Produção de Biocombustíveis

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Tema - Produção de biocombustíveis
Prof. Dr. Robson Carlos Alnoch
Curso: Ciências Biológicas
Disciplina: Tecnologia da sacarificação e fermentação
Código: 5920941
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Pró-Reitoria de Graduação
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras 
de Ribeirão Preto – Departamento de Biologia
Na aula de hoje ...
✓Bioenergia e o cenário atual
✓ Biomassa, biorrefinarias e bioprodutos
✓Bioetanol, Hidrogênio Verde, biodiesel, biogás
A economia baseada no petróleo
✓Energia, combustíveis e insumos 
para a indústria química.
✓Problemas:
✓Aumento do preço
✓esgotamento das reservas?
✓Dependência de países 
politicamente instáveis
✓Pressão da opinião pública para a 
questão ambiental
https://oilprice.com/
A ressurreição do carvão na Europa
✓ Líderes no combate ao aquecimento global 
como a Alemanha recorrem a um dos 
combustíveis mais sujos que existem para 
enfrentar a crise energética
https://veja.abril.com.br/agenda-verde/a-ressurreicao-do-
carvao-na-europa.
A ressurreição do carvão na Europa
✓ Líderes no combate ao aquecimento global 
como a Alemanha recorrem a um dos 
combustíveis mais sujos que existem para 
enfrentar a crise energética
https://veja.abril.com.br/agenda-verde/a-ressurreicao-do-
carvao-na-europa.
Alternativas? O que estamos 
fazendo a respeito?
Materiais renováveis
✓ Energia renovável: eólica, 
solar, hidrelétrica.
✓ Matérias-primas renováveis: 
Biomassa
Bioenergia
✓ Bioenergia é um termo amplo que se 
refere a qualquer forma de energia 
renovável produzida a partir de 
materiais derivados de fontes 
biológicas. 
Definição e fontes de biomassa
✓ A biomassa é todo material proveniente de seres vivos que armazena a energia solar 
através de ligações químicas formadas durante fotossíntese.
Razões para o uso de biomassa:
✓Renovável
✓Neutra em carbono
✓Grande disponibilidade
✓Elimina resíduos
Definição e fontes de biomassa
✓ A biomassa é todo material proveniente de seres vivos que armazena a energia solar 
através de ligações químicas formadas durante fotossíntese.
Razões para o uso de biomassa:
✓Renovável
✓Neutra em carbono
✓Grande disponibilidade
✓Elimina resíduos
Tudo muito lindo! 
Entretanto....quanto de 
bioenergia é produzida 
atualmente? 
✓Fornecimento global de energia
In 2020, Total Primary Energy Supply globally was 585 EJ 
– fossil fuels had a share of 80% (Coal 27%, Oil 29% and 
Gas 24%)
✓Fornecimento global de energia
✓Energia renovável 
Utilização de 
biomassa
✓Biomassa e energia renovável 
Biomassa no Brasil
O que é matriz energética?
✓ A matriz energética é o conjunto de 
todos os recursos energéticos 
disponíveis para serem utilizados nos 
diversos processos produtivos do país. 
Como transformar 
biomassa em 
energia? 
✓ Devido à variabilidade de materiais que 
podem ser considerados biomassa, 
existem diversos processos onde se 
transforma a biomassa em energia, eles 
são divididos em três tipos: 
1. Combustão direta
2. Processos químicos e termoquímicos
3. Processos biológicos 
Processos de conversão da biomassa 
Renewable and Sustainable Energy Reviews V.151, 11/2021, 111527
Biorrefinarias: definição
✓São instalações que utilizam sistemas 
completamente integrados para 
converter a biomassa em diversos 
produtos:
✓Energia
✓Combustíveis 
✓Insumos da indústria química
✓Alimentos 
✓Ração animal
Usina de etanol celulósico da GranBio em Alagoas. 
