Etanol De Celulose
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- Words: 2,127
- Pages: 40
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Aluno: Bruno Marco de Lima Orientador: Luis Eduardo Aranha Camargo
Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
Introdução Relembrando, o que é um combustível?
É tudo que é passível de entrar em combustão, liberando energia
Introdução O uso dos combustíveis em máquinas
Máquina à vapor: -Queima de combustível Calor - Aquecimento da água Vapor - Energia cinética
Motor de combustão interna -Queima de combustível Explosão - Energia cinética
Introdução “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” - Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)
C6H12O6 + 6
→ 6 CO2 + 6 H2O + Energia
Combustível +
Planta armazena a glicose de em moléculas mais estáveis : - Dímeros (sacarose, maltose) - Polímeros (amido, lignina, hemiceluloses, celulose, pectina)
→ CO2 + H2O + Energia
A Celulose Por que utilizar a celulose?
Polímero mais abundante da superfície terrestre
Componente de paredes celulares das plantas
Formado por estruturas de carbono, assim como os combustíveis utilizados Nelson & Cox. Lehninger’s Principles of Biochemistry, 4 ed. 2004.
A Celulose Do que é formada a celulose??? Origem química baseada na glicose Na ligação entre moléculas de glicose há perda de água (C6H10O5 anidroglicose)
Celulose = (C6H10O5)n
Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
A Celulose Problema: como utilizar a energia acumulada na celulose? Características químico-físicas da celulose (em temperatura ambiente):
“Cellulose has a high tensile strength, equivalent to that of steel. steel. Cellulose is also insoluble, insoluble chemically stable, stable and relatively immune to chemical and enzymatic attack. attack These properties make cellulose an excellent structural material for building a strong cell wall.” Taiz & Zeiger
- Insolúvel em água - Insolúvel em solventes orgânicos neutros - Insolúvel em ácidos - Insolúvel em hidróxidos diluídos
Após hidrólise: - Recupera-se até 96% da quantidade teórica de glicose - Subprodutos: Celobiose (C12H22O11)e Celotriose (C18H32O16) Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
Biocombustíveis Como extrair a energia armazenada nas plantas? Simples queima; Processos complexos de bioconversão (termoquímicos e/ou enzimáticos)
Devem se adaptar a existente tecnologia de combustíveis, a base de petróleo (transportes)
Biocombustíveis O que pode ser considerado um biocombustível? É considerado um biocombustível qualquer combustível oriundo de material biológico, de origem não-fóssil - Plantas oleaginosas (soja, mamona, amendoim) - Plantas extrativas (cana-de-açúcar, milho) - Lixo orgânico - Resíduos culturais (palhas, bagaços) - Celulose (todas as plantas)
Combustíveis fósseis (petróleo e derivados, carvão mineral, gás natural)
Biocombustíveis
Os biocombustíveis podem ser usados tanto isoladamente, como adicionados aos combustíveis convencionais. Etanol (cana-de-açúcar, milho) Biodiesel (plantas oleaginosas) Biogás (biomassa)
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Biocombustíveis
Preparo da Matéria-Prima (p.e. esmagamento)
KOH ou NaOH
Transesterificação
Álcool
Separação das fases
Produção do Biodiesel Adaptado de SEBRAE. Biodiesel, 2008.
Glicerina +Álcool
Ésteres + Álcool
9% Glicerina
86% Biodiesel
Biocombustíveis Cana-de-açúcar
Extração do caldo Leveduras
Bagaço
Fermentação
Retirada das leveduras
Destilação
Vinhaça
Etanol
Produção do Etanol
Biocombustíveis
Produção do Etanol Celulósico Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Etanol Celulósico Etapas de produção Pré-tratamento Termoquímico: -Torna os polímeros de celulose mais acessíveis às enzimas e há liberação das hemiceluloses
Hidrólise da celulose: -Celulases produção de açúcares simples
Fermentação: -Bactérias os Leveduras
Há algumas pesquisas em andamento que já combinam em um passo a hidrólise e fermentação (SSF)
Problemas enfrentados pelo Etanol Celulósico Degradação da biomassa e produção do etanol Problema do uso de enzimas para degradação: - Atuais tratamentos são dependentes de ácidos e aquecimento
Pode ser utilizada a mesma infra-estrutura para a produção do etanol atualmente, porém...
