Biorrefinarias para a Produção Conjunta de Bioprodutos e Medicamentos Antivirais para doenças Epidêmicas

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Série Perspectivas para o Futuro 
 
Título: Biorrefinarias para a Produção Conjunta de Bioprodutos e Medicamentos 
Antivirais para doenças Epidêmicas: Avaliação de Cenários Tecnológicos sob Ópticas 
Econômica, Ambiental e Social 
Pesquisador Responsável: Dra. Juliana Queiroz Albarelli 
Pesquisadora e divulgadora de ciências 
Currículo lattes: http://lattes.cnpq.br/7558509875803279 
Contato: jualbarelli@gmail.com ou @cienciascaju (auxílio na elaboração de projetos e 
redação de artigos científicos) 
 
 
Resumo: 
À medida que a pandemia causada pelo vírus SARS-CoV-2 causa mortes pelo mundo, a 
realidade preocupante de que epidemias se tornarão cada vez mais comuns em nossa era 
conectada começa ser compreendida. Neste cenário, a produção de produtos de ação 
anti-viral em biorrefinarias parece promissor. Os extratos poderão ser considerados 
produto final e usados como medicamentos fitoterápicos ou incorporado a outros 
produtos com ação antiviral, como por exemplo, produtos de limpeza e tecidos 
antivirais. A avaliação desta biorrefinaria nos aspectos econômicos, ambientais e sociais 
se faz necessária para a definição das melhores rotas de processo, matérias-primas e co-
produtos a serem produzidos. Este projeto enviado para a FAPESP como proposta para 
Jovem Pesquisador apresenta uma revisão bibliográfica interessante que pode ser de uso 
comum. Aproveite a leitura. 
 
 
 
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1 Enunciado do problema 
À medida que a pandemia causada pelo vírus SARS-CoV-2 infecta mais pessoas 
e causa mortes pelo mundo, a realidade preocupante de que epidemias se tornarão cada 
vez mais comuns em nossa era conectada começa ser compreendida. Nos últimos 40 
anos o número e a diversidade de eventos epidêmicos têm aumentado e acredita-se que 
se intensificará ainda mais nas próximas décadas (SMITH et al., 2014). Fatores como 
mudanças climáticas, depredação ambiental, urbanização, globalização e aumento do 
consumo humano de proteínas animais facilitam a disseminação de doenças infecciosas, 
impactando a população global. Doenças que provocam síndrome respiratória aguda 
grave, como a COVID-19, já foram causa de epidemias e pandemias recentes. Pessoas 
com baixo sistema imunológico, em geral, se mostram mais vulneráveis ao ataque de 
vírus e agravamento do quadro clínico. Os alimentos que ingerimos podem 
desempenhar um papel relevante no fortalecimento do sistema imunológico, auxiliando 
na prevenção de contágio de doenças. Alimentos com alto teor de compostos 
bioativos/fitoquímicos atuam na função imunológica e reduzem a suscetibilidade a 
infecções. Medicamentos e remédios à base de plantas também têm apresentados 
resultados no auxílio do tratamento de doenças virais. A raiz do Panax ginseng, 
comumente usada nos países do Leste Asiático, demonstrou ser eficaz na prevenção e 
tratamento de doenças respiratórias virais, incluindo várias cepas de influenza. 
Pelargonium sidoides, uma espécie de gerânio da África do Sul, é um remédio 
fitoterápico eficaz no tratamento de infecções respiratórias, que também pode inibir a 
replicação de vírus respiratórios. Astragalus membranaceus, comumente conhecido na 
Medicina Tradicional Chinesa, é usado para tratar resfriado comum e infecções 
respiratórias superiores e mostrou eficácia antiviral na prevenção de infecções causadas 
pela influenza (KALLON et al. 2013; LIN et al., 2014; BARRETT, 2018). Esses 
medicamentos naturais podem ser uma ótima ferramenta no combate ao vírus SARS-
CoV-2 e outras síndromes respiratórias agudas graves e podem ser tomados como 
suplementos alimentares. Como apresentam efeitos colaterais mínimos, o tratamento 
com estes medicamentos pode ser iniciado antes do aparecimento de sintomas, como 
medida profilática. Assim, o combate ao vírus pode se dar logo no início da infecção 
impedindo que esta se manifeste ou evolua para quadros mais graves. 
 