Foto: GranBio/divulgação
Biorrefinarias
Fonte renovável Processo primário Indústria
✓ Matéria-prima
✓ Resíduos
✓ Biomassa 
Conversão do 
material
Carboidratos
Proteínas
Lipídios Energia
Biocombustíveis 
Ração animal
Linha de produtos
Biorrefinarias
Bioetanol
Produção de bioetanol
Renewable and Sustainable Energy Reviews V.151, 11/2021, 111527
Variedades de cana-de-açúcar
cana-de-açúcar
✓ Alto teor de sacarose;
✓ Tempo de crescimento;
✓ Teor de fibra;
✓ Resistência à pragas;
✓ Adaptadas ao tipo de solo e 
colheita;
Biorrefinaria
Processos bem estabelecidos 
Cana-de-açúcar
BagaçoCaldo Palha
Açúcar
Etanol 1G
Energia
Brasil: 1º produtor 
mundial
Produção de etanol no Brasil
https://www.youtube.com/watch?v=jIV_JM5M2OM
Raízen -- Processo Industrial
Áreas de cultivo de cana-de-açúcar 
mapeadas por imagens de satélite
Produção de açúcar no Brasil
O que isso significa?
Cana-de-açúcar
BagaçoCaldo Palha
Etanol 2G
Açúcar
Etanol 1G
Energia
Produção de bioetanol 2G
Bagaço Excedente 
6 a 16 milhões de 
toneladas/ano
Planta Tecido vegetal
Parede celular vegetal
Células vegetais
National Renewable Energy Laboratory (NREL)
22
Produção de etanol 2G ORGANIZAÇÃO HIERARQUICA VEGETAL
Celulose
Pirich et al. 2020
Hidrólise enzimática
Celluclast 1.5 L
https://biosolutions.novozymes.com/
Busca por novos 
microrganismos 
produtores de enzimas
Parede celular vegetal
Celulose
Smith, M.D., Cheng, X., Petridis, L. et al. Sci Rep 7, 14494 (2017)
Lignina
Hemicelulose
*simplificação de associação 24
Hemicelulose
Grupo acetil liberam 
ácido acético
Auto-hidrólise
T: 180 - 240 °C
P: 8 - 22 bar/
glucurônico
Antes do pré-tratamento Após o pré-tratamento
Pré-tratamento da parede celular vegetal (biomassa)
Explosão a vapor
Produção de etanol 2G
✓Viabilidade Econômica ... 
Produção de etanol 2G no Brasil
Bioflex, usina da GranBio em São Miguel dos Campos, Alagoas
“Na BioFlex® 1, a lignina - um dos subprodutos da produção do 
etanol de segunda geração - é queimada junto com o bagaço da 
cana-de-açúcar para gerar energia elétrica. Trata-se de um 
processo ainda mais sustentável que o do etanol de primeira 
geração, tanto pela baixíssima quantidade de CO2 lançada na 
atmosfera, quanto pela quantidade gerada de resíduos. Uma 
verdadeira inovação em relação ao setor de energia do Brasil”
Produção de etanol 2G no Brasil
✓Raízen
ETANOL DE 2 GERAÇÃO 
Piracicaba - São Paulo
A Raízen (RAIZ4), joint venture entre Shell e 
Cosan (CSAN3
Os recursos captados na oferta serão utilizados para a 
expansão da produção de produtos renováveis, sendo 
80% utilizados para a construção de novas plantas e 
ampliação da sua capacidade de comercialização.
https://www.infomoney.com.br/cotacoes/raizen-raiz4/
https://www.infomoney.com.br/cotacoes/cosan-csan3/
Hidrogênio Verde H2
Hidrogênio Verde H2
✓ Hidrogênio verde é uma forma de hidrogênio produzida através da eletrólise da 
água utilizando energia renovável, como solar ou eólica.
Vantagens:
✓ Trata-se de uma fonte energética de 
“baixo carbono”
✓ Ele pode ser utilizado diretamente na 
geração de energia elétrica e/ou 
térmica, na produção de químicos ou 
combustíveis sintéticos, e com 
finalidades comerciais, industriais ou de 
mobilidade.
Hidrogênio Verde H2
CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Fuel Cell and Hydrogen Energy Association (FCHEA),
Hidrogênio Verde H2
Hidrogênio Verde H2
4 S&P. “Platts Hydrogen Price Wall.” 2022
A eletrólise com energia eólica é a 
que apresenta menor custo (US$ 
5,93/kg), seguida pela reforma de 
etanol (US$ 7,39/ kg).
