ASPECTOS TECNOLÓGICOS DAS GERAÇÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS NO BRASIL

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1 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DAS GERAÇÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS NO BRASIL J.A.M. CARNEIRO JR. 1 ; M.S. DOURADO 1 ; V.J.M. CUNHA 2 1 Programa de Engenharia Industrial, UFBA Mestrado Profissional 2 Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental, UFBA RESUMO Considerando o crescimento populacional e a sua demanda energética, rotas alternativas de suprimento desta demanda precisam ser consideradas e desenvolvidas. A queima do combustível fóssil não renovável para geração de energia, além de ser acusado como um dos grandes vilões da poluição ambiental, guarda consigo o perigo iminente do fim de suas reservas e a necessidade de nos tornarmos menos dependentes do mesmo. Diante este cenário, pode-se considerar a produção de biodiesel e bioetanol como um caminho para progressivamente vir a substituir o uso do diesel de petróleo. O presente artigo visa apresentar uma classificação geral e abrangente das gerações atuais e futuras dos biocombustíveis no Brasil, sejam eles de primeira, segunda, terceira e/ou quarta gerações. Esta classificação baseia-se na sustentabilidade das matérias-primas e insumos utilizados e na dinâmica tecnológica dos processos de conversão utilizados, sejam de rotas termoquímicas, bioquímicas ou físico-químicas. Observa-se que, atualmente, os biocombustíveis são caracterizados pelo uso na sua grande maioria de recursos destinados a alimentação, baixa complexidade tecnológica e elevado gasto energético. Palavras-Chave: Biocombustíveis. Sustentabilidade. Energia Renovável.

2 1.0 INTRODUÇÃO A independência e autossuficiência no setor de energia é um indicador do desenvolvimento socioeconômico de qualquer país. Por isso, nos últimos anos as pesquisas e prospecções tecnológicas têm-se voltado ao uso de fontes de energia não convencionais. A utilização da biomassa de forma regulada e eficiente tem sido bastante impulsionada por ser um recurso renovável e de grande abundância no Brasil. A vantagem única sobre as demais fontes de energia limpa é que a biomassa pode ser utilizada para gerar calor e energia de acordo com a exigência industrial ou doméstica, de forma fácil e prática, sendo assim um pilar de grande importância no fornecimento de energia com vistas no presente e no futuro (Basu et al., 2014). O biodiesel surgiu mundialmente como uma alternativa promissora aos combustíveis minerais, derivados do petróleo. O caráter renovável torna o produto uma fonte importante de energia a longo prazo (BiodieselBR, 2008). No artigo 4 da Lei nº , de 13 de janeiro de 2005, que define biodiesel, não existe nenhuma restrição quanto à rota tecnológica, sendo possível utilizar como biodiesel quaisquer produtos obtidos pelos processos de transesterificação, esterificação e craqueamento (Suarez&Meneghetti, 2007). Dentre as inúmeras vantagens do uso do biodiesel frente ao diesel podemos citar: a redução da emissão de material particulado, hidrocarbonetos, compostos de enxofre (SOx), monóxido e dióxido de carbono - CO e CO 2 (Muniyappa, 1996; Leung, 2010), redução dos gastos de petróleo destinados à produção de diesel e da dependência do diesel importado, além da possibilidade do seu uso diretamente em motores ou misturados com derivados do diesel de petróleo (Park, 2006). Com isto, diversos institutos e empresas estão investindo em tecnologias mais avançadas para produção de biocombustiveis para conversão de biomassas residuais em combustíveis líquidos, criação de diesel sintético e de outros bioquímicos, representando uma oportunidade fundamental e que visa a mudança da geografia econômica e energética dos países. No caso das usinas de cana, a grande vantagem para o Brasil é que essas novas tecnologias, no primeiro momento, podem ser incorporadas aos processos atuais. Isto permitirá, por exemplo, utilizar os elevados volumes de C0 2 gerados no processo industrial de fermentação em biorreatores de algas, proporcionando uma produção

