heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Bioenergy Research Institute Bioenergy Research Institute Bioenergy Research Institute Michel Brienzo [email protected] Heterogeneidade, composição química e propriedades físico-químicas da biomassa Área: Conversão de biomassa (Conversão e caracterização)

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Page 1: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

BioenergyResearch Institute BioenergyResearch Institute

Bioenergy Research Institute

Michel [email protected]

Heterogeneidade, composição química e propriedades físico-químicas da biomassa

Área: Conversão de biomassa (Conversão e caracterização)

Page 2: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

BioenergyResearch Institute

Conteúdo:

Objetivo 1: Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN):

Laboratório de caracterização de biomassa;métodos químicos;métodos físico-químicos.

Objetivo 2:-Projeto em Conversão e caracterização de biomassa:

Heterogeneidade e recalcitrância;Fracionamento da biomassa.

Objetivo 3:-Desenvolvimento/melhoramento de métodos de caracterização de biomassa;

Norma Brasileira de caracterização química do bagaço de cana-de-açúcar.

Page 3: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

BioenergyResearch Institute

Instituto de Pesquisa em Bioenergia-IPBEN

Laboratório de Caracterização de Biomassa

Page 4: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

BioenergyResearch Institute

InauguradoAbril 2015

InauguradoMaio 2015

InauguradoJunho 2015

Conversão e Caracterização de Biomassa

Laboratório de Caracterização de Biomassa

Caracterização química:-Composição: celulose, hemicelulose,

lignina, extrativos e cinzas;

-Caracterização dos carboidratos:-Composição da hemicelulose (tipo);-Grau de polimerização, Massa molecular.

-Caracterização da lignina:-Tipo de lignina (Hidroxifenil, Guaiacil e Siringil).-Conteúdo fenólico, tipo de ligações,

condensação.

Caracterização físico-química:-Propriedades da biomassa:

-Cristalinidade;-Poros: tamanho/distribuição;

Caracterização física:-Poder calorífico superior e inferior;-Termodegradação;-Densidade.

Page 5: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Identificar as propriedades da biomassa e sua influência nos processos deconversão.

Objetivo Científico: Conversão e Caracterização de Biomassa

Biomassa Biomassa pré-tratada

Fração líquida:Açúcares;Produtos de degradação;Derivados da lignina.

Resíduo não hidrolisado

Fração líquida:Açúcares;

Diferentes biomassas;Variedades;*Heterogeneidade.

FermentaçãoFermentação

Produto Produto

Habilidade e tolerância do microrganismo

Page 6: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Fatores que afetam a recalcitrância da biomassa:

Heterogeneidade, composição química, propriedades físico-químicas e estrutural emmacro, micro e nano escala:

Macro escala: anatomia da planta, organização em tecido, diversidade celular.

Micro escala: composição química, conteúdo e distribuição da lignina, proteção dospolissacarídeos pela lignina, espessura da parede celular.

Nano escala: porosidade e cristalinidade do material.

Chundawat et al. Energy Environ. Sci., 2012

Objetivo Científico: Conversão e Caracterização de Biomassa

Page 7: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Biomassa – heterogeneidade: frações da cana-de-açúcar

A) Visão geral da planta de cana-de-açúcar;

B) Identificação dos principaissistemas aéreos compostos pelapalha (folhas) e colmo;

C) Identificação das frações docolmo, subdividido em epiderme,entrenó e nó.Fonte: Sant’Anna C, De Souza W, Brienzo M.Nova Science Publishers, 2014).

Bagaço de cana-de-açúcar proveniente de usina deetanol/açúcar mostrando fragmentos de epiderme. Fonte:

Sant’Anna C, De Souza W, Brienzo M. Nova Science Publishers, 2014).

Page 8: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Recalcitrância

F. externa Nó Entrenó

Brienzo et al. Bioenergy Research, 2014

Biomassa – heterogeneidade: Epiderme x fração externa

Colmo –Entrenó

2 mmFração externa

Fração externa

Entrenó

Maior recalcitrância:Hidrólise enzimática.

Costa et al., Ind Crop Prod, 2013

Page 9: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Entrenó Nó

Entrenó periferia Entrenó medula Nó periferiaNó medula

Biomassa – heterogeneidade: micro escala

Page 10: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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-Reduz a heterogeneidade e recalcitrância do bagaço gerado.

-A fração externa pode ser pré-tratada (otimizado ?) ou destinada para co-geração de energia.

Fluxograma da produção de etanol considerando a remoção da fração externa antes da moagem.

Page 11: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Principais frações

Analítico:-externa;-entrenó;-nó;-folhas.

Estudo da heterogeneidade das frações:-composição (celulose, hemicelulose e lignina);-carboidratos: tipos de hemicelulose, teor depectina, glucana com ligações mistas.

-lignina: tipo, propriedades, conteúdo de ácidoshidroxicinâmicos.

Viabilidade técnico econômica

Aplicado:-frações externa;-colmo (entrenó + nó);-folha (componente da palha).