 
 
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Estudos preliminares demonstraram que compostos bioativos extraídos de 
plantas como a quercetina, oleuropeína, curcumina, entre outros, são potenciais 
inibidores da protease principal do vírus SARS-CoV-2 (ANTONIO et al., 2020). Além 
do uso diretamente como medicamento, esses extratos podem ser utilizados na 
formulação de novos produtos com ação antiviral como produtos de limpeza naturais, 
entre outros. Dentro das possíveis tecnologias para a obtenção de extratos com alto teor 
de fitoquímicos se destacam as com fluídos supercríticos. O uso de tecnologias 
envolvendo fluidos sub/supercríticos tem sido impulsionado em estudos experimentais e 
aplicações industriais devido à tendência global da busca por tecnologias 
ecologicamente corretas, uma vez que a maioria de suas aplicações pode utilizar como 
solventes substâncias inofensivas ao meio-ambiente e à saúde humana. Os fluidos 
pressurizados (sub/supercríticos) vêm sendo utilizados em substituição a solventes 
orgânicos em diversos processos industriais (PEREIRA; MEIRELES, 2010). 
A obtenção de medicamentos naturais a partir de materiais vegetais e o 
aproveitamento dos resíduos desta para a produção de subprodutos é uma alternativa 
importante a ser estudada, visto que o aproveitamento integral da biomassa vegetal, 
além de permitir a diminuição do custo de produção, proporciona bioprodutos 
compatíveis ao meio ambiente. O potencial de utilização integral da biomassa vegetal 
para produzir combustíveis, produtos químicos e outros produtos tem sido o foco de 
atenção recente no estudo de biorrefinarias. O conceito de biorrefinaria aplica-se ao 
aproveitamento integral de matéria-prima abundante e de baixo custo, empregando-se 
tratamentos físicos e/ou químicos para a produção de produtos comerciais, de maior 
valor agregado. Uma biorrefinaria opera pela sucessão de diferentes etapas, iniciando-se 
por operações de separação, visando à extração de diferentes substâncias para uso 
imediato ou a serem transformados, seguindo-se etapas de conversão dos resíduos 
gerados no processo em produtos de também uso imediato ou a serem disponibilizados 
como matéria-prima para futuras transformações pela indústria química (DEMIRBAS, 
2010). 
 
1.1 Extratos naturais antivirais para tratamento de doenças epidêmicas e a extração e 
pós-processamento usando fluídos sub/supercríticos 
Em 2019, a GPMB (Global Preparedness Monitoring Board) em conjunto com a 
Organização Mundial de Saúde (OMS) publicou o primeiro relatório anual sobre 
preparação global para emergências em saúde chamado “A World At Risk” (Um mundo 
 
 
 
