heterogeneidade, composição química e propriedades físico
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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)
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.
BioenergyResearch Institute
Instituto de Pesquisa em Bioenergia-IPBEN
Laboratório de Caracterização de Biomassa
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.
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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
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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
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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).
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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
Nó
Maior recalcitrância:Hidrólise enzimática.
Costa et al., Ind Crop Prod, 2013
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Entrenó Nó
Entrenó periferia Entrenó medula Nó periferiaNó medula
Biomassa – heterogeneidade: micro escala
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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.
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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
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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,
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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?
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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
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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)
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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
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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
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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
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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.