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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº 175323
Desenvolvimento de bioprocessos perspectivas Alfredo Eduardo Maiorano
Palestra apresentado no Seminários Gerais do Programa de Pós- graduação em Biodiversidade Aquática do Instituto de Biociências, UNESP - Campus Litoral Paulista,2018
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
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DESENVOLVIMENTO DE BIOPROCESSOS Perspectivas
Alfredo Eduardo Maiorano
Maio 2018
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Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise
• A biotecnologia industrial aplicação de ferramentas da biotecnologia em processos industriais tradicionais e novos combustíveis, produtos químicos e plásticos, a partir de matérias-primas renováveis.
BIOPROCESSO BIOPROCESSO
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Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise
• microrganismos, enzimas e suas formas geneticamente modificadas formam a base dos bioprocessos;
• Uso da biotecnologia data do período neolítico;
• revolução evolução de manipulação de genomas microbianos rápido aumento da inovação para usos industriais.
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Bioprocessos
• Por que Biotecnologia /Bioprocesso e Biocatálise?
• Por que biotecnologia como parte da visão ou planejamento estratégico da indústria química?
• Por que desenvolver novos biocatalisadores?
• Como se caracteriza a dinâmica tecnológica de P&D?
Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque?
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• Mundo com incertezas;
• Mudanças muito mais rápidas;
• Word Economic Forum:
– Desemprego; crise hídrica; desigualdade econômica; mudanças climáticas
• Inovação e tecnologias aumento do IDH
• Efeitos negativos em ecossistemas, clima, biodiversidade
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Modelo econômico
Consumo de energia
Consumo de água, geração de resíduos, emissão GEE, depleção de recursos naturais
Lopes, 2015
aumento de 1% no PIB aumento de 0,4 % no uso de recursos naturais
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Natureza da indústria química
• Muito diversificada crucial para economia global £1,25 trilhões/a
• EUA:
– Faturamento ~ USD 767 bilhões (2016);
– produz mais de 70.000 produtos;
– emprega mais de um milhão de trabalhadores;
• BRASIL:
– um dos mais importantes e dinâmicos setores da economia brasileira, representando 2,9% do PIB do Brasil.
– emprega mais de 740 mil trabalhadores
– o quarto na formação do PIB Industrial
Ferreira, ABIQUIM – AP 002/2014;
DIEESE - Panorama Setorial do Complexo Industrial Químico no Brasil, 2014
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Natureza da indústria química: cinco segmentos principais:
• produtos químicos de base: incluem produtos químicos inorgânicos, polímeros e plásticos. Chamados de commodities, são produzidos em grandes volumes;
• produtos farmacêuticos: substâncias de diagnóstico, vacinas, plasmas e outros produtos biológicos, vitaminas e preparações farmacêuticas para tanto humanos e uso veterinário;
• produtos químicos especiais: são de baixo volume, e alto valor agregado, venda com base no desempenho;
• Agroquímicos: fertilizantes e produtos químicos de proteção às culturas, i.e.pesticidas;
• produtos de consumo: sabão, detergentes, alvejantes, auxiliares de lavanderia, creme dental, xampus, cosméticos, desodorantes, perfumes.
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FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA – 2017* (* estimado)
Fonte: Abiquim ,abril 2017
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Natureza das matérias-primas da industria química
derivados de petroquímica ~ 5% PIB mundial (Lopes, 2015)
Rothemel, J. German-Brazilian Workshop on Value Creation from Bioresources,São Paulo, March 16th, 2011
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Cenário atual – consenso?
• Meio- ambiente não pode sustentar as emissões previstas de dióxido de carbono
• passos para mitigar GEE são necessários
Indústria Química
uso de recursos não renováveis e processos de uso intensivo de energia e com impactos ambientais
uso de recursos renováveis e processos de produção mais ambientalmente amigáveis , mais limpos e seguros
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Sustentabilidade
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Sustentabilidade
paradigma Desenvolvimento Sustentável:
“O desenvolvimento que responde às necessidades
do presente sem comprometer as possibilidades
das gerações futuras de satisfazer suas próprias
necessidades”
– Promover o crescimento econômico com impactos
positivos em termos sociais e ambientais (Sachs)
– A sustentabilidade é um conceito pluridisciplinar e
não estritamente ambiental (Sachs)
(Ignacy Sachs)
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Desenvolvimento Sustentável
Produção sustentável
• Uso recursos renováveis (matéria-prima / matéria-prima e catalisador
• Reduzir a demanda de energia
• Reduzir a demanda de água
• Evitar materiais tóxicos
• Reduzir a quantidade de resíduos - Reduzir o número de passos
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Metas potenciais
As questões ambientais têm sido muito importantes para as indústrias
“Sustentabilidade + Química Verde”
Processos e produtos que minimizem: resíduos, GEE, energia e favorece o uso de recursos renováveis
Biotecnologia Industrial Biotecnologia Industrial
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Biotecnologia industrial
Biotecnologia industrial, é a aplicação da biotecnologia moderna para a produção sustentável de produtos químicos, materiais e combustíveis a partir de fontes renováveis, utilizando células vivas e/ou enzimas.
