braskem: julho de 2012bioenfapesp.org/images/aplicacao da biologia sintetica na...
TRANSCRIPT
Braskem: Biologia Sintética aplicada à Petroquímica
Universidade de São Paulo
Julho de 2012
Agenda
Introdução: Braskem
Inovação e Tecnologia
Braskem Polietileno Verde
Biologia Sintética na Petroquímica
Conclusões: desafios e oportunidades
Principais acionistas
EXTRACÃO Matéria-prima
1a GENERAÇÃO Insumos básicos
2a GENERAÇÃO Resinas termoplásticas
3a GENERAÇÃO Convertedores de plásticos
INTEGRADO NA CADEIA
NAFTA CONDENSED GAS ETHANOL
MAIOR VALOR AGREGADO
PETROQUÍMICA NACIONAL
2002
Tornar-se líder em resinas termoplásticas
na América Latina
2005
Revisão da Estratégia 2012
Estar entre as 10 maiores
petroquímicas do mundo em valor de
mercado
2006
POLITENO
2007
IPIRANGA
COPESUL
2008
Revisão da Estratégia 2020
2009
PETROQUÍMICA
TRIUNFO
2010
TRIKEM
POLIALDEN
PAULINIA QUATTOR
Ativos de PP SUNOCO
Ser a líder mundial da química sustentável, inovando para melhor servir às pessoas
VISÃO 2020
2011
Negócio de PP DOW
Industrial Presence Source: Braskem
Projects
Bahia - Brasil
1 UNIB
4 PE
1 PP
1 PVC
1 Cloro Soda
Alagoas - Brasil
1 PVC
1 Cloro Soda
São Paulo - BraSil
2 UNIB
2 PE
2 PP
Rio de Janeiro - Brasil
1 UNIB
1 PE
1 PP
Rio Grande do Sul - Brasil
2 UNIB
5 PE
2 PP
Estados Unidos
5 PP Neal | La Porte | Marcus
Hook | Freeport | Seadrift
Alemanha
2 PP Wesseling | Schkopau
35 unidades industriais
Evolução consistente de indicadores de ecoeficiência
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
3,97
3,83
4,25 4,26 4,29
4,50
3,83
4,14 4,15
Consumo de água (m³/t)
+1%
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
11,90
11,47
11,12
11,55 11,46 11,47
11,83
11,27
10,65
Consumo de energia (GJ/t)
-10%
Braskem pro forma for 2002
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
5,78
4,52
3,53 3,28 3,41
3,10 3,38
2,40 2,21
Geração de resíduos (kg/t)
-62%
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
1,94 1,74
1,40 1,50 1,34 1,28
1,44 1,40 1,24
Geração de efluentes (m³/t)
-36%
Crescimento com aumento de competitividade
Projects with Petrobras Source: Braskem
PVC Alagoas
Expansão da 200 kt/ano para PVC em Alagoas
Investimento de cerca de US$ 500 milhões, e start-up operacional esperado para 2o semestre 2012
Butadieno Rio Grande do Sul
Expansão de capacidade de 100 kt/ano e um investimento de R$ 300 milhões
Colaboração com a Petrobrás para novos projetos (sob avaliação)
Comperj: produção e venda de resinas e monômeros básicos. Localizado no estado do Rio de Janeiro
BRASIL
New Projects
Projects with Petrobras Source: Braskem
JVs com PEQUIVEN (em análise)
VENEZUELA
New Projects
Polipropileno del Sur – Propilsur
~350 kt/ano de PP
Polietilenos de America – Polimerica
1.3 Mt de etileno e 1.1 Mt/ano de PE
Braskem, Petrobras e PetroPerú concluíram um estudo para avaliação técnica e econômicade um projeto integrado para produzir cerca de 600 kt e 1,000 kt/year de etano e polietileno utilizando gás natural disponível no Peru
PERU
GROWTH WITH IMPROVED PRODUCTIVITY
Projects with Petrobras Source: Braskem
ETHYLENE XXI PROJECT: Início em 2015
MEXICO
