Etanol de segunda geração: o grande salto tecnológico
Autor(a): José Augusto Tomé
Introdução – Apesar das dificuldades impostas pela política econômica nos últimos anos, a indústria brasileira do etanol está prestes a dar um importante salto competitivo: o lançamento, em escala comercial, da tecnologia de produção do etanol de segunda geração (etanol 2G), também conhecido como etanol celulósico. Por utilizar o bagaço e a palha da cana-de-açúcar como matérias-primas, essa tecnologia possibilitará que a produção cresça até 100% sem aumento da área plantada.
Mais do que isso, esse novo modelo produtivo representa uma quebra de paradigma dentro do parque industrial. Muitos não acreditavam na adoção de organismos geneticamente modificados, mas o fato é que a biotecnologia avançou muito nos últimos anos e sua aplicação
sinaliza um grande potencial para transformar açúcares em produtos diversos, favorecendo a consolidação das usinas de cana-de-açúcar como biorrefinarias com alto nível de maturidade tecnológica.
História – O primeiro registro de que era possível produzir etanol a partir da celulose data de 1819, quando o químico francês Henri Braconnot descobriu que o ácido sulfúrico hidrolisava a celulose, formando açúcares fermentescíveis. Essa técnica foi utilizada pelos alemães em 1898 para produzir, em escala comercial, etanol a partir da madeira. Em 1910, como resposta à escassez de combustíveis provocada pela Primeira Guerra Mundial, a norte-americana Standard Alcohol Company construiu duas plantas industriais para produção de etanol celulósico. No entanto, essa tecnologia se tornou economicamente inviável nos anos seguintes (Solomon et al. 2007).
Quando observamos a evolução dos pedidos de patentes (Tabela 1), percebemos que as iniciativas destinadas a desenvolver tecnologias que viabilizassem a retomada da produção de etanol celulósico começaram a crescer há aproximadamente oito anos. Tal interesse decorreu principalmente da necessidade de substituição dos combustíveis fósseis que descarregam na atmosfera toneladas de CO2, uma das principais causas do aquecimento global. Estima-se que a demanda de energia primária crescerá 35% nos próximos 20 anos e que 75% dessa energia será suprida por derivados do petróleo (International Energy Agency, 2012).
Ilustrações fornecidas pelo autor
Tabela 1: Evolução dos pedidos de patentes na área de etanol 2G (Escritório Europeu de Patentes)
Uma vez que o setor de transportes responde por mais da metade do consumo desses derivados no mundo, aumentar a produção e o uso dos biocombustíveis, com destaque para o etanol, é visto como uma das principais ações necessárias para reduzir o consumo de petróleo e, consequentemente, o aquecimento global.
Biomassa – Uma das principais diferenças entre o etanol convencional, agora também chamado de etanol de primeira geração (etanol 1G), e o etanol 2G é a matéria-prima. Ao invés de usar o caldo da cana-de-açúcar, a tecnologia de etanol 2G permite o processamento do bagaço e da palha desse vegetal, que são biomassas classificadas como lignocelulósicas. Nessa classe também estão a madeira e os resíduos agrícolas, como o sabugo de milho e a palha de milho e de arroz, que já são utilizadas para produção de etanol 2G em outros países.
Entender a estrutura e a composição da biomassa lignocelulósica (Figura 1) é fundamental para compreender a tecnologia de produção do etanol 2G. De forma simplificada, a célula vegetal que constitui a biomassa possui na sua parede três componentes principais: a celulose, a hemicelulose e a lignina. A celulose, que é um polímero de glicose, quando submetida a reações de hidrólise, dá origem à glicose livre que, assim como a sacarose, também é fermentescível. Já a hemicelulose é um polímero de açúcares de cinco carbonos, principalmente xilose. O açúcar de cinco carbonos também têm potencial para ser transformado em etanol, mas seu processo de fermentação depende da incorporação de microrganismos específicos e diferenciados. O terceiro maior constituinte é a lignina, um polímero complexo formado por unidades fenólicas e que possui um alto potencial energético. Esta característica faz com que sua finalidade inicial seja a queima nas caldeiras para produzir energia e equilibrar o balanço energético da indústria. No médio e longo prazo existe possibilidade de uso da lignina na fabricação de produtos de maior valor agregado.
