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Etanol de segunda geração depende do aprimoramento de enzimas

Compartilhe:     |  28 de julho de 2014

O etanol encontrado nos postos em todo o Brasil é produzido a partir do caldo da cana-de-açúcar. A sacarose contida nesse líquido alimenta a levedura Saccharomyces cerevisiae, que a converte no biocombustível. Mas a cana também contém açúcares no bagaço e na palha que podem ser utilizados para produzir o chamado etanol de segunda geração (2G). O problema é acessar esses açúcares, que estão “aprisionados” em estruturas complexas presentes nos vegetais.

As peças-chave para vencer esse desafio são as enzimas do tipo celulase, produzidas principalmente por fungos. Elas decompõem a celulose da parede vegetal, o que gera açúcares que podem ser fermentados pela Saccharomyces cerevisiae. Fazer isso funcionar de modo eficiente em escala industrial, no entanto, é tarefa que vem ocupando muitos cientistas, técnicos e engenheiros.

No âmbito industrial, as enzimas já são empregadas na fabricação do etanol de milho para extrair os açúcares do amido. Este, contudo, pode ser dissolvido em água, formando uma solução homogênea na qual as enzimas agem facilmente. Em contrapartida, as matérias-primas do etanol 2G são sólidas e não solúveis. Assim, as enzimas têm que atuar numa interação entre sólido e líquido, o que confere  mais complexidade ao processo.

Coquetéis enzimáticos

Por causa disso, a decomposição da celulose em glicose exige coquetéis com até 20 celulases diferentes oriundas de três grupos: endoglicanases, exoglicanases e betaglicosidases. As primeiras rompem pontos da cadeia de celulose, o que abre caminho para a ação das segundas, as quais promovem novas quebras gerando celobiose. Esta contém duas moléculas de glicose ligadas. Cabe, então, às betaglicosidases separá-las gerando o açúcar disponível para fermentação.

Não basta analisar as enzimas individualmente, a interação entre elas também é determinante para a viabilidade do processo. “Quando as estamos analisando individualmente, já temos que pensar também em juntá-las, na sinergia entre elas”, ressalta Armindo Gaspar, gerente de Pesquisa e Desenvolvimento da companhia dinamarquesa Novozymes. Uma vez identificado o potencial de um grupo de enzimas, começa o trabalho de fazer um único microrganismo produzir todas elas do modo mais eficiente possível. Depois, o desafio é conseguir essa mesma eficiência em escala industrial. Esse processo leva de seis a nove anos.

Tudo isso tem impacto no preço das enzimas e, consequentemente, do etanol 2G. De acordo com a Novozymes, o desenvolvimento tecnológico já conseguiu reduzir o custo do produto a 15% do que era no início dos anos 2000. Com isso, algumas plantas industriais já começam a operar pelo mundo. No Brasil, duas usinas para produção do biocombustível a partir de resíduos da cana-de-açúcar estão em processo de instalação em Alagoas e em São Paulo.

Apesar dos avanços, a necessidade de incrementar a tecnologia enzimática para etanol 2G continua alta. O grupo da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) em que atua o professor Paulo Tardioli está obtendo bons resultados nos estudos para aumentar o volume de açúcares extraídos da biomassa que podem ser fermentados.

A parede vegetal é composta basicamente de três elementos: lignina, hemicelulose e celulose. Os dois últimos possuem açúcares, mas a levedura Saccharomyces cerevisiae não consegue consumir o tipo que é obtido a partir da hemicelulose, a xilose. A estratégia dos pesquisadores da UFSCar é transformá-la em uma molécula que a levedura possa fermentar. Isso é feito por meio de um processo chamado isomerização, no qual entra em cena mais uma enzima, a xilose isomerase.

O processo de produção do etanol 2G começa com o pré-tratamento químico da biomassa, no qual os três elementos podem ser separados. A celulose é encaminhada, então, para a segunda etapa, a hidrólise enzimática, momento em que o coquetel de enzimas é utilizado para obter a glicose. A técnica em desenvolvimento na UFSCar prevê um processo de hidrólise paralelo utilizando como matéria-prima a xilana obtida da hemicelulose, que é convertida em xilose e, posteriormente, em xilulose. Esta nova molécula vai para o tanque de fermentação junto com a glicose, aumentando a quantidade de açúcares obtidos da biomassa disponíveis para fermentação. De acordo com Tardioli, o desenvolvimento dessa tecnologia está bastante adiantado na Universidade e já gerou depósito de patente.