Estudo da heterogeneidade

Page 12: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Biomassa – heterogeneidade: micro escala

Hemicelulose

Polissacarídeos heterogêneo formado por pentoses (xil e ara) hexoses (glc, gal e man)

Celulose

Polissacarídeo formado por glicose em ligaçõesβ(1,4)

Hemicelulose de madeira mole ou conífera(softwood)-Galacto-glucomanana (manana)-Glucomanana (manana)-Arabino-glucuronoxilana (xilana)

Hemicelulose de madeira dura ou folhosa(hardwood)-Glucuronoxilana (xilanas)-glucomanana (mananas)

Hemicelulose de gramíneas-arabino-glucuronoxilana (xilana)

Obs: hemicelulose de folhas e colmo de canaapresentam conteúdo semelhante, mas proporçãodiferente de xiloglucana e arabinoxilana. (De Souza

et al., Bioenergy Research, 2012)

Homogênea, Linear, Não ramificada,Arranjo cristalino e amorfa,

Page 13: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Biomassa – heterogeneidade: micro escala

PectinaPolissacarídeos mais complexos encontrados nanatureza;

Estão presentes na parede celular de dicotiledôneas(35%), em gramíneas entre 2 a 10%, e em até 5% emmadeira;

Pectinas são formadas por ácidos galacturônicos (alfa1,4), em classes estruturais de homogalacturonana,raminogalacturonana e xilogalacturonana.

Polissacarídeo formado por ácido galacturônico emligações α(1,4);

Pectinas são extraídas facilmente: 0,1 M NaOHParede celular de cana: homagalacturonana eraminogalacturonana (De Souza et al., BioenergyResearch, 2012)

A pectina pode estar presente em diferenteconteúdo nas frações da cana-de-açúcar?

Page 14: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Glucana com ligações mistas

A glucana com ligações mista apresentacadeia não ramificada e sem grupospendentes, com ligações B-1,4 e B-1,3.

Híbridos de cana-de-açúcar apresentaram até14% de glucana com ligações mistas noentrenó (Costa et al. Symposim on Biotechnology for fuels and

Chemicals, 2014).

Qual a porcentagem de glucana com ligações mistasnas principais frações da cana-de-açúcar?

Buckeridge et al., Cereal Chem, 2004

Page 15: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Biomassa – heterogeneidade

A ligação mais frequente na lignina é aligação β-O-4.

As demais ligações: β-5, β-β, 5-5, 5-O-4, eβ-1 são mais resistentes a degradaçãoquímica.

A presença de diferentes ligações dependeda proporção dos precursores da lignina(unidades H, G e S)

Lignina

Álcool p-coumaril Álcool coniferil Álcool sinapil

p-hidroxifenil (H) Guaiacil (G) Siringil (S)

Page 16: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Objetivo 1:Isolamento e caracterização dospolissacarídeos.-Celulose (conteúdo);-Hemicelulose (conteúdo e tipo);-verificar presença de glucana com ligaçõesmistas e pectina.

Objetivo 2:Isolamento e caracterização dalignina;-Conteúdo, Hidroxila fenólica; Grau depolimerização; Grupo metoxil; Etc...

Objetivo 4:Otimização do pré-tratamentoácido – fração externa, colmo e folhas

(açúcar vs inibidores).

Objetivo 6:Caracterização química ao longode colmo da cana-de-açúcar;-conteúdo de celulose, hemicelulose elignina (e glucana com ligações mista epictina – composição da lignina).-distribuição feixes vasculares (número etamanho).

Objetivo 5:Digestibilidade: rendimento, adsorção deenzimas (extratos comerciais) nas fraçõese influência adsorçãoprodutiva/improdutiva.

Objetivo 7:Propriedades físico-químicas;-Porosidade, Acessibilidade, cristalinidade.-Superfície exposta de lignina.

Objetivo 3:Resposta da fração externa os pré-tratamentos ácido, alcalino, oxidativoe suas combinações.

Frações:Externa;Entrenó;

Nó;Folha.

Projeto curta duração – 4 anos

Page 17: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Normalização do método de caracterização química dobagaço de cana-de-açúcar, junto a ABNT;

PROGRAMA DENORMALIZAÇÃO

CONSULTA NACIONAL

DEMANDA

ELABORAÇÃO DOPROJETO DE

NORMA

ANÁLISE DAS SUGESTÕES

OKNORMA

SIM

NÃO

Desenvolvimento eaprimoramento demétodos paracaracterização debiomassa;

Exemplo:-Superfície exposta delignina,

-formação de “pseudo-lignina”.

Objetivo metodológico: métodos e normas

Futuro: Em andamento

Page 18: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Produzir material de referência de bagaço de cana-de-açúcar, junto ao Inmetro.

Material de Referência de Bagaço de cana-de-açúcar:Determinação de extrativos em etanol/água;Determinação de cinzas;Determinação do teor de carboidratos;Determinação do teor de lignina insolúvel;Determinação do teor de lignina solúvel;

Análise robusta:Validação de método (usando material de referência);Precisão (baixo desvio padrão nos resultados);Acurácia (balanço de massa acima de 95%).

Importância:Desenvolvimento de novos métodos;Treinamento de alunos e técnicos;Comparação de métodos analíticos.

Homogeneização

Embalagem

Distribuição laboratórios participantes

Análise dos resultados

Objetivo metodológico: métodos e normas

Page 19: Heterogeneidade, composição química e propriedades físico

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Obrigado!

Michel [email protected]

Tel: (19) 3531-8407www.ipben.unesp.br

Equipe em formação:Candidato a Doutorado;Candidato a Mestrado;

Alunos de Iniciação Científica:Ranieri Melati;Pedro Ghiraldi;Felipe Lange.

Colaborações:-Laboratórios Associados- IPBEN;-Instituto de Biociências de Rio Claro;-Instituto de Química de Araraquara;-Inmetro.