Q UÍMICA DE R ENOVÁVEIS

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1 Agenda Tecnológica Setorial ATS Química Q UÍMICA DE R ENOVÁVEIS RELATÓRIO ANALÍTICO DA CONSULTA ESTRUTURADA O Ph R Me N N NH O O N Centro de Gestão e Estudos Estratégicos Ciência, Tecnologia e Inovação

2 Este texto integra um conjunto de documentos que compõem o projeto Agenda Tecnológica Setorial (ATS), que inclui: Panorama Econômico Setorial Panorama Tecnológico Setorial Relatório Descritivo da Consulta Estruturada Relatório Analítico da Consulta Estruturada O material completo está disponível no site da ABDI: www. abdi.com.br

3 2016 Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial ABDI Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. REPÚBLICA FEDERATIVA DO BRASIL Michel Temer Presidente Interino MINISTÉRIO DO DESENVOLVIMENTO, DA INDÚSTRIA, COMÉRCIO EXTERIOR E SERVIÇOS Marcos Pereira Ministro Miguel Nery Presidente Interino ABDI Maria Luisa Campos Machado Leal Diretora de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação Paulo César Marques da Silva Diretor do Desenvolvimento Produtivo Substituto Carla Maria Naves Ferreira Gerente de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação Leonardo Reisman Chefe de Gabinete MINISTÉRIO DA CIÊNCIA, TECNOLOGIA E INOVAÇÃO Gilberto Kassab Ministro Mariano Francisco Laplane Presidente CGEE Marcio de Miranda Santos Diretor Executivo Antonio Carlos Filgueira Galvão Gerson Gomes José Messias de Souza (a partir de 19/08/15) Diretores

4 2016 Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial ABDI Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. SUPERVISÃO Maria Luisa Campos Machado Leal EQUIPE TÉCNICA DA ABDI Carla Maria Naves Ferreira Gerente de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação Maria Sueli Soares Felipe Coordenadora de Desenvolvimento Tecnológico e Sustentabilidade Cynthia Araújo Nascimento Mattos Coordenadora de Promoção da Inovação Zil Miranda Assessora Especial Rodrigo Alves Rodrigues Analista Sênior Adriana dos Santos Ghizoni Assistente de Projetos ESPECIALISTAS SETORIAIS Bruno Jorge Carlos Venicius Frees Claudionel de Campos Leite Cleila Guimarães Pimenta Jorge Luis Ferreira Boeira Junia Casadei Lima Motta Larissa de Freitas Querino Ricardo Gonzaga Martins Valdênio Miranda Araújo Vandete Cardoso Mendonça COORDENAÇÃO TÉCNICA GERAL Fabio Stallivieri (UFF) Ricardo Naveiro (UFRJ) Rodrigo Sabbatini (UNICAMP) COORDENAÇÃO TÉCNICA SETORIAL José Victor Bontempo (UFRJ) Panorama Econômico Flavia Chaves Alves (UFRJ) Panorama Tecnológico SUPERVISÃO Marcio de Miranda Santos EQUIPE TÉCNICA CGEE Liliane Sampaio Rank de Vasconcelos Coordenadora Kátia Regina Araújo de Alencar Assessora Kleber de Barros Alcanfôr Assessor Lilian M. Thomé Andrade Brandão Assessora Rogério Mendes Castilho Assessor Simone Rodrigues Neto Andrade Assistente Administrativo COMITÊ TÉCNICO DE ESPECIALISTAS Claudio Mota Felipe Pereira Manoel Teixeira Paulo Coutinho Suzana Bobchiver COORDENAÇÃO DE COMUNICAÇÃO Simone Zerbinato Coordenadora de Comunicação Substituta Rachel Mortari Edição/Organização Maria Irene Lima Mariano Revisão Rodrigo Martins (Tikinet) Projeto Gráfico Bruna Orkki (Tikinet) Diagramação ABDI Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial SCN Quadra 1, Bloco D, Ed. Vega Luxury Design Offices, Torre Empresarial A Asa Norte, Brasília DF CEP Tel.: (61) CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos SCS Quadra 9, Torre C, 4º andar Ed. Parque Cidade Corporate CEP:

5 Sumário 1. Introdução Tecnologias relevantes prioritárias...8 Grupo 1: Produção e desenvolvimento de matérias-primas...8 Grupo 2: Tratamento da biomassa...10 Grupo 3: Tecnologias de conversão...11 Grupo 4: Novos produtos...12 Articulação entre as etapas da cadeia produtiva Tecnologias relevantes críticas Tecnologias não atrativas Melhoramento genético e sistemas de produção de propágulos aplicados a novas culturas Pré-tratamento da lignocelulose: Explosão a vapor; ácido fraco; microrganismos Processos termoquímicos aplicados à biomassa ou lixo urbano, assim como conversão de gás de síntese por fermentação Captura de CO Processos utilizando algas e posterior conversão do bio-óleo Aproveitamento da lignina Processos fermentativos utilizando microrganismos naturalmente selecionados Novos polímeros a partir de açúcar (PHA/PHB, PEF, PPC, PEC), glicerina ou CO2; 9. Conversão de açúcar a novos produtos para a indústria de química fina; 10. Conversão química de açúcar a novos produtos (FDCA, isosorbide, furfural, etc.) Considerações finais...24 Referência bibliográfica...26

6 Lista de Quadros Quadro 1 Conjunto de tecnologias prioritárias do grupo Quadro 2 Conjuntos de tecnologias emergentes consideradas não atrativas...18 Lista de Figuras Figura 1 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo Figura 2 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo Figura 3 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo Figura 4 Encadeamento da tecnologias prioritárias na cadeia produtivas...15