New Projects
Parceria com o grupo mexicano IDESA (65% Braskem, 35% IDESA) para construir um complexo petroquímico de 1 Mt/ano de etileno e 1 Mt/ano de PE utilizando matérias-primas (etano) fornecido pela PEMEX
Investimentos estimados em US$ 3 bilhões em 5 anos
GROWTH WITH IMPROVED PRODUCTIVITY
11
Inovação e Tecnologia
298 pessoas (16% PhD, 30% dos
pesquisadores com MSc e Post – Graduação)
428 Aplicações de patentes
24 Laboratórios + 8 plantas pilotos
I&T Ativos: US$ 240 MM (2011)
CENTRO DE TECNOLOGIA BRASKEM – TRIUNFO/RS (BRASIL)
BRASKEM TECHNOLOGY CENTER – PITTSBURGH (EUA)
12
Laboratory
Technology Center
INOVAÇÃO E TECNOLOGIA Centros de Tecnologia e laboratórios
LABORATÓRIO DE BIOTECNOLOGIA BRASKEM – CAMPINAS/SP (BRASIL)
13
Laboratory
Technology Center
LABORATÓRIO BRASKEM UHMWPE F BRASKEM– CAMAÇARI/BAHIA (BRASIL)
INOVAÇÃO E TECNOLOGIA Centros de Tecnologia e laboratórios
14
Braskem Polietileno Verde
Braskem é a maior produtora de biopolímeros do mundo
Setembro, 2010
Volume 200 kton/ano
Investmento US$ 290 MM
Polietileno verde Uma alternativa ao PE tradicional
Tradicional Sustentável
Etanol
Polietileno
Óleo
Gás
2 – 2.5 KG CO2 Capturado*
Braskem green Polyethylene Unique product characteristics
Óleo Açúcar Caraterísticas idênticas
Polietileno
petroquímico
Polietileno
verde
PE Verde pode ser reciciclado juntamente com o PE petroquímco.
PE verde pode ser incorporado no sistema atual de conversão de plásticos.
Próximos Passos
Novas Plantas de PE
Novo produto: Polipropileno verde
Primeiro PP verde
Produção no laboratório e certificação verde
Pesquisa contínua para desenvolver maior competitividade do processo.
Planta de 50 kta em 2013 (aprovada).
Novo laboratório em Campinas + 25 pesquisadores
Propeno verde via fermentação
Cooperação com:
Estratégia
200 kta Green PE Novas capacidades Capacidades Adicionais
(Triunfo RS) PE Verde PE Verde
50 kta Green PP Novas Capacidades Capacidades mais altas
Tecnologia Existente PP Verde PP Verde
(Tec Melhorada) (Rota Biotec)
Green PE
Green PP
1ª onda 2a onda 3a onda
Conhecer Crescer Consolidação
o mercado
2010-2014 2015-2020 2020-futuro
Source: European Bioplastics
Produção de Biopolímeros
Visão 2020 - Líder Mundial em Química Verde
Consolidação de processos;
Altos rendimentos;
Monômeros drop-in.
BIOLOGIA SINTÉTICA
Porque biologia sintética??
Processamento de Gás Natural
Gás Natural
Refinaria de petróleo
Óleo cru
GLP (C3 e C4)
Nafta (C5 a C9-C12)
Querosene (C10 a C18)
Óleo Diesel (C10 a C21)
Asfasto, parafinas, etc
Metano
Etano
Propano
Butano
Craqueamento
Eteno
Oxido Etileno
Etileno glicol
Propeno Oxido
Propeno
Poliéster
Polietileno
Propeno glicol
Poliéster
Polipropileno
Buteno
Ácido acrílico SAP
Isobuteno Polisobuteno
Butadieno Polibutadieno
Isopreno
Ciclohexeno
Poliisopreno
Tolueno
Xileno
Ácido adípico
Caprolactama
Nylon 66
Nylon 6
Hexeno
Tolueno Diamina
Benzeno
Tolueno Diisocianato
Poliuretana
p-xileno Ácido tereftálico
Poliéster
Car
bo
idra
tos
Ácido mucônico
Etanol
Ácido lático Poliéster
2,3-Butanodiol
Isobutanol
3-HPA
1a geração de engenharia genética: mais rendimento para vias naturais.
