Análise da Produção do Ácido Succínico a partir de Fontes

4º Encontro da Escola
Brasileira de Química Verde
Análise da Produção do Ácido Succínico a Partir de
Fontes Renováveis: Perspectivas e Desafios
Sabrina Dias de Oliveira
ORIENTADORES:
Prof. Nei Pereira Jr., PhD
Profª. Adelaide Antunes, DSc
26 de setembro de 2014
Combustíveis derivados do petróleo e do carvão:
aproximadamente 80% na matriz energética mundial
MUDANÇA DE
PARADIGMA
DIVERSIFICAR A MATRIZ ENERGÉTICA E FONTES DE MP
BUSCAR POR FONTES RENOVÁVEIS E ALTERNATIVAS
MENOS POLUIDORAS
REDUZIR A DEPENDÊNCIA POR FONTES FÓSSEIS
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
2002
ESCRITÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS (DOE)
BIOCOMBUSTÍVEIS, BIOENERGIA E BIOQUÍMICOS → PROGRAMA DE BIOMASSA
BLOCOS DE CONSTRUÇÃO
Ácido succínico, fumárico e málico
Ácido 2,5 furanodicarboxílico
Ácido 3 hidróxipropiônico
 300
MOLÉCULAS
Ácido aspártico
Ácido glucárico
Ácido glutâmico
Ácido itacônico
Ácido levulínico
3-hidróxibutirolactona
Glicerol
Sorbitol
Xilitol/ arabinitol
Fonte. WERPY e PETERSEN (2004).
15 produtos químicos
produzidos a partir de
açúcares por via bioquímica
ou química
ÁCIDO SUCCÍNICO
Ácido orgânico de maior potencialidade com
uma variedade de aplicações industriais
Produto de grande interesse para empresas
de vários segmentos, por ser um building
block, precursor de muitos produtos
químicos importantes industrialmente
INDÚSTRIA DE ALIMENTOS, FARMACÊUTICA E DE COSMÉTICOS
BUILDING BLOCK
(Fonte: WERPY e PETERSEN, 2004)
Ácido adípico, surfactantes, solventes verdes, ingredientes
estimulantes para crescimento de plantas, antibióticos e vitaminas
Processo de Produção: ROTA QUÍMICA
Oxidação do butano até anidrido maléico, que é hidrolisado até obtenção do
ácido maléico e através de sua hidrogenação é obtido o ácido succínico.
O custo elevado para a conversão de anidrido maleico
para AS, representa uma limitação para as diversas
aplicações deste produto.
Produção de AS por microrganismos anaeróbios ou
anaeróbios facultativos ⇨ alternativa impacto
econômico e ambiental da síntese química.
Processo por ROTA FERMENTATIVA
VANTAGENS:

Possibilidade de planejamento de produções alternativas, seqüenciais ou
conjuntas, com outros produtos de interesse no mercado:
Ácido cítrico - Ácido láctico - Ácido acético – Ácido propiônico e/ou etanol
 Substituir as MP tradicionais (ácidos tereftálico ou adípico
derivados de energia fóssil e o próprio AS petroquímico)
 Emprego de MP renovável, particularmente, os resíduos
agrícolas e agroindustriais
DESAFIOS:
 Redução do custo global da fermentação para
competir com produtos petroquímicos
Demanda mundial de AS (BIO)
51 mil toneladas
(2013)
593,4 mil toneladas
(2020)
Taxa anual média de
32,2%
(2014 a 2020)
Mercado global de AS (BIO)
$ 992,9 milhões
(2020)
Taxa anual média de 23,3%
(2014 a 2020)
Mercado Mundial de Ácido Succínico (2011)
Europa
33,6%
América do Norte e Ásia-Pacífico
58,8%
A região da Ásia-Pacífico é estimada para ser o
mercado de maior crescimento para AS, devido à
grande demanda da maioria das economias
emergentes como China, Índia e Japão.