3 adicional de até 30% mais de etanol com a mesma quantidade de cana GERAÇÕES DE BIOCOMBUSTÍVEIS Quando considerada as vertentes de sustentabilidade das cadeias produtivas e a dinâmica tecnológica dos biocombustíveis, podemos adentrar nas atuais e futuras gerações energéticas, dentre as quais: geração zero, segunda, terceira e quarta gerações. No entanto, antes de caracterizarmos as gerações de biocombustíveis, é importante definirmos as principais fontes e formas de biomassa Fontes de Biomassa A biomassa pode ser dividida em quatro categorias, de acordo com a sua origem: culturas para fins energéticos, resíduos agrícolas e florestais, subprodutos orgânicos e resíduos orgânicos. As culturas para fins energéticos são cultivadas principalmente para a produção de energia. A sua função principal é capturar a radiação solar para armazená-la na biomassa. Temos como exemplos, a soja, o girassol, a mamona, o milho, dentre outros. Os resíduos agrícolas e florestais são aqueles gerados na colheita de cereais e no corte de árvores, tal como a palha, bagas de mamona e os resíduos de madeira, são desperdícios naturais. Sendo este grupo de subprodutos é especialmente adequado para a reciclagem energética, porque reduz os custos de produção dos produtos principais, ou aumenta o rendimento da cadeia de cultivo. Quanto aos subprodutos orgânicos, no processamento da biomassa para criação de produtos, é gerado um grupo adicional de subprodutos. Estes incluem os resíduos orgânicos, os efluentes da agropecuária e os resíduos do processamento industrial da madeira e de fibras vegetais. Nestes casos, a reciclagem energética pode conduzir a um aumento da utilidade e assegurar que partes do processo de produção sejam permanente e ambientalmente sustentáveis. Os resíduos orgânicos incluem os resíduos domésticos e as lamas dos efluentes domésticos e industriais, como por exemplo, os resíduos da produção alimentar. Estes resíduos estão geralmente sujeitos à legislação respectiva. Consequentemente, deve ser cumprida uma gama completa de requisitos legais, desde a origem até ao controle epidêmico.

4 2.2. Geração Zero Esta geração é caracterizada pela baixa ou nenhuma tecnologia para produção e obtida, principalmente, por matéria-prima de fonte extrativa. Podemos citar a lenha e o carvão vegetal de lenha extrativa Primeira Geração Caracteriza-se pelos biocombustíveis produzidos principalmente de matérias-primas cultivadas e pela baixa complexidade tecnológica para a sua produção. Estes biocombustíveis são predominantes na matriz energética brasileira. Temos o Bioetanol produzido a partir de tecnologias usuais de fermentação de açucares do milho, cana-deaçúcar, beterraba e trigo. Quando feitos de grãos como milho ou canola, eles têm um impacto negativo nos preços de alimento. Quando baseados numa colheita, como óleo da palma, ameaçam a biodiversidade. O seu balanço de carbono é ruim, pois não reduzem os principais gases do efeito estufa. Apresenta elevado balanço energético global, no qual é considerado que para o etanol de milho pode até ser negativo; para a cana-de-açúcar, o balanço pode permanecer neutro. Dependem de tecnologias de conversão relativamente ineficientes, como fermentação por variedades de leveduras convencionais ou a transesterificação, via rota metílica, e por catalisadores homogêneos de base alcalina Segunda Geração Caracteriza-se pelos biocombustíveis produzidos a partir de recursos não destinados à alimentação, resíduos urbanos e possuem alta complexidade tecnológica para sua obtenção. Não geram disputa por solos com áreas de plantio de alimentos. Algumas espécies de gramas, árvores, resíduos agrícolas, domésticos e industriais podem ser convertidos via dois principais caminhos: rota bioquímica ou termoquímica. O uso de microorganismos semelhantes (modificados geneticamente) que transformam biomassa em combustíveis gasosos como biogás e biohidrogênio, por meio da digestão