Custo açúcar versus nafta 2005
Cenário antes de 2005 Açúcar – Média de USD206/t Nafta - Média de USD226/ton
Cenário 2005- 2012 Açúcar – Média de USD400/t Aumentou de 220 para 506USD (129%) Nafta - Média de USD 748/t Aumentou de USD 475 -1029 (116%)
2001: NatureWorks
2003: Amyris
2005: Gevo
2007: Braskem
Cenário 2012- 2040 Com aumento do uso de biocombustível o preço do açúcar vai acompanhar o preço da NAFTA (??). Aumento da oferta de açúcares de segunda geração vai diminuir os preços do açúcar (??)
2004: Genencor, 13-PDO
Etileno
Etanol
Propileno PE
PP PVC
Elastômeros de poliamida
Ácido adípico
Isobuteno
Acrylic acid
Gasolina 700.000,00
PTA
Isopreno
Volume 1-10 MM ton/ano e preço 1500-3000 USD/ton
Preços versus volume
Butanodiol
Butadieno
VISÃO 2020: ser líder da química verde mundial
Estireno PET Phenol
Processamento de Gás Natural
Gás Natural
Refinaria de petróleo
Óleo cru
GLP (C3 e C4)
Nafta (C5 a C9-C12)
Querosene (C10 a C18)
Óleo Diesel (C10 a C21)
Asfasto, parafinas, etc
Metano
Etano
Propano
Butano
Craqueamento
Eteno
Oxido Etileno
Etileno glicol
Propeno Oxido
Propeno
Poliéster
Polietileno
Propeno glicol
Poliéster
Polipropileno
Buteno
Ácido acrílico SAP
Isobuteno Polisobuteno
Butadieno Polibutadieno
Isopreno
Ciclohexeno
Poliisopreno
Tolueno
Xileno
Ácido adípico
Caprolactama
Nylon 66
Nylon 6
Hexeno
Tolueno Diamina
Benzeno
Tolueno Diisocianato
Poliuretana
p-xileno Ácido tereftálico
Poliéster
Car
bo
idra
tos
2a geração de engenharia genética: novas vias sintéticas para novos
produtos.
Produção de alcanos e alcenos:
Produção de novos álcoois e ácidos
Produção de aromáticos
Fermentação de novas moléculas Produção direta de hidrocarbonetos
Patent Application
US 2011/0165644
mevalonate
ATP
ATP
CO2
ATP
isopentenyl diphosphate
H2O
isopreno
dimethylallyl diphosphate
diphosphomevalonato
2-butenyl-4-phosphate
2-butenyl-4-diphosphate
ATP
butadiene
ATP
H2O
crotonyl-alcohol
Patent Application
US 2011/140171
Poplar trees
CO2
isobutylene
hydroxyvalerate
ATP
Fermentação de novas moléculas Produção direta de hidrocarbonetos
Jeotgalicoccus ssp.
