Próximas gerações de biocombustíveis: ficção científica?
Alguns assinantes do portal BiodieselBR ligaram, outros escreveram emails. Em comum, uma dúvida com fundo de ceticismo: muito bonito o que você escreveu sobre as próximas gerações de biocombustíveis, mas o que existe, efetivamente, de prático, que nos dê segurança que este rumo poderá ser trilhado? Que avanços palpáveis podem ser mostrados, que indiquem que uma segunda ou terceira geração de biocombustíveis, nos moldes referidos, possa se consolidar de forma competitiva, nos próximos anos?
Dois dos interlocutores chamaram a atenção para o etanol celulósico. Um deles referiu que a Dedini iniciou estudos, no Brasil, para produção de etanol celulósico (de bagaço de cana), pela via da hidrólise ácida, ainda nos anos 80. Uma planta piloto pré-industrial foi construída, entretanto a tecnologia nunca atingiu maturidade comercial.
Outro assinante lembrou os bilhões de dólares que os EUA colocaram em projetos de pesquisa sobre hidrólise enzimática para produção de etanol celulósico, pelos Departamentos de Agricultura e de Energia americanos, além dos recursos privados, que geraram centenas de papers, mas etanol no mercado, por enquanto, é um sonho. Há três anos, o então presidente Bush criou, de uma só tacada, 5 centros de pesquisa dedicados exclusivamente ao desenvolvimento da tecnologia de desdobramento de celulose e hemicelulose, para produção de etanol, com recursos iniciais de US$150 milhões.
Mesmo assim, a tecnologia patina, pelo alto custo e extrema especificidade das enzimas em relação à matéria prima, pela dificuldade de desenvolver tecnologias single step (da celulose ao etanol em etapa única), pelas barreiras de desdobramento e fermentação da hemicelulose (composta de pentoses), entre outras dificuldades.
Ótimos questionamentos, são ponderações pertinentes que me inspiraram a escrever este texto. Aceito a primeira ponderação, sobre hidrólise ácida, como (quase) definitiva e as demais como indicações das dificuldades encontradas até o momento, porém perfeitamente superáveis. Discorro, a seguir, sobre a tecnologia da Dedini e, posteriormente, sobre outras rotas tecnológicas das futuras gerações de biocombustíveis.
Hidrólise ácida
Tudo começou com um pequeno protótipo instalado no Centro de Tecnologia da Copersucar, atualmente Centro de Tecnologia Canavieira (CTC), sediado em Piracicaba. Demonstrada a viabilidade tecnológica em bancada, a tecnologia foi patenteada em 1996, tendo sido projetada uma planta piloto, instalada pela Dedini Indústrias de Base na usina São Luiz, em Pirassununga.
Visitei a planta no início de 2007 e lá permaneci um dia conversando com os engenheiros responsáveis. A tecnologia proprietária é denominada DHR — Dedini Hidrólise Rápida. O propósito é a hidrólise ácida do bagaço de cana, obtendo monossacarídeos, que seriam fermentados para obtenção de etanol. A motivação central da empresa era o potencial de aumento da produção de etanol, sem expansão da área plantada de cana-de-açúcar.
A hidrólise ácida é uma das rotas possíveis para a obtenção de etanol a partir da celulose, abundante nos resíduos da cultura da cana-de-açúcar ou do milho, hoje as duas principais fontes do produto. Na tecnologia patenteada pela empresa — maior fornecedora de bens de capital para o setor sucroalcooleiro —, um solvente dilui a lignina, estrutura da fibra do bagaço de cana que protege a celulose, para permitir a quebra das cadeias de carbono que a formam e a conseqüente geração de hexoses — açúcares formados por cadeias de seis carbonos, que serão finalmente utilizados para produção de álcool. O resíduo é formado pela hemicelulose e pela lignina, presentes em alto teor no bagaço de cana.
Na usina piloto, o bagaço é transportado para o alto da planta em uma esteira, chegando à boca do reator, instalado em uma torre da planta experimental. Ao lado do reator, no fundo da torre, está instalado um sistema que prepara e dilui o ácido, que fica circulando dentro do equipamento. O líquido passa por um tanque onde é resfriado por redução brusca de pressão, processo necessário para interromper a reação química do ácido.
