I Encontro do Instituto Nacional de
C&T em Biofabricação
Novos Desafios em Biofabricação
24 de Abril de 2009
Apoio:
Organização:
Desenvolvimento de Processos para
Obtenção de Bioprodutos para Biofabricação
Rubens Maciel Filho
Faculdade de Engenharia Química /UNICAMP
UNICAMP
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Criada em 1967

27.000 Alunos
 15.400 Alunos de graduação
 16.100 Alunos de pós-graduação
20 Unidades de ensino e pesquisa
 24 Nucleos ou Centros de Pesquisa

54 Cursos de graduação
 120 Cursos de pós-graduação
 1.789 Professores: 96% Doutorado
Map of Unicamp in Campinas – Institutions P&D
Mogi Mirim
Paulínia
10 km radius
Limeira
fibras ópticas
UNICAMP
Lucent
Technologies
Bell Labs Innovations
ITAL
Sumaré
CIATEC
Small Business Incubator
OPTOLINK (EDFA)
ECCO (Fibers, Lasers)
FIBER WORK (Fiber Bragg Gratings)
UNILASER (Lasers)
...
Monte Mor
São José dos Campos
Rio de Janeiro
0
Indaiatuba,
Sorocaba
São Paulo
10 km
Map of Unicamp in Campinas – Institutions P&D
LNLS
Unicamp
CPqD
Rod. Campinas
– Mogi Mirim
PUC
Via D. Pedro I
Campinas region
- About 2.5 millions of inhabitants
- 19 municipalities
-10% of São Paulo GDP; 3.2% of
Brazil
- 6% of Brazilian industrial
production
-16% of investing funds of São Paulo State.
* National GDP (4,6 bi US$ – 2003)
Unicamp
 It concentrates over 15% of
all the Brazilian scientific
production and about 10% of
the obtained graduated
diplomas.
Unicamp is a public university.
 Unicamp is 100% supported
by the state of São Paulo.
Additional funds are obtained
mainly from private institutions
and research funding agencies.
Present aerial view of the Campus.
Principal entrance of Unicamp.
Innovation at Unicamp
Goals
•To establish an exchange system from Unicamp to society;
• Strengthen interactions and partnership with enterprises,
government institutions and foundations;
• The Brazilian university which has the most impressive patent
stats – 271 requests until 08 /15/2003, more than 33 products
and 42 software.
• More than 100 enterprises were created in Unicamp.
Processos e
produtos
de
Modelagem
matemática, fontes renováveis
obtidos por
algoritmos de
Destilação
otimização
Molecular
e controle
avançado
1990
Processos
químicos,
petroquímicos
e bioquímicos
Desenvolvimento
de novos
materiais para
Estereolitografia a
Laser
Infravermelho
1995
Controle
Avançado e
Integração de
Processos em
Tempo Real
2000
Consolidação
do laboratório
de prototipagem
rápida (FDM, ZCorp)
2005
Reatores para
obtenção
de bioprodutos
INCT
Biofabris
2009
Laboratório de
Avaliação de
Petróleos Pesados
para Valoração
(LPETROPES)
APRESENTAÇÃO
Laboratório de Otimização de Processos e Controle Avançado (LOPCA)
Laboratório de Desenvolvimento de Processos Separação (LDPS)
2 PROFESSORES , 8 PESQUISADORES SENIOR, 2 TÉCNICOS
68 ALUNOS DE PÓS GRADUAÇÃO 44 DOUTORANDOS , 24 MESTRANDOS
LOPCA+LDPS  MAIS DE 150 TESES DE DOUTORADO E DISSERTAÇÕES
DE MESTRADO ORIENTADAS NOS ÚLTIMOS 18 ANOS
Desenvolvimento de Novos Materiais
Petroquímica
Indústrias na cadeia da atividade petroquímica:
(1) indústrias de 1a. geração, que fornecem os
produtos petroquímicos básicos, tais como,
eteno, propeno, butadieno, etc;
(2) indústrias de 2a. geração, que transformam
os petroquímicos básicos nos chamados
petroquímicos finais, como polietileno (PE),
polipropileno (PP), polivinilcloreto (PVC),
poliésteres, óxido de etileno etc.;
(3) indústrias de 3a. geração, onde produtos
finais são quimicamente modificados ou
conformados em produtos de consumo.
