Q UÍMICA DE R ENOVÁVEIS

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1 Agenda Tecnológica Setorial ATS Química Q UÍMICA DE R ENOVÁVEIS PANORAMA TECNOLÓGICO 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 Presidenta 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 relacionadas à produção e desenvolvimento das matérias-primas (biomassa) Tecnologias de tratamento da matéria-prima Tecnologias de conversão Competências no Brasil e Principais fatores condicionantes da difusão tecnológica do setor Mapeamento das competências no Brasil Principais fatores condicionantes da difusão tecnológica do setor Considerações finais...40 Referências bibliográficas...41

6 Lista de Tabela Tabela 1 Resumo das tecnologias de pré tratamento de biomassa lignocelulosica...18 Tabela 2 Projetos relativos ao desenvolvimento de biocombustíveis pelas rotas bioquímica e termoquímica...21 Tabela 3 Evolução esperada das tecnologias de pirólise e gaseificação de biomassa no Brasil e no mundo...22 Tabela 4 Comparação entre duas listas de produtos mais promissores a partir de carboidratos...24 Tabela 5 Panorama geral dos produtos que compõem o roadmap da Braskem..25 Tabela 6 Evolução esperada das tecnologias relacionadas à glicerina e a algas no Brasil e no mundo...27 Tabela 7 Distribuição das firmas selecionadas de acordo com a linha de interesse no PAISS...28 Tabela 8 Novos produtos e suas características...29 Tabela 9 Grupos de pesquisa com competências em tecnologias de tratamento da biomassa...31 Tabela 10 Lista de laboratórios de excelência na rota bioquímica de aproveitamento de biomassa lignocelulósica...31 Tabela 11 Resultado da busca por grupos de pesquisa relacionados a biologia sintética...33 Tabela 12 Etapas relacionadas ao desenvolvimento de microrganismos por biologia sintética e suas principais características...35 Tabela 13 Grupos de pesquisa com competências em tecnologias de conversão a partir de lignina, glicerina, bio-óleo, etanol, CO2 e gás de síntese (por fermentação)...36 Tabela 14 Composição da Rede de Plásticos e Borrachas SIBRATEC...36

7 Lista de Figuras Figura 1 Estrutura da lista de tecnologias emergentes...10 Figura 2 Grupos de biomassa...12 Figura 3 Diferentes biomassas e respectivos resultados alcançados após o tratamento...16 Figura 4 Abordagem da pesquisa para biocombustíveis e químicos a partir de renováveis...23 Figura 5 Distribuição geográfica de organizações relacionadas a publicações em biologia sintética...33 Figura 6 Distribuição dos grupos de pesquisa por área do conhecimento predominante.. 34

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9 1. Introdução O presente documento tem como objetivo apresentar um panorama tecnológico do setor de Químicos a partir de Renováveis. Neste sentido, visa discutir as tecnologias emergentes identificadas e o processo de inovação no Brasil, por meio da avaliação do estado de desenvolvimento tecnológico no país. O primeiro ponto a ser destacado é a definição de Química Verde e o foco adotado neste trabalho. Tundo et al. (2000, p ) definem Química Verde ou Química Sustentável como a criação, o desenvolvimento e a aplicação de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso e a geração de substâncias tóxicas. Revela- -se, dessa forma, um conceito significativamente abrangente, cujo objetivo final é a sustentabilidade, permitindo diferentes estratégias para alcançá-lo. O desenvolvimento de tecnologias que utilizem matérias-primas renováveis (biomassa e CO 2 ) desponta como uma das áreas de interesse dentro da Química Verde, designado como foco no desenvolvimento da Agenda Tecnológica do Setor. A atual corrida tecnológica na busca por processos e produtos derivados de matérias-primas renováveis configura o surgimento da bioeconomia, ou indústria dos produtos bioderivados (biobased industry) (Langeveld, Sanders e Meeusen, 2010; Ulber et al., 2011). Esta nova indústria, ainda em formação, revela grandes oportunidades para o Brasil. A farta disponibilidade de culturas agrícolas de grande extensão, intensa radiação solar, água em abundância, diversidade de clima e pioneirismo na produção de biocombustível em larga escala são os principais fatores que colocam o país em posição privilegiada para assumir a liderança nesta indústria em formação (CGEE, 2010). O foco em tecnologias que utilizem matérias-primas renováveis tem grande sinergia com o conceito de biorrefinaria, o qual, apesar de ainda recente e não consolidado, parte da lógica de integração de processos atualmente adotada nas refinarias de petróleo. Segundo o Laboratório Nacional de Energias Renováveis do Departamento de Energia dos Estados Unidos (NREL/DOE), a biorrefinaria é uma instalação que integra os processos e equipamentos de conversão de biomassa para produzir combustíveis, energia e produtos químicos a partir desta, maximizando o seu valor e minimizando os resíduos (National Renewable Energy Laboratory, 2012). Diferentes tipos de biomassa e tecnologias podem ser utilizados na estruturação das biorrefinarias. De maneira geral, é possível distinguir três grandes etapas: produção da biomassa, tratamento desta com objetivo de resolver problemas logísticos e/ou disponibilizar o constituinte básico para a etapa seguinte e a conversão em energia, biocombustíveis e bioprodutos (Coutinho, 2011). Na figura 1, os grupos 1, 2 e 3 englobam as tecnologias emergentes relativas a estas três etapas. Adotando os conceitos de química verde e biorrefinaria, considera-se que todos os processos discutidos neste relatório têm como ponto de partida procedimentos e estratégias que valorizam e preservam o meio ambiente. Tal prerrogativa é condição básica para a 9 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