Depois de passar por esse tanque, o líquido vai para a coluna de destilação. Nela é recuperado o solvente, que sai pela parte de cima da coluna e volta para o reator. Já a água, os açúcares e os produtos pesados saem pelo fundo. Ao final do processo de hidrólise resulta açúcar e água, que são levados para o processo normal de fermentação e destilação, ou seja, passam a ser integrados ao sistema convencional da usina. Esta etapa dura cerca de uma hora.
A planta piloto da DHR pode produzir, teoricamente, até cinco mil litros de álcool por dia, a partir do processamento de duas toneladas de bagaço por hora. Não obtive os números sobre a eficiência técnica e econômica da operação naquele estágio da produção (compreensível, por tratar-se de segredo industrial). Entretanto, como exemplo do potencial da tecnologia, me foi explicado que, em um hectare de cana, são colhidas 80 toneladas de cana limpa, sem palha. Essas 80 toneladas produzem, pelo processo convencional, 6.400 litros de etanol hidratado.
Colhendo a cana integral, que inclui a palha hoje deixada no campo, a produção por hectare passa a ser de 96 toneladas. Além dos 6.400 litros de bioetanol hidratado produzido a partir do caldo resultante do processo convencional, seria possível produzir mais 5.650 litros de bioetanol com o uso da tecnologia DHR para extração de mais açúcar do bagaço, e com a queima da palha para gerar energia que antes era produzida a partir do bagaço. Ao final, são produzidos 12.050 litros de etanol por hectare, ou seja, dobra-se a produção se a tecnologia DHR for empregada e se a palha for usada para geração de energia para a usina.
Durante a visita in situ à planta piloto, pude constatar que, após algum tempo de operação, a lignina formava um depósito com consistência sólida e firme (lembrando pedras de carvão mineral), que obstruíam as saídas do reator, exigindo manutenção freqüente. Este fato, aliado à dificuldade de fermentação de pentoses, de forma integrada com o processo rotineiro da usina, se constituíam em obstáculos técnicos ponderáveis, com óbvio reflexo na viabilidade econômica do processo.
Logo após à minha visita, a Dedini Agro, proprietária da Usina São Luiz, foi vendida para a Abengoa Energia, de capital espanhol. Posteriormente à venda, não tive mais noticias da continuidade do projeto DHR, apesar de que a planta piloto não foi incluída na venda à Abengoa. Portanto, devo reconhecer que, especificamente no tocante à hidrólise ácida de material lignocelulósico, estamos estacionados no acostamento.
Os avanços concretos
Porém, uma leitura atenta dos artigos que tenho escrito, mostrará que meu otimismo nas gerações futuras de biocombustíveis sempre repousa nas inovações provenientes da microbiologia, mais especificamente da biotecnologia e da biologia sintética. Para introduzir esta parte do artigo, vou recuperar os conceitos de gerações de biocombustíveis.
1ª. Geração: É a geração atual, composta, principalmente pelo etanol, biodiesel e biogás (proveniente de biodigestores);
2ª. Geração: São biocombustíveis obtidos por novas técnicas de processamento, a partir de matéria prima já existente. O exemplo mais conhecido é o etanol celulósico;
3ª. Geração: Serão obtidos biocombustíveis através de novas técnicas de processamento, resultantes de aprimoramentos da 2ª. geração, porém sua grande marca será a utilização de matérias primas específicas. Um bom exemplo são os biocombustíveis a serem obtidos de microalgas melhoradas para obtenção de energia;
4ª. Geração: Plasma os dois conceitos anteriores (métodos revolucionários e matérias primas mais eficientes) com otimização do balanço energético, integração de processos, conjugados com captura e estocagem do gás carbônico resultante do processo de obtenção de
Avanços da 2ª. geração
O etanol de primeira geração pode ser obtido pela conversão de materiais renováveis, através de processo fermentativo, usando cepas melhoradas por processos clássicos, derivadas de microrganismos encontrados na natureza.
Ocorre que, exceção feita à cana de açúcar, restrições são apostas ao etanol obtido de outras matérias primas (produto caro, compete com produção de alimentos, baixa eficiência energética, alto fluxo de carbono, etc.). Os resíduos agrícolas, entretanto, poderiam solucionar todos estes problemas. Estes materiais são em grande parte compostos de celulose, o principal componente da parede celular vegetal.
Entretanto, a celulose é muito mais difícil de degradar a açúcares simples do que o amido. Uma complicação adicional é que, enquanto a reação de fermentação que decompõe o amido de milho só precisa de uma enzima, a degradação da celulose requer todo um conjunto de enzimas, trabalhando em conjunto. Adicionalmente, para cada matéria prima, com arranjo celulósico diferente, são necessárias enzimas diferentes e condições de reação específicas.