cyanobacteria
fatty acyl-ACP
fatty aldehyde
alkane
NADPH
CO2
polyketides
propylene
ATP
fatty acid
alkene
CO2
Evaporação Fermentação Purificação do Isobutanol Suco de cana
clarificado (15 wt%)
Desidratação do Isobutanol Purificação do Isbuteno Polimerização Polibutileno
Evaporação Fermentação Purificação do isobuteno
Gevo
Global Bioenergies
Polimerização Polibutileno
100 kta
130 kta
100 kta
100 kta
Suco de cana clarificado (15 wt%)
Consolidação de processos via biologia sintética é fundamental para a viabildiade econômica e diminuição
de impactos ambientais
Evaporação Fermentação
isobutanol Purificação do
isobutanol
Suco de cana clarificado (15 wt%)
Desidratação do isobutanol
Purificação do isobuteno
Dimerização do isobuteno (p-xileno)
Engenharia genética: Gevo + Coca-Cola
100 kt
Purificação do p-xileno
Oxidação do p-xileno Purificação do ácido
tereftálico
Polimerização com Etileo glicol
PET
+
L-fenilanina L-tirosina
fenol
58% de Ymax 38 g/l de CIM em levedura
p-hidroxibenzoato p-coumarato
Produção de biodiesel em E. coli utilizando expressão heteróloga de S. cerevisiae, M. musculus, A. calcoaceticus, A. baylyiADP1, Z. mobilis ZM4, C. stercorarium, B. ovatus, U. california, C. hookeriania, and A. thaliana, em diferentes condições de expressão.
Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, Hu Z, Schirmer A, McClure A, Del Cardayre SB, & Keasling JD (2010). Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass. Nature, 463 (7280), 559-62
Consolidação de processos: biodiesel
Prova de Conceito
Desenho conceitual
Análise dos mecanismos enzimáticos de cada
reação.
Análise de toxicidade dos intermediários/produtos.
Análise do balanço estequiométrico e redox:
preferência por vias anaeróbias e com alto
rendimento.
Análise termodinâmica das reações.
Simulação de processos de downstream
Análise in vitro
Bancos de enzimas (variedades, mutantes , metagenoma,...) da
enzima de interesse.
Clonagem em vetores de expressão: pET em E. coli por
exemplo.
Desenvolvimento de ensaio para análise da reação: colorimétrico,
análise de comprimento de onda ou cromatografia.
Detecção dos produtos dos novas reações enzimáticas.
Análise in vivo
Clonagem em vetores de clonagem.
Fermentação e análise química.
Produção de mg do produto de interesse.
2-8 pessoas:
Química analítica; Enzimologia;
Biologia molecular;
Prova de Conceito
na Universidade
Estratégias das start-ups na área de biotecnologia
Start-up Prof. Bernhard Pallson - UCLA
Prof. Jay Keasling - UCLA
Prof. James Liao - UCLA
Prof. Jay Keasling - UCLA
Prof. Tom Knight - MIT
Philippe Marliere –
Instituto Pasteur
Prof. Francis Arnold - UCLA
Prof. Lonnie Ingram - UF
Prof. Jack Pronk- TU Delft
Prof. Gonçalo Pereira –
Unicamp
Prof. Sinskey-
MIT Prof. Peter Dürre –
Ulm University
Prof. Daniel Thomas
Compiègne University
Prof. John Frost
- MSU
Avaliação do potencial de rotas renováveis
Viabilidade econômica
Mercado/
Aplicação
Escala Industrial
Impactos ambientais e
sociais
Diferenciação tecnológicas
Análise do mercado; projeção de oferta/demanda do
produto e da matéria-prima; definição de capacidade
mercado nacional ou exportação
Análise do processo e purificação; simulação do processo no Aspen;
estimativa de CAPEX e OPEX; Avaliação tecno-econômica
Análise de ciclo de vida, Projeção da área de necessária
(localização), Percepção social do projeto
Panorama de propriedade intelectual;
Freedom to Operate (FTO)
Desenvolvimento do processo no laboratório
Biologia Molecular
Desenvolvimento de ferramentas genéticas (plasmídios e
integração). Padronização e montagem de DNA.
Construção de bancos de promotores, RNAi, bancos de
mutantes, por ex.
Microarranjo e proteômica.
Fermentação
Análise dos possíveis microrganismos hospedeiros para a rota metabólica: tolerância a alta concentrações de
solventes ou tolerância a contaminação.