Biodiesel
Biodiesel
✓ Lei nº 11.097, sancionada em 13 de janeiro de 2005.
Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel – PNPB
BIODIESEL - Ésteres alquílicos de ácidos graxos de cadeia longa derivados de 
fontes renováveis, como óleos vegetais ou gordura animal.
Reação de Transesterificação: 
óleo + álcool éster + glicerol
+ +
catalisador 
químico
óleo de soja
Alternativas – Fonte da biomassa e utilização de enzimas 
Reação de hidrólise ou a síntese mediada por uma lipase utilizando um triacilglicerol 
como substrato.
Lipases (glicerol éster hidrolases EC. 3.1.1.3)
Alternativas – Fonte da biomassa e utilização de enzimas 
INDÚSTRIA DE BIODIESEL - Lipases
Company Enzyme Process/product Country
Lvming Environmental 
Technology Co. Ltd
Lipase de Candida sp. 
99–125
Biodiesel/ High acid value waste 
cooking oil
China
Hainabaichuan Co. Ltd. Novozym® 435
Biodiesel/waste palm oil, waste 
edible oil, or oil with high acid 
value
China
PiedmontBiofuels CALB from Novozymes
Biodiesel/transesterification and 
esterification
USA
Transbiodiesel Ltd. CALB from Novozymes
Biodiesel/transesterification and 
esterification
Israel
Sunho Biodiesel 
Corporation
CALB from Novozymes Biodiesel Taiwan
Blue Sun Callera Trans L® Biodiesel USA
Viesel Skunk Works LLC CALB from Novozyme
Biodiesel/waste cooking oil, animal 
fats, brown grease
USA
SRS International and 
Biodiesel Experts 
International
-
Biodiesel/transesterification and 
esterification/high FFA feedstocks
USA
FONTE: Robles-Medina et al. Biotechnol. Adv., n. 27, p. 398-408, 2009. 
a Percentagem do óleo inicial transformado em biodiesel
Comparação entre o processo enzimático e o alcalino
para a produção de biodiesel
PROBLEMA PROCESSO ENZIMÁTICO PROCESSO ALCALINO
presença de ácidos graxos 
livres no óleo
são transformados em biodiesel são transformados em sabão
presença de água no óleo não é deletério para a lipase
hidrolisa o óleo, formando mais 
sabão
conversão em biodiesela alto, geralmente em torno de 90% alto, geralmente >96%
recuperação e reutilização
do catalisador
fácil difícil ou inviável
recuperação do glicerol fácil, glicerol de alta qualidade complexa, glicerol de baixa qualidade
custo energético baixo, temperatura entre 20-50°C médio, temperatura entre 60-80°C
impacto ambiental baixo médio, efluentes alcalinos e salinos
custo do processo alto baixo
Partículas úmidas que contém nutrientes (por
exemplo: grãos, farelos) 
fase entre as partículas 
preenchida com gás
água líquida dentro das 
partículas, quase nada de água 
líquida entre as partículas
Biorreator
biomassa microbiana 
concentrada na superfície
O que é fermentação em estado sólido?
Alternativa – Produção de lipases por FES
Tese de Nagel, 2001, Wageningen University, Holanda.
Fermentação no Estado Sólido – Produção de lipases 
•Farelo de semente de 
girassol, Torta de milho
•Torta de soja
•Farelo de semente de 
girassol: bagaço de 
cana-de-açúcar 1:1
Substratos
ESCALONAMENTO DA FERMENTAÇÃO
Pró-bio, usina piloto A- UFPR
• Leito fixo
• 200 L de volume útil
• Motor para homogeneização do leito e agitação intermitente
• Monitoramento da T em várias partes do leito e O2 e CO2 na saída dos gases 
O equipamento – Biorreator piloto
Condições gerais dos cultivos:
• Farelo de trigo com bagaço de cana
• Altura do leito = 40 cm
• Microrganismo: Aspergillus niger
• Evento de agitação = 5 rpm por 2 minutos
ESCALONAMENTO DA FERMENTAÇÃO
Biogás
Metano (CH4): 50% – 70% do volume de gás produzido.