7 1. Introdução A produção de químicos a partir de renováveis, conforme amplamente discutido nos Panoramas Econômico e Tecnológico, está inserida no contexto mais amplo da bioeconomia. Desta forma, pode ser entendida como uma indústria em construção, sem estrutura estabelecida e com competição baseada em inovação, o que implica alto grau de incerteza. Para o setor em questão, há uma forte interdependência na cadeia de valor, ainda em estruturação, sendo necessário considerar, além das tecnologias de processos e produtos, a articulação entre os atores envolvidos nas diferentes etapas e seus modelos de negócio para a exploração de oportunidades. Este documento tem por objetivo analisar os resultados da consulta estruturada da Agenda Tecnológica Setorial de Químicos a partir de renováveis. A análise procura inserir tanto as tecnologias prioritárias e críticas quanto as consideradas não atrativas no contexto das dinâmicas tecnológicas e de inovação identificadas nos Panoramas Econômico e Tecnológico. Na seção 1, são analisadas as tecnologias relevantes prioritárias, considerando-se cada um dos quatro grupos do questionário: produção e desenvolvimento de matérias-primas, tratamento da biomassa, tecnologias de conversão e novos produtos. A análise inclui a discussão da tendência mundial e identifica os players envolvidos no desenvolvimento tecnológico. Em seguida, as tecnologias relevantes prioritárias são analisadas segundo o encadeamento entre as etapas da cadeia de valor, de forma a se colocar em evidência a inter-relação entre as tecnologias dos diferentes grupos. As tecnologias consideradas relevantes críticas e as consideradas não atrativas são discutidas nas seções 2 e 3, respectivamente. 7 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

8 2. Tecnologias relevantes prioritárias Grupo 1: Produção e desenvolvimento de matérias-primas As tecnologias do grupo 1 são de fundamental importância para a estruturação da cadeia produtiva de químicos a partir de renováveis, visto que disponibilidade e preço das matérias-primas são críticos para as etapas posteriores. O Brasil dispõe de uma grande variedade de culturas agrícolas e tem potencialidades para desenvolver novas culturas de interesse como matérias-primas para a produção de produtos químicos. As culturas comercialmente estabelecidas podem ser divididas em dois subgrupos aquelas com áreas plantadas de milhões de hectares e as de áreas plantadas na casa dos milhares de hectares. A cana-de-açúcar e a soja pertencem ao primeiro subgrupo, sendo consideradas commodities. Estas culturas têm pacote tecnológico muito bem definido, produção em grande escala e logística e comercialização desenvolvidas e com ampla cobertura do território nacional. Já as culturas do segundo grupo tais como o capim-elefante e o dendê, embora tenham pacotes tecnológicos definidos, apresentam limitada área de cultivo no Brasil e modestas logística e comercialização. Por fim, há as espécies vegetais em processo de domesticação por apresentarem potencial para se tornarem novas culturas. Estas espécies vegetais tais como o pinhão manso e a macaúba não têm pacote tecnológico mínimo que permita um rápido e seguro aumento da produção, impedindo que elas sejam consideradas comercialmente estabelecidas. As tecnologias emergentes no grupo 1 têm foco em duas frentes principais: melhoramento/ desenvolvimento de variedades geneticamente superiores e desenvolvimento/ melhoria de pacote de técnicas agrícolas de cultivo, com objetivo de ganhos de produtividade, maior tolerância a intempéries (estresses bióticos e abióticos) e redução de custo. O Quadro1 apresenta os conjuntos de tecnologias relevantes prioritárias do grupo 1. Observa-se que as diferentes tecnologias de melhoramento/desenvolvimento de variedades destacadas direcionam-se ao desenvolvimento de cana-de-açúcar e soja. Técnicas distintas e que permitam um aumento de eficiência dos programas de melhoramento genético foram apontadas como prioritárias para as duas commodities e, ao mesmo tempo, como não atrativas para novas culturas, como será visto posteriormente. Percebe-se, portanto, que a lógica de decisão sobre as tecnologias prioritárias nesse grupo é definida pela cultura a ser desenvolvida e não pela técnica a ser utilizada. As diferentes técnicas de melhoramento genético de variedades, com forte aporte de tecnologias avançadas de caracterização e modificação genética mediante utilização em separado ou em conjunto de ferramentas de -ômica (genômica, proteômica, metabolômica, fenômica, etc.), de genética molecular, de genética reversa e de biologia sintética, podem ser aplicadas a diferentes culturas, de forma que a base de conhecimento desenvolvida nessas tecnologias pode ser utilizada em outras espécies no longo prazo. 8 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