Participação de renováveis na matriz
energética
BNDES e FINEP assinaram um
acordo para a execução de um Plano
de Apoio à Inovação Tecnológica
Industrial dos Setores
Sucroenergético e Sucroquímico
(PAISS)
R$ 1 bilhão
2011-2014
Fomentar projetos que contemplassem o desenvolvimento,
a produção e a comercialização de novas tecnologias
industriais destinadas ao processamento da
biomassa oriunda da cana-de-açúcar para obtenção
de produtos de maior valor agregado
Fonte: EPE, 2013
BIORREFINARIAS
2002
Farm Bill
Significado de instalações, equipamentos e processos que
convertem a biomassa em biocombustíveis e produtos
químicos e ainda podem gerar eletricidade (BASTOS, 2007).
Pereira Jr. (2006) associou Biorrefinaria ao uso de MP renováveis e de seus
resíduos, de maneira integral e diversificada, para a produção, por rota química
ou biotecnológica, de uma variedade de substâncias e energia, com a mínima
geração de resíduos e emissões de gases poluidores.
Participação
estratégica
da
indústria química no fornecimento
de insumos e produtos finais a
diversos setores da economia






Petroquímico
Farmacêutico
Automotivo
Agronegócio
Cosméticos
Construção
CLASSIFICAÇÃO DAS
BIORREFINARIAS
TECNOLOGIAS DE PRIMEIRA GERAÇÃO
 Tecnologias maduras
 Biomassas primárias, acessíveis
 Energia vs Alimentos
TECNOLOGIAS DE SEGUNDA GERAÇÃO
 Tecnologias emergentes (em crescimento)
 Biomassa residual (lignocelulósica)
 Não compete com a produção de alimentos
TECNOLOGIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO




Biomassa algal
Tecnologias portadoras de futuro
Crescimento mais rápido do que culturas terrestres
Não compete com culturas agrícolas.
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
BIOMASSA
Candidata atraente como fonte alternativa ao petróleo




Única fonte abundante de carbono renovável;
Matéria-prima para Biorrefinarias;
Baixas pegadas de carbono quando comparadas ao petróleo;
Está domesticamente disponível.
Fonte: PEREIRA JR. (2012).
Biomassa Residual
Resíduos lignocelulósicos
como matérias-primas
50% da biomassa terrestre
Fontes: SUNG & CHENG (2002); PANDEY et al., (2000)
Num cenário de constantes transformações econômicas, sociais, ambientais
e institucionais e de rápida evolução do conhecimento
ESTUDOS PROSPECTIVOS ⇨ ferramentas analíticas que ajudam a diminuir as
incertezas e os riscos em face do futuro.
Trabalhos de prospecção tecnológica (econômicas, políticas e
sociais) subsidiam processos decisórios, formulações de
políticas
tecnológico-industriais
e
fortalecem
os
planejamentos estratégicos governamentais e organizacionais
Identificar as oportunidades e desafios
inerentes a produção do AS por rota
biotecnológica, a partir de recursos renováveis,
através do estudo de prospecção tecnológica.
PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA
É o processo que se ocupa de examinar, sistematicamente, o
futuro de longo prazo da ciência, da tecnologia, da
economia e da sociedade.
• Identificar áreas de pesquisas estratégicas e tecnologias
genéricas emergentes com potencial de gerar os maiores
benefícios econômicos e sociais
• Papel de orientar os investimentos no setor de interesse
em médio e/ou longo prazo: líderes governamentais e
empresas privadas utilizam essa ferramenta para a
fundamentação do processo de análise do futuro
UNIVERSIDADE
 Auxiliar na condução da pesquisa para áreas temáticas
mais promissoras e estratégicas para o crescimento do
país
 Identificação de tecnologias com maior potencial de
competição no comércio nacional e internacional.
Metodologias de Prospecção
Sistemas de
Avaliação e
Decisão
Criatividade
Análise de
tendências
Métodos
descritivos e
matrizes
Cenários
Opinião de
especialistas
Modelagens e
simulações
Monitoramento
e Sistemas de
Inteligência
Fonte: Porter et al. (2004)
Um estudo prospectivo deve envolver mais de um método ou técnica,
quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade buscando
compensar as possíveis deficiências trazidas pelo uso de técnicas ou métodos
isolados (CGEE, 2010).