- Dificuldade em encontrar enzimas estáveis nessas condições - Poucos organismos candidatos (dificuldade de cultivo in vitro)
Otimização é essencial, diante do alto custo da sacarificação, já que as celulases são o maior impedimento para o uso desse tipo de biocombustível
Problema: grande diversidade de açucares produzidos Ex. hexoses são fermentáveis pela S. cerevisiae, porém pentoses não são...
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Etanol Celulósico
Produção de Matéria-Prima
Degradação da parede celular
Organismos fermentadores
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
Etanol Celulósico
Matéria -Prima
Espécies em potencial
SOL
Parede Celular
Fermen tação
PERDAS DE ENERGIA Fora do espectro fotossinteticamente ativo
Condições para escolha da espécie
Refletido e transmitido Ineficiente Fotoquimicamente
Plantas C3 - Populus spp. - Eucalyptus spp.
Síntese de Carboidratos Fotorrespiração
Plantas C4 (em regiões mais quentes) - Panicum spp. - Miscanthus spp. - Cana-de-açúcar (que ainda possuí a sacarose)
Respiração
Biomassa 46kJ
Biomassa 60kJ
- Maximizar a biomassa total produzida ha/ano
Uso em terras pobres em fertilidade e capacidade hídrica, não competindo em terras para produção de alimentos.
- Manutenção da sustentabilidade, minimizando “inputs” - Maximizando a quantidade de combustível produzida por unidade de biomassa
Adaptado de Zhu et al. Current Opinion in Biotechnology, vol. 19, p. 153-159, 2008.
Espécies e Estádio de Melhoramento Miscanthus x giganteus Características: -Alta produção -Baixa necessidade de fertilizantes e baixa necessidade de pesticidas Produtividade: -Em média 25 ton/ha/ano (ms) Europa - Há grande variabilidade na produção - Pode ser mantido por de 3 a 5 anos (reprodução vegetativa)
Poucos trabalhos de melhoramento da espécie (Europa e Illinois) - Triploidia (Miscanthus x giganteus) dificulta os trabalhos de melhoramento Lewandowski, I. et al. Biomass & Bio Energy, vol. 19, p. 209-227, 2000.
Matéria -Prima
Parede Celular
Produção Fermen de tação MatériaPrima
Espécies e Estádio de Melhoramento
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Saccharum spp. (Cana-de-açúcar) Inicio das hibridações em 1888 em Java e Barbados
-Resistência ao tombamento - Resistência a penetração de pragas
Objetivo principal dos programas de melhoramento: - Doenças - Produção de sacarose
Dados IBGE (Brasil): - Produtividade média: 79,5 ton/ha - Área colhida 2008: 8,2 milhões de ha
Cana-de-açúcar
Caldo 86 a 92%
Balanço energético da indústria
Fibra 8 a 14%
- ~ 11% Fibra = 71 710 000 ton de fibra/ano
Produção de açúcar e álcool Lavanholi, M.G.D.P. In: Cana de Açúcar, 2008.
Espécies e Estádio de Melhoramento Espécies florestais EUA: Populus spp. Brasil: Eucalyptus spp.