9 O conhecimento acumulado no Brasil em relação à cana-de-açúcar e à soja, bem como a importância econômica destas para a economia do país, são fatores cruciais para apontar tecnologias relacionadas ao seu desenvolvimento como prioritárias. No entanto, convém ressaltar uma diferença importante que impacta diretamente os atores envolvidos no desenvolvimento destas culturas. A cana-de-açúcar, por ter grande representatividade para o Brasil, mas baixa relevância mundial, depende de esforços de desenvolvimento nacionais para seu avanço, seja em relação ao melhoramento genético seja a respeito dos sistemas de colheita e plantio. Já a soja, por ser uma commodity com outros grandes produtores mundiais, se beneficia de inovações propostas por um conjunto mais amplo de atores. No desenvolvimento das tecnologias prioritárias destacam-se os centros de pesquisa, como a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa) e o Instituto Agronômico (IAC). No caso específico da cana-de-açúcar, ressalte-se ainda o papel do Centro de Tecnologia Canavieira (CTC) e, mais recentemente, do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), bem como as iniciativas de algumas empresas no desenvolvimento da chamada cana-energia. Quadro 1 Conjuntos de tecnologias prioritárias do grupo 1 Melhoramento genético mais eficiente de cana-de-açúcar e soja, mediante emprego de tecnologias de ponta, tais como -ômica (genômica, proteômica, metabolômica, fenômica, etc.), engenharia genética e biologia sintética, visando ao aumento de produtividade ou maior eficiência na produção de bioenergia ou químicos. Sistemas mecanizados de plantio de cana-de-açúcar utilizando propágulos de alta qualidade genética e tratados para controle de pragas e doenças de início de ciclo e para fixação biológica de nitrogênio, visando maior eficiência no processo de plantio e estabelecimento de estande inicial de plantas. Sistemas de produção mais eficientes e completos para culturas como o dendê e o capim-elefante, já estabelecidas, mas com área reduzida quando comparadas a cana-de-açúcar e soja, como também para potenciais novas culturas (exemplos: pinhão-manso, macaúba e outras palmeiras nativas). Genes e enzimas para aplicação nas etapas agrícola e industrial, visando ao aumento de eficiência no processo de produção de biomassa, assim como do seu processamento, tanto mediante emprego de genética reversa como de biologia sintética. Robótica aplicada às etapas agrícola e industrial, visando ao aumento de eficiência no processo de produção de biomassa, assim como do seu processamento. Fertilizantes com nanotecnologia agregada, visando maior produtividade e menor custo de produção. Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada Em relação às demais tecnologias consideradas prioritárias no grupo 1, é possível observar que são tecnologias correlatas às mencionadas no melhoramento genético de cana-de-açúcar e soja, mas com uma abrangência mais geral, a serem aplicadas tanto na etapa agrícola quanto na industrial. De certa forma, reforça-se o entendimento da necessidade de investir em técnicas modernas de apoio ao melhoramento genético. Nota-se também a presença de tecnologias relacionadas a fertilizantes, com utilização de nanotecnologia agregada, de forma a aumentar a produtividade no campo. Percebe-se uma aparente incoerência na identificação das tecnologias consideradas prioritárias para culturas como o dendê, o capim-elefante, a macaúba, o pinhão-manso, etc. Se por um lado se considera prioritária a promoção de tecnologias que melhorem o sistema de produção, não se tem como relevante o emprego de tecnologias de ponta 9 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

10 nestas culturas. A incoerência fica evidente quando se faz um levantamento sobre o estado de desenvolvimento tecnológico que algumas destas culturas têm experimentado fora do país. O dendê seria o caso mais representativo, pois esta cultura já teve seu genoma decodificado, e hoje existem diversas iniciativas em experimentação na Malásia e Indonésia, principais produtores mundiais, com emprego de biotecnologia em apoio ao melhoramento genético. Neste sentido, faz-se necessário um acompanhamento do desenvolvimento de tais culturas em âmbito mundial, de forma a se rediscutir a inserção de técnicas de melhoramento genético voltadas a elas no longo prazo. Grupo 2: Tratamento da biomassa As tecnologias de tratamento são cruciais para o desenvolvimento de toda a cadeia de produção de produtos químicos a partir de renováveis e, assim como o grupo 1, também têm forte relação com o desenvolvimento dos biocombustíveis avançados. A capacidade de gerar matéria-prima a baixo custo e com as características apropriadas para alimentar os processos de conversão é um grande desafio tecnológico. Neste sentido, existem diferentes alternativas em desenvolvimento. A escolha do pré-tratamento deve principalmente levar em conta as especificidades decorrentes das diferenças de composição de cada biomassa. A Figura 1 resume as tecnologias relevantes prioritárias do grupo 2, sendo possível observar que estas focam a obtenção de duas matérias-primas principais para a etapa de conversão a produtos químicos: açúcar de segunda geração e glicerina. Figura 1 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo 2 C5 Biomassa lignocelulósica Pré-tratamento Hidrólise enzimática Açúcar de 2ª geração (C6) Glicerina bruta Purificação Glicerina Vinhaça Tratamento Metano e hidrogênio Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada No caso do açúcar, muitos processos de pré-tratamento estão em desenvolvimento, e, no geral, as tecnologias de pré-tratamento foram consideradas prioritárias. Dentro de uma grande diversidade de tecnologias em desenvolvimento que compuseram a lista de tecnologias emergentes colocada em consulta, a hidrotermólise foi considerada como prioritária, apesar de não ser utilizada nos principais projetos em andamento no país, das empresas Granbio e Raízen, e mesmo no exterior, nos casos dos projetos em estágios mais avançados, como os da Mossi & Guisolfi (M&G), na Itália, e da Poet/DSM e 10 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

11 da DuPont, nos Estados Unidos. Deve-se reconhecer, entretanto, que a hidrotermólise vem chamando a atenção dos interessados na obtenção de açúcares simples a partir de materiais lignocelulósicos, como atesta o interesse, por exemplo, que tem despertado o desenvolvimento da Renmatix. As tecnologias de pré-tratamento competem entre si, mas, no estágio de desenvolvimento atual da indústria, a dinâmica de inovação é intensa, e ainda não é possível apontar uma tecnologia vencedora ou perdedora. Tende a haver alguma convergência entre as tecnologias que têm sido testadas, embora haja pesquisadores que consideram difícil a existência de um design dominante no pré-tratamento, devido às especificidades dos tipos de biomassa. No caso da etapa de hidrólise, apenas a enzimática foi considerada prioritária, em alinhamento com a tendência mundial de uso de biotecnologia para a obtenção de açúcar a partir de biomassa, como nos exemplos citados anteriormente na discussão do pré-tratamento. Nota-se que processos de separação das frações C5 e C6 aparecem na Figura 1, apontando uma percepção geral de necessidade de obtenção de matérias-primas que possibilitem a geração de produtos de maior valor agregado. O desenvolvimento de tecnologias de conversão que demandem a fração C5 e a definição de processos de pré-tratamento que permitam tal separação a custos competitivos apresentam-se como questões essenciais neste tema. Considerando-se a glicerina e a vinhaça, dois subprodutos da produção de biocombustíveis de primeira geração, biodiesel e etanol, respectivamente, a disponibilidade parece ser o ponto-chave. Tecnologias que podem, para a primeira, purificá-la para alcançar condições adequadas para posterior conversão e, para a segunda, tratá-la para produzir metano e hidrogênio aparecem na Figura 1. Em outra perspectiva, estas tecnologias podem ajudar a minimizar os impactos ambientais causados por estes subprodutos, o que surge também como motivação para o seu desenvolvimento. Grupo 3: Tecnologias de conversão Este grupo inclui as tecnologias de conversão para gerar produtos substitutos dos atualmente obtidos a partir de matérias-primas fósseis. A Figura 2 apresenta esquematicamente as tecnologias de conversão consideradas prioritárias. 11 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