● Dióxido de carbono (gás carbônico, CO2): 25% – 50% do volume de gás produzido.
● e traços de outros gases como:
00♦ Hidrogênio (H2): 0% – 1% do volume.
00♦ Gás sulfídrico (H2S): 0% – 3% do volume.
00♦ Oxigênio (O2): 0% – 2% do volume.
00♦ Amoníaco (NH3): 0% – 1% do volume.
00♦ Nitrogênio (N2): 0% – 7% do volume.
Biogás
cetesb.sp.gov.br
O biogás é um dos produtos da decomposição da matéria orgânica, que se dá através da ação 
microrganismos.
O biogás é composto principalmente por metano (CH4) e gás carbônico (CO2) 
entretanto...
Biogás
Wastewater Treatment Reactors: Microbial Community Structure-2021. 
Biogás - Biodigestores
Biogás - Biodigestores
Biogás - Biodigestores
Tipos de Biorrefinaria
Renewable and Sustainable Energy Reviews V.151, 11/2021, 111527
Biorrefinaria Fase 2-3 
DPCV/CRD/BI – IEA Biorefinery 3rd - Lestrem 
2050 – 10 Bilhões de pessoas Como podemos ajudar?
Como podemos ajudar?
Atividade ED2- Preparar um fluxograma detalhado de “integração de 
processos e produção de bioprodutos de valor agregado” a partir de 
biomassa (vegetal, animal, resíduos urbanos, insetos ...)
Exemplo >>>>>>>>>>>>
Valorização de resíduos ricos em pectina
✓Europa - polpa de beterraba 
✓Brasil - polpa cítrica 
Integração de processos e 
produção de produtos de alto 
valor agregado
Exemplo
POLPA 
CÍTRICA
Hidrólise 
enzimática
Biocatálise
LIMONENORESÍDUO
PRODUTOS DE 
ALTO VALOR 
AGREGADO
RESÍDUO
Extração do 
limoneno
Fermentação 
aeróbia
Fermentação 
anaeróbica
Extração da 
pectina
PECTINA
ÁCIDO-D-GALACTURÔNICO
PRODUTOS DE 
BAIXO VALOR 
AGREGADO
RESÍDUO
BIOGÁS
Biorrefinaria de 
resíduos pécticos
Exemplo
?
?
?
?
?
Atividade ED2- Preparar um fluxograma detalhado de “integração de processos e 
produção de bioprodutos de valor agregado” a partir de biomassa (vegetal, animal, 
resíduos urbanos, insetos ...)
Atividade ED2- 
Em dupla ou individual 
Data de entrega – até 05/10/2023 via Email
Contato – dúvidas, sugestões, linha de pesquisa, estágios IC, TCC : 
robsonalnoch@usp.br
Robson Carlos Alnoch
http://lattes.cnpq.br/8533992547208348
https://orcid.org/0000-0002-1999-2914
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
Departamento de Biologia/ Laboratório de Microbiologia e Biologia Celular
mailto:robsonalnoch@usp.br
mailto:robsonalnoch@usp.br
http://lattes.cnpq.br/8533992547208348
https://orcid.org/0000-0002-1999-2914
	Slide 1: Tema - Produção de biocombustíveis Prof. Dr. Robson Carlos Alnoch Curso: Ciências Biológicas Disciplina: Tecnologia da sacarificação e fermentação Código: 5920941
	Slide 2
	Slide 3: A economia baseada no petróleo
	Slide 4: A ressurreição do carvão na Europa
	Slide 5: A ressurreição do carvão na Europa
	Slide 6: Materiais renováveis
	Slide 7: Definição e fontes de biomassa
	Slide 8: Definição e fontes de biomassa
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15: Biorrefinarias: definição
	Slide 16: Biorrefinarias
	Slide 17
	Slide 18: Produção de bioetanol
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	Slide 43: 
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	Slide 53: Tipos de Biorrefinaria
	Slide 54: Biorrefinaria Fase 2-3 
	Slide 55
	Slide 56
	Slide 57: Valorização de resíduos ricos em pectina
	Slide 58
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