A produtividade média do eucalipto no Brasil chega a até 40 m³/ha/ano Em algumas regiões passa de 60 m³/ha/ano
Melhoramento iniciado no começo do século XX, o que gerou acréscimos consideráveis na produtividade. Momento marcante: Clonagem (1979) Problema: ciclo longo da cultura
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Conteúdo de Celulose
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Aumentando a biomassa das plantas Genômica funcional e estudos com mutantes: - Genes envolvidos na síntese de celulose e hemicelulose
Modelos da biossíntese de celulose são ainda apenas teóricos Exemplos práticos: - Mutantes de Giberelina: aumento de biomassa (Eriksson et al., 2000) - ADP-glucose pyrophosphorylase (AGP, amido em endosperma) expressa em níveis mais altos (através de promotores de endosperma) em arroz: aumento inesperado de 20% na biomassa total (Smidansky et al., 2003) Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Repressão da lignina Lignina também é um polímero, porém fenólico Dá rigidez a parede celular: Dificulta o contado das enzimas de hidrólise com o a celulose e hemicelulose
Gera a necessidade de um prétratamento termoquímico
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Decrescendo a necessidade de pré-tratamento Vários trabalhos supressão de metabólitos da via da lignina resultaram em diminuição da quantidade de lignina 4CL: Populus spp. CCR: Tabaco CAD: Alfalfa e Populus spp.
(Hu et al., 1999) (Chabannes et al., 2001) (Baucher et al., 1999; Pilate et al., 2002)
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Degradação da Parede Celular Hidrólise enzimática: uma idéia nova?
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Hidrólise da celulose Enzimas desconstrutoras de parede celular: - Celulases: são necessário três tipos (endoglucanase, exoglucanase e βglucosidase) - Hemicelulases: necessárias para que as celulases possam entrar em atividade - Ligninases
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Uso de Celulossomos: -Maquinário supramolecular extracelular - Sintetizado por alguns microorganismos anaeróbicos - Capaz de degradar a celulose cristalina e outros polissacarídeos da parede celular
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
As Celulossomas
Uma proteína “scaffolding” com várias enzimas (celulases) ligadas.
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Fermen tação
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
As Celulossomas Interesse no estudo da expressão e regulação de genes dessas enzimas Em estudos de expressão, os genes eram expressos em abundancia quando as bactérias cresciam em meios feitos de polissacarídeos e baixa expressão em meios de monossacarídeos.
-Potencial de transformação de organismos não-degradadores de celulose em degradadores. - Construção e uso de designer celulossomas para fins específicos (miniscaffoldings).
CATABOLITE-REPRESSION-LIKE mechanism
Em Clostridium thermocellum foram identificadas 26 enzimas celulossômicas (polivalente) Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Degradação da Parede Celular As Celulossomas
Recombinação in vitro ou “DNA shuffling” - Realiza a troca de domínios funcionais em proteínas, podendo gerar, e.g., enzimas degradadoras de celulose e tolerantes a altas temperaturas
Há ainda estudos de sinergia - Combinações de enzimas específicas podem resultar em atividade ainda maior de celulases
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Organismos Fermentadores
Produção de MatériaPrima
Parede Celular
Fermen tação
Fermentação de pentoses Leveduras fermentadoras de Xilose -Pichia stipitis levedura nativa com maior capacidade de fermentação de xiloses - Vive em endossimbiose com um besouro apodrecedor de madeira Sequenciamento de seu genoma forneceu informações a respeito dessa sua capacidade de fermentação
Já tentou-se manipular genes de P. stipitis em S. cerevisiae: Problema: Regulação com mecanismos diferentes
Há outros organismos etanol-produtores: - E. coli KO11 (mutante) - Zymomonas mobilis *Não resistem a altas [ ] de etanol Jeffries, T.W. et al. Nature Biotechnology, vol. 25, n. 03. 2007.
Organismos Fermentadores
Produção de MatériaPrima
Parede Celular
Fermen tação
Fermentação de pentoses Transformação de Saccharomyces cerevisiae com genes de Thermus thermophilus
Uso do gene xylA de Xilose Isomerase de T. thermophilus Thermus thermophilus
Vantagens: - Suporta altas temperaturas (85˚C)
Xilose Isomerase
- S. cerevisiae passa a fermentar todos os tipos de açucares oriundos da celulose e hemicelulose Xilose Etanol Walfridsson, M. et al. Appl Env Microbiol, vol. 62, n. 12, p. 4648-4651, 1996.