12 Figura 2 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo 3 Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada As tecnologias prioritárias deste grupo consideram três matérias-primas: açúcar, glicerina e etanol. Para açúcar e etanol, diversas rotas químicas foram identificadas como prioritárias. No caso da glicerina, entretanto, apenas processos de cloração, para obtenção de produtos como a epicloridrina, foram considerados prioritários. O destaque das rotas químicas a partir de açúcares e de etanol pode ser interpretado como uma perspectiva de valorização da base de conhecimento já existente no país. No caso do etanol em particular (conversão química do etanol e desidratação de álcoois de cadeia curta), os esforços realizados em alcoolquímica nos anos 1980 e a visão do Brasil como produtor competitivo dessa matéria-prima podem justificar a prioridade atribuída a essas rotas. Entretanto, a perspectiva de desenvolvimento das rotas de conversão de açúcares por processos biotecnológicos avançados pode vir a se colocar em forte competição com a viabilidade do etanol como matéria-prima de partida para obtenção de moléculas mais complexas pela via química. No caso da conversão de açúcar, processos biotecnológicos utilizando microrganismos geneticamente modificados foram considerados prioritários, o que segue a tendência mundial da produção de químicos a partir de renováveis, a chamada corrida do açúcar. Neste ponto, algumas reflexões são necessárias. A primeira delas diz respeito à necessidade de desenvolvimento da base de conhecimento em biologia sintética, a qual está em construção no mundo principalmente através de redes, conforme discutido no Panorama Tecnológico. Infraestrutura e mão de obra qualificada são de grande importância para que o país possa desenvolver e utilizar tecnologias dessa natureza. Deve ser destacada aqui a relação entre as tecnologias baseadas em biotecnologia avançada e as tecnologias baseadas em rotas químicas. Em parte, os processos utilizando biologia sintética podem permitir a obtenção direta de moléculas complexas a partir de açúcares. Se esses processos se desenvolvem e se consolidam, a lógica fundamental 12 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

13 da síntese química de moléculas complexas a partir de moléculas simples os building blocks tende a perder terreno para a biotecnologia. Entretanto, as transformações químicas serão certamente complementares para a obtenção dos produtos finais com características adequadas ao uso almejado. Em outras palavras: em muitos casos a biologia sintética poderá produzir diretamente uma molécula complexa um diácido, por exemplo que será vista como plataforma para o desenvolvimento de produtos finais e aplicações por meio de uma série de transformações químicas e formulações. Grupo 4: Novos produtos Neste grupo, as tecnologias prioritárias visam à obtenção de novos produtos que são explorados na química de base fóssil. Trata-se, portanto, da obtenção de produtos não drop in. Mais uma vez, açúcar e glicerina aparecem como matérias-primas: o primeiro para conversão química ou biotecnológica e a segunda apenas com utilização de processos químicos, conforme mostra a Figura 3. É possível concluir que não há uma grande diferença no processo de desenvolvimento tecnológico ao se comparar os grupos 3 e 4, no que diz respeito à base de conhecimento. No entanto, para o grupo 4, os esforços para desenvolver novos mercados e aplicações precisam ser considerados como um importante desafio. Como já discutido, os novos produtos exigem para sua difusão um esforço de desenvolvimento de aplicações que é desafiador, tanto do ponto de vista tecnológico quanto do ponto de vista organizacional e relacional, tendo em vista que as empresas envolvidas devem estabelecer conexões ao longo da cadeia de valor para atingir os mercados almejados. Figura 3 Representação esquemática das tecnologias relevantes prioritárias do grupo 4 Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada Articulação entre as etapas da cadeia produtiva Até aqui, as tecnologias prioritárias foram identificadas isoladamente, dentro de cada um dos quatro grupos, a saber: tecnologias para produção de biomassa; tecnologias para tratamento da biomassa para obtenção de matérias-primas de partida; tecnologias para conversão das matérias-primas em produtos substitutos a petroquímicos já comercialmente conhecidos; e obtenção de novos produtos. Os modelos de negócios a serem 13 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

14 desenvolvidos pelas empresas deverão ser capazes de articular tecnologias dos quatro grupos. Cabe então avaliar se as escolhas evidenciadas na pesquisa estruturada estão em harmonia com essa articulação. A Figura 4 explora a ligação entre as tecnologias prioritárias dos diferentes grupos da pesquisa estruturada. As tecnologias prioritárias estão predominantemente inseridas na cadeia de valor da cana-de-açúcar, perpassando todas as etapas, desde o desenvolvimento da matéria-prima até a obtenção de novos produtos. É preciso reforçar também a diversidade de processos e produtos possíveis por conversão biotecnológica, o que coloca a biotecnologia industrial como elemento fundamental no desenvolvimento das tecnologias prioritárias. Observam-se, entretanto, algumas lacunas ou elos sem articulação nas cadeias representadas na Figura 4. No caso da soja, o investimento em tecnologias do grupo 1 não necessariamente impacta o restante de tecnologias prioritárias identificadas ao longo de sua cadeia. No caso do etanol, as tecnologias derivadas estão restritas à sua conversão por rota química em produtos já existentes de base fóssil. No caso da vinhaça, não há tecnologias prioritárias correlatas a jusante e nem a montante. Esses elos sem articulação não são necessariamente um problema, mesmo porque em alguns casos nota-se que uma grande motivação é o aproveitamento de resíduos gerados na produção de biocombustíveis de primeira geração, de forma a se agregar valor a subprodutos disponíveis. Apenas, ao serem elaboradas iniciativas de desenvolvimento dessas tecnologias, será necessário identificar a sua inserção em modelos de negócios viáveis. Do contrário, os esforços podem ser comprometidos em termos de resultados efetivos de inovação. A coordenação e a integração de esforços são essenciais para o próprio desenvolvimento da química de renováveis no país e, em consequência, para sua competitividade futura. Ressalte-se que, sendo uma cadeia em estruturação com diversas etapas críticas, esforços e iniciativas em uma etapa somente farão sentido prático se, e somente se, esforços de mesmo nível forem articulados nas demais etapas, a montante e a jusante. Assim, os esforços de desenvolvimento de novos produtos, como o ácido succínico, podem não resultar em sucesso comercial se faltarem esforços ou articulação com o desenvolvimento de tecnologias para obtenção competitiva de açúcares, a montante, e também esforços para o desenvolvimento de novas aplicações e mercados a jusante. A ausência dessa articulação de etapas pode frustrar o desenvolvimento como um todo. A fina coordenação dos esforços de desenvolvimento das diversas etapas é um desafio de primeira importância que deve merecer toda a atenção das políticas de inovação que venham a ser empreendidas. Acrescente-se que essa articulação envolve não somente o desenvolvimento das tecnologias prioritárias ou críticas de cada etapa, mas também a tradução desses desenvolvimentos em modelos de negócios competitivos que considerem os níveis de integração adequados para a criação e apropriação de valor na cadeia como um todo. 14 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