5 anaeróbica. Também o bioetanol obtido da hidrólise da lignocelulose de resíduos da canade-açúcar ou outros materiais celulares ou o biodiesel a partir do óleo residual de fritura, gordura animal, gordura de efluentes urbanos e/ou industrial, dentre outros. Muitas dessas tecnologias ainda estão em desenvolvimento industrial no mundo. Os biocombustíveis sintéticos e etanol celulósico têm um balanço de carbono excelente e podem reduzir emissões de gás carbônico em até 90% quando comparados aos combustíveis de petróleo. Além disso, são considerados limpos e reduzem as emissões de outros poluidores atmosféricos relevantes, tais como os óxidos de nitrogênio e enxofre. Os biocombustíveis de segunda geração envolvem uma mudança na bioconversão e livram-se do aparente dilema combustível versus alimentos Terceira Geração Caracteriza-se pela alta velocidade de produção, alto teor de óleo e carboidratos, adaptação a um espectro amplo de temperatura e acidez do meio, capacidade de fixar nitrogênio da atmosfera e maior eficiência fotossintética. Esta geração aproveita-se de novas colheitas de energia especialmente projetadas. Com avanços na biologia da planta, o aparecimento de técnicas de procriação rápida e extremamente eficiente (procriação molecular), avanços no campo da genômica e design clássico de colheitas transgênicas prometendo resultar em plantas com propriedades que as tornam mais apropriadas para a conversão em bioprodutos. Assim, temos biodiesel de microalgas oleaginosas, árvores de eucalipto cultivadas com baixo conteúdo de lignina que permitem uma conversão mais fácil em etanol celulósico, plantações com elevado teor de açúcar (sorgo doce) que prosperam em condições mais áridas. Com elevados rendimentos e mais fácil bioconversão, menos energia é necessária para plantar, colher e transformar uma dada quantia de biomassa Quarta Geração Caracterizada pela combinação de colheitas energéticas com técnicas de bioconversão avançadas que permitem a uma elevada captura e armazenamento de gás

6 carbônico, obtendo energia ultra-limpa e carbonos-negativos. Plantas com elevada biomassa, árvores com maior capacidade de armazenamento de carbono, plantas para energia resistentes à seca, espécies de gramíneas que superam o importante problema de terras ácidas, novas espécies com propriedades particulares conformadas a um processo específico de bioconversão, por exemplo, árvores de baixa lignina e milho com enzimas embutidas para conversão rápida, são exemplos da quarta geração. 3.0 TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO A biomassa, para fins energéticos, depende de aspectos como sua natureza, origem, tecnologia de conversão e produtos energéticos derivados, ou seja, a sua relevância para utilização na matriz energética, deriva não só da qualidade da sua origem natural, mas sobretudo das tecnologias convencionais empregada. As rotas tecnológicas de conversão da biomassa em energéticos ou matéria prima podem ser agrupadas em três rotas principais (Figura 1), classificadas segundo a natureza dos processamentos primários aplicados à biomassa. A conversão termoquímica é caracterizada quando a energia quimicamente armazenada na biomassa é convertida em calor por meio das diversas formas de combustão. Na conversão bioquímica temos processos biológicos e químicos, que incluem a digestão anaeróbica, a fermentação seguida da destilação e a hidrólise. Quanto a conversão físico-química, utiliza-se técnicas para disponibilização de lipídios através da compressão e esmagamento de matériais vegetais diversos e extração dos óleos vegetais, que posteriormente sofrerão transformação química, tendo a transesterificação, esterificação e craqueamento como tecnologias de conversão (ABREU, 2014). Figura 1. Rotas tecnológicas de conversão energética da biomassa.

7 Fonte: adaptado de LARKIN et al., A Conversão termoquímica A energia quimicamente armazenada na biomassa é convertida em calor por meio da combustão. Uma variedade larga de tecnologias capazes de converter a biomassa em energia está disponível através da via termoquímica, e sua diferenciação está associada à quantidade de oxigênio que é fornecido ao processo, tendo como referência o valor do coeficiente estequiométrico, resultando nas vias de combustão direta, pirólise e gaseificação. A combustão direta é o processo em que é fornecida uma quantidade suficiente de oxigênio para conseguir a combustão completa da carga combustível, diferenciando-se da gaseificação em que é fornecida uma quantidade de oxigênio, obtendo-se uma combustão parcial e da pirólise em que muito pouco ou nenhum oxigênio é fornecido para a combustão da carga combustível (MME, 2007). 3.2 A Conversão Bioquímica A via bioquímica de conversão da biomassa é aquela que utiliza processos biológicos e químicos, que incluem a digestão anaeróbica, a fermentação/destilação e a hidrólise. A fermentação/destilação e a hidrólise são rotas que apresentam as mais adequadas condições para produção de combustíveis líquidos (etanol) derivados da biomassa, já a hidrólise é um processo que realiza a sacarificação de materiais