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
•
Identificar eventos científicos, técnicos ou socioeconômicos importantes para a
organização.
•
Definir ameaças potenciais para a organização, implícitas nesses eventos.
•
Identificar oportunidades para a organização envolvidas nas mudanças no
ambiente.
•
Alertar a direção sobre tendências que estão convergindo, divergindo, ampliando,
diminuindo ou interagindo.
Fontes de Informação
Artigos
Patentes
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
Publicações
em Periódicos
•
Preservação do conhecimento
•
Comunicação entre cientistas
•
Divulgação de resultados de pesquisa e estudos acadêmicos
•
As Universidades e Empresas pelo mundo se utilizam desses
meios para publicarem suas pesquisas.
Monitoramento e Sistemas de Inteligência
PATENTES
•
Mapeamento da evolução de tecnologias
•
Identificação
de
novos
(protegidos e não-protegidos)
•
Identificação de tecnologias emergentes
•
Previsão de novos produtos
•
Definição de potenciais rotas para
aperfeiçoamentos
em
produtos
e
processos existentes
•
Rastreamento de capacitação tecnológica
•
Identificação de fontes de licenciamento,
entre outros aspectos.
mercados
Cenários
 SWOT  ferramenta utilizada para fazer análises de cenário e planejamento
estratégico de uma organização.
 Avaliação de fatores internos e externos que geram influência sobre a organização.
Fonte: Adaptado de PESSÔA (2007)
Objetivo Geral
O presente trabalho tem como objetivo realizar uma
prospecção tecnológica da produção do ácido biosuccínico, utilizando indicadores científicos,
tecnológicos e comerciais; além de investigar as
oportunidades e desafios da produção
biotecnológica do ÁCIDO SUCCÍNICO para o Brasil.
Metodologia
Fases para execução, organização e conclusão da Prospecção Tecnológica
METODOLOGIA
RESULTADOS
Fonte: Bahruth et al. (2006)
Definição de objetivos, escopo, abordagem e metodologia
Etapa A: Prospecção da Inovação e Análise da Curva de
Crescimento da Tecnologia
Etapa B: Análise de Forças e Fraquezas da tecnologia investigada
Fonte: adaptada do método de Watts e Porter (1997).
•
•
•
•
Artigos científicos, documentos de patentes e informações de mercado;
Dissertações de Mestrado, Teses de Doutorado e Exames de Qualificação;
Portal do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (Organização Social
supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação);
Portal do Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC)
Detalhamento da metodologia e levantamento das fontes de dados
Atributos
Perfil de PD&I
Indicadores
Pesquisa
fundamental
Artigos Científicos
Pesquisa
aplicada
Patentes
Aplicação
comercial
Notícias de Mercado +
Dados da Balança
Comercial Brasileira
Estratégia de Busca Utilizada
Indicadores
Fonte: Adaptado de Watts e Abrangência
Porter (1997) da
Base de Dados
busca
Época de
Atualização
Artigos científicos
Web of Science
1945 – 2014
Maio/2014
Patentes
Derwent Innovatons Index
1980 – 2010
Janeiro/2013
Notícias de Mercado
Dados da Balança
Comercial Brasileira
Chemical Business NewsBase
1985 – 2013
Agosto/2013
AliceWeb
2005 – 2010
Janeiro/2014
Estratégia de busca para Artigos Científicos
Palavras-chave utilizando a base de dados Web of Science
Palavras-chave
butanedioic
bio-based
bioconversion
biomass*
*residue
succinic
biotechnolog*
bioprocess
carbon source*
“raw material*”
succinate
microbial production
succiniproducens
sugarcane*
feedstock*
fermentation
biotransformation
renewable*
bagasse*
agroindustrial*
biobased
biorefiner*
lignocellulo*
“industrial residue*”
waste*
Estratégia de busca para Patentes
Descrição das subseções da CIP C12P 7 relacionadas ao tema de busca
Subseções
Descrição
C12P 7/00
Preparação de compostos orgânicos contendo oxigênio
C12P 7/40.
Contendo um grupo carboxila
C12P 7/44..
Ácidos policarboxílicos
C12P 7/46...