15 Figura 4 Encadeamento das tecnologias prioritárias na cadeia produtiva Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada 15 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

16 3. Tecnologias relevantes críticas No conjunto das 85 tecnologias emergentes da ATS de Química a partir de renováveis, apenas três foram consideradas relevantes críticas na consulta estruturada, uma pertencente ao grupo 3 tecnologias de conversão para substituição de químicos de base fóssil, e duas pertencentes ao grupo 4 novos produtos. É importante reforçar que a classificação da tecnologia como relevante crítica significa que os respondentes reconhecem que estas são importantes, mas o potencial de produção no país é baixo no longo prazo. Desta forma, estas tecnologias necessitam de forte apoio da indústria e das agências de fomento para o seu avanço. No grupo 3, apenas os processos envolvendo a transformação do CO2 por rota química foram considerados como tecnologias críticas, isto é: uso de processos de conversão química na transformação de CO2 visando à obtenção de intermediários ou produtos químicos tais como: dimetilcarbonato, carbonato de glicerina, produção direta de ácido acrílico, propileno carbonato, etileno carbonato. O principal driver no desenvolvimento destes processos é a sustentabilidade, através da redução de emissões de gases de efeito estufa. No entanto, mesmo sendo potencialmente uma matéria-prima abundante, as tecnologias para utilização do CO2 ainda estão em estágio de desenvolvimento inicial e gargalos tecnológicos ainda precisam ser superados no sentido de se demonstrar sua viabilidade econômica. Diversas iniciativas de desenvolvimento de utilização do CO2 como matéria- -prima são registradas, a maioria em estágio piloto. São exploradas rotas químicas e biotecnológicas. Um dos projetos de maior destaque no uso de rotas químicas é o da Bayer, que utiliza CO2 emitido na geração de eletricidade para a produção de polietercarbonato. No Brasil, o aproveitamento do CO2 gerado na fermentação do etanol, o qual tem alto grau de pureza, poderia ser uma oportunidade para agregar valor nas usinas, de forma que tais tecnologias podem ser vistas como complementares às demais que buscam agregar valor aos resíduos gerados durante a produção de etanol. Com o avanço das biorrefinarias integradas, o aproveitamento do CO2 tende a ganhar espaço, de modo que estas tecnologias guardam estreita relação com as apontadas como prioritárias inseridas na cadeia de valor da cana-de-açúcar. Em termos de esforço tecnológico, há também complementaridade, visto que rotas químicas, que requerem conhecimento em catálise, constam também entre as tecnologias prioritárias. Duas outras tecnologias foram consideradas críticas no grupo 4: uso de processos fermentativos na transformação de açúcares visando à obtenção de novos produtos químicos, tais como ácido glutárico e ácido mucônico ; e uso de tecnologias de polimerização na transformação de ácido láctico, visando à obtenção de PLA (ácido polilático). No caso da obtenção de novos produtos, a base de conhecimento utilizada é a mesma que foi considerada como prioritária no grupo 3, isto é, processos fermentativos para 16 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

17 transformação de açúcares em produtos de interesse. A particularidade aqui se refere aos produtos indicados que não seriam substitutos de petroquímicos existentes, mas novos produtos. Nesse caso, o desafio é o desenvolvimento dos mercados finais e aplicações e não apenas a obtenção. Interpreta-se dessa forma como crítica tanto a capacidade de desenvolver os processos tecnológicos e comerciais necessários para estabelecer os novos produtos quanto os processos fermentativos baseados em biotecnologia avançada. No caso do PLA, a identificação da polimerização do ácido láctico como crítica parece derivar principalmente do reconhecimento pelos respondentes de que o PLA é um plástico promissor e ainda sem iniciativas de produção no Brasil. O PLA é produzido comercialmente há mais de uma década e sua difusão tem sido mais lenta do que o esperado inicialmente. Duas empresas se destacam nos projetos relacionados ao PLA: Natureworks (principal produtor) e Corbion (antiga Purac). Diversos desafios se colocam para o desenvolvimento e difusão do PLA: novas rotas e matérias-primas para a síntese do ácido láctico, produção dos lactídeos e polimerização, melhora de desempenho do produto e identificação de usos mais promissores. Note-se que esses desafios não se limitam à polimerização, que foi indicada como crítica pelos respondentes. 17 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