10 evolução e competitividade dos novos processos e produtos no contexto que cerca a nova corrida tecnológica. O documento se divide em cinco seções, além da introdução. As três primeiras seções do desenvolvimento deste trabalho seguem a lógica da biorrefinaria, adotada na construção da lista de tecnologias emergentes, discutindo a situação atual no mundo e no Brasil no que concerne ao desenvolvimento tecnológico. Assim, a seção 2 discute as tecnologias emergentes relacionadas ao desenvolvimento e à produção de matérias-primas (biomassa). Na seção 3, são explorados os processos de tratamento da biomassa, e a seção seguinte concentra-se no detalhamento das tecnologias de conversão a partir das diferentes matérias-primas, englobando também questões relativas à obtenção de novos produtos. Tal discussão é relevante, na medida em que a inovação extrapola o âmbito do eixo matéria-prima processo, inserindo questões de características do produto e processo de adoção no mercado. A figura 1 apresenta esquematicamente a divisão adotada na elaboração da lista de tecnologias emergentes. Como pode ser observado, contemplou-se um grupo dedicado aos novos produtos. A seção 5 apresenta as competências no Brasil, necessárias ao desenvolvimento das tecnologias discutidas, e a última seção apresenta as considerações finais. Figura 1 Estrutura da lista de tecnologias emergentes Fonte: Elaboração própria 10 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

11 2. Tecnologias relacionadas à produção e desenvolvimento das matérias-primas (biomassa) Toda a discussão sobre o avanço da produção de químicos a partir de renováveis tem como base questões referentes à disponibilidade e preço da matéria-prima. Diferentemente da transição da indústria química baseada no carvão para a petroquímica em que a disponibilidade de matéria-prima possibilitou a mudança, a evolução da indústria de produtos químicos a partir de renováveis confronta-se com o grande desafio de encontrar ou desenvolver matérias-primas que tornem os processos de conversão economicamente viáveis. É possível afirmar que o preço da matéria-prima irá definir quais processos de conversão entrarão em escala comercial e quais não terão sua economicidade comprovada. Neste sentido, a inserção de um grupo de tecnologias relacionadas à produção e desenvolvimento das matérias-primas é de extrema importância para a construção e evolução do setor de químicos a partir de renováveis. O ponto de partida no desenvolvimento da bioeconomia é a biomassa, definida como toda a matéria orgânica, não fóssil, de origem vegetal, animal ou microbiana. Esta consiste em: plantas cultivadas ou nativas; descartes das lavouras; florestas nativas ou cultivadas e resíduos florestais; esterco de animais domésticos; esgotos urbanos; lixo doméstico com resíduos de origem animal ou vegetal; formações orgânicas, como a turfa; resíduos de matadouros e das indústrias de processamento de produtos agrícolas, entre outros (Gentil, 2008). As tecnologias emergentes do grupo 1 estão relacionadas a quatro grupos de biomassa: commodities, novas culturas, microrganismos e resíduos (conforme apresentado na figura 2). As