As enzimas degradadoras de celulose são as celulases. As enzimas atualmente utilizados na indústria - isoladas de várias espécies de fungos filamentosos encontrados em vegetais em decomposição - são lentas e instáveis, e, como resultado, o processo é proibitivamente caro.
Poderia citar diversos exemplos de avanços concretos e inovadores no aproveitamento de material lignocelulósico para produção de etanol. Porém, por objetividade, vou me fixar em um artigo publicado na edição de 20/3/2009 da PNAS online (revista da Academia Nacional das Ciências dos EUA)[1]. No artigo, professores da prestigiosa Caltech (Califórnia Institute of Technology), relatam a construção de 15 catalisadores enzimáticos, altamente termoestáveis, que quebraram eficientemente a celulose em açúcares, em ambiente de altas temperaturas. O material genético foi sintetizado in vitro e introduzido em Saccharomyces cerevisae, a partir de genes obtidos dos fungos Humicola insolens, H. jecorina e Chaetomium thermophilum.
Previamente a este estudo, menos de 10 enzimas fúngicas celobiohidrolase II eram conhecidas. Porém a inovação está no fato de que as enzimas construídas possuem uma notável estabilidade térmica, e demonstraram a capacidade de degradar celulose atuando em um variado leque de condições, tanto de ambiente quanto de matéria prima.
As 15 novas enzimas foram criadas usando um processo chamado de recombinação de estrutura guiada (structure-guided recombination). Com o auxílio de um programa de computador para design genético, é possível determinar exatamente onde os genes devem recombinar, para obter a maior chance de sucesso. No caso, os pesquisadores buscavam enzimas que pudessem atuar a temperaturas muito superiores à temperatura máxima suportada pelas atuais celulases industriais.
Os cientistas do Caltech recombinaram as seqüências de três celulases fúngicas já conhecidas e eficientes, obtendo mais de 6.000 grupos de progênies, que eram diferentes de qualquer um dos parentais, embora as proteínas codificadas na enzima possuam a mesma estrutura, e mantenham a capacidade de degradação de celulose.
Nesta etapa, os pesquisadores da Caltech buscaram a parceria de cientistas da DNA2.0 (https://www.dna20.com), que é uma empresa privada de base biotecnológica fundada em 2003, atuando na área de genômica sintética, com sede em Menlo Park (Califórnia). Pesquisas da DNA2.0 identificaram os princípios de design genético pelo qual os códons[2] são usados para maximizar a expressão de proteínas. Fruto desta pesquisa, foi possível produzir uma série de algoritmos que maximizam, de forma altamente confiável, a expressão de genes heterólogos.
Ao analisar, com o apoio de um software específico, as enzimas codificadas por um pequeno subconjunto destas seqüências, os cientistas do Caltech e da DNA2.0 foram capazes de prever quais das mais de 6.000 novas enzimas seria a mais estável, especialmente sob temperaturas mais elevadas. A termoestabilidade é uma exigência de celulases eficientes, pois em temperaturas mais altas - digamos, 70 ou 80 graus Celsius - as reações químicas são mais rápidas. Além disso, a celulose “incha” em altas temperaturas, o que torna mais fácil de quebrar a sua cadeia, por ataque enzimático. Infelizmente, as celulases encontradas na natureza são inativadas a temperaturas superiores a 50 graus Celsius.
Há mais vantagens na inovação. As enzimas que são altamente termoestáveis também tendem a durar por um longo tempo, mesmo em temperaturas mais baixas. Enzimas mais duradouras quebram mais celulose, reduzindo a necessidade de reposição, logo seus custos são mais baixos.
As seqüências desenhadas pelo computador foram sintetizadas quimicamente em moléculas reais de DNA, as quais foram transferidas para a levedura Saccharomyces cerevisae, responsável pela transformação de açúcares em etanol. A levedura transgênica produziu as enzimas, que foram então testadas para avaliar a sua capacidade e eficiência para degradar celulose. Todas as 15 novas celulases obtidas por biologia sintética foram mais estáveis, operaram em temperaturas significativamente mais elevadas (70 a 75 graus Celsius), e degradaram mais celulose por unidade de tempo e de enzima, do que as enzimas parentais.
