A produção do bioetanol ou o etanol de 2a geração

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A produção do bioetanol ou o etanol de 2a geração 
Infoenergia, 28/11/2014
Um gargalo nas pesquisas brasileiras para a produção de etanol a partir do bagaço de cana-de-açúcar (etanol de segunda geração) é o alto custo das enzimas, necessárias para decompor em açúcares este e outros materiais lignocelulósicos abundantes no país. Neste processo chamado de hidrólise enzimática são usadas enzimas que “quebram” o bagaço para acessar e se alimentar do açúcar. Estas enzimas são produzidas por microrganismos, neste caso, o Trichoderma harzianum, fungo selvagem isolado na Amazônia pela Embrapa Instrumentação (São Carlos), que possui um convênio de desenvolvimento tecnológico com o CTBE (Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol).
O Trichoderma harzianum é o foco da dissertação de mestrado de Lucas Gelain, orientada pela professora Aline Carvalho da Costa, na Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp, e coorientada pelo pesquisador doutor José Geraldo da Cruz Pradella, no CTBE. Aline Costa explica que o trabalho do aluno consiste na modelagem matemática para descrever o processo de produção de enzimas por este fungo. “O Trichoderma harzianum se alimenta de material lignocelulósico da natureza, que contém celulose, e por isso damos a ele bagaço de cana como fonte de carbono para que produza enzimas celulolíticas. E nós usamos essas enzimas para hidrolisar o bagaço e produzir açúcar, mas para outra finalidade, que é o bioetanol.”
De acordo com Lucas Gelain, a modelagem matemática e as simulações são importantes ferramentas para avaliar o processo de fermentação e elaborar estratégias para a sua otimização. “Queríamos relacionar a produção de enzimas com o crescimento celular e o consumo do bagaço. O maior problema neste trabalho foi obter os dados experimentais a partir de um material que é insolúvel e que no processo de fermentação submerso dificulta a estimação, por exemplo, da concentração de células. Tivemos que buscar alguns métodos indiretos para estabelecer essas estimativas. A parte experimental foi desenvolvida no CTBE.”
A professora da FEQ esclarece que na fermentação são utilizados um microrganismo (no caso, o fungo) e um substrato geralmente solúvel, como por exemplo, o caldo de cana da produção de etanol de primeira geração. “Nesse substrato é fácil determinar a concentração de células: uma amostra é centrifugada, secada até a massa constante e o que sobra é célula; já no segundo caso, não sobram apenas células, mas também bagaço, e não sabemos em quais proporções. Esta foi a parte mais difícil da pesquisa e que ainda não está completamente resolvida. Temos uma estimativa, que julgamos satisfatória, mas o aluno vai aprofundar a investigação em seu doutorado.”
O autor da dissertação também realizou testes com uma sonda de capacitância para estimação online da concentração de células. O equipamento adquirido pelo CTBE mostrou-se uma alternativa interessante em meio solúvel, mas sofreu interferências na associação com o bagaço de cana, o que impediu seu uso para uma análise quantitativa. “Por isso, optamos por um método que, embora apresente um erro em relação à composição do bagaço, é mais preciso do que a sonda. Agora, no doutorado, vamos dar um passo atrás e usar um material mais simples, celulose pura microcristalina, buscando parâmetros mais precisos.”
Segundo a professora da FEQ, obtidos os modelos, a proposta de doutorado é que o aluno encontre uma forma de otimizar a produção de enzimas barateando seu custo a partir da mesma quantidade de bagaço. “Para produzir etanol celulósico ainda dependemos de empresas estrangeiras que vendem as enzimas a um preço ainda mais caro. Um objetivo do CTBE é alcançar a chamada produção ‘on-site’, dentro da própria usina de etanol de segunda geração – e é aí que se encaixa a tese do aluno.”
Em sua linha de pesquisa, Aline Costa trabalha com todas as fases do processo de etanol de segunda geração: produção de enzimas, pré-tratamento, hidrólise e fermentação. “O bagaço de cana é constituído basicamente de celulose, hemiceluloses e lignina. Quando hidrolisamos a glicose para transformá-la em etanol, ela é consumida pela Saccharomyces cerevisiae, uma levedura usada em todas as usinas – este processo é mais fácil. Também estou começando a trabalhar com as pentoses (açúcares de cinco carbonos separados das hemiceluloses), um processo menos conhecido.”