Genômica e o Etanol Celulósico
Produção de MatériaPrima
Degradação da parede celular
Desenvolvi mento de fermentado res
Projetos genoma existentes Uma série de projetos genoma tem sido feitos focando organismos importantes no processo de produção do Etanol Celulósico
Importância dos projetos genoma: - Conhecimento de genes envolvidos na síntese de celulose e hemiceluloses - Alterações nas taxas e estruturas de várias macromoléculas formadoras da parede celular - Identificação de genes codificadores de enzimas degradadoras e organismos fermentadores mais eficientes e adaptados Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Mercado do Etanol Produção mundial
Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Custos e Rendimento Valores de produção
Petróleo Gasolina Gás Natural Carvão Eletricidade Óleo de Soja Culturas Celulósicas
(US$/quantidade) 314/m³ 0,44/L 0,212/m³ 20/ton 0,04/kWh 105/ton 50/ton
US$/GJ 8,7 13,7 7,9 0,9 11,1 13,8 3,0
Adaptado de Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
Situação Mundial Plantas sendo construídas nos EUA Expectativa de produzir 500 milhões de litros de álcool por ano (Brasil prevê produzir na safra 2008/2009 24 bilhões de litros de etanol de sacarose)
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.
Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Situação Mundial Plantas sendo construídas nos EUA
Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.
Biocombustível Contexto ambiental
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Conclusões Em que áreas atuar para ganhos de produção?
Polissacarídeos mais disponíveis Redução da Lignina Enzimas de digestão in planta
Produção de Matéria-Prima
Degradação da parede celular
Açúcares otimizados das plantas Redução de toxinas Redução dos custos de MP
Desenvolvimento de organismos fermentadores
Maiores produtividades de açúcar Menor custo de capital Menor custo de enzimas
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
Etanol Celulósico
Kleiner, K. Nature Reports Climate Change, vol. 2, p. 9-11. 2008.
Obrigado pela atenção
http://www.biodieselbr.com/
Aluno: Bruno Marco de Lima Orientador: Luis Eduardo Aranha Camargo
Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
Introdução Relembrando, o que é um combustível?
É tudo que é passível de entrar em combustão, liberando energia
Introdução O uso dos combustíveis em máquinas
Máquina à vapor: -Queima de combustível Calor - Aquecimento da água Vapor - Energia cinética
Motor de combustão interna -Queima de combustível Explosão - Energia cinética
Introdução “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” - Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)
C6H12O6 + 6
→ 6 CO2 + 6 H2O + Energia
Combustível +
Planta armazena a glicose de em moléculas mais estáveis : - Dímeros (sacarose, maltose) - Polímeros (amido, lignina, hemiceluloses, celulose, pectina)
→ CO2 + H2O + Energia
A Celulose Por que utilizar a celulose?
Polímero mais abundante da superfície terrestre
Componente de paredes celulares das plantas
Formado por estruturas de carbono, assim como os combustíveis utilizados Nelson & Cox. Lehninger’s Principles of Biochemistry, 4 ed. 2004.