Ácidos dicarboxílicos tendo quatro ou menos átomos de carbono, por ex.,
ácido fumárico, ácido maléico
Estratégia de busca utilizando a base de dados Derwent Innovations Index
Palavras-chave/CIP
butanedioic
succin* (succinic/succinate)
C12P 7/46
C12P 7/40
C12P 7/44
Estratégia de busca para Notícias Técnicas
Termo "Succinic acid”
Sem limitação de período de tempo
Período da base: 1985 - presente
Estratégia de busca para os dados da base AliceWeb
Produtos selecionados para avaliação dos seus valores totais de
importação/exportação e a Nomenclatura Comum do MERCOSUL (NCM)
Produtos químicos
NCM
Ácido succínico
2917.19.90
Ácido fumárico
2917.19.30
Gama-butirolactona ou 4-butirolactona
2932.29.90
1,4-butanodiol
2905.39.90
Tetrahidrofurano ou tetraidrofurano
2932.11.00
Ácido adípico, seus sais e ésteres
2917.12.10 e 2917.12.20
Ácido maléico, seus sais e ésteres
2917.19.21 e 2917.19.22
Coleta, tratamento e análise dos dados
Base de Dados
Resultado Final
Web of Science
525 artigos
Derwent Innovatons Index
295 patentes
Chemical Business NewsBase
660 informações de mercado
Tratamento dos dados obtidos
Artigos Científicos
Patentes
Informações de mercado
TIPOS DE CATEGORIAS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS PATENTES
Categorias
Características
Número de
documentos
Patentes que demonstraram a produção ou purificação do
Ácido Succínico
ácido succínico e/ou succinato como produto principal por
225
rota biotecnológica.
Patentes que relatam a produção de outros produtos, tendo
Subproduto
o ácido succínico e/ou succinato como subproduto do
5
processo de fermentação.
São as patentes que não possuem o foco na produção
Insumo e/ou
fermentativa do ácido succínico e/ou succinato. O ácido
Coadjuvante
succínico e/ou succinato são utilizados durante o processo
63
para a produção de outros produtos.
Processo
químico
Patentes que demonstraram a produção ou purificação do
ácido succínico e/ou succinato como produto principal por
2
rota química.
Total de documentos
295
Comunicação dos resultados, implementação das ações
e monitoramento
EVOLUÇÃO GLOBAL: 1983 - 2010
Crescimento no número total a partir da década de 2000
Técnicas de genética molecular com a introdução da reação em
cadeia da polimerase (PCR) em 1987 → processos de produção do
AS utilizando microorganismos geneticamente modificados na
fermentação.
EVOLUÇÃO GLOBAL (1991 -2014): ARTIGOS
525 ARTIGOS → 8 BR (1,5% DO TOTAL)
EVOLUÇÃO GLOBAL (1983- 2010): PATENTES
2000-2005 → 17 BR
225 DOCUMENTOS → 20 BR (9% DO TOTAL) → NENHUM RESIDENTE BR
EVOLUÇÃO GLOBAL (1985 – 2014): MERCADO
660 INFORMAÇÕES → 32 BR (5% DO TOTAL)
PRINCIPAIS PAÍSES (TOP 12)
PAÍSES DE ORIGEM: ARTIGOS
JP [1991-1995]
EUA [1996 – 2010]
CN [2001]/[2011-2014]
BRASIL
ARTIGOS
Instituição do Autor Principal
Número de
artigos
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
3
Universidade Federal de Lavras (UFLA)
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”
(UNESP)
1
Universidade de São Paulo (USP)
1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
1
Total:
8 publicações científicas
1,5% do total de artigos
2
PAÍSES DE ORIGEM ( DE PRIORIDADE) : PATENTES
JP + EUA [1980 – 1995]
CN [2006]
PAÍSES DE DEPÓSITO: PATENTES
Detentores
Detentores das
das
Tecnologias
Tecnologias
Não foram encontrados depósitos
de residentes brasileiros.