Conforme Lucas Gelain, é possível fazer uma simulação de toda a planta da produção de etanol de segunda geração, havendo blocos de pré-tratamento, hidrólise, fermentação e separação. “O objetivo do CTBE é justamente maximizar a produção de bioetanol e diminuir os custos e também o consumo de energia. Com nosso modelo implementado no bloco de produção de enzimas, tornamos a simulação na planta ainda mais real.
Excesso de bagaço
A hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos oferece uma ótima alternativa para a produção de matéria-prima para vários produtos comerciais além do bioetanol, como ácidos orgânicos e outros produtos químicos. No caso da cana, cada tonelada processada para produzir bioetanol ou açúcar gera aproximadamente 0,3 tonelada de bagaço, que na usina é empregada para gerar energia térmica e elétrica – ainda a destinação mais viável. No entanto, vêm sendo estudados processos para minimizar a demanda de energia nestas usinas, o que vai resultar em excesso de bagaço suficiente para proporcionar mais combustível sem aumento da área plantada de cana.
A professora Aline Costa afirma que a tecnologia do etanol de segunda geração já está dominada e que há empresas no Brasil e no exterior iniciando operações comerciais. “Esse etanol ainda não está nas bombas e imagino que ainda existam vários problemas a resolver. Sabemos que o CTBE, por exemplo, tem condições de produzi-lo, mas não ainda em grande escala e a preço competitivo. Outras empresas, porém, já se dizem capazes disso, inclusive a um custo menor que o de etanol de primeira geração, embora eu desconheça esses dados.”
José Geraldo Pradella, coorientador da dissertação, acrescenta que um dos maiores gargalos econômicos na produção do etanol de segunda geração é justamente o preço das enzimas. “Linhagens mais produtivas deste microrganismo, menos sensíveis à inibição pelo substrato e mais aptas a produzir enzimas, estão sendo pesquisadas no CTBE, sendo que a modelagem matemática a ser desenvolvida vai ser de grande utilidade para minimizar os custos de produção deste insumo”.
Dissertação resumida: “Modelagem matemática da produção de enzimas utilizando Trichoderma harzianum em meio submerso e bagaço de cana-de-açúcar como fonte de carbono”
Autor: Lucas Gelain
Orientadora: Aline Carvalho da Costa
Coorientador: José Geraldo da Cruz Pradella
Unidades: Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp e Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE)
A necessidade de reduzir a dependência da utilização de petróleo, fonte de energia não renovável e de origem fóssil, impulsionou estudos voltados para o desenvolvimento de novas alternativas na produção de combustíveis, como o etanol, que se tornou uma opção eficaz por ser uma fonte renovável originada de produtos vegetais.
O bioetanol é um combustível obtido por meio da fermentação controlada e da destilação de resíduos vegetais, passando por um processo físico-químico até se transformar em combustível.
A utilização do bioetanol é extremamente vantajosa, pois a matéria-prima utilizada na fabricação dessa substância é renovável. Outro aspecto positivo se refere à emissão de gases poluentes, visto que a queima desse combustível não é tão agressiva ao meio ambiente quanto a da gasolina, contribuindo assim, para a redução de CO2, grande responsável por intensificar o efeito estufa.
É importante destacar que o bioetanol é internacionalmente reconhecido por ser uma fonte de energia natural, limpa, renovável, sustentável e mais democrática do que os combustíveis fósseis.
 
Cana-de-açúcar
A crescente necessidade de ampliar de modo sustentável o uso de
fontes renováveis de energia, para proporcionar maior segurança ao suprimento energético e reduzir os impactos ambientais associados aos combustíveis fósseis, encontra no bioetanol de cana-de-açúcar uma alternativa viável economicamente e com significativo potencial de expansão.
Por meio do bioetanol e de outros derivados, a cana-de-açúcar representa atualmente a segunda mais importante fonte primária e a principal forma de energia renovável na matriz energética brasileira.
O etanol a partir da cana-de-açúcar é gerado de um processo economicamente viável, em que não há muitas complexidades em suas etapas de produção. Este é produzido em uma larga escala em níveis industriais, sendo uma ótima alternativa para a substituição dos combustíveis fósseis, além de os resíduos gerados em sua obtenção serem todos reaproveitáveis.
O Brasil tem tradição na produção de bioetanol e possui uma vasta área onde pode ser cultivada a cana-de-açúcar, tendo considerável capital intelectual oriundo da tecnologia desenvolvida, que surigu com o Proálcool, programa que visava substituição dos combustíveis derivados do petróleo, iniciado na década de 1970.