Este trabalho demonstrou o que é possível fazer através da biologia sintética. Sem necessitar recorrer a qualquer organismo vivo – sequer os fungos que doaram as sequências genéticas – foi possível resolver uma série de problemas que vinham se constituindo em barreiras ao avanço dos processos de obtenção do etanol celulósico, de forma competitiva.
Assim, em laboratório e em pequena escala foi possível quebrar uma série de paradigmas que entravavam o ingresso da segunda geração de biocombustíveis na fase industrial. A próxima etapa agora é o chamado Vale da Morte – a planta piloto que deve demonstrar o potencial industrial da tecnologia. Continuo considerando o meu cronograma mental como válido, ou seja, até 2020 tecnologias de transformação de material celulósico em biocombustíveis, pela rota enzimática, serão competitivas em larga escala.
Avanços da 3ª. geração
Uma nova variedade de milho (Spartan Corn), desenvolvida e patenteada por cientistas do Michigan State University, pode transformar as folhas e caules de milho em produtos tão valiosos como os grãos. A variedade se encontra na etapa de produção de sementes, e a inovação está no seu genoma, que incorporou enzimas celulases na planta de milho. Esta variedade é o exemplo concreto do que denomino de 3ª. geração de biocombustíveis, ou seja, matéria prima inovadora, que soluciona problemas tecnológicos industriais, questões ambientais e econômicas.
O milho transgênico desenvolvido por cientistas de MSU é diferente do milho comum, a partir do qual a maior parte do etanol americano é produzido atualmente. A primeira geração de etanol é derivada do amido contido nos grãos de milho, degradado a açúcares por amilases. A nova variedade já contém as enzimas necessárias para degradação da celulose. Uma vez colhida a biomassa (ou seja, a planta inteira), as celulases são induzidas a degradar o material celulósico a monossacarídeos, que são fermentados a etanol ou outro biocombustível mais avançado. Antes que algum colega agrônomo me critique, reconheço que estudos serão necessários para definir quanta biomassa será possível exportar e quanta deverá permanecer no campo, para reciclagem de nutrientes e para manutenção do teor de matéria orgânica do solo.
Desta forma, os biocombustíveis de 3ª. geração continuarão sendo obtidos de biomassa. A diferença é que as culturas que fornecem a matéria prima serão concebidas de forma a que a sua própria estrutura esteja em conformidade com os requisitos de um processo industrial de bioconversão para biocombustíveis.
Outros exemplos da terceira geração de biocombustíveis são árvores comuns na Europa, cujo teor e estrutura de lignina (porção rígida ou “esqueleto” da parede celular) foi artificialmente enfraquecida e reduzida, e se desintegra facilmente através de técnicas já dominadas industrialmente. Plantas com baixo teor de lignina estão sendo desenvolvidas por vários institutos de pesquisa, entre eles o laboratório do pai da engenharia genética de plantas, Marc van Montagu, da Universidade de Ghent, na Bélgica, que trabalha com choupos nativos (poplar, árvores do gênero Populus).
O mesmo tema vem sendo abordado no Brasil, com estudos da International Paper, Aracruz, Suzano Celulose entre outras. Logo, teremos um eucalipto brasileiro, com baixo teor de lignina, pois o que interessa para a indústria de papel. é o teor de celulose. Mas, a indústria de biocombustíveis pode se aproveitar da inovação, pois a ela também interessa diminuir a lignina e aumentar o material celulósico.
Em conclusão, entendo que ainda existem alguns problemas tecnológicos a serem superados. Porém, as inovações que brotam a todo o instante dos laboratórios de pesquisa e, principalmente, os avanços alentadores que se observam na fase pré-industrial, ou no lançamento de novas variedades, reforçam minha tese de que, até o final desta década, assistiremos a uma verdadeira revolução na indústria de biocombustíveis, com um forte impacto mercadológico e na sociedade em geral.
Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo e assessor da SAE/Presidência da República.
[1] Pete Heinzelman, Christopher D. Snow, Indira Wu, Catherine Nguyen, Alan Villalobos, Sridhar Govindarajan, Jeremy Minshull and Frances H. Arnold - A family of thermostable fungal cellulases created by structure-guided recombination. PNAS online, 20/03/2009 (http://www.pnas.org/content/early/2009/03/20/0901417106).
[2] Sequência de três bases nitrogenadas de RNA mensageiro que codificam um determinado aminoácido ou que indicam o ponto de início ou fim de tradução da cadeia de ARNm. Isto significa que cada conjunto de três bases consecutivas é responsável pela codificação de um aminoácido.