20 depósitos no Brasil
 Vocação agrícola e abundância de MP
renováveis no país
 BR ser pouco competitivo no campo da
Biotecnologia e conhecido importador
de produtos com alto valor agregado
9% das tecnologias estão
protegidas (BR) ⇨ grande
oportunidade a indústria
química nacional: copiar e
comercializar diversas
tecnologias patenteadas em
outros países
PAÍSES DE ORIGEM: MERCADO
PERFIL # ARTIGOS E PATENTES
Sedes de importantes players do setor
ou plantas demonstrativas/comerciais
EUA
MYRIANT CORP e CARGILL
FR
AGROINDUSTRIAL
RECHERCHES ET
DEVELOPPEMENTS (ARD)
CA
BIOAMBER
PLANTA: CHAMPAGNE (FR)
PATENTES: Identificação dos diferentes tipos de processos
10%
5%
Leitura dos
documentos
Alteração de algumas
atividades enzimáticas
previamente selecionadas
⇨ elevar a concentração de
AS produzido e produzir
pouco ou nenhum outro
subproduto
50%
35%
Engenharia Genética
Separação/purificação
Otimização do Processo
Dispositivo e Equipamento
Principais CIP encontradas nos documentos da produção do ácido bio-succínico
Número de
Patentes
CIPS
225
C12P
143
C12N
61
29
C12R
C07C
Descrição
Processos de fermentação ou processos que utilizem enzimas para sintetizar uma
Processos
de fermentação
composição ou composto
químico desejado
ou para separar isômeros ópticos de uma
mistura racêmica
Micro-organismos
ou
enzimas;
suas composições;
propagação,
conservação, ou
Microorganismos naturalmente
ocorrentes
ou geneticamente
manutenção de micro-organismos; engenharia genética ou de mutações; meios de
modificados
cultura
Esquema de indexação associado às subclasses C12C-C12Q, relativo a micro-organismos
Compostos
acíclicos
ou carbocíclicos
CIP
genérica
MP renovável utilizada na produção de AS
Tipo de documento
Total de
documentos
MP origem
renovável
Resíduos lignocelulósicos
(palha, bagaço e florestais)
ARTIGOS
525
133 (25%)
52 (10%)
PATENTES
225
48 (21%)
57 (25%)
NOTÍCIAS DE
MERCADO
660
153 (35%)
11 (2%)
 Outros tipos de substratos:
glicose (206 artigos)
xilose (29 artigos)
glicerol (93 artigos)
 Emprego de bactérias versáteis com capacidade de fermentar
tanto glicose, xilose ou glicerol
NÚMERO ⇩ EXPRESSIVO DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Entraves na transformação
(⇩ produtividade, ⇮quantidade de água)
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
Milho
Resíduos
florestais
Arroz
Milho
Arroz
Cana-de-açúcar
Milho
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
ARTIGOS
Palha
Bagaço
Resíduos
lignocelulósicos Sem especificação
5
10
27
Resíduos florestais/madeira
10
Total
52
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
PATENTES
8
Milho
Floresta / madeira /
grama / serragem
Arroz
5 3 11
30
8
Trigo
Cana-de-açúcar
Melaço
10
Sorgo
22
14
15
Mandioca
Cevada
Centeio
Palha
Bagaço
Resíduos
lignocelulósicos Cascas
21
11
3
Resíduos florestais/madeira
22
Total
57
Tipos de MP utilizadas na produção de AS
MERCADO
10
Arroz
5
Cana-de-açúcar
12
53
Milho
Sorgo
27
Trigo
28
Palha
Resíduos
Bagaço (BR)
lignocelulósicos
Resíduos florestais/madeira
Total
Madeira/resíduos
florestais
5
1
5
11
Cluster: Informações de Mercado: MP Renováveis
• Interação entre as 28 empresas
e as MP renováveis
Arroz
Milho
Cana-de-açúcar
Trigo
Resíduos lignocelulósicos
Resíduos de palha
Âncora
Empresas em comum
BioAmber
Roquette
Royal DSM
BioAmber
emprego de quase todas as matériasprimas (exceção do sorgo, bagaço e
resíduos florestais).