18 4. Tecnologias não atrativas Na consulta estruturada, 49 das 85 tecnologias foram consideradas não atrativas, correspondendo a 58% do total. Dada a grande diversidade tecnológica e o contexto de indefinição a respeito de tecnologias capacitadoras e projetos dominantes na produção de químicos a partir de matérias-primas renováveis, é fundamental um monitoramento periódico, para sua reavaliação. Sugere-se formalmente uma revisão anual dos resultados, de modo a se acompanhar a dinâmica de desenvolvimento das tecnologias e o potencial de difusão no Brasil. Considerando-se o estágio de desenvolvimento da indústria de químicos a partir de renováveis, há grande incerteza em relação à escolha de tecnologias, o que faz parte do processo de inovação. Para a discussão acerca das tecnologias consideradas não atrativas, as tecnologias foram agrupadas de maneira a se identificar a percepção dos respondentes em relação a questões de grande relevância na escolha das apostas a serem feitas no país em termos de construção de conhecimento e infraestrutura de pesquisa e produção. O Quadro 2 apresenta os 10 conjuntos identificados a partir das 49 tecnologias não atrativas. Esses conjuntos serão discutidos a seguir, ressaltando-se as convergências e divergências com a tendência mundial e também se verificando sua relação com as tecnologias consideradas prioritárias. É possível afirmar que as tecnologias relacionadas aos conjuntos 8 e 10 apresentam muito esforço de pesquisa e desenvolvimento (P&D) no país, ao passo que as relativas aos conjuntos 2 e 5 possuem baixo esforço de P&D comparativamente ao panorama mundial. Por outro lado, percebe-se também que algumas tecnologias já atingiram escala comercial, de forma que não é possível observar uma lógica pela qual as tecnologias foram consideradas como não atrativas, havendo motivos distintos para cada conjunto. Quadro 2 Conjuntos de tecnologias emergentes consideradas não atrativas 1 - Melhoramento genético e sistemas de produção de propágulos aplicados a novas culturas; uso de prospecção e conservação de recursos genéticos microbianos da biodiversidade brasileira 2 - Pré-tratamento da lignocelulose: explosão a vapor; ácido fraco; microrganismos 3 - Processos termoquímicos aplicados à biomassa ou lixo urbano, assim como conversão de gás de síntese por fermentação 4 - Captura de CO2 5 - Processos utilizando algas e posterior conversão do bio-óleo 6 - Aproveitamento da lignina 7 - Processos fermentativos utilizando microrganismos naturalmente selecionados 8 - Novos polímeros a partir de açúcar (PHA/PHB, PEF, PPC, PEC), glicerina ou CO2 9 - Conversão de açúcar a novos produtos para a indústria de química fina 10 - Conversão química de açúcar a novos produtos (FDCA, isosorbide, furfural, etc.) Fonte: Elaboração própria, a partir dos resultados da consulta estruturada 18 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

19 4.1. Melhoramento genético e sistemas de produção de propágulos aplicados a novas culturas O primeiro conjunto reúne as tecnologias relativas à produção e desenvolvimento de matérias-primas. Ficou clara a visão geral de que as novas culturas não devem ser, no curto prazo, foco de atenção em melhoramento genético e sistemas de produção de propágulos. Esta é uma escolha que considera essencialmente a trajetória tecnológica do Brasil em relação ao desenvolvimento de cana-de-açúcar e soja, assim como as características climáticas do país. Algumas novas culturas, como canola, sorgo e mamona, são alvo de intensa pesquisa em outros países, sempre se considerando as especificidades locais e buscando-se investir na produção das matérias-primas capazes de suprir a crescente necessidade de biomassa. O que se observa no mundo é uma tendência de escolha das culturas que possam ser mais vantajosas regionalmente e um esforço em estruturar a oferta de matéria-prima. Neste sentido, o Brasil segue esta tendência, e os resultados da pesquisa estruturada reforçam o entendimento de que é necessário explorar prioritariamente as culturas para as quais o Brasil tem domínio tecnológico e pode avançar em eficiência e produtividade. A cana-de-açúcar é hoje a matéria-prima de referência para a bioindústria, o que tem estimulado diversas empresas, startups e incumbentes a se instalarem no Brasil com interesse nessa matéria-prima, além de outros fatores. É importante acompanhar a evolução das tecnologias aplicadas às novas culturas no mundo, de forma a se perceberem oportunidades futuras para o país. Uma incoerência que se observa é a consideração da prospecção e conservação de recursos genéticos microbianos da biodiversidade brasileira aplicados às etapas agrícola e industrial como não atrativa pelos respondentes, enquanto a identificação e uso de genes e enzimas de interesse biotecnológico para a etapa industrial foi considerada prioritária. Estes genes e enzimas deveriam vir prioritariamente da prospecção dos recursos microbianos presentes na biodiversidade brasileira. Com isso, percebe-se que um diferencial competitivo do Brasil não foi associado a tecnologias prioritárias na presente pesquisa. Possivelmente, a questão tem gargalos mais associados à legislação do que a desenvolvimentos tecnológicos, de forma que tal abordagem justifica o resultado encontrado Pré-tratamento da lignocelulose: Explosão a vapor; ácido fraco; microrganismos Nas tecnologias emergentes relacionadas ao pré-tratamento da lignocelulose para liberação das fibras de celulose para uso como fonte de carboidratos em processos de conversão, no grupo 2, observa-se que alguns processos que estão em estágio avançado de desenvolvimento e mesmo alguns que já estão sendo utilizados em escala comercial foram considerados não atrativos. Como o pré-tratamento da lignocelulose, de forma ampla, sem especificar o processo, foi considerado prioritário, é possível que haja nesta 19 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