Figura 1: Estrutura da biomassa lignocelulósica (Rubin, 2008)
A maior dificuldade para desenvolver a nova tecnologia é o fato de que esses três principais constituintes encontram-se unidos de forma complexa, o que resulta numa estrutura rígida e resistente a produtos químicos e ações biológicas. A lignina, por exemplo, encontra-se entrelaçada com a hemicelulose e recobre as fibras de celulose, dificultando o acesso a esta para que seja feita sua conversão em glicose.
Etapas de produção – Diante da constatada inviabilidade econômica de produção de etanol celulósico a partir da hidrólise ácida da biomassa, pesquisadores descobriram que a adoção da rota biotecnológica tornaria o objetivo factível. Definiu-se, então, um processo dividido em duas principais etapas: o pré-tratamento e a hidrólise enzimática.
O pré-tratamento é a primeira e uma das mais importantes etapas na produção de etanol 2G. Seu objetivo é desestruturar a biomassa de forma que a celulose, inicialmente protegida, fique mais exposta para a ação das enzimas. Para ser eficiente, um pré-tratamento deve promover a separação (fracionamento) dos principais constituintes da biomassa, sem gerar produtos de degradação, sem o uso de agentes químicos, consumir pouca energia, entre outras características (Mosier et al. 2005; Agbor et al. 2011).
O processo de pré-tratamento mais maduro do ponto de vista técnico é chamado de “Explosão com Vapor”. Após alcançar pressões entre 10 a 19 kgf/cm², o vapor d’água permanece em contato direto com a biomassa durante cinco a dez minutos – as condições exatas de pressão e tempo dependem de variáveis como umidade, tamanho da fibra, tipo de enzima etc. Em seguida é realizada uma descompressão rápida do reator, o que causa o rompimento das fibras, fazendo com que parte dos açúcares de hemicelulose se torne solúvel e a celulose fique mais exposta.
As enzimas são proteínas que possuem na sua estrutura os chamados “sítios ativos”, onde reações químicas muito específicas acontecem de forma acelerada. Daí a razão de elas serem consideradas catalisadores biológicos.
Para a produção de etanol 2G, é utilizado um coquetel enzimático, ou seja, uma mistura contendo diferentes enzimas que vão atuar em uma região e num componente específico da biomassa. A celulase pode ser considerada a principal enzima, pois é a responsável por acelerar a reação de hidrólise da celulose para geração de glicose, que posteriormente é fermentada para obtenção do etanol. Esse processo é mais vantajoso que a antiga hidrólise ácida, uma vez que é conduzido à baixa temperatura, evitando a formação de subprodutos que são inibidores da fermentação.
As principais desvantagens que a hidrólise enzimática apresentava eram o longo tempo da reação e o custo das enzimas. Contudo, investimentos em pesquisa nos últimos anos conseguiram não só baixar esse custo, como também melhorar significativamente a velocidade do processo.
Conclusão – Apesar de não ser mais o maior produtor mundial de etanol – foi ultrapassado pelos Estados Unidos em 2005 –, o Brasil ainda possui o processo de produção mais sustentável. Tal condição se deve à cultura da cana-de-açúcar, que ainda nos proporciona uma matéria-prima (biomassa oriunda do bagaço e palha das lavouras) mais competitiva para a produção de etanol 2G quando comparada a outras biomassas ao redor do mundo. A tecnologia de produção desse biocombustível de segunda geração é uma grande oportunidade para o Brasil dar um salto tecnológico na indústria das biorrefinarias. Cabe a nós continuarmos a investir em pesquisas para aproveitar todo o potencial da cana-de-açúcar.
Referências bibliográficas:
1 - Agbor, V.B. et al., 2011. Biomass pretreatment: fundamentals toward application. Biotechnology advances, 29(6), pp.675–85. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21624451(visitado em 21/03/2014).
2 - International Energy Agency, 2012. World Energy Outlook.
3 - Mosier, N. et al., 2005. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource technology, 96(6), pp.673–86. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15588770(vistado em 23/05/2014).
4 - Rubin, E.M., 2008. Genomics of cellulosic biofuels. Nature, 454, pp.841–845.
5 - Solomon, B.D., Barnes, J.R. & Halvorsen, K.E., 2007. Grain and cellulosic ethanol: History, economics, and energy policy. Biomass and Bioenergy, 31(6), pp.416–425. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0961953407000396(visitado em 14/12/2013).
Engenheiro Químico formado pela UFPE, com mestrado em produção de etanol 2G pela Unicamp, o autor é pesquisador no Centro de Tecnologia Canavieira e idealizador do curso Etanol 2G (www.etanol2g.com). Contatos pelo e-mail contato@etanol2g.com.
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