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em risco). Neste, o problema de potenciais epidemias devastadoras a níveis regionais e 
globais é levantado, alertando para a potencial perda de vidas e também para os efeitos 
econômicos e de caos social gerados. Segundo o relatório, entre 2011 e 2018, a OMS 
acompanhou 1.483 eventos epidêmicos em 172 países. Neste contexto, doenças como a 
gripe, SARS, MERS, Ebola, Zika, Febre Amarela, entre outras, são precursoras de uma 
nova era onde surtos serão detectados com mais freqüência, terão grande impacto, 
rápida propagação e serão cada vez mais difícil de gerenciar (BRUNDTLAND; SY, 
2019). Segundo o Fórum Econômico Mundial a disseminação de doenças infecciosas 
nos próximos anos irá remodelar as economias, sendo que nas próximas décadas, as 
pandemias de gripe causarão perdas anuais médias de 0,7% do Produto Interno Bruto 
(PIB) global ou US $ 570 bilhões (SCHMITT, 2020). 
O uso de produtos naturais no tratamento e prevenção de doenças epidêmicas 
desempenha um papel importante por apresentarem pouco ou nenhum efeito colateral e 
poderem ser tomados como suplemento alimentar pela população vulnerável em 
momentos de surtos. Óleos essenciais e extratos derivados de plantas são considerados 
uma fonte de compostos bioativos amplamente utilizada pela indústria farmacêutica 
para o tratamento de infecções virais (ANTONIO et al., 2020). Antivirais naturais já 
foram descritos pela atividade contra diferentes vírus comoDengue, Coronavírus, 
Sarampo, Hepatites B e C, HIV, Gripe (influenza), entre outros (LIN et al. 2014). 
Estudos mostraram que a baicalina, composto polifenólico pertencente à família das 
flavonas comumente extraído da planta medicinal chinesa Scutellaria baicalensis, pode 
impedir a entrada do vírus da Dengue no hospedeiro e inibir a replicação pós-entrada 
(ZANDI et al., 2012). Além deste composto natural, muitos outros também 
apresentaram efeito antiviral para a Dengue como a quercetina, a narasina e diferentes 
extratos de algas marinhas (LIN et al. 2014). Extrato aquoso de dente-de-leão 
(Taraxacum officinale) e extratos de raíses de Pelargonium sidoides, entre outros 
extratos naturais, apresentam atividades anti-influenza, atuando na inibição da entrada 
do vírus e nas principais atividades enzimáticas virais (LIN et al., 2014). Durante o 
surto de coronavírus SARS-CoV-1, em 2002-2003, extratos de ervas tradicionais de 
diversas localizações geográficas e habitats foram considerados como fontes potenciais 
de novos medicamentos. Os extratos de Lycoris radiata, Artemisia annua, Pyrrosia 
lingua, Lindera aggregata, raiz de Isatis indigotica, extratos de chá preto, entre outros, 
foram testados por sua atividade antiviral contra SARS-CoV-1 apresentando resultados 
positivos in vitro (ISLAM et al., 2020). Para o atual coronavírus pandêmico, o SARS-
 
 
 
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CoV-2 causador da COVID-19, estudos insipientes a partir da triagem virtual de 
compostos bioativos, conhecido como análise in silico por “molecular docking”, 
demonstraram o potencial de moléculas naturais inibirem o vírus. Estas foram 
flavonóides, gorduras, ácidos, taninos, terpenos e alcalóides. A diversidade dessas 
classes químicas se dá devido aos diferentes mecanismos utilizados por cada classe 
fitoquímica de inibir a ação do vírus. Dentre os compostos estudados se verificou 
grande potencial anti-SARS-CoV-2 de flavonóides, flavanonas e flavanóis (ANTONIO 
et al., 2020). 
Além da abordagem do uso de extratos naturais diretamente como antivirais e 
suplementos alimentares para aumentar a imunidade, existem outras formas de utilizar 
estes compostos no auxilio e prevenção de novas pandemias. Uma possibilidade que 
será investigada experimentalmente pelo grupo High Pressure Group da Universidade 
de Valladollid (Espanha), coordenado pela Prof. Dr. Maria José Cocero (pesquisadora 
associada deste projeto) é a formulação de produtos com atividade antivirais, 
bactericidas e/ou anti-fungicidas usando extratos naturais. Neste estudo, em fase inicial, 
pretende-se avaliar a incorporação de extratos naturais para a produção de produtos de 
limpeza biodegradáveis que possam atuar como desinfetantes para vírus e bactérias e a 
confecção de tecidos com propriedades anti-microbianas. 
O uso de tecnologias sub/supercrítica para a obtenção de extratos ricos em 
fitoquímicos tem sido empregado como método alternativo de extração. Ao contrário de 
métodos de extração convencionais como extração por Soxhlet, maceração ou 
destilação a vapor, tecnologias que usam fluidos sub/supercríticos apresentam um 
rápido tempo de extração, uso de solventes atóxicos e fácil recirculação do solvente para 
o processo. Entre estes métodos se destacam a Extração com Fluidos Supercríticos 
(Supercritical Fluid Extraction, SFE) e a Extração com Líquido Pressurizado 
(Pressurized Liquid Extraction, PLE) (SANTOS et al., 2014; SANTANA et al., 2018). 
A SFE é um processo que se beneficia do aumento no poder de solvatação de fluidos 
perto ou acima de seus pontos críticos. Apesar da possibilidade de usar diferentes 
fluidos supercríticos, o dióxido de carbono é o solvente normalmente usado em 
aplicações relacionadas às indústrias cosmética, alimentícia e farmacêutica. O CO2 tem 
uma temperatura crítica baixa (30,4 oC) e uma pressão crítica leve (78 bar); é atóxico, 
relativamente inerte em vários meios e pode ser obtido com alta pureza a um custo 
razoável. O poder do dióxido de carbono supercrítico para extrair seletivamente 
algumas substâncias de diferentes matrizes vegetais é amplamente reconhecido. Por 
 