PRINCIPAIS INSTITUIÇÕES (TOP 5)
Ranking das Instituições (10) : Artigos
21 artigos
8 hidrolisados lignocelulósicos como MP
10 técnicas de BM para produção do AS
Ranking das Instituições (9) : Patentes
44,7 % dos pedidos de patentes
MITSUBISHI CHEM CORP - Japão
AJINOMOTO CO INC - Japão
7
9
6
26
KOREA ADV INST SCI&TECHNOLOGY Coréia do Sul
10
DSM IP ASSETS BV - Holanda
22
11
UNIV NANJING TECHNOLOGY - China
14
18
UNIV JIANGNAN - China
TORAY IND INC - Japão
MCC
Produz, utilizando tecnologias próprias,
uma grande variedade de produtos
químicos pertencentes ao grupo C4 – 1,4BDO, THF e anidrido maleico
UNIV RICE - EUA
MICHIGAN BIOTECH INST - EUA
RANKING DOS ARTIGOS
Principais CIP distribuídas pelas 4 principais instituições
depositantes
Ranking das Instituições (10) : Mercado
Mercado de produção do AS (bio) em escala comercial foi consolidado em 2013,
com atuação de 4 empresas: BioAmber, Reverdia, Myriant e Succinity.
Succinity ⇢ maior produtora de AS (bio) - capacidade instalada – 23 notícias e
ocuparia o 14ª no ranking de instituições mais citadas.
Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas
• Interação/parcerias
entre as 24 empresas
por meio das
informações de
mercado
ÂNCORA
BIOAMBER: 35%
MYRIANT: 20%
BioAmber Inc. (CA)
Myriant Corp
 joint venture
⇰ DNP Green
(EUA)
Technology e a ARD (FR)
 O
de elevado
EmAS-bio
2009:
processograu
de
de
pureza:geração
MP renováveis
primeira
para a
e
é
quimicamente
bioprodução
de AS: canaequivalente
produto
de-açúcar (e ao
outras
fontes
originado
de fonteem
fóssil
de biomassa)
uma
reduz
94%
as
usina de em
3.000 ton/ano
em
emissões
gases do
Champagnede
(FR).
efeito estufa
Cluster: Informações de Mercado – Notícias x Empresas
• Interação/parcerias
entre as 24 empresas
por meio das
informações de
mercado
joint-ventures
joint-ventures
Reverdia
Biosuccinium
PTTMCC
Biochem
joint
venture
formada
joint
venture
entre
a PTT
entre
a RoyalGroup
DSM NV (
Chemical
NL)
e a Roquette
(Tailândia)
comFrères
a
(FR)
para Mitsubishi
a produção,
japonesa
comercialização
e
Chemical
Corporation
desenvolvimento de
mercado de
Succinity
GmbH
Biosuccinium™
joint venture formada entre a
2012: iniciou suas
BASF (DE) e Corbion Purac
operações
nada
Itália
(subsidiária
CSM(10.000
NV)
ton./ano)
1ª unidade de produção
1ª usina de
grande- escala
comercial
(Espanha)
10.000
ton.
do mundo dedicada
para a
produção de
Biosuccinium
Importação AS e derivados (2005 a 2010)
•
⇮ Importação:
Ácido fumárico
Ácido adípico
Tetraidrofurano
• Bloco de construção
Exportação do AS e derivados (2005 a 2010)
AS, BDO E BUTIROLACTONA
não apresentaram valores
relevantes de venda
ÁCIDO ADÍPICO
precursor do nylon e MP na
fabricação de espumas e
produtos industriais
Rhodia Poliamida
Análise SWOT da produção do ácido bio-succínico no Brasil
Se o objetivo for construir um país produtivo,
maduro na área de Biotecnologia e competitivo
no desenvolvimento de tecnologias de fronteira
ou emergentes, faz-se necessário enfrentar os
desafios e apostar nas potencialidades de novos
produtos e processos.
“O futuro não é um lugar para onde estejamos indo, mas um lugar que
estamos criando; o caminho para ele não é encontrado, mas construído,
e o ato de fazê-lo muda tanto o realizador quanto o destino."
(John Schaar - escritor norte-americano)
Contato:
[email protected]
Te l e f o n e : ( 2 1 ) 3 7 3 3 - 1 7 8 8