Fontes de Energia

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Projetos de Pesquisa para o desenvolvimento tecnológico de biocombustíveis e bioprodutos obtidos a partir de matérias-primas renováveis:

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É cada vez maior a demanda global por fontes renováveis de energia que possam ser utilizadas como alternativas aos combustíveis de origem fóssil. Tal imposição pode ser constatada, por exemplo, no recente Acordo celebrado por diversos países na “Conferência das Nações Unidas sobre as Mudanças Climáticas de 2015”, a COP 21, realizada em Paris – França, cujo um dos pontos crucias é a adoção de medidas que visem a uma “economia de baixa emissão de carbono”, capaz de aliar o desenvolvimento econômico com a preservação do meio ambiente e de sua biodiversidade.

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O Brasil, comparativamente com outros países do mundo, é detentor de uma Matriz Energética na qual há uma expressiva participação de fontes de energia renováveis. Isto se deve, em grande parte, à prevalência da geração hidroelétrica de energia, bem como a sua atuação destacada na produção de biocombustíveis, sobretudo na posição de principal produtor do etanol proveniente da cana-de-açúcar. Conforme dados estimados pela União da Indústria de Cana-de-Açúcar, foram produzidos na safra 2012/2013 aproximadamente 23,4 bilhões de litros deste combustível.

No processo tradicional, o etanol brasileiro é obtido a partir da fermentação alcoólica da sacarose contida no líquido extraído do caule da cana. O bagaço proveniente deste procedimento e a palha da planta são dispensado para outros fins.

Contudo, tem-se verificado um grande empenho da comunidade científica para o desenvolvimento  de novos processos economicamente viáveis que permitam a utilização de resíduos agrícolas, tais como  a palha e o bagaço da cana-de-açúcar, a palha do trigo e do arroz, bem como qualquer material lignocelulósico, para a produção do combustível conhecido como etanol de biomassa ou etanol de segunda geração.

A utilização de biomassa para a obtenção de combustível propiciará a elevação considerável da produtividade por hectare plantado, contribuindo, portanto, para conter a expansão da fronteira agrícola a importantes biomas como o Cerrado, a Amazônia, a Mata Atlântica e o Pantanal.

Sob este aspecto, é importante mencionar a atuação do Laboratório Bioetanol (LB) nas atividades de pesquisa e desenvolvimento de processos sustentáveis que utilizem matérias-primas renováveis para obtenção de biocombustíveis e bioprodutos:

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O Laboratório Bioetanol atua, entre outras frentes, na caracterização de diferentes tipos de biomassa e nas etapas do processamento da biomassa celulósica, como pré-tratamentos, hidrólise enzimática, produção de enzimas e fermentação. São desenvolvidos também novos processos, assim como são otimizados os processos já existentes.  
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Caracterização de Biomassa

A caracterização da biomassa consiste na determinação da composição química de materiais lignocelulósicos através da quantificação dos teores de celulose, hemicelulose, lignina, cinzas e extrativos. Através de uma digestão ácida, é possível separar estes componentes e quantificá-los por meio de técnicas gravimétricas, espectrofotométricas e cromatográficas.
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Pré-tratamento

O objetivo do pré-tratamento é desconstruir a estrutura nativa da biomassa vegetal, facilitando, desta forma, o ataque enzimático na etapa de hidrólise enzimática. O pré-tratamento pode ser de origem mecânica (moagem ou extrusão), química (ácido diluído, amônia, agentes oxidativos ou pelo uso de líquidos iônicos), físico-química (hidrotérmico, explosão a vapor ou micro-ondas) ou biológica (uso de microrganismos de degradação).

Dependendo da escolha do tipo de pré-tratamento e seus parâmetros envolvidos, deve-se evitar que durante esta etapa ocorra a degradação de carboidratos presentes na biomassa e a formação de inibidores de fermentação como furfural, HMF e ácido acético.

A eficiência de um pré-tratamento pode ser quantificada pelos rendimentos de hidrólise enzimática associados a técnicas de microscopia e cristalografia afim de verificar a estrutura do material, o seu grau de cristalinidade e a área especifica de superfície.
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Hidrólise Enzimática

O processo de hidrólise enzimática consiste numa reação química catalisada por enzima celulolíticas capazes de hidrolisar um material lignocelulósico (agro-resíduo), previamente pré-tratado em condições adequadas, a açucares fermentáveis, e posteriormente, a etanol combustível (etanol de 2ª geração). No entanto, condições de processo, tais como, temperatura, pH, tempo de sacarificação, concentração enzimática e relação sólido-líquido podem variar em função do substrato escolhido e das características do complexo enzimático utilizado, que devem ser determinadas e otimizadas para cada caso.

 
Produção de Enzimas

A produção de celulases é realizada por fungos filamentosos, empregando microrganismos celulolíticos como A. awamori e T. reesei. A pesquisa nessa área visa à otimização do processo de produção de celulases através de formulação de meio de cultivo e no escalonamento do processo em reatores de 10 e de 40 Litros. Também são elaborados pool enzimáticos e são realizadas purificação e caracterização das enzimas celulolíticas e acessórias com a finalidade de obter maior eficiência na hidrólise enzimática da biomassa.
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Fermentação Alcoólica de Hidrolisados Lignocelulósicos/Celulósicos

As pesquisas em fermentação alcoólica do Laboratório Bioetanol buscam, de modo geral, o entendimento e o controle de processos fisiológicos e bioquímicos envolvidos na fermentação de substratos glicídicos presentes em hidrolisados lignocelulósicos/celulósicos ou em sua mistura com outras fontes de açúcares, tendo como principal objetivo o desenvolvimento de estratégias voltadas à maior eficiência e ao maior rendimento etanólico nessas condições. Para isso, são utilizados como modelos biológicos, principalmente, cepas da levedura S. cerevisiae. Dentre os estudos na área de fermentação alcoólica aos quais o Laboratório Bioetanol se propõe, estão:

– Otimização das condições fermentativas, em termos de composição do meio, condições de cultivo e da cepa utilizada, para hidrolisados provenientes de diferentes fontes lignocelulósicas.

– Estudo dos efeitos dos inibidores na eficiência e no rendimento etanólico.

– Seleção de cepas resistente a inibidores encontrados em hidrolisados lignocelulósicos, visando maiores eficiência e rendimento etanólicos.

– Estudo da fermentação de fração C5 presente em hidrolisados lignocelulósicos, por S. cerevisiae geneticamente modificada.

– Estudo da fermentação de hidrolisado proveniente de material celulósico de microalgas, visando a geração de etanol 3G.

Esta linha de pesquisa representa, de certa forma, a consolidação de todas as outras do Laboratório de Bioetanol e tem como produto final o próprio bioetanol de segunda geração e de terceira geração, sendo o escalonamento para dimensões industriais, seu objetivo final..