Reutilização de enzimas

Um dos gargalos para a viabilidade econômica das enzimas é o seu descarte no fim do processo. A solução pode estar numa linha de pesquisa promissora, embora ainda pouco explorada: a imobilização das enzimas. Essa técnica permite reutilizá-las, reduzindo o impacto de seu custo no preço do etanol. O princípio é simples: em seu formato original as enzimas são solúveis em água e com ela são descartadas no fim do processo. A resposta encontrada para o problema foi acoplar à enzima uma molécula que possa ser retida por meio de filtração, ou outro método de separação, antes do descarte dos efluentes. No entanto, o processo de imobilização também gera despesas, o que traz para os cientistas o desafio de torná-lo tão eficiente a ponto de compensar financeiramente.

Outro desafio é o fato de as enzimas terem de atuar sobre um substrato sólido. “Muitos trabalhos obtiveram sucesso no uso de celulases imobilizadas para a hidrólise de substratos solúveis, mas há pouquíssimos relatos da aplicação desses biocatalisadores empregando substratos sólidos”, diz a pesquisadora Dasciana Rodrigues, da Embrapa Agroenergia.

Na UFSCar, os melhores resultados têm sido obtidos com a imobilização de um dos tipos de enzimas do coquetel enzimático. Trata-se da betaglicosidase, que é responsável pela etapa final do processo de hidrólise. A imobilização dessa única enzima poderia ser vantajosa porque é comum que ela tenha de ser suplementada nos coquetéis enzimáticos. As pesquisas, no entanto, estão em fase inicial.

A Embrapa Agroenergia também está investindo nas pesquisas com imobilização, mas buscando reaproveitar todas as enzimas dos coquetéis. Os cientistas estão tentando aprisioná-las a partículas sólidas ou mesmo agrupá-las, de modo que seja possível recuperá-las empregando processos de separação. O primeiro desafio, mais uma vez, é fazer com que, mesmo imobilizadas, as celulases possam agir sobre a biomassa sólida.

Por meio de um projeto de pesquisa financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a equipe liderada pela pesquisadora Dasciana Rodrigues, da Embrapa Agroenergia, testou três estratégias de imobilização. A primeira consistiu em ligar as celulases a um suporte sólido constituído de quitosana, material obtido da carapaça de frutos do mar. Técnica semelhante foi adotada na segunda estratégia, mas utilizando nanopartículas magnéticas. Por fim, os cientistas promoveram o entrecruzamento das próprias enzimas, criando blocos que podem ser recuperados e reutilizados.

O último método mostrou-se promissor pela rapidez e baixo custo do processo, uma vez que dispensa o uso de suportes e os reagentes empregados já são amplamente conhecidos. A quitosana também teve efeito positivo, já que melhorou a estabilidade das celulases.

Rendimento

A equipe da Embrapa vai continuar investindo nessas pesquisas. Os testes de reúso das primeiras celulases imobilizadas que foram obtidas revelam que, após o primeiro ciclo de hidrólise, aproximadamente 50 % da atividade inicial é mantida.  Os cientistas conseguiram utilizar as mesmas celulases imobilizadas pela terceira vez, com 25% da atividade inicial. Dasciana considera o resultado positivo: “sem a imobilização, esse insumo seria perdido após a primeira utilização”.

Entretanto, muitos avanços serão necessários até que enzimas imobilizadas cheguem às usinas. Um dos principais objetivos é obter partículas muito pequenas mantendo ativas todas as enzimas que compõem o complexo celulolítico, pois disso depende a eficácia de celulases.

Coquetéis sob medida

Na Novozymes, as pesquisas estão centradas na customização dos coquetéis enzimáticos. “Até hoje temos tido muitos produtos genéricos para serem usados em qualquer tipo de biomassa e pré-tratamento. Estamos entrando agora numa fase em que vamos ter produtos mais dedicados a determinados casos”, explica o gerente de P&D para a América Latina da empresa, Armindo Gaspar.

A diferença é mais evidente entre as matérias-primas mais propensas a serem usadas nos vários países: bagaço e palha de cana no Brasil, palha de milho nos Estados Unidos, palha de trigo na Europa, sem contar os resíduos florestais. Mesmo considerando resíduos da mesma planta, é diferente o modo como as enzimas atuam sobre o bagaço da cana cultivada no Centro-Sul ou no Nordeste, por exemplo. Pré-tratamentos distintos também interferem.

Gaspar acredita que a tecnologia também pode evoluir reduzindo a quantidade de enzimas que precisam ser utilizadas, permitindo a adição de mais sólidos nos tanques de fermentação e reduzindo o tempo de reação. Por fim, há o desenvolvimento de tecnologia para obtenção de novos produtos, com maior valor agregado, a partir da biomassa.

Leia também na revista XXI- Ciência para a vida.

Foto: Daniela Collares



Fonte: Instituto CarbonoBrasil



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