A Celulose Do que é formada a celulose??? Origem química baseada na glicose Na ligação entre moléculas de glicose há perda de água (C6H10O5 anidroglicose)
Celulose = (C6H10O5)n
Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
A Celulose Problema: como utilizar a energia acumulada na celulose? Características químico-físicas da celulose (em temperatura ambiente):
“Cellulose has a high tensile strength, equivalent to that of steel. steel. Cellulose is also insoluble, insoluble chemically stable, stable and relatively immune to chemical and enzymatic attack. attack These properties make cellulose an excellent structural material for building a strong cell wall.” Taiz & Zeiger
- Insolúvel em água - Insolúvel em solventes orgânicos neutros - Insolúvel em ácidos - Insolúvel em hidróxidos diluídos
Após hidrólise: - Recupera-se até 96% da quantidade teórica de glicose - Subprodutos: Celobiose (C12H22O11)e Celotriose (C18H32O16) Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
Biocombustíveis Como extrair a energia armazenada nas plantas? Simples queima; Processos complexos de bioconversão (termoquímicos e/ou enzimáticos)
Devem se adaptar a existente tecnologia de combustíveis, a base de petróleo (transportes)
Biocombustíveis O que pode ser considerado um biocombustível? É considerado um biocombustível qualquer combustível oriundo de material biológico, de origem não-fóssil - Plantas oleaginosas (soja, mamona, amendoim) - Plantas extrativas (cana-de-açúcar, milho) - Lixo orgânico - Resíduos culturais (palhas, bagaços) - Celulose (todas as plantas)
Combustíveis fósseis (petróleo e derivados, carvão mineral, gás natural)
Biocombustíveis
Os biocombustíveis podem ser usados tanto isoladamente, como adicionados aos combustíveis convencionais. Etanol (cana-de-açúcar, milho) Biodiesel (plantas oleaginosas) Biogás (biomassa)
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Biocombustíveis
Preparo da Matéria-Prima (p.e. esmagamento)
KOH ou NaOH
Transesterificação
Álcool
Separação das fases
Produção do Biodiesel Adaptado de SEBRAE. Biodiesel, 2008.
Glicerina +Álcool
Ésteres + Álcool
9% Glicerina
86% Biodiesel
Biocombustíveis Cana-de-açúcar
Extração do caldo Leveduras
Bagaço
Fermentação
Retirada das leveduras
Destilação
Vinhaça
Etanol
Produção do Etanol
Biocombustíveis
Produção do Etanol Celulósico Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Etanol Celulósico Etapas de produção Pré-tratamento Termoquímico: -Torna os polímeros de celulose mais acessíveis às enzimas e há liberação das hemiceluloses
Hidrólise da celulose: -Celulases produção de açúcares simples
Fermentação: -Bactérias os Leveduras
Há algumas pesquisas em andamento que já combinam em um passo a hidrólise e fermentação (SSF)
Problemas enfrentados pelo Etanol Celulósico Degradação da biomassa e produção do etanol Problema do uso de enzimas para degradação: - Atuais tratamentos são dependentes de ácidos e aquecimento
Pode ser utilizada a mesma infra-estrutura para a produção do etanol atualmente, porém...
- Dificuldade em encontrar enzimas estáveis nessas condições - Poucos organismos candidatos (dificuldade de cultivo in vitro)
Otimização é essencial, diante do alto custo da sacarificação, já que as celulases são o maior impedimento para o uso desse tipo de biocombustível
Problema: grande diversidade de açucares produzidos Ex. hexoses são fermentáveis pela S. cerevisiae, porém pentoses não são...
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Etanol Celulósico
Produção de Matéria-Prima
Degradação da parede celular
Organismos fermentadores
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
Etanol Celulósico
Matéria -Prima
Espécies em potencial
SOL
Parede Celular
Fermen tação
PERDAS DE ENERGIA Fora do espectro fotossinteticamente ativo
Condições para escolha da espécie
Refletido e transmitido Ineficiente Fotoquimicamente
Plantas C3 - Populus spp. - Eucalyptus spp.
Síntese de Carboidratos Fotorrespiração
Plantas C4 (em regiões mais quentes) - Panicum spp. - Miscanthus spp. - Cana-de-açúcar (que ainda possuí a sacarose)
Respiração
Biomassa 46kJ
Biomassa 60kJ
- Maximizar a biomassa total produzida ha/ano
Uso em terras pobres em fertilidade e capacidade hídrica, não competindo em terras para produção de alimentos.
- Manutenção da sustentabilidade, minimizando “inputs” - Maximizando a quantidade de combustível produzida por unidade de biomassa
Adaptado de Zhu et al. Current Opinion in Biotechnology, vol. 19, p. 153-159, 2008.