Análise das cepas construídas em fermentadores de bancada. E
Experimentos de evolução dirigida.
Engenharia Metabólica
Modelos in silico do metabolismo celular para o desenvolvimento da estratégia de otimização da cepa.
Análise in vivo dos fluxos metabólicos: análise de carbono marcado.
Engenharia de protéinas
Análise estrutural de proteínas. Otimização racional (in silico) ou aleatória proteínas e criação de
bancos de proteínas.
Análise in vitro e in vivo de proteínas.
Química analítica e Automação
Desenvolvimento de experimentos e metodologias
automatizadas e de alta precisão que permitam
realizar um grande número de experimentos, em um curto período de tempo e a baixo
custo.
Engenharia de Processo
Desenho da planta Piloto/Demo, incluindo downstream.
Simulação e projeto da planta industrial.
15-35 pessoas trabalhando/ano
exclusivamente no projeto. 30 a 100 MM USD
Alto Custo e time-to-market longo ->
projetos de alto risco.
Prova de Conceito Desenvolvimento da linhagem no
laboratório
Desenvolvimento da linhagem no
laboratório
Desenvolvimento da linhagem no
Laboratório
Desenvolvimento da linhagem no
laboratório
Desenvolvimento da linhagem no
laboratório
Planta Piloto Planta Piloto
Planta Demo
Desenvolvimento do processo no laboratório Mitigação de risco
Produção de mg do produto de
interesse
2O ano Y = 0,05 g/g
Prod = 0,5 g/ lh
3O ano
Y = 0,1 g/g Prod = 1 g/ lh
4O ano Y = 0,2 g/g
Prod = 2 g/ lh
5O ano Y = 0,3 g/g
Prod = 3 g/ lh
6O ano
Y = 0,4 g/g Prod = 4 g/ lh
Definição de objetivos de pesquisas baseados em planos de
negócios para mitigar riscos de desenvolvimento.
Escala Industrial
Matéria-prima: - Glicerol: problema de logística/custo Produção dispersa em pequenas plantas de esterificação com média de: 60.000 m3/ano em média-> 50 000 kta de biodiesel -> 5.000 kta de glicerina . 100.000 kta de 1,3 PDO necessita de pelo menos 140.000 kta de glicerina (Ymax = 72%). Apropriado para produtos com menor volume e maior agregado.
- Ácido graxo: custo Preço do óleo de soja: > 800 USD/ton O biodiesel só é viável quando subsidiado. Apropriado para produtos de maior valor agregado.
- Sacarose: potencial Preço do VHP: ~ 300-400 USD/ton Açúcares de segunda geração: maior oferta. Mais apropriado para comodities petroquímicas. Rendimento máximo teórico: 3811 or 4712 ton/ha.
Rendimento comercial máximo: 260 ton/ha.3 Obtido sobre irrigação
1 A.J. Waclawovsky, P. M. Sato, C. G. Lembke, P. H. Moore, G. M. Souza .Sugarcane for bioenergy production: an assessment of yield and regulation of sucrose content. Plant Biotechnology Journal (2010) 8, pp.
263–276. 2 J. Goldemberg, P. Guardabassi (2010) The potential for first-generation ethanol production from sugarcane. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4: 17–24 .2 Fazenda Agrovale, Bahia.
40
50
60
70
80
90
1970 1980 1990 2000 2010 2020
Rendimento da cana-de-açúcar
Agricultural yield (ton/ha) Ethanol Industrial yield (l/ton)
Assegurar nossa posição de alta produtividade e preços competitivos na base da cadeia:
Novas variedades de cana;
Novas matérias-primas e tecnologias de segunda geração;
Combustíveis versus “petroquímica”
+ etanol para o mercado
Etanol de segunda geração
À médio prazo
Combustíveis renováveis para aviões veículo pesados
Novos processos de alto rendimento energético;
À curto prazo À longo prazo
Diferentes tecnologia tem o potencial de
substituir ou diminuir a demanda de biocombustíveis, principalmente, tecnologias baseadas em fontes limpas de eletricidade de alta eficiência.