16.8 bilhões de barris
Petróleo convencional
Petróleo não convencional
Desenvolvimento de Novos Materiais
Fontes Renováveis
Indústria Química
Matéria-prima
Inorgânica
Minérios
Matéria-prima
Orgânica
Petróleo & Gás
Biomassa
Energia
Ar
Água
Processo
Químico
Indústria
Química
Produtos
Químicos
Básicos
Energia
Ar
Água
Processo
Químico
Intermediários Químicos & Produtos Finais
Outras Indústrias de
Transformação
Consumidores
Exportação
Fonte: ACC - Guide to the Business of Chemistry – 2002-2008
14/Mai/2003
13
Indústria Química Mundial
Defensivos
Agrícolas
2%
Produtos de
Consumo
14%
Petroquímicos
27%
Outros
8%
Farmacêuticos
23%
Fertilizantes
4%
Especialidades
14%
Gases Industriais
2%
Tintas
4%
Fonte: ACC - Guide to the Business of Chemistry - 2002
14/Mai/2003
Adesivos
2%
Total = US$ 1,8 Trilhão
Base:
2001
14
Vendas de Produtos Químicos
US$ Bilhão
Estados Unidos
Japão
Alemanha
França
Itália
Reino Unido
Brasil
Bélgica
Espanha
Holanda
Suíça
Irlanda
Fonte: ACC - Guide to the Business of Chemistry - 2002
14/Mai/2003
454
213
119
74
60
51
38
33
32
30
28
27
Base:
2001
15
Balanço Comercial Químico - Brasil
US$ Milhões
9.673
10.077
10.649 10.761
10.081
9.788
8.848
7.928
3.565 3.575
Importações
5.642
4.445
2.774 3.367 3.483 3.830 3.625
2.085 2.291 2.502
91
92
3.442 4.030
3.533 3.831
Exportações
93
94
95
96
97
98
99
00
01
02
Fonte: ABIQUIM
14/Mai/2003
16
Déficit do Comércio Químico Brasileiro
8 ,0
7,2
7 ,0
6,3
98
99
6,3
5,8
6 ,0
( US$ Bilhões )
6,6
6,4
5,3
5 ,0
4,5
4 ,0
2,8
3 ,0
1,9
2 ,0
1,2
1 ,0
92
93
94
95
96
97
00
01
02
Fonte: ABIQUIM
14/Mai/2003
17
Desenvolvimento de Novos Materiais
Bio-Nylon
O monômero caprolactama
(que produz o Nylon) pode
ser produzido por via
fermentativa. Neste
processo, glicose é
consumida por um
microorganismo, e
posteriormente o caldo é
submetido a filtração e ultra
filtração. Os sais
remanescentes são
reciclados para o biorreator
e o produto em contato com
um precursor reage para
produzir a caprolactama.
Após a purificação, a
caprolactama é polimerizada
para a obtenção do nylon.
Desenvolvimento de Novos Materiais
Glicose
Rotas a partir do Glicerol/Glicerina – subprodutos de reações de esterificação
PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO[1]
Fontes petroquímicas
Fontes renováveis
Acetaldeído (CH3CHO)
Adição de HCN e
catalisador
SSF
Pré-tratamento (hidrólise)
Carboidratos fermentescíveis
Fermentação microbiana
Caldo fermentado
Lactonitrila (CH3CHOHCN
Hidrólise por
H2SO4
Mistura racêmica
DL - ácido láctico
Síntese química
Recuperação e purificação
Ácido láctico L(+) ou D(-) opticamente
puro
Fermentação microbiana
APLICAÇÕES DO ÁCIDO LÁCTICO [1]
Indústria de alimentos
Indústria de cosmético
 umectante
 clareamento da pele
 rejuvenescimento da pele
 regulador de pH
 agente anti-acne
 agente anti-tártaro
 acidulante
 conservante
 aromatizante
 regulador de pH
 propício para qualidade
microbiana
fortificação mineral
Indústria química
 regulador de pH
 neutralizante
 intermediário quiral
 solvente verde
 agente de limpeza
 agente redução ácida
ÁCIDO LÁCTICO
C 3 H6 O3
Indústria farmacêutica
 soluções
 diálise
 preparação mineral
 comprimidos
 próteses
 sutura cirúrgica
 sistema de controle de
drogas
Feedstock químico
 óxido de propileno
 acetaldeído
 ácido acrílico
 ácido propiônico
 2,3-pentanodiona
 etil lactato
 dilactídeo
 ácido poli-láctico
PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DO ÁCIDO LÁCTICO [2]
Açúcar
descarboxilação
O
+
CO + H2O
CO2+ H2
Fermentação
H
Acetaldeído
desidratação
OH +
H2O
O
Ácido Láctico
Ácido Acrílico
redução
H2
OH + 1/2 O2
O
Ácido Propiônico
O
condensação
Acrilatos e polimetil-metacrilatos
+ CO2 + 2H2O
O
2,3 pentanodiona
ÁCIDO PROPIÔNICO
É um líquido incolor, corrosivo, com odor irritante. É usado na produção de
herbicidas,
intermediários
químicos,
aromatizante,
conservante
de
alimentos, na indústria farmacêutica, na nutrição animal, etc.
A produção de ácido propiônico a partir de fontes renováveis por processo
fermentativo, é uma rota alternativa e atrativa.
Como na maioria das fermentações de ácidos orgânicos, a fermentação do
ácido propiônico é inibida por pH ácido e por altas concentrações de
produto, formação de bioprodutos [4].
Desenvolvimento de Novos Materiais
Bio-Epóxi
Utilização de óleos
vegetais (mamona) para
produção de resina epóxi.
Diferentemente da maioria
dos óleos vegetais,
existem três sítios
passíveis de sofrerem
modificações: a hidroxila,
a insaturação e a carboxila
Cadeia carbônica do óleo epoxidado
que contribui para aumentar a
flexibilidade da resina
Epoxidação do óleo de mamona
Fase rígida formada pela resina
e pelo agente de cura
Infraestrutura: Reatores e Equipamentos de
Separação
Infraestrutura: Reator Laser
Polimerização
controlada
Planejamento Experimental
Análise e Caracterização dos Materiais
DSC-Calorímetro Diferencial de Varredura
GPC–Cromatógrafo de Permeação em Gel
de Alta temperatura e Múltiplos detectores
FTIR–Espectroscopia no Infravermelho
Atividades Econômicas do Setor de Saúde
Segundo dados ABIMO (2009):
Associação dos Fabricantes de Produtos Médicos e Odontológicos
Ocorre no Brasil grande dependência de insumos e materiais importados.
Empresas do setor que
atuam no Brasil faturaram
Importação
Exportação
R$ 525,4 mi
R$ 7,28 bi
R$ 2 bi
RADIOLOGIA
LABORATÓRIO
17%
31%
4%
MATERIAIS DE CONSUMO
10%
11%
IMPLANTES
27%
EQUIPAMENTOS MÉDICOHOSPITALARES
OUTROS SETORES
Infraestrutura: Digitalização 3D
O processo fotogramétrico
consiste na projeção de
vários padrões de franjas
sobre a superfície do objeto
a ser digitalizado e captado
por
duas
câmeras
posicionadas em ângulo de
visão diferentes.
Digitalização 3D: Aplicações
 Modelagem e simulação biomecânica de prótese ortopédica.
Infraestrutura: Prototipagem Rápida
3DPrinter (ZCorporation)
FDM (Stratasys)
Prototipagem Rápida: Microreatores
Design & Simulação
Modelo CAD
Análise do Fluxo
Elementos Finitos
Análise da temperatura
Prototipagem Rápida: Metal
As pesquisas a serem desenvolvidas baseiam-se em:
• Identificar e desenvolver biomateriais que apresentem as características
necessárias para uso em implantes biomédicos;
• Viabilizar um procedimento de fabricação, permitindo um resultado mais
seguro na criação da próteses empregando manufatura rápida;
• Tornar acessível o uso da tecnologia na rede publica e privada.
Prototipagem Rápida: Metal
“Microplantas” químicas
O sistema de engenharia micro-química
pode ser concebido em estruturas
modulares, adequando-se às demandas de
produção, suprimento de materiais,
reduzindo estoque, operações de
transporte e com maior segurança
operacional, otimizando a utilização dos
diversos recursos. Esta otimização tem um
grande valor para as pessoas, para o meioambiente e a utilização racional de
materiais.
AGRADECIMENTOS