Espécies e Estádio de Melhoramento Miscanthus x giganteus Características: -Alta produção -Baixa necessidade de fertilizantes e baixa necessidade de pesticidas Produtividade: -Em média 25 ton/ha/ano (ms) Europa - Há grande variabilidade na produção - Pode ser mantido por de 3 a 5 anos (reprodução vegetativa)
Poucos trabalhos de melhoramento da espécie (Europa e Illinois) - Triploidia (Miscanthus x giganteus) dificulta os trabalhos de melhoramento Lewandowski, I. et al. Biomass & Bio Energy, vol. 19, p. 209-227, 2000.
Matéria -Prima
Parede Celular
Produção Fermen de tação MatériaPrima
Espécies e Estádio de Melhoramento
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Saccharum spp. (Cana-de-açúcar) Inicio das hibridações em 1888 em Java e Barbados
-Resistência ao tombamento - Resistência a penetração de pragas
Objetivo principal dos programas de melhoramento: - Doenças - Produção de sacarose
Dados IBGE (Brasil): - Produtividade média: 79,5 ton/ha - Área colhida 2008: 8,2 milhões de ha
Cana-de-açúcar
Caldo 86 a 92%
Balanço energético da indústria
Fibra 8 a 14%
- ~ 11% Fibra = 71 710 000 ton de fibra/ano
Produção de açúcar e álcool Lavanholi, M.G.D.P. In: Cana de Açúcar, 2008.
Espécies e Estádio de Melhoramento Espécies florestais EUA: Populus spp. Brasil: Eucalyptus spp.
A produtividade média do eucalipto no Brasil chega a até 40 m³/ha/ano Em algumas regiões passa de 60 m³/ha/ano
Melhoramento iniciado no começo do século XX, o que gerou acréscimos consideráveis na produtividade. Momento marcante: Clonagem (1979) Problema: ciclo longo da cultura
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Conteúdo de Celulose
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Aumentando a biomassa das plantas Genômica funcional e estudos com mutantes: - Genes envolvidos na síntese de celulose e hemicelulose
Modelos da biossíntese de celulose são ainda apenas teóricos Exemplos práticos: - Mutantes de Giberelina: aumento de biomassa (Eriksson et al., 2000) - ADP-glucose pyrophosphorylase (AGP, amido em endosperma) expressa em níveis mais altos (através de promotores de endosperma) em arroz: aumento inesperado de 20% na biomassa total (Smidansky et al., 2003) Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Repressão da lignina Lignina também é um polímero, porém fenólico Dá rigidez a parede celular: Dificulta o contado das enzimas de hidrólise com o a celulose e hemicelulose
Gera a necessidade de um prétratamento termoquímico
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Conteúdo de Lignina
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Decrescendo a necessidade de pré-tratamento Vários trabalhos supressão de metabólitos da via da lignina resultaram em diminuição da quantidade de lignina 4CL: Populus spp. CCR: Tabaco CAD: Alfalfa e Populus spp.
(Hu et al., 1999) (Chabannes et al., 2001) (Baucher et al., 1999; Pilate et al., 2002)
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Degradação da Parede Celular Hidrólise enzimática: uma idéia nova?
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Hidrólise da celulose Enzimas desconstrutoras de parede celular: - Celulases: são necessário três tipos (endoglucanase, exoglucanase e βglucosidase) - Hemicelulases: necessárias para que as celulases possam entrar em atividade - Ligninases
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Uso de Celulossomos: -Maquinário supramolecular extracelular - Sintetizado por alguns microorganismos anaeróbicos - Capaz de degradar a celulose cristalina e outros polissacarídeos da parede celular
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
As Celulossomas
Uma proteína “scaffolding” com várias enzimas (celulases) ligadas.
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Fermen tação
Degradação da Parede Celular
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
As Celulossomas Interesse no estudo da expressão e regulação de genes dessas enzimas Em estudos de expressão, os genes eram expressos em abundancia quando as bactérias cresciam em meios feitos de polissacarídeos e baixa expressão em meios de monossacarídeos.
-Potencial de transformação de organismos não-degradadores de celulose em degradadores. - Construção e uso de designer celulossomas para fins específicos (miniscaffoldings).