 
Manipueira
No estado de Pernambuco, uma das principais culturas da agricultura familiar é a mandioca. No processo de industrialização da mandioca para a obtenção da farinha, origina-se a manipueria, resíduo da sua prensa, o qual possui elevada carga de poluente e efeito tóxico, acarretando graves problemas ambientais, especialmente quando lançado nos cursos d’água.
Atualmente, a manipueira é destinada a algumas utilidades a exemplo do seu uso como inseticida, adubo e na constituição de tijolos. Contudo, sua maior parte é descartada nos rios e em lagoas de decantação sem o adequado tratamento, constituindo-se em um produto nocivo ao meio ambiente. Também é um líquido cancerígeno e rico em cianeto.
Esta manipueira, que atualmente é descartada no meio ambiente, pode ser utilizada para a geração de bioetanol e biofertilizante, através de um sistema auto-sustentável energeticamente, gerando benefícios para o meio ambiente, produtores locais de farinha, poder público local e para a sociedade como um todo. 
ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO: O FUTURO SERÁ MAIS LIMPO?
Publicado em março 9, 2017
O Bioetanol, também conhecido com o Etanol de 2ª geração, é uma molécula igual ao etanol comum; Porém, é produzida a partir do bagaço da cana-de-açúcar que, normalmente, é quase todo descartado.
O processo de obtenção advém da utilização do material lignocelulósico encontrado em plantas. Este material pode ser dividido em dois componentes: polímeros de carboidrato, tais como a celulose e a hemicelulose e a lignina, proveniente da parede celular das plantas. O biocombustível é gerado a partir dos coprodutos da cana-de-açúcar, como a palha e o bagaço, usada no processo tradicional de fabricação de etanol e açúcar.
                          
A palha não é considerada um resíduo do processamento industrial. Este resíduo agrícola ainda é queimado no campo de colheita. O bagaço é obtido após a prensagem dos colmos de cana, é gerado em grandes quantidades e possui enorme potencial energético e biotecnológico. O bagaço é um resíduo lignocelulósico e um dos subprodutos da indústria da cana. Há um grande interesse comercial, no que tange à produção de etanol, são realizadas reações químicas e/ou biológicas, aumentando-se a produtividade das indústrias. (SANTOS, 2012)
Quais os benefícios do etanol de segunda geração? Os benefícios da utilização do Bioetanol ou etanol de segunda geração correspondem as seguintes características: aumento da fabricação de etanol em até 50% sem ampliar a área de cultivo, produção do biocombustível mesmo durante a entressafra da cana, aproveitamento dos subprodutos, utilização de insumos já disponíveis nas unidades, apresentando uma vantagem logística, além da redução da emissão de carbono durante a produção, gerando um combustível mais limpo. (Raízen)
Como ocorre o processo? Consiste em “quebrar” o material lignocelulósico da planta, que pode ser realizado de modo físico ou por meio de reações químicas ou enzimáticas, obtendo a celulose. Durante o processo obtém-se a sacarose que tem como um dos destinos à produção de etanol.
Para a conversão do material lignocelulósico em outros produtos há a necessidade de realização de quatro etapas:
• O início acontece com a produção de enzimas a partir de microrganismos como fungos e bactérias. Representado cerca de 50% do custo global do processo de obtenção dos açúcares mediante hidrólise enzimática.
• Por seguinte há a etapa de pré-tratamento do material lignocelulósico, a fim de aumentar a exposição das fibras de celulose, facilitando a ação de agentes hidrolíticos enzimáticos ou ácidos.
• Em seguida realiza-se um processo de quebra do material lignocelulósico conhecido como hidrólise, onde ocorre a deslignificação e a despolimerização. Este processo tem o papel de converter a celulose e a hemicelulose em açúcares menos complexos passíveis de fermentação, frequentemente catalisador por enzimas celulósicas.
• Finaliza-se com um processo de fermentação da mistura de açúcares. O processo de fermentação de glicose já é estabelecido pela indústria com a utilização do fungo Sacharomyces cerevisiae que através de sua intensa utilização em fermentação industrial, passou por um processo de seleção natural, apresentando os melhores desempenhos em conversão de glicose a etanol, produtividade e tolerância alcoólica. (SOUZA, 2013).
A figura abaixo ilustra o esquema de produção do etanol de segunda geração com as etapas descritas anteriormente.
O que é o Bioetanol?
O etanol de lignocelulose (bioetanol) é um combustível renovável produzido a partir de resíduos agroindustriais, como o bagaço de cana.