 
 
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outro lado, em alguns casos, a solubilidade de alguns compostos específicos neste meio 
não é boa. Isso pode ser superado pela adição de co-solvente, geralmente um solvente 
mais polar, como o etanol, por exemplo, ao solvente supercrítico. Isso afeta as 
propriedades da fase fluida devido às fortes interações entre o soluto, o solvente e o co-
solvente (ALBARELLI et al, 2018a). O uso de processos sub/supercríticos como uma 
primeira etapa do processamento da biomassa para obtenção de compostos de alto valor 
agregado previamente à obtenção de produtos e energia em um conceito de biorrefinaria 
tem se apresentado promissora tanto sob a óptica ambiental como econômica 
(CATCHPOLE et al, 2012; ALBARELLI, et al, 2018b; ALBARELLI, et al, 2018c). 
Fluidos sub/supercrícios podem também ser utilizados em etapas de pós-
processamento dos extratos como em processos de purificação, encapsulação e 
secagem. Métodos como Supercritical Antisolvent (SAS), Gas Antisolvent (GAS) ou 
Supercritical Fluid Extraction of Emulsion (SFEE), são promissores para precipitar e 
encapsular compostos ativos em escala submicrométrica, aumentando sua 
biodisponibilidade. Existem ainda outros métodos usando fluidos supercrícos para 
micronização e formação de partículas como o Rapid Expansion of Supercritical 
Solutions (RESS), Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS), entre outros. Ao 
aplicar um meio supercrítico adequado, como dióxido de carbono supercrítico, a 
degradação térmica do composto bioativo não ocorre, devido à baixa temperatura crítica 
do meio (LÉVAI et al., 2017). 
 
1.2 Biorrefinarias do futuro: produção integrada de produtos e medicamentos com 
pegada ambiental limpa, visão social e viabilidade econômica 
A solução para grandes epidemias como a de COVID-19 que estamos 
presenciando no ano de 2020 não se dará apenas com o encontro de uma vacina ou 
remédio, mas principalmente pela mudança de hábitos da nossa sociedade. Os processos 
de produção ambientalmente insustentáveis que adotamos hoje nos diversos segmentos 
econômicos são uma das principais causas do surgimento de novas epidemias ao 
impulsionar dois grandes problemas de nossa era: as mudanças climáticas e a perda na 
biodiversidade. Nesse contexto, é de caráter urgente que a retomada econômica no 
cenário pós-pandemia seja voltada para a bioeconomia, onde produtos possam ser 
obtidos em uma plataforma verde propiciando um olhar holístico ao processo produtivo 
e ao impacto deste no mundo que nos cerca, assim como no ciclo de vida do produto. A 
valorização da biomassa, utilizando todo o seu potencial, minimizando resíduos e 
 
 
 