CATABOLITE-REPRESSION-LIKE mechanism
Em Clostridium thermocellum foram identificadas 26 enzimas celulossômicas (polivalente) Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Degradação da Parede Celular As Celulossomas
Recombinação in vitro ou “DNA shuffling” - Realiza a troca de domínios funcionais em proteínas, podendo gerar, e.g., enzimas degradadoras de celulose e tolerantes a altas temperaturas
Há ainda estudos de sinergia - Combinações de enzimas específicas podem resultar em atividade ainda maior de celulases
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Matéria -Prima
Parede Celular
Fermen tação
Organismos Fermentadores
Produção de MatériaPrima
Parede Celular
Fermen tação
Fermentação de pentoses Leveduras fermentadoras de Xilose -Pichia stipitis levedura nativa com maior capacidade de fermentação de xiloses - Vive em endossimbiose com um besouro apodrecedor de madeira Sequenciamento de seu genoma forneceu informações a respeito dessa sua capacidade de fermentação
Já tentou-se manipular genes de P. stipitis em S. cerevisiae: Problema: Regulação com mecanismos diferentes
Há outros organismos etanol-produtores: - E. coli KO11 (mutante) - Zymomonas mobilis *Não resistem a altas [ ] de etanol Jeffries, T.W. et al. Nature Biotechnology, vol. 25, n. 03. 2007.
Organismos Fermentadores
Produção de MatériaPrima
Parede Celular
Fermen tação
Fermentação de pentoses Transformação de Saccharomyces cerevisiae com genes de Thermus thermophilus
Uso do gene xylA de Xilose Isomerase de T. thermophilus Thermus thermophilus
Vantagens: - Suporta altas temperaturas (85˚C)
Xilose Isomerase
- S. cerevisiae passa a fermentar todos os tipos de açucares oriundos da celulose e hemicelulose Xilose Etanol Walfridsson, M. et al. Appl Env Microbiol, vol. 62, n. 12, p. 4648-4651, 1996.
Genômica e o Etanol Celulósico
Produção de MatériaPrima
Degradação da parede celular
Desenvolvi mento de fermentado res
Projetos genoma existentes Uma série de projetos genoma tem sido feitos focando organismos importantes no processo de produção do Etanol Celulósico
Importância dos projetos genoma: - Conhecimento de genes envolvidos na síntese de celulose e hemiceluloses - Alterações nas taxas e estruturas de várias macromoléculas formadoras da parede celular - Identificação de genes codificadores de enzimas degradadoras e organismos fermentadores mais eficientes e adaptados Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Mercado do Etanol Produção mundial
Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Custos e Rendimento Valores de produção
Petróleo Gasolina Gás Natural Carvão Eletricidade Óleo de Soja Culturas Celulósicas
(US$/quantidade) 314/m³ 0,44/L 0,212/m³ 20/ton 0,04/kWh 105/ton 50/ton
US$/GJ 8,7 13,7 7,9 0,9 11,1 13,8 3,0
Adaptado de Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
Situação Mundial Plantas sendo construídas nos EUA Expectativa de produzir 500 milhões de litros de álcool por ano (Brasil prevê produzir na safra 2008/2009 24 bilhões de litros de etanol de sacarose)
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.
Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Situação Mundial Plantas sendo construídas nos EUA
Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.
Biocombustível Contexto ambiental
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Conclusões Em que áreas atuar para ganhos de produção?
Polissacarídeos mais disponíveis Redução da Lignina Enzimas de digestão in planta
Produção de Matéria-Prima
Degradação da parede celular
Açúcares otimizados das plantas Redução de toxinas Redução dos custos de MP
Desenvolvimento de organismos fermentadores
Maiores produtividades de açúcar Menor custo de capital Menor custo de enzimas
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
Etanol Celulósico
Kleiner, K. Nature Reports Climate Change, vol. 2, p. 9-11. 2008.
Obrigado pela atenção
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