O processo de fabricação de etanol a partir de resíduos vegetais é dividido em quatro etapas:
Pré-tratamento ácido do bagaço de cana
Na primeira etapa, há o pré-tratamento do bagaço de cana, e neste trabalho  foi adotado o processo de hidrólise ácida branda, onde no reator o resíduo é submetido a quebra da estrutura cristalina da fibra do bagaço de cana e a recuperação de açúcares mais fáceis de hidrolisar.
Deslignificação
Em seguida, vem a etapa de deslignificação. É retirada a lignina, complexo que dá resistência a fibra e protege a celulose da ação de microorganismos porém, apresenta grande inibição ao processo fermentativo.
Fermentação
Na terceira fase, o líquido proveniente do pré-tratamento ácido, rico em açúcares, é fermentado pela levedura Pichia stipitis adaptada para ser utilizado nesta fermentação.
O sólido proveniente da etapa de deslignificação rico em celulose, também é tratado: ele passa por um processo de sacarificação (transformação em açúcares) por meio de enzimas e é fermentado pela levedura Sacharomyces cerevisiae, o mesmo fungo utilizado na fabricação de pães. A Petrobras ainda estuda as enzimas mais eficazes para este processo de fabricação, testando enzimas disponíveis no mercado e pesquisando novos preparados enzimáticos.
Destilação
Na etapa final, ambos os líquidos provenientes das diferentes fermentações são destilados. O produto desta destilação é o etanol, que possui as mesmas características daquele fabricado a partir da cana em processo industrial. O Bioetanol, também conhecido como Etanol de 2ª geração, é uma molécula igual ao Etanol comum, porém é produzida a partir do bagaço da cana-de-açúcar, que normalmente é quase todo descartado. 
	Atualmente algumas usinas já conseguem produzir o Bioetanol. Mas o maior desafio é fazê-lo de forma eficiente e com menor custo. A etapa mais importante da produção deste combustível é a utilização de um Coquetel Enzimático (Mistura de enzimas específicas). Estas enzimas são essenciais para a degradação da parede celular da cana-de-açúcar para que ocorra a liberação do açúcar do bagaço e posteriormente a fermentação, resultando na produção do Bioetanol.
Fonte Revista FAPESP - (http://revistapesquisa.fapesp.br/2012/10/11/entre-acucares-e-genes/)
Muitos projetos de pesquisa no Brasil e no mundo estão focados em descobrir e produzir em escala industrial enzimas mais eficientes liberadas por fungos ou bactérias. Estima-se que sejam necessárias pelo menos vinte e cinco enzimas diferentes para a degradação completa da parede celular vegetal.
No laboratório de Bioprodutos do ICB/USP, nosso estudo está direcionado para um fungo da espécie Annulohypoxylon stygium (figura 2), que é capaz de produzir diferentes Pectinases – Enzima capaz de degradar a pectina, um dos principais componentes da parede celular vegetal. Estas enzimas podem complementar um coquetel enzimático já existente ou fazer parte de um novo produto.
	Estima-se que, com esse aprimoramento, a produção do Etanol aumentará cerca de 40 milhões litros/ano sem a necessidade de aumentar as áreas de cultivo.
O livro verde do bioetanol se propõe a contribuir ao desenvolvimento do potencial dos biocombustíveis e seus desafios de produção no Brasil e na América Latina, no médio prazo. A publicação destaca quais instituições, empresas e indivíduos têm avanços ou planos na pesquisa na área, além de tratar de temas como inovação, investimento, legislação e normativos nos diversos elos da cadeia produtiva e de distribuição do biodiesel e bioetanol. Marcelo Poppe, assessor do CGEE, além de coordenar a execução por parte do Centro, é um dos autores do livro, que foi publicado em outras três línguas: espanhol, inglês e francês. A organização da publicação coube ao professor da Universidade Federal de Itajubá (Unifei), Luiz Augusto Horta Nogueira.