20 questão divergência em relação à tendência mundial e, em consequência, uma escolha precipitada a respeito das tecnologias de pré-tratamento mais importantes. A tecnologia Proesa, desenvolvida pela Biochemtex, subsidiária do grupo italiano M&G, utiliza explosão a vapor e está operando em escala comercial na Itália, pela Beta Renewables, e no Brasil, pela Granbio. O projeto de etanol celulósico da Raízen, em parceria com a Iogen, também utiliza explosão a vapor como pré-tratamento. Uma unidade industrial foi construída em São Paulo. Esta aposta em uma fase ainda com muitas alternativas em competição, mesmo considerando-se que a cana-de-açúcar já foi escolhida como matéria-prima principal na cadeia de valor baseada em carboidratos, pode gerar gargalos futuros. Há de se ressaltar que esta etapa da cadeia é crítica também para a produção de etanol de segunda geração e os esforços de desenvolvimento são realizados por diversos players. Uma vez que processos de pré-tratamento de material lignocelulósico em geral foram considerados prioritários, o fato de algumas tecnologias terem sido apontadas como não atrativas retrata apenas a grande diversidade de tecnologias ainda em competição, não afetando os resultados da pesquisa Processos termoquímicos aplicados à biomassa ou lixo urbano, assim como conversão de gás de síntese por fermentação Outro ponto importante que deve ser ressaltado é a classificação como não atrativas de todas as tecnologias emergentes relativas a processos termoquímicos gaseificação, pirólise e pré-tratamento da biomassa para esses processos, tanto aplicados à biomassa quanto ao lixo sólido. Considerando-se que o aproveitamento da biomassa por rotas termoquímicas compete diretamente com as rotas bioquímicas, os resultados demonstram coerência dos respondentes e uma percepção geral de que os investimentos devem ser direcionados às rotas bioquímicas. Esta escolha define uma trajetória tecnológica clara a ser seguida no país, que pressupõe coerência nos esforços de pesquisa e desenvolvimento, assim como na estruturação da cadeia de valor. A consulta aponta uma direção para a agenda tecnológica setorial, facilitando a proposição de políticas públicas que fortaleçam as áreas de conhecimento relativas à biotecnologia. No entanto, é preciso perceber que, no mundo, vários projetos em andamento seguem a rota termoquímica, sendo os mais avançados aqueles que se propõem a resolver o problema dos resíduos sólidos urbanos, como os da empresa canadense Enerkem, que inaugurou este ano uma planta em escala comercial de gaseificação de lixo em Edmonton, Alberta. A busca por soluções para os problemas causados pelo lixo urbano é um importante driver para o desenvolvimento de processos termoquímicos, e há uma tendência mundial de investir em tecnologias que possam ser utilizadas com esta finalidade. Deste modo, a percepção dos respondentes não converge com tal tendência. 20 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

21 4.4. Captura de CO2 Em relação às tecnologias de tratamento de CO2 de exaustão que aparecem como não atrativas, é preciso avaliar se há incoerência em relação à consideração de tecnologias de conversão química de CO2 como prioritárias. Um ponto que enfraquece esta divergência é considerar que o CO2 a ser utilizado para conversão seria proveniente da fermentação de etanol, pois, neste caso, as condições de saída do gás não exigem processos de purificação diferentes dos já utilizados industrialmente, os quais são tecnologicamente maduros. Principalmente considerando-se o avanço da produção de etanol de segunda geração, que poderia minimizar o problema de interrupção da produção na entressafra, a fermentação mostra-se como uma fonte promissora de CO2 para o Brasil. Por outro lado, se a perspectiva for utilizar o CO2 gerado em outras fontes estacionárias, como refinarias ou termelétricas, é incoerente não considerar as tecnologias de separação e purificação como prioritárias ou críticas, pois há um gargalo tecnológico nesta etapa da cadeia produtiva que precisa ser superado para que o aproveitamento do CO2 se insira em uma cadeia estruturada. No mundo, percebe-se que os modelos de negócio relacionados à captura e utilização de CO2 são diversificados, com a captura mais integrada às fontes de CO2 e desenvolvida através de programas de pesquisa financiados basicamente por agências do governo, enquanto a utilização compreende players de diferentes setores: empresas químicas, startups, empresas de gases industriais e indústrias emissoras de CO2. No caso da captura, existe também um driver ambiental, muitas vezes com foco na posterior armazenagem de CO2, de modo a se reduzirem as emissões de gases de efeito estufa. Por este motivo, os governos de vários países participam de forma ativa, buscando estimular o avanço das tecnologias de captura Processos utilizando algas e posterior conversão do bio-óleo Outro resultado interessante da consulta foi a classificação das tecnologias relativas ao uso de algas e conversão de bio-óleo como não atrativas, apesar dos intensos esforços mundiais para desenvolver tais tecnologias. Tanto os processos utilizando algas autotróficas, que ainda se encontram em estágio de desenvolvimento mais atrasado, quanto os que utilizam algas heterotróficas na conversão de açúcar a bio-óleo e bioprodutos, que já estão em escala comercial no Brasil por meio de uma joint venture entre as empresas Solazyme e Bunge, não foram considerados relevantes pelos respondentes. Outras empresas, como Heliae e Neol, também têm avançado em suas pesquisas com algas. Neste caso, nota-se uma divergência em relação à tendência mundial. A disponibilidade de açúcar e o fortalecimento de sua cadeia de valor podem representar uma oportunidade de diversificação do portfólio de bioprodutos a serem ofertados pelo país caso os processos através de algas ganhem espaço na bioindústria. Desta forma, o entendimento de que estas tecnologias não são atrativas deve ser discutido e também confrontado com outros estudos, de forma a serem aproveitadas oportunidades que surjam para o país. 21 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

