4)

catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as Quinases e as Transaminases. Atuam em grupos com um carbono, aldeído ou cetona, acil , glicosil. fosfatos ou grupos contendo enxofre

Glicose Glicose-6P

Hexoquinase

(EC 2.7.1.1)

Classificação

4. Liases

3. Hidrolases

Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: as peptidases;hidrolises de ésteres, ligações glicosídicas, ligações peptídicas,

outras ligações C‐N ou anidridos ácidos.

Lactose Galactose Glicose

Lactase

(EC 3.2.1.108)

Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas deágua, amônia e gás carbônico. As Dehidratases e as Descarboxilases são bonsexemplos; =C=C= , =C=O e =C=N

Isocitrato Succinato Glioxilato

Isocitrato liase

(EC 4.1.3.1)

Classificação

6. Ligases

5. IsomerasesCatalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ougeométricos. As Epimerases são exemplos;

Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldeído-3P

Triose fosfato isomerase

(EC 5.3.1.1)

Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligaçãoentre duas já existentes, sempre às custas de energia (ATP). São as Sintetases

Acetil CoA Malonil CoA

Acetil CoA carboxilase

(EC 6.4.1.2)

Processos Verdes

Tecnologias

Processos Verdes

Tecnologias

Processos Verdes

Tecnologias

Líquidos Iônicos

Líquidos Iônicos

Propriedades

- Estabilidade Térmica → decomposição ~ 350ºC

- Pressão de vapor quase desprezível → baixa

volatilidade

- Estabilidade Eletroquímica

- Normalmente, não é inflamável

- Propriedades ajustáveis (tunable) → miscibilidade,

viscosidade

Novos Solventes

Novos Solventes

Novos Solventes

Novos Solventes

Resíduos

Produzidos em todos os estágios das atividades humanas, os resíduos variam

em função das práticas de consumo e dos métodos de produção tanto em

termos de composição como de volume.

Classificação dos resíduos

→ Quanto às características físicas:

Seco: papéis, plásticos, metais, couros tratados,

tecidos, vidros, madeiras, guardanapos e tolhas

de papel, pontas de cigarro, isopor, lâmpadas,

parafina, cerâmicas, porcelana, espumas,

cortiças.

Molhado: restos de comida, cascas e bagaços

de frutas e verduras, ovos, legumes, alimentos

estragados, etc.

Classificação dos resíduos

→ Quanto à composição química:

Orgânico: é composto por pó de café e chá, cabelos, restos de alimentos, cascas e

bagaços de frutas e verduras, ovos, legumes, alimentos estragados, ossos, aparas e podas

de jardim.

Inorgânico: composto por produtos manufaturados como plásticos, vidros, borrachas,

tecidos, metais (alumínio, ferro, etc.), tecidos, isopor, lâmpadas, velas, parafina, cerâmicas,

porcelana, espumas, cortiças, etc.

→ Quanto à origem:

Domiciliar: originado da vida diária das residências.

Comercial: originado dos diversos estabelecimentos comerciais e de serviços.

Serviços públicos: originados dos serviços de limpeza urbana

Hospitalar: descartados por hospitais, farmácias, clínicas veterinárias.

Deve ser incinerado e os resíduos levados para aterro sanitário.

Portos, aeroportos, terminais rodoviários e ferroviários: resíduos sépticos

Podem conter germes patogênicos

Industrial: originado nas atividades dos diversos ramos da indústria

Radioativo: resíduos provenientes da atividade nuclear

Agrícola: resíduos sólidos das atividades agrícola e pecuária

Entulho: resíduos da construção civil

Classes dos resíduos:

→ Classe 1 - Resíduos perigosos:

apresentam riscos à saúde pública e ao meio ambiente, exigindo tratamento e disposição

especiais em função de suas características de inflamabilidade, corrosividade, reatividade,

toxicidade e patogenicidade.

→ Classe 2 - Resíduos não-inertes:

não apresentam periculosidade, porém não são inertes; podem ter propriedades tais como:

combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade em água. São basicamente os resíduos

com as características do lixo doméstico.

→ Classe 3 - Resíduos inertes:

ao serem submetidos aos testes de solubilização, não têm nenhum de seus constituintes

solubilizados em concentrações superiores aos padrões de potabilidade da água. Muitos

destes resíduos são recicláveis.

Origem Possíveis Classes

Domiciliar 2

Comercial 2, 3

Industrial 1, 2, 3

Público 2, 3

Serviços de saúde 1, 2, 3

Portos, aeroportos e terminais ferroviários 1, 2, 3

Agrícola 1, 2, 3

Entulho 3

Resíduos Sólidos de Agroindústrias:

o Usinas sucro-alcooleiras: bagaços, tortas, etc.

o Cultivo agrícola: restos de plantas não aproveitados comercialmente (“cana” de

milho, “palha” de feijão, “palha” de soja, etc.)

o Indústria da celulose e papel: resíduos da madeira, lodo do processo de

produção e do tratamento de águas residuárias

o Produção de frutas e hortaliças: bagaço, tortas, refugo e restos

o Matadouros e indústrias do processamento de carnes: vísceras e carcaça de

animais, sangue, banha, sólidos orgânicos ou inorgânicos, sais e químicos

o Processamento de pescado: pedaços de peixes, escamas e peles, vísceras, etc.

o Curtumes: aparas de couro e lodo do processo e tratamento de águas

residuárias

o Criatórios de animais em confinamento (suínos, aves, bovinos, eqüinos, ovinos):

esterco

Beneficiamento de Produtos Agropecuários:Sazonal, uma vez que a matéria-prima é de produção irregular no ano.

✓ Casca de Arroz: 20 a 25% do peso do grão

✓ Casca do Café: 39% do peso do fruto do cafeeiro

✓ Bagaço de Cana: 280 toneladas / 1000 toneladas de cana

✓ Matadouros de Bovinos: 23 kg barrigada e 18 kg dejetos / animal abatido

✓ Abatedouros de Frango: 30% (penas, intestinos, pé, cabeça e sangue) da

massa total do animal

O Custo do Resíduo

• Perda de matéria-prima;

• Gasto de energia;

• Tecnologia ambiental end-of-pipe;

• Custo de disposição do resíduo.

Triple bottom line "TBL", "3BL" ou People, Planet, Profit

resultados de uma empresa medidos em termos

econômicos, ambientais e sociais

SUSTENTABILIDADE

Resíduo é desperdício, é material que se comprou e está sendo colocado fora

Pode reduzir a competitividade econômica de um processo

VALORIZAÇÃO INTEGRAL DA

BIOMASSA

O conceito do uso de fontes renováveis está

implicitamente conectado com a idéia de Valorização Integral,

destacando a importância do uso

completo do produto entregue pela natureza

(agricultura)

Aplicações Alimentares versus Não-Alimentares

Biorrefinarias:

Ferramenta de

Integração para

Valorização Total

dos Resíduos

Biorrefinaria utiliza biomassa para gerar uma variedade de combustíveis,

produzir calor e eletricidade, produtos químicos e materiais