O nono e último capítulo da publicação é dedicado às perspectivas futuras desse biocombustível e mostra os desafios a enfrentar, a bioenergia como alternativa consistente e a experiência brasileira com o bioetanol de cana-de-açúcar. Ainda destaca dez constatações básicas sobre o bioetanol de cana-de-açúcar: pode ser usado como combustível em motores veiculares puro ou misturado à gasolina (até 10% com efeitos quase imperceptíveis); é produzido com elevada eficiência (relação produção/consumo de energia acima de oito); é competitivo com relação ao petróleo (considerando o barril de petróleo a U$ 45); os impactos ambientais causados pela sua produção podem ser atenuados a níveis toleráveis; seu uso permite reduzir em quase 90% as emissões de gases de efeito estufa em relação ao uso de gasolina; as perspectivas de desenvolvimento tecnológico na agroindústria são significativas; os empregos na agroindústria do bioetanol de cana apresentam indicadores de qualidade em progressão; sua produção como desenvolvida no Brasil pouco afeta a produção de alimentos; sua agroindústria articula-se com muitos setores da economia e assim promove o desenvolvimento de diversas áreas; e são amplas as possibilidades de expandir a produção não só no Brasil, mas em outros países tropicais úmidos.
O livro verde do bioetanol se propõe a contribuir ao desenvolvimento do potencial dos biocombustíveis e seus desafios de produção no Brasil e na América Latina, no médio prazo. A publicação destaca quais instituições, empresas e indivíduos têm avanços ou planos na pesquisa na área, além de tratar de temas como inovação, investimento, legislação e normativos nos diversos elos da cadeia produtiva e de distribuição do biodiesel e bioetanol. Marcelo Poppe, assessor do CGEE, além de coordenar a execução por parte do Centro, é um dos autores do livro, que foi publicado em outras três línguas: espanhol, inglês e francês. A organização da publicação coube ao professor da Universidade Federal de Itajubá (Unifei), Luiz Augusto Horta Nogueira.
O nono e último capítulo da publicação é dedicado às perspectivas futuras desse biocombustível e mostra os desafios a enfrentar, a bioenergia como alternativa consistente e a experiência brasileira com o bioetanol de cana-de-açúcar. Ainda destaca dez constatações básicas sobre o bioetanol de cana-de-açúcar: pode ser usado como combustível em motores veiculares puro ou misturado à gasolina (até 10% com efeitos quase imperceptíveis); é produzido com elevada eficiência (relação produção/consumo de energia acima de oito); é competitivo com relação ao petróleo (considerando o barril de petróleo a U$ 45); os impactos ambientais causados pela sua produção podem ser atenuados a níveis toleráveis; seu uso permite reduzir em quase 90% as emissões de gases de efeito estufa em relação ao uso de gasolina; as perspectivas de desenvolvimento tecnológico na agroindústria são significativas; os empregos na agroindústria do bioetanol de cana apresentam indicadores de qualidade em progressão; sua produção como desenvolvida no Brasil pouco afeta a produção de alimentos; sua agroindústria articula-se com muitos setores da economia e assim promove o desenvolvimento de diversas áreas; e são amplas as possibilidades de expandir a produção não só no Brasil, mas em outros países tropicais úmidos.
Para viabilizar os avanços tecnológicos na direção de aumentar a produção de bioetanol e gera- ção de excedentes de energia elétrica, por tonelada de cana processada, via hidrólise ou processo termoquímico, é necessário disponibilizar, na usina, a maior quantidade de ibra possível. Uma das alternativas para este im é realizar a colheita da cana sem a queima prévia e recuperar uma fração signiicativa do palhiço disponível nos canaviais. Conceitualmente, o palhiço é composto pelas folhas secas, folhas verdes e pelo ponteiro da canade-açúcar. Atualmente, esta fonte não é aproveitada, porém, esta situação será revertida em médio prazo, levando-se em conta que a legislação ambiental prevê a extinção gradativa da prática de remoção do palhiço pelo fogo.
A cana-de-açúcar é uma planta semiperene com ciclo fotossintético do tipo C4, pertencente ao gênero Saccharum, da família das gramíneas, composta de espécies de gramas altas perenes, oriundas de regiões temperadas quentes a tropicais da Ásia, especialmente da Índia. A parte aérea da planta é composta pelos colmos, nos quais se concentra a sacarose, e pelas pontas e folhas, que constituem a palha da cana, como mostrado na Figura 8. Todos esses componentes somados totalizam cerca de 35 toneladas de matéria seca por hectare. Um dos cultivos comerciais de maior importância em todo o mundo, a cana ocupa mais de 20 milhões de hectares, nos quais foram produzidos, aproximadamente, 1.300 milhões de toneladas em 2006/2007, com destaque para o Brasil, que, com uma área plantada de cerca de 7 milhões de hectares, respondeu por cerca de 42% do total produzido. Observe-se que o ano açucareiro, adotado internacionalmente, começa em setembro e termina em agosto do ano seguinte. O Gráfico 10 apresenta os dez principais produtores de cana na safra de 2005 [FAOSTAT (2008a)].