Trabalho Etanol - Biotecnologia docx

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Sumário
1. Introdução 3
2. Justificativa 5
3. Revisão Bibliográfica 6
3.1. O que é etanol e suas aplicações 6
3.2. Contexto Histórico e atual mercado 6
3.3. O processo 7
3.5. Comparação da cana-de-açúcar com outras matérias-primas 10
3.6. Vantagens e desvantagens e inovações biotecnológicas 11
4. Conclusão 13
5. Referências 14
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Resumo
Os combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural), recursos naturais não renováveis, são
a principal fonte de energia primária no mundo atualmente. Estudos recentes indicam que a
demanda mundial energética aumentará 49% até 2035 e, caso esse consumo esteja limitado
às reservas de combustíveis fósseis, haverá uma acentuação no impacto ambiental devido à
extração da matéria-prima para esses tipos de combustíveis. Uma boa alternativa para evitar
prejuízos ambientais é a utilização de biocombustíveis, como o etanol. A produção de etanol
por via fermentativa é um processo biotecnológico e consiste, basicamente, em transformar
açúcar em álcool através da ação de um microrganismo. Como forma de garantir maior
eficiência na produção, a biotecnologia tem buscado por diversidade e qualidade de
matéria-prima e de microrganismos. Essa busca baseia-se na comparação com os processos
de produção de etanol de primeira geração já consolidados e visa alta concentração do
produto, baixo preço, qualidade em relação ao processo de conversão e sustentabilidade
ambiental. Diante disto, o presente trabalho tem como objetivo realizar uma breve descrição do
processo convencional, permeando seus requisitos e comparando diferentes matérias-primas.
Além disso, buscou-se também apresentar as vantagens e desvantagens do processo, bem
como as suas perspectivas.
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1. Introdução
Os combustíveis fósseis, além de serem recursos naturais não renováveis, geram um
grande impacto ambiental através da sua queima que emite gases, como o dióxido de carbono,
que contribuem para as alterações climáticas globais. Neste cenário, atender a demanda
crescente de energia para processos de aquecimento, de transporte e industriais é um enorme
desafio (MASSON et al., 2015).
Pensando no desenvolvimento de um sistema energético sustentável, renovável,
rentável e seguro é imprescindível a utilização de novas formas de energias que atendam às
exigências ambientais e econômicas (MASSON et al., 2015).
Os biocombustíveis de primeira geração são fontes de energia produzidas a partir de
material vegetal proveniente da agricultura e que não sofreram processo de fossilização, ou
seja, são combustíveis renováveis. Além disso, os biocombustíveis emitem menores
quantidades de dióxido de carbono e outras partículas poluentes, sendo avaliados como a
principal alternativa para suprir a demanda global de energia (MASSON et al., 2015).
O uso da biotecnologia se caracteriza por qualquer aplicação tecnológica que utilize
organismos vivos ou seus derivados para desenvolver um produto útil ou resolver problemas.
A otimização de um processo biotecnológico visa a uma maior concentração do
produto de interesse em relação à quantidade total produzida. Esse objetivo pode ser alçando,
dentre outras formas, através de uma matéria-prima de qualidade e escolha ideal do
microrganismo. Uma matéria-prima de boa qualidade é aquela que possui baixo custo, alta
disponibilidade e composição nutricional que atenda às exigências do microrganismo. Em
relação ao microrganismo ideal, este não pode ser patogênico, deve resistir a maiores faixas de
variações de pH e temperatura e principalmente, ser um ótimo produtor composto que se
deseja obter.
O etanol é um exemplo de biocombustível e não é um produto encontrado de forma
pura na natureza. Sua produção é um processo biotecnológico que transforma moléculas de
açúcar em álcool através da fermentação alcóolica conduzida microrganismos, mas
especificamente, leveduras do gênero Saccharomyces (SCHENBERG, 2010).
Atualmente, o Brasil é o segundo maior produtor de etanol do mundo e a principal
matéria-prima utilizada é a cana-de-açúcar, que apresenta grande disponibilidade devido a sua
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alta capacidade de prosperar em condições características do país. O milho e a beterraba são
outras matérias-primas de grande utilização para o processo de produção de etanol no mundo
(PACHECO, 2011).
Sob esta ótica, nota-se a importância de dominar o conhecimento sobre as espécies
vegetais que apresentam eficiência e alto rendimento para a produção do etanol, bem como o
conhecimento sobre os microrganismos utilizados no processo (MASSON et al., 2015).
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2. Justificativa
Diante dos desafios de encontrar uma fonte de energia capaz de suprir as premissas
ambientais e econômicas, a utilização de biocombustíveis como o etanol apresenta uma alta
viabilidade.
As leis que exigem o uso de biocombustíveis em meios de transporte e a possibilidade
da mistura de etanol na gasolina são fatores que conferem esperança de que o mercado de
etanol mundial crescerá ainda mais.
O aumento da eficiência na produção de etanol está diretamente ligado à expansão da
competitividade no mercado. Desta forma, o desenvolvimento de tecnologias capazes de
melhorar o rendimento da produção no setor é extremamente valorizado.
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3. Revisão Bibliográfica
3.1. O que é etanol e suas aplicações
O etanol ou álcool etílico (C2H5OH) é uma substância líquida e incolor. Apresenta
cheiro característico, é volátil, é inflamável e solúvel em água. Sua estrutura é composta por
dois átomos de carbono, cinco de hidrogênio e um grupo hidroxila (MARTINS, 2015).
A classificação do etanol em anidro ou hidratado dá-se em função da concentração de
água em sua composição. O anidro tem o teor de água equivalente a 0,5%, enquanto o
hidratado apresenta teor de 5% (CINELLI, 2012).
O etanol pode ser usado como solvente na fabricação de tintas, vernizes e perfumes,
na preparação de produtos farmacêuticos e como combustível (CINELLI, 2012).
Atualmente, a maior parte do etanol produzido é destinada para as indústrias de
biocombustíveis que posteriormente, será utilizado para abastecer automóveis. Para esta
finalidade, utiliza-se etanol hidratado produzido através do processo industrial convencional
(CINELLI, 2012).
3.2. Contexto Histórico e atual mercado
Desde o descobrimento, tem-se no Brasil uma forte ligação entre as indústrias de
açúcar e álcool. A crise internacional em 1929 trouxe grandes problemas para as indústrias
açucareiras, uma vez que havia excesso de açúcar e cana. Com a instalação da crise, tinha-se
também a falta de divisas para a aquisição do combustível líquido. Nesse contexto,
implantou-se a primeira destilaria de álcool anidro (AQUARONE et al., 2001).
Mais tarde, em 1973 ocorreu o primeiro choque do petróleo e o Brasil começou a
buscar alternativas para diminuir a dependência do país ao combustível fóssil. Diante disso, o
governo federal lançou, em 1975 o Programa Nacional do Álcool (Proálcool) que visava a
produção de álcool anidro de cana-de-açúcar (CINELLI, 2012).
A partir daí, o preço competitivo do etanol juntamente com a preocupação do
esgotamento das fontes não renováveis de combustíveis fósseis e questões relacionadas à
emissão de substâncias que comprometem o meio ambiente, o álcool adquiriu uma grande
importância e alavancou-se no mercado, passando a abastecer uma grande frota de
automóveis (CINELLI, 2012).
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Atualmente, o Brasil é o segundo maior produtor de etanol do mundo com 28 bilhões
de litros anuais (Figura 1), ficando atrás apenas dos Estados Unidos com 50 bilhões de litros
por ano. A principal matéria-prima utilizada para a produção de álcool no país é a
cana-de-açúcar, espécie vegetal que encontra em solo, topografia e clima brasileiros as
condições ideais para prosperar (BORTOLETTO; ALCARDE, 2015).
Figura 1: Reações para fermentação alcóolica
FONTE: UDOP, 2017
3.3. O processo
A obtenção do etanol é possível através da via fermentativa, via destilatória e via
sintética. A vida destilatória não possui importância econômica no Brasile a via sintética
utiliza-se de hidrocarbonetos não saturados, como petróleo. Apesar de haver disponibilidade de
derivados de petróleo, a via fermentativa é a mais utilizada no Brasil, uma vez que há grande
disponibilidade de matéria-prima natural em todo o país (AQUARONE et al., 2001).
O processo da via fermentativa é caracterizado pelo preparo do substrato, a
fermentação e a destilação. A primeira etapa consiste em preparar a matéria-prima da qual
será extraída os açúcares e apresenta diferentes formas de acordo com a matéria-prima
utilizada. Na segunda etapa é onde ocorre a transformação dos açúcares em etanol e na
terceira, ocorre a separação das impurezas do etanol (AQUARONE et al., 2001).
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A matéria-prima pode ser qualquer produto que forneça amido, glicose e mistura de
sacarose, glicose e frutose, em outras palavras, a matéria-prima adequada deve conter açúcar
ou outro carboidrato. Dentre as matérias açucaradas têm-se principalmente a cana-de-açúcar,
beterraba, milho, melaço, mel de abelha e frutas (AQUARONE et al., 2001).
Tratando-se das matérias-primas, algumas não são diretamente fermentescíveis, ou
seja, são compostas por dissacarídeos que fermentam após uma hidrólise realizada pela
enzima invertase que é produzida pelo agente de fermentação (AQUARONE et al., 2001).
Os agentes de fermentação utilizados no processo são leveduras, sendo as leveduras
do gênero Saccharomyces as principais. Embora pouco utilizadas, algumas bactérias como a
Zymomonas mobilis também possuem a capacidade de produzir etanol (AQUARONE et al.,
2001).
A transformação do açúcar em etanol pelo microrganismo acontece através de uma
série de reações bioquímicas, reguladas enzimaticamente que são sintetizadas na Figura 1.
Essas reações acontecem porque a levedura metaboliza o açúcar para gerar energia
necessária para manutenção da vida (AQUARONE et al., 2001).
Figura 2: Reações para fermentação alcóolica
Fonte: "Fermentação alcoólica" em Só Biologia, 2008-2018
O etanol é o produto de interesse, porém não é o único formado através da
fermentação. Os produtos variam de acordo com o meio em que o microrganismo for
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submetido. Para a Saccharomyces, por exemplo, a produção de etanol ocorre em processo de
anaerobiose, caracterizando a fermentação alcóolica. A Figura 2 apresenta a proporção de
produtos gerados pela fermentação alcoólica em g/100g de glicose de acordo com diferentes
fontes (AQUARONE et al., 2001).
Figura 2: Proporção dos produtos da fermentação alcóolica
Fonte: AQUARONE et al., 2001
Em condições industriais, normalmente obtém-se o rendimento de 90%, pois a
levedura pode ser afetada por condições físicas e microbiológicas. (AQUARONE et al., 2001)
A fermentação pode ser afetada pela nutrição mineral e orgânica. Como já
mencionado, o microrganismo metaboliza o açúcar para obter energia e, portanto, necessita de
uma fonte de carbono elaborada. Algumas vitaminas e elementos como fósforo, enxofre,
potássio, cálcio, zinco, manganês, cobre, ferro e iodo também devem ser fornecidos
(AQUARONE et al., 2001).
As leveduras são mesófilas, possuindo temperatura ótima na faixa de 26 e 35ºC. Isso
torna a temperatura um fator que afeta a fermentação e por isso, deve ser controlada. Outro
fator é o pH que normalmente encontra-se entre 4,5 e 5,5 nas indústrias, pois a maior acidez
do meio favorece a produção de etanol (AQUARONE et al., 2001).
Deve-se ter um cuidado com os fatores que inibem a fermentação, como a alta
concentração do próprio etanol ou elevados teores de açúcares que acarretam no estresse
osmótico do microrganismo (AQUARONE et al., 2001).
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Após a fermentação, a purificação do etanol inicia-se através da destilação que se
baseia no fracionamento de líquidos voláteis com diferentes pontos de ebulição, a fim de obter
cada um deles com um alto grau de pureza. Com isso, fica pronto o álcool hidratado, usado
como etanol combustível (AQUARONE et al., 2001).
3.4. Resíduos gerados utilizando cana-de-açúcar como matéria-prima
Os principais resíduos gerados são a água de lavagem, o bagaço e a vinhaça.
A água de lavagem é decorrente do processo de lavagem da matéria-prima para o
processamento industrial. Considerando a cana-de-açúcar como matéria-prima, é gerado em
torno de 1 kg de resíduo por tonelada de cana (BONASSA et al., 2015).
O reuso da água é uma alternativa viável para a diminuição da produção do resíduo,
mas a adição de floculantes, antes de um tratamento biológico possui altos gastos. Caso este
efluente não seja reaproveitado (sistemas abertos), deve ser lançado diretamente na lavoura
ou tratado para a redução de carga orgânica (BONASSA et al., 2015).
O bagaço é gerado na saída da moenda, ou seja, na etapa de extração do caldo da
cana-de-açúcar e é constituído de água, fibra e sólidos solúveis. Cerca de uma tonelada de
cana moída, gera aproximadamente 250 kg de bagaço. Esse resíduo possui característica
energética devido ao seu grau de umidade (cerca de 48%) e é muito utilizado para a geração
de energia através da sua queima. O bagaço também tem sido muito empregado em ração
animal e produção de bioetanol de segunda geração (BONASSA et al., 2015).
Já a vinhaça é proveniente da filtração do caldo extraído no filtro rotativo através da
moenda e possui 85% da sua composição cálcio, nitrogênio e potássio. A cada tonelada de
cana é gerado entre 30 e 40 kg de vinhaça. A principal aplicação para esse resíduo é na
irrigação do solo destinado ao plantio da cana-de-açúcar (BONASSA et al., 2015).
3.5. Comparação da cana-de-açúcar com outras matérias-primas
No cenário industrial mundial já se tem bem estabelecida a produção de etanol de
primeira geração por meio de matérias-primas como cana-de-açúcar, beterraba e milho.
A produção de etanol utilizando milho é majoritariamente dos Estados Unidos, o maior
produtor de biocombustível do mundo. Tal produção supera em aproximadamente quatro vezes
a produção a partir da cana-de-açúcar, porém o amido extraído do milho que será o açúcar
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usado na fermentação precisa ser primeiramente hidrolisado. Essa etapa encarece o processo
de produção entre 10 a 15%. Em um balanço econômico considerando o valor da saca de
milho, a produção de etanol a partir dessa matéria-prima torna-se viável, exceto pela utilização
de combustíveis fósseis em sua produção (BORTOLETTO; ALCARDE, 2015).
No Brasil, não há produção de etanol a partir da beterraba. Essa matéria-prima precisa
ser cultivada em clima temperado e necessita passar por um processo de replantio a cada ano.
Além disso, as indústrias produtoras de etanol de beterraba utilizam combustíveis fósseis, o
que encarece a produção em relação ao etanol de cana-de-açúcar que em sua maioria utiliza o
bagaço para geração de energia (MARTINS, 2015).
Outras matérias-primas como a soja e a mamona têm sido estudadas, mas ainda não
apresentaram viabilidade superior às demais produções.
3.6. Vantagens e desvantagens e inovações biotecnológicas
Diante do seu potencial amenizador de problemas ambientais, vê-se no etanol como
biocombustível uma excelente alternativa aos combustíveis fósseis, uma vez que e sua
matéria-prima pode ser replantada e ele possibilita a redução de gases que contribuem para o
efeito estufa (CINELLI, 2012).
Apesar das grandes vantagens, a produção de etanol de primeira geração é alvo de
constantes críticas por ocupar terras férteis que poderiam ser destinadas ao cultivo de
alimentos e também por utilizar matéria-prima de uso alimentar. No Brasil, a competição por
áreas de plantio destinadas a alimentos ou produção de etanol é inexistente, devido a grande
disponibilidade de terras degradadas, as quais o plantio de cana-de-açúcar pode melhorar a
condição de fertilidade do solo (PACHECO, 2011).
Diante disso, a busca pela otimização do processo tem aumentado consideravelmente.
Um dos principais ramos de pesquisa na área visa à descoberta de matéria-prima que
apresente grande disponibilidade, baixo preço, qualidade em relação aoprocesso de
conversão e sustentabilidade ambiental. Nesse contexto, a produção de etanol de segunda
geração tem ganhado cada vez mais espaço (PACHECO, 2011).
Ainda visando à otimização, busca-se pela melhoria das características de
microrganismos para garantir alta eficiência fermentativa. A metagenômica, por exemplo, é
uma abordagem moderna que permite extrair o DNA das amostras sem necessidade de cultivo
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em meio sintético, possibilitando a exploração de 99% de microrganismos que não são
identificados pelos métodos clássicos.
Uma modificação genética realizada nos microrganismos utilizados no processo de
etanol tratou-se do desenvolvimento uma linhagem da levedura Saccharomyces capaz, ao
mesmo tempo, de produzir e excretar para o meio de fermentação a lisozima, uma enzima com
atuação bactericida. Isso se deve ao fato de que um grande problema no processo de
produção do etanol é a contaminação do meio por bactérias e o uso constante de antibióticos
possibilita a seleção de bactérias resistentes e surgimento de uma nova população
contaminante, além de ser prejudicial ao meio ambiente (SCHENBERG, 2010).
A enzima lisozima também agrega valor no processo de produção de etanol, uma vez
que a sua posterior purificação permite a empregabilidade na conservação de alimentos e na
composição de medicamentos (SCHENBERG, 2010).
A cana-de-açúcar, principal matéria-prima para a produção de etanol brasileiro também
sofreu modificações genéticas e tornou-se resistente à broca (Diatraea saccharalis), principal
praga que ameaça a cultura. Essas pragas impactam a qualidade do açúcar e aumentam os
custos com inseticidas, gerando perdas avaliadas em 5 bilhões de reais por ano.
4. Conclusão
Nitidamente, o etanol atua como peça chave na segurança e proteção ambiental e
climática. A atual colocação mundial do Brasil como grande produtor de etanol precisa ser no
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mínimo, mantida e para isso, é necessário que a produção atenda a crescente demanda.
Para tanto, é imprescindível a constante busca por melhorias no processo atual,
visando ganho de produtividade e redução de custos.
Dentre as diferentes matérias-primas, o etanol produzido através da cana-de-açúcar
ainda é o processo mais lucrativo e vantajoso para o país e, portanto, o melhoramento deste
processo traria benefícios em um curto prazo.
As modificações genéticas dos microrganismos através da biotecnologia é uma grande
área capaz de aumentar os índices de produção de álcool, colaborando para que o Brasil
ganhe cada vez mais mercado e possa ser um dos supridores mundiais de etanol.
Entretanto, não se podem descartar as possibilidades de utilização de novas rotas de
produção e insumos, principalmente de resíduos celulósicos, que é o caso do etanol de
segunda geração.
5. Referências
AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter; LIMA, Urgel de Almeida de; SCHMIDELL, Willibaldo.
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Biotecnologia industrial: processos fermentativos e enzimáticos. 1.ed. São Paulo: Editora
Edgard Blücher LTDA, 2001. 593p. 4v. v.3, p.1-39.
BONASSA, G. et al. Subprodutos Gerados na Produção de Bioetanol: Bagaço Torta de Filtro
água de Lavagem e Palhagem. Revista Brasileira de Energias Renováveis, n. 4, p. 144–166,
2015.
BORTOLETTO, A. M.; ALCARDE, A. R. Dominante nos EUA , etanol de milho é opção , no
Brasil , para safra excedente. Visão Agrícola, n. 13, p. 135–137, 2015.
"Fermentação alcoólica" em Só Biologia. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2018.
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em https://www.sobiologia.com.br/conteudos/bioquimica/bioquimica3_2.php.
MARTINS, R. V. ETANOL DE BETERRABA. Itr@ciência, v. 10, n. 31, p. 1–16, 2015.
MASSON, I. S. et al. Produção de bioetanol a partir da fermentação de caldo de sorgo sacarino
e cana-de-açúcar. Biotechnology for Biofuels, v. 02, n. 8, p. 22, 2015.
PACHECO, T. F. A Importância da Produção de Etanol. Circular Técnica - Embrapa, p. 1–6,
2011.
SCHENBERG, A. C. G. Biotecnologia e desenvolvimento sustentável. Revista Estudos
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