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Fonte: NEW BIOCATALYSTS: ESSENTIAL TOOLS FOR A SUSTAINABLE 21st CENTURY CHEMICAL INDUSTRY
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Matérias-primas e produtos
Matérias-Primas
• Açúcares
• Amido
• Óleos vegatais
• Lignocelulose
• Plantas medicinais
• Gordura animal
• “Bioetanol”
• .......
Produtos • Polímeros
• Tensoativos
• Solventes
• Fármacos
• Lubrificantes
• Biocmbustíveis
• Fibras
• Adesivos
• etc
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Desafios do fornecimento de materiais renováveis (biomassa)
Matérias-primas para a indústria química devem ser disponíveis em:
• Quantidade; boa qualidade; estável
• Fornecimento seguro
• preços de mercado
Petróleo, carvão e gás demanda estabelecida
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Produção e preço das principais matérias-primas para bioprocessos
Material-prima Produção
mundial
(milhões t)*
Preço FOB
($/t)*
Glicerol (refinado) 2-3 231 -319
Açúcares 170 -180 350 -375
Ácidos graxos 6 -8 980 - 1050
Resíduos
lignocelulósicos
6.000 30 -45**
*estimativa ** base seca Fonte: Lopes, 2015
Petróleo: US$ 46,00/ barril US$ 362,00/t (ago/16)
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Biorrefinaria
Matéria-prima Matéria-prima Matéria-prima
(petróleo) (renovável) (renovável)
Intermediário intermediário intermediário
(Biotec) ( Biotec)
Produto Produto Novo Produto
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Biorrefinaria
Bonomi et al, 2008
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Força motora para o desenvolvimento de bioprocessos
• Social – “demanda” novas tecnologias, novos produtos, melhorias na qualidade de vida: – novos medicamentos, alimentos com baixo valor calórico,
preservação ambiental
• Negocial – competição entre processos clássicos e biotecnológicos lucro, menor custo, menor pegada ecológica;
• Governamental – pressões regulatórias, substituição de combustíveis fósseis, preservação ambiental;
• Desenvolvimento científico – conhecimento disponível
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Situação atual
biocatalisadores aplicados
na produção de química fina,
produtos farmacêuticos e
produtos químicos agrícolas.
Vantagens:
• elevada seletividade,
• uso em condições
ambientais
• facilidade de disposição.
Top 12 (2004)
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Top 12
Critérios:
• Matéria prima;
• Custo estimado de processamento;
• Preço estimado de venda;
• Complexidade tecnológica associada à rota
de processamento;
• Potencial de Mercado.
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TOP 30
Glicerol
Ác. Malônico
Ác. Hidroxipropiônico
Ác. Lático
Serina
C3
Acetona
Ác. Aspártico
3-HidroxiButirolactona
C4
Treonina
Xilitol
Arabinitol
Ác. Glutâmico
Ác. Itanônico
C5
Furfural
Ác. Levolinico
Ác. Aconítico
Ác. Cítrico
Ác. Glucarico
Ác. Glucônico
Lisina
Sorbitol
C6
Ácido Xilonico
Top Candidate
Ác. Málico
Ác. Fumárico
Ác. Succínico
Ác. 2,5 furano-Dicarboxílico
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A Visão de Bioprocessos - hoje
• década de 1980 - as indústrias de produtos farmacêuticos começaram a empregá-la extensivamente. Vários produtos farmacêuticos produzidos por essa via;
• Biotecnologia, como estamos vendo hoje, tem “poucas” aplicações industriais;
• “commodities”, tais como: alimentos, etanol, HFCS, ácido cítrico, aminoácidos e tratamento de efluentes.
• No entanto, a produção de outros produtos químicos está aquém desses.
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em um sentido geral, a biotecnologia, em muitos aspectos, ainda está em sua fase inicial de desenvolvimento
Woodley, J. M. Potential and Challenges of Bio-based Chemicals
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Curto prazo
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Médio prazo
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Longo prazo
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Situação atual: números impressionantes
• Faturamento = $ 18,6 bilhões (1999);
• investimento de US $ 97 bilhões;
• emprega mais de 153.000 pessoas em altos salários ;
• mais de US $ 9 bilhões em P&D;
• mais de 90 produtos de biotecnologia drogas e vacinas ajudando mais de 200 milhões de pessoas em todo o mundo;
• Biotecnologia responsável por centenas de testes de diagnóstico;
• Biotecnologia responsável por tratamento de efluentes/resíduos, biorremediação de derramamento de poluentes .
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Situação atual: números impressionantes
• Faturamento global:
– 2008 ~ €110 bilhões
– Estimativa:
– 2020 ~ €450 bilhões
http://crodaincmktg.com/2015/Natural-Functional_Beauty/BiotechnolgyWhitepaper.pdf 05/09/16
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Situação atual: exemplos
• O processo de DSM-Toyo Soda utiliza a protease termolisina para a produção de aspartame (seletividade e estereosseletividade).