Combustíveis
“Petróquimica”
Novos produtos renováveis drop-in;
Açúcares de segunda-geração;
À médio prazo
Consolidação dos produtos renováveis: redução de custos e aumento de competitividade.
Vias metabólicas para novas moléculas desenhadas para determinada perfomance ou segmento.
À curto prazo À longo prazo
À médio prazo
Novas tecnologias de maior eficiência de conversão de luz em carbono e carbono em materiais. e-
Formic acid
NADH + CO2
Piruvato
Ácido fórmico
Produto
Chamada para projetos de pesquisa em 2011
FAPESP – USD ~15 MM BRASKEM + ~15 MM FAPESP para projetos em conjunto com a Braskem e a Universidade.
FAPESB (The State of Bahia Research Foundation) – USD ~950 M BRASKEM + ~950 M FAPESB para projetos em conjunto com a Braskem e a Universidade.
Foco
Químicos e polímeros verdes;
Captura e conversão de CO2
PE, PP, PVC
Inovação Aberta
Bolsas Braskem de Msc e PhD em 2011
Um total de 10 bolsas de mestrado e 10 bolsas de doutorado são atualmente financiadas pela Braskem.
Tópicos de interesse:
1. Produtos químcios verdes;
2. Soluções de pós-consumo para plásticos;
3. Deselvolvimento da área de processos, produtos e catalizadores para a química verde.
Inovação Aberta
Inovação Aberta
Treinamento e intercâmbio de pesquisadores;
Licenciamento de softwares;
Acesso a pesquisas online e PI com prioridade
Consulta investigadores principais
A Braskem está procurando ativamente profissionais com experiência em Biologia
Molecular, Engenharia de Proteínas, Enzimologia , Engenharia Genética e Biologia Sintética.
43
MERCADO - DRIVERS
Ambiental
Crise
Performance
PRODUTOS
Biocombustíveis
Químicos
Biopolímeros
TECNOLOGIAS
Gaseificação/Pirólise
Hidrólise ácida/Enzimática
Catálise/Polimerização
Fermentação
Genética
Pré-Tratamento
Processos de Separação
BRASKEM- RENEWABLE ROADMAP
Conclusões
Aproveitar as oportunidades que o país oferece.
Desenvolver competências voltadas para a geração de valor a partir de
recursos renováveis.
Desenvolver grupos especializados em Biologia Sintética para a desenvolvimento de toda a cadeia da química verde nacional.
Vision 2020
To be the world leader in sustainable chemistry,
innovating to serve people
better.
Muito obrigado! [email protected] Inovação Corporativa
Escala Industrial
Processo:
- Processos de altos rendimento são necessários: O custo da matéria-prima não pode representar mais de 70% do valor do produto;
- Processos anaeróbico são tem o scale-up mais fácil (+ 500 m3) e possuem menor custo;
- Altas concentrações e produtividade (toxicidade);
- Processos que necessitam de mais de duas etapas (fermentação + Catálise química ) dificilmente são viáveis;
- Algas: lagoas raceway e fermentadores fechados : altíssimo investimento, dowstream complicado (baixa concentração final e produtividade).
- Microrganismos industriais: Ferramentas genéticas disponíveis, altas produtividades e habilidade de sobreviver em condições extremas de solventes, pH, osmolaridade, suprimento de nutrientes, contaminação e temperatura*. * A Cargill apostaram em selecionar uma levedura nova com a características desejadas em e desenvolver as ferramentas genéticas.
-
5
10
15
20
25
2007 2008 2009 2010 2011
Bill
ion
Gal
lon
s
Global Ethanol Production by Country/Region and Year
Africa
Australia
Mexico & Central America
Other
South America (minus Brazil)
Asia (minus China)
Canada
China
Europe
Brazil
USA