8 celulósicos (conversão em açúcares), este produto intermediário segue, então, para o seu ciclo convencional, sendo que todas elas requerem um pré-tratamento para remoção da lignina, e às vezes separação da hemicelulose, seguida pela hidrólise propriamente dita (MME, 2014). 3.3 A Conversão físico-química A rota de conversão físico-química da biomassa é aquela que utiliza-se técnicas para disponibilização de lipídios através da compressão e esmagamento de matérias vegetais diversas e extração dos óleos vegetais, que posteriormente sofrerão transformação química. As transformações químicas variam segundo o produto final a ser obtido (MME, 2014 apud Veringa, 2000). Estes processos podem ocorrer por esterificação direta que é a reação que envolve a obtenção de ésteres a partir de álcoois e ácidos graxos ou seus derivados, por transesterificação alcoólica que é a reação química de triglicerídeos, de óleos e gorduras vegetais ou animais, em que os ácidos graxos formam ésteres com o glicerol, realizada com álcoois (metanol ou etanol), na presença de um catalisador (ácido, básico ou enzimático), resultando na substituição do grupo éster do glicerol pelo grupo do etanol ou metanol. E por Craqueamento Catalítico ou térmico que refere-se ao processo que provoca a quebra de moléculas por aquecimento a altas temperaturas (MME, 2007). Daí podemos associar os diversos tipos de tecnologias de conversão da biomassa em energia, às gerações de produção de biocombustíveis. Assim não há um tipo ideal de tecnologia que tenha atingido um estágio sustentável e econômico, e sim possibilidades para se compor um processo produtivo. Por exemplo, no segmento de produção de etanol lignocelulósico, tendo neste caso dois grupos com relação às tecnologias de conversão: rotas bioquímicas ou rotas termoquímicas (Garcilasso, 2014). 4. CONCLUSÃO As potenciais inovações no campo da biotecnologia estão evoluindo muito rapidamente: plantas com elevada biomassa, árvores com maior capacidade de armazenamento de carbono, plantas para energia resistentes a seca, espécies de gramínea que superam o importante problema de terras ácidas e novas plantas com propriedades

9 particulares conformadas a um processo específico de bioconversão (por exemplo, árvores de baixa lignina e milho com enzimas embutidas para conversão rápida), são alguns dos estudos bem encaminhados. No entanto, apenas com a utilização de biomassa teremos a produção de energia carbono-negativa. Todas as outras energias renováveis (eólica, solar, etc) são carbononeutro, na melhor das hipóteses carbono-positivo na prática. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BASU, P.; SADHUKHAN, A. K.; GUPTA, P.; RAO, S.; DHUNGANA, A.; ACHARYA, B. An Experimental and Theoretical Investigation on Torrefaction of a Large Wet Wood Particle. Biores. Techn., GARCILASSO, V. P., LORA, B. A, Renata Grisoli e COELHO, S. T. Biocombustíveis líquidos para transporte: etanol, biodiesel e tecnologia de segunda geração. Disponível em: ssobiocombustiveis.pdf, Acesso em: 31Jul MUNIYAPPA, P. R.; BRAMMER, S. C.; NOUREDINNI, H.; Improved conversion of plant oils and animal fats into biodiesel and co-product. Bioresource Technology, 56, p , PORTAL BIODIESEL BR. Acesso em novembro de SUAREZ, P. A., & MENEGHETTI, S. M. 70º Aniversário do biodiesel em 2007: Evolução histórica e situação atual no Brasil. Química Nova, Vol. 28, nr. 1, p , INTERNATIONAL AGENCY ENERGY IEA; Sustainable Production of Second- Generation Biofuels, Ministério de Minas e Energia. Plano Nacional de Energia Brasília:MME:EPE, HAMAGUCHI, M., CARDOSO, M., VAKKILAINEN, E.; Alternative Technologies for

10 Biofuels Production in Kraft Pulp Mills Potential and Prospects, Energies 2012, 5, page