• HFCS 23 milhões de toneladas em 1998. (α-amilase, glicoamilase e glicose isomerase )
• A hidrólise de penicilina G ou V para o ácido 6-aminopenicilânico (6-F-APA), utilizando penicilina acilase. - ≈ 9 mil toneladas de 6F-APA produzidas em 1995
• DuPont e Genencor patentes de processos e microrganismos para 1,3 propanodiol (1,3-PD) O 1,3-PD é usado na produção do tereftalato de politrimetileno.
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Situação atual: exemplos
• Produção de acrilamida por nitrila hidratase imobilizada; [acrilamida] > do que 600 g / L; produção de 100.000 t / a.
Fonte: Gravilescu& Chisti, 2005
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Limitações
• bioprocessos não são, per se superiores aos processos químicos;
• Introdução de um novo bioprocesso é demorado e caro;
• Biotecnologia não vai substituir a química - ferramenta adicional;
• bioprodutos e bioprocessos são ainda limitados;
• uso matérias-primas renováveis utilização em biocombustíveis, alimentos, rações, fibras, farmacêuticos.
Rothermel, 2011
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Limitações
• Limitação logística;
• Baixa densidade energética
Usina: 3,5 milhões t cana 125 kta etanol e 250 kta açúcar
Etileno: 1.000 kta
Biomassa D. E. (GJ/m3)
palha 2
carvão 31
madeira 8
Pellets de madeira 11
Lopes, 2015
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Qual é o futuro?
• Grande potencial para a biotecnologia industrial;
• Como aproveitar e implementar esse potencial?
• Enfrentar os principais limites operacionais:
– pH, temperatura;
– Inibição por produto;
– Velocidade de reação baixa;
– Concentração de produto baixa
• Grande concorrência :
Preço do petróleo
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Qual é o futuro?
• Como ter vantagem competitiva em bioprocessos e levar o país a ter uma posição de destaque?
• Em qual horizonte? 20..?
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Metas
Estratégia
Implementação
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Qual é o horizonte? Quais metas para 20..?
Definindo metas para o futuro:
• Bioprocessos dentro dos princípios de “Química Verde”
• Redução do consumo de água;
• Redução do consumo de energia;
• Menor impacto ambiental;
• Menor consumo de materiais;
• Mais custo-efetivo
genéricas genéricas
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Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!?
Definindo metas mais específicas e métricas
• Aumentar a produtividade em…
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Qual é o horizonte? Quais metas para 20!!?
Definindo metas mais específicas e métricas
• Microrganismos mais robustos
• Sistemas enzimáticos mais robustos
– termoresistente
– aumentar a atividade
– velocidade de turnover
– estabilidade
• Processos com células ou enzimas imobilizadas mais robustos;
• Aumentar o número de bioprocessos.
• Política P&D&I, definir prioridades
• Implementar o uso de ferramentas, p.e. ônicas, sintéticas.
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Algumas perspectivas
Objetivo operacional Processo
químico
Bioprocesso
atual futuro
rápido chegar ao
mercado +
rápido
2 - 5 anos 10 anos 2 - 3 anos
barato custo de
produção
1 - 10
US$/kg
10 - 100
US$/kg
1 - 3
US$/kg
melhor variedade
ampla pouca ampla
adaptado New Biocatalysts, Genencor and Eastman Chemicals at NIST-ATP workshop, an industrial partnering, Boulder, CO,
October, 1996
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Estratégia
• Promover P&D&I
– Agências federais e estaduais;
– Academia, ICT;
– Indústria
• Monitoramento
parceria
FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS
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Considerações finais
• Infraestrutura existentes para os processos químicos para produtos de base biológica
• Usar as ferramentas existentes e desenvolver novas para processos de base biológica para resolver problemas como:
– Uso de água
– Recuperação de produtos
– Integração de Processos
– Seleção e projeto de biorreator.
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Considerações finais
• Há grande potencialidade e oportunidades para o desenvolvimento de bioprocessos;
• Foco da conversão da biomassa voltado para obtenção de produtos e biocombustíveis;
• Compreensão integrada de oportunidades e desafios;
• P&D integrando fermentação, biocatálise e DSP
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Competividade A = alta B = média C = baixa
Fonte:https://ec.europa.eu/energy/sites, adaptado
BRASIL
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"[...]
Na primeira noite eles se aproximam e roubam uma flor do nosso jardim. E não dizemos nada. Na segunda noite, já não se escondem; pisam as flores, matam nosso cão, e não dizemos nada. Até que um dia, o mais frágil deles entra sozinho em nossa casa, rouba-nos a luz, e, conhecendo nosso medo, arranca-nos a voz da garganta. E já não podemos dizer nada.
[...]"
Eduardo Alves da Costa
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Total US$ 130,2 bilhões*
FATURAMENTO LÍQUIDO DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA – 2010* (* estimado)
Fonte: Abiquim ,abril 2011