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também diversificando a matriz de produtos em um conceito de biorrefinaria é 
necessário. Esta alternativa permite utilizar as sinergias do processo para uma produção 
sustentável e eficiente, minimizando o impacto produtivo no meio ambiente e ao mesmo 
tempo trazendo benefícios econômicos e sociais. O amplo espectro de recursos de 
biomassa virgem ou residual em conjunto com fatores como o uso eficiente destes 
recursos, a busca pela eficiência energética e sustentabilidade permitem à biorrefinaria 
produzir uma ampla gama de produtos de base biológica (produtos alimentícios, 
químicos e outros materiais) e bioenergia (biocombustíveis, energia e calor). 
1.2.1 Biorrefinarias integradas para produção de extratos com função antiviral e co-
produtos 
A obtenção de extratos com ação antiviral de fontes naturais e o uso integral dos 
resíduos gerados no processo se apresenta como uma promissora configuração de 
biorrefinaria. No caso da produção de medicamentos naturais para a prevenção e 
tratamento da COVID-19, por exemplo, estudos in silico apresentam os flavonóides 
como moléculas que se destacam como potenciais antivirais para o vírus SARS-CoV-2 
(ANTONIO et al.,2020). Uma possível configuração de biorrefinaria que produza 
extratos com ação antiviral para a COVID-19 seria investigar a obtenção de flavonóides 
de um resíduo abundante no estado de São Paulo, como a casca da laranja. As cascas de 
frutas cítricas correspondem entorno de 30 a 50% do seu peso, sendo um dos principais 
resíduos produzidos pela agroindústria (ORTIZ-SANCHEZ et. al, 2020). Diferentes 
estudos investigam tanto experimentalmente como através de simulação de processos o 
uso desta como fonte de compostos bioativos, energia limpa e ração animal (LÓPEZ et. 
al, 2010). As cascas de laranja são uma rica fonte de flavanonas, naringina e 
hesperidina, mesmo em países não nativos desse gênero, como o Brasil. Pereira et al. 
(2017) demonstraram que os resíduos industriais produzidos pela indústria brasileira de 
suco de laranja têm pelo menos o dobro da concentração de naringina e hesperidina em 
comparação com a fruta fresca. A grande concentração e a enorme produção como 
resíduos industriais deste insumo podem ser um caminho para o isolamento de 
substâncias e obtenção de extratos bioativos contra a COVID-19 em conjuntos com 
outros bioprodutos. 
Outras biorrefinarias poderiam ser propostas para a produção de extratos com 
ação anti-COVID-19 ou outras doenças epidêmicas como a Dengue e a Zika. Para a 
avaliação e consolidação de biorrefinarias, a análise computacional utilizando-se de 
ferramentas para simulação dos processos é imprescindível. 
 
 
 
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1.2.2 Métodos de análise de novas biorrefinarias e ferramentas de simulação de 
processos 
Existem atualmente algumas biorrefinarias já operando em escala comercial 
como a indústria de papel e celulose, a indústria sucroalcooleira e alguns seguimentos 
da indústria de alimentos. Além disso, muitas biorrefinarias diferentes e avançadas estão 
em desenvolvimento, como a produção de etanol de segunda geração e outros produtos 
a partir do bagaço de cana. Uma série de diferentes processos está disponível para a 
produção de bioprodutos pelas futuras biorrefinarias, no entanto, algumas barreiras 
técnicas e econômicas ainda precisam ser superadas. Alguns dos principais obstáculos 
são: seleção e otimização das rotas de obtenção dos produtos, integração do processo 
para minimizar a demanda de energia e água, a utilização de dados representativos e 
confiáveis para estimativa de custos, bem como a determinação dos impactos 
ambientais, sociais e econômico. Entretanto, o método para avaliação e decisão de 
caminhos para consolidação de novas biorrefinarias deve ser cuidadosamente escolhido 
visto que métodos tradicionais de “design” de processos não permitem uma avaliação 
segura dos principais fatores para seu desenvolvimento. Segundo Sacramento-Rivero et 
al. (2016), as ferramentas de projeto apropriadas devem considerar a sustentabilidade da 
biorrefinaria proposta em termos de: (a) deslocamento potencial de combustíveis e 
materiais fósseis, (b) mitigação de impactos ambientais, (c) renovabilidade, (d) 
viabilidade econômica, (e) preservação da biodiversidade e (f) responsabilidade social, 
entre outros indicadores pertinentes. O desempenho na abordagem desses fatores deve 
ser avaliado sob perspectivas ambientais, sociais e econômicas (Figura 1). 
 