22 4.6. Aproveitamento da lignina Tecnologias de conversão química da lignina também foram consideradas não atrativas, o que se mostra coerente com a mesma classificação dada ao processo de pré-tratamento organossolve, o qual possibilita o aproveitamento da lignina. A lignina, gerada principalmente como subproduto da indústria de celulose, tem como principal destino a queima para geração de energia elétrica, apesar do potencial na conversão a produtos de alto valor agregado, como no seu aproveitamento como precursor de fibra de carbono. A empresa de papel e celulose Borregard, líder mundial no fornecimento de produtos baseados na lignina, aparece como um player importante na valorização da lignina para diferentes aplicações. Considerando-se que o Brasil possui papel relevante na indústria de celulose, há espaço para explorar mais estas oportunidades. As empresas locais ainda demonstram pouco interesse em investir em P&D visando ao aproveitamento da lignina. Uma maior integração entre as indústrias química e de celulose, assim como se observa entre os setores químico e sucroenergético, poderia ser um movimento interessante na estruturação de uma nova cadeia de valor. Neste sentido, uma discussão mais ampla sobre a competitividade da biomassa florestal brasileira em relação à biomassa de culturas energéticas, como a cana, se faz necessária e poderia contribuir para ampliar as possibilidades de matérias-primas para químicos a partir de renováveis Processos fermentativos utilizando microrganismos naturalmente selecionados Especificamente em relação aos processos de conversão por fermentação, os resultados sugerem uma aposta no uso de microrganismos geneticamente modificados em detrimento dos naturalmente selecionados. Esta decisão é importante, visto que parte dos esforços de pesquisa e a base de conhecimentos necessários para o avanço tecnológico são diferentes. Apesar de grande parte dos projetos em andamento utilizarem microrganismos geneticamente modificados, não existe ainda um consenso de que esta seja a melhor opção para aplicações industriais, dadas as dificuldades de controle de processo, contaminação e legislações. Existe competição entre rotas para a obtenção de um mesmo produto em que projetos distintos utilizam microrganismos diferentes, bactérias ou leveduras, por exemplo, ou abordagens diferentes em relação aos microrganismos geneticamente modificados ou naturalmente selecionados. Desta forma, é importante a identificação da necessidade de construir uma base de conhecimento em biologia sintética para acompanhar a evolução tecnológica nas rotas envolvendo biotecnologia. 22 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

23 4.8. Novos polímeros a partir de açúcar (PHA/PHB, PEF, PPC, PEC), glicerina ou CO2; 9. Conversão de açúcar a novos produtos para a indústria de química fina; 10. Conversão química de açúcar a novos produtos (FDCA, isosorbide, furfural, etc.) Os três últimos conjuntos de tecnologias do Quadro 1 referem-se ao grupo 4. Percebe- -se que, na sua maioria, as tecnologias para a produção de novos polímeros foram consideradas não atrativas, assim como novos produtos a partir do açúcar por processos químicos. A interpretação mais coerente seria que o ponto principal considerado não foi a questão tecnológica, mas sim a dificuldade no desenvolvimento de novos mercados e aplicações. Todos os produtos mencionados no questionário estão sendo desenvolvidos por diferentes empresas, em estágios de desenvolvimento distintos, principalmente por startups de base tecnológica, como Novomer, Avantium e Metabolix. Assim, esta ideia geral de não priorizar novos produtos não segue a tendência mundial, mas pode ser considerada coerente com a pouca experiência do Brasil em desenvolvimento de produtos na indústria química. Conforme mencionado anteriormente, a base de conhecimento para desenvolvimento dos processos não difere das tecnologias do grupo 3, de modo que, mesmo não sendo estas consideradas atrativas, o conhecimento tecnológico será construído. Assim, caso o país deseje dar ênfase a novos produtos, será necessária a construção da expertise de desenvolvimento de aplicações para o aproveitamento econômico das novas moléculas. 23 Agenda Tecnológica Setorial ATS Relatório Analítico da Consulta Estruturada

24 5. Considerações finais O conjunto de tecnologias relevantes prioritárias identificadas na pesquisa estruturada e sintetizadas na Figura 4 sugere o destaque de três pontos principais, expostos a seguir. O primeiro ponto refere-se ao foco das tecnologias prioritárias na produção de biomassa. Nessa etapa inicial da cadeia produtiva de químicos renováveis, pode-se identificar uma ênfase em melhoramento genético das commodities agrícolas, soja e cana-de-açúcar. O segundo ponto refere-se à articulação da cadeia produtiva a partir da cana-de-açúcar. Observa-se um encadeamento entre todos os grupos de tecnologias, indo da produção da biomassa até os novos produtos. Note-se ainda nesse encadeamento a clara ênfase na biotecnologia, incluindo-se o melhoramento genético de plantas e microrganismos, e processos biotecnológicos avançados. Destaque-se assim a biotecnologia como conhecimento essencial para o desenvolvimento das tecnologias relevantes. A articulação das tecnologias a partir da cana-de-açúcar sugere ainda um ponto forte para a competitividade brasileira, já que a complementaridade entre as tecnologias prioritárias pode facilitar a coordenação dos esforços de desenvolvimento e a estruturação dos modelos de negócio. O terceiro ponto refere-se às relações das tecnologias prioritárias com a produção brasileira de biocombustíveis. Destaquem-se nesse ponto as oportunidades identificadas para o aproveitamento de subprodutos ou resíduos da produção de biocombustíveis de primeira geração, no caso glicerina e vinhaça. Quanto ao papel do etanol na química de renováveis, as tecnologias relevantes identificadas limitaram-se à conversão do álcool, por meio de rotas químicas, em produtos substitutos de petroquímicos. Essas rotas químicas a partir do etanol podem ser vistas como estando em competição com rotas biotecnológicas ou químicas a partir de açúcares simples, também identificadas como prioritárias. A clara compreensão da evolução dessa competição deverá ser um desafio para os formuladores de políticas de inovação, que serão levados a decidir por um apoio equilibrado entre as tecnologias ou pela escolha de uma em detrimento das demais. A definição das tecnologias relevantes é por certo crucial para orientar as políticas públicas de apoio ao desenvolvimento do setor e aos esforços de P&D. A partir desta primeira análise, nota-se entre as tecnologias identificadas uma grande diversidade nas bases de conhecimento a serem mobilizadas. Isso deve levar à presença nos programas de inovação de uma diversidade de agentes, de centros de pesquisa e universidades a empresas de diversas origens, bases de conhecimento e indústrias. A consequência maior dessa diversidade é a necessidade de um refinado processo de coordenação dos esforços de inovação, valorizando-se modelos de negócios que consigam articular eficientemente o desenvolvimento das tecnologias e a participação dos diferentes agentes. O ponto central aqui é que, tanto quanto encontrar formas de apoiar o desenvolvimento 24 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis