Produção de etanol celulósico

O uso de biocombustíveis, como o bioetanol, é uma das alternativas para a redução da poluição do ar nas cidades e do processo de acumulação do CO2

liberado na combustão, além de ser um caminho para a segurança energética, uma vez que diversifica as fontes de combustíveis fósseis42,47_{. O uso de bioetanol de}

primeira geração é uma realidade no Brasil desde a década de 1970, graças a incentivos governamentais. Com a produção de veículos flexíveis, que podem utilizar tanto gasolina como etanol, desde de 2001, houve um novo aumento na demanda e na produção desse biocombustível, devido ao menor preço comparado à gasolina48_.

Segundo a Companhia Nacional do Abastecimento (CONAB)49_{, a}

estimativa de produção de etanol a partir da cana-de-açúcar para a safra de 2018/2019 é de 32,3 bilhões de litros, o que representa um aumento de 18,6% em relação à safra anterior. Desses, 1,3 bilhões foram exportados entre abril e novembro de 2018, 18% a mais do que o mesmo período de 2017. Os principais importadores de etanol do Brasil são Estados Unidos, Coreia do Sul, Japão, Holanda e Colômbia.

Do ponto de vista ambiental, a utilização de etanol leva à redução de 62% dos gases causadores do efeito estufa, quando comparado à gasolina48_{. Esses}

fatores contribuem para o estudo de métodos que aumentem a produtividade desse biocombustível, além da redução de custos do processo de produção.

Como alternativa para o aumento da produtividade do bioetanol, a produção do etanol 2G é um caminho promissor. Além das vantagens do biocombustível, já discutidas, ela representa um modo de agregar valor aos resíduos agroindustriais e às gramíneas de rápido crescimento. Além disso, as exportações de etanol reduzem nos meses do fim da colheita da cana-de-açúcar, devido à perda de competitividade do etanol com a gasolina49_{, o que reforça a necessidade de}

aumentar a produtividade do etanol, especialmente nesse período. Além disso, utilizar resíduos agroindustriais ou plantas que crescem em terrenos pouco férteis,

como o capim elefante, não afeta a extensão de terras cultiváveis utilizadas na produção de alimentos50_.

A produção de etanol 2G pode ser dividida em 4 etapas: pré-tratamentos, hidrólise, fermentação e destilação, conforme ilustrado na Figura 8. No conceito de uma biorrefinaria, esse processo deve, além de maximizar a produção de açúcares fermentáveis (e consequentemente, de etanol), buscar alternativas para o aproveitamento das outras frações.

Figura 8. Esquema das etapas para a produção de etanol celulósico.

1.2.1 Pré-tratamentos

Por definição, pré-tratamentos são todos os procedimentos realizados antes da hidrólise da celulose em açúcares, podendo ser métodos físicos, químicos, biológicos ou a combinação desses51_{. Pré-tratamentos efetivos devem reduzir o}

gasto energético, o tempo de operação e a quantidade de resíduos19_{. A hidrólise é}

comumente catalisada por enzimas; portanto, os pré-tratamentos são utilizados principalmente para a obtenção de um sólido rico em celulose, que apresente pouca lignina, maior porosidade e área superficial52_{, o que facilita a ação enzimática. Isso é}

consequentemente, reduz a taxa de conversão de celulose em monossacarídeos fermentáveis53_{, conforme indicado na Figura 9.}

Figura 9. Esquema para os pré-tratamentos da biomassa lignocelulósica visando o aumento da digestibilidade enzimática.

Dentro do conceito de uma biorrefinaria, a totalidade dos componentes da biomassa deve ser separada e aproveitada. Para isso ser possível, a escolha dos métodos de pré-tratamentos é fundamental, além de serem decisivos no custo e tempo dos processos. Biorrefinarias podem representar um novo mercado para a agricultura, podendo gerar empregos, o que contribui para o desenvolvimento econômico das áreas onde estão implementadas54_.

Processos que maximizem a conversão de celulose em açúcares fermentáveis são cruciais para viabilizar a produção de etanol de segunda geração em larga escala. Essa taxa de conversão pode ser aumentada por diferentes métodos de tratamento, que agem de formas distintas. Eles podem atuar na redução da recalcitrância da biomassa, tanto por remoção dos componentes como hemicelulose e lignina, como pela redução da cristalinidade, do grau de polimerização ou promovendo aumento da área superficial16,17,55,56_{. Além disso,}

deve-se evitar a degradação do substrato celulósico e a produção de inibidores enzimáticos e fermentativos57_.

Os três principais desafios para a produção do etanol celulósico são: os processos de pré-tratamento da biomassa58_{, que envolvem o que foi proposto neste}

trabalho; o alto custo das enzimas para a hidrólise enzimática59 _{e a viabilização da}

fermentação das pentoses em etanol60_{. Como uma série de métodos de pré-}

tratamentos já estão bem estabelecidos, quanto aos efeitos químicos que causam na biomassa, os passos atuais envolvem a otimização de condições, para reduzir gastos, além de integrar os processos.

1.2.2 Hidrólise enzimática

A conversão de celulose em glicose é comumente catalisada por enzimas chamadas celulases, que são altamente específicas nesse processo de conversão61_.

Embora o processo de hidrólise possa ser também catalisado por via ácida, a utilização de enzimas apresenta vantagens devido à maior especificidade, à não geração de inibidores enzimáticos (como os produtos de degradação dos açúcares), e à utilização de condições mais brandas para os equipamentos (temperaturas em torno de 50°C e pH próximos a 5), evitando oxidação62_.

Bactérias e fungos podem produzir celulases, sendo que os fungos são mais estudados e utilizados, especialmente espécies de Trichoderma, Aspergillus e

Penicillium. Três principais grupos de enzimas compõem as celulases, responsáveis

pela conversão de celulose em glicose: as endoglucanases, que atacam as regiões de menor cristalinidade da fibra celulósica, reduzindo o tamanho das cadeias; as exoglucanases, que atacam as extremidades da cadeia, liberando celobiose; e as β- glucosidades, que hidrolisam celobiose em glicose. Além disso, enzimas auxiliares, que atacam hemicelulose podem estar presentes em coquetéis comerciais63_.

O processo de hidrólise pode ser dividido em três etapas: a adsorção da enzima na superfície da celulose, seguido pela biodegradação da celulose em açúcares fermentáveis e pela dessorção da enzima. Grande parte da inativação da enzima está relacionada a não-dessorção da superfície da celulose ou a adsorção em lignina64_.

1.2.3 Fermentação

Após a obtenção dos açúcares, estes são fermentados para a produção de etanol. Esse processo pode ser realizado por micro-organismos, bactérias e leveduras65_{. Comumente, utiliza-se a levedura Saccharomyces cerevisiae, que pode}

crescer consumindo tanto glicose, como sacarose. É por essa via, por exemplo, que é obtido o etanol de primeira geração, pela fermentação dos açúcares contidos no caldo da cana-de-açúcar.

A hidrólise enzimática e a fermentação também podem ser realizadas simultaneamente (SSF, do inglês simultaneous saccharification and fermentation). O processo feito separadamente (SHF, do inglês separate hydrolysis and fermentation) possui um maior rendimento de hidrólise, uma vez que as enzimas realizam a conversão na sua temperatura ótima. No entanto, podem ser formadas maiores quantidades de inibidores fermentativos e ocorre o aumento do número de passos do processo50_{. Por outro lado, a utilização de SSF leva a um menor número de}

inibidores fermentativos, mas é realizado em uma temperatura inferior para a enzima, devido à possível degradação das leveduras. Após obtido por fermentação, o etanol é então destilado e direcionado para suas aplicações.