Figura 1. Possíveis indicadores de performance para avaliação de biorrefinarias 
nas esferas social, ambiental e econômica. 
 
 
 
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Desta forma, a escolha do método e dos indicadores de performance 
significativos para a avaliação da biorrefineria nos parâmetros propostos se faz 
fundamental na etapa de desenvolvimento inicial. Diferentes métodos de análise para 
essa finalidade são encontrados na literatura (ALVARADO-MORALES et al., 2009; 
MARTINEZ-HERNANDEZ et al, 2013; SACRAMENTO-RIVERO et al., 2016; 
RAKOTOVAO et al., 2018 LINDORFER et al. 2019) e devem ser avaliados em relação 
à qual melhor se adequaria para a avaliação de biorrefinarias para a produção de 
extratos antivirais e outros bioprodutos no contexto Brasileiro. 
O uso de ferramentas de engenharia de processo versáteis e robustas para 
simulação podem ajudar a encontrar soluções para futuras biorrefinarias. O uso de 
softwares comerciais como Aspen Plus (ASPENTECH, 2010) e/ou outros integrados à 
ferramentas de análise que permita otimizar diferentes objetivos e indicar a viabilidade 
do cenário estudado é essencial para a análise de alternativas e para o processo de 
tomada de decisão. Como é o exemplo do software OSMOSE desenvolvido pelo grupo 
LENISYSTEM, liderado pelo Prof. Dr. François Maréchal (Pesquisador associado deste 
projeto), o qual a proponente mantém colaboração desde 2013, localizado na Escola 
Politécnica de Lausanne (École Polytechnique Fédérale de Lausanne – EPFL), na 
cidade de Lausanne, Suíça. OSMOSE é um acrônimo em francês para “otimização 
multiobjetivo de sistemas integrados de energia” (OptimiSation Multi-Objectifs de 
Systemes Energetiques integres). Segundo os autores o OSMOSE é um software que 
permite aos engenheiros indicar os problemas de “design” de processo, resolvê-lo 
usando ferramentas avançadas de integração de processo, de otimização e análise dos 
resultados. Sua filosofia é baseada na associação de algoritmos genéricos e integração 
energética. Este casamento permite a otimização dos processos termodinâmicos e 
utilização racional da energia. 
A Figura 2 mostra um exemplo de biorrefinaria (Biorrefinaria da Laranja). 
Como medicamento antiviral para doenças epidêmicas (COVID-19, por exemplo) um 
extrato rico em hesperidina seria obtido com CO2 supercrítico a partir das cascas de 
laranja oriundas da elaboração de suco e como co-produtos poderíamos ter a produção 
de: 1) Gás de Síntese, que posteriormente seria convertida em Hidrogênio (H2); 2) 
Etanol de segunda geração (2G) (etanol obtido a partir da fração celulósica da casca de 
laranja residual após a obtenção do extrato antiviral) ou Nanocellulose (Fibra de 
cellulose em tamanho nanométrico com potencial uso como material estrutural em 
 
 
 
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substituição à polímeros sintéticos); 3) Ácidos de alto valor agregado (Ácido Ascórbico 
entre outros), entre outros. 
 
 
Figura 2. Exemplo de biorrefinaria e plataforma de simulação. 
Dentre outras possíveis biorrefinarias a serem estudas também está a 
Biorrefinaria da Uva, envolvendo a produção extrato rico em quercetina obtido na 
extração de resíduos da uva, obtidos após a produção de vinho ou outros processos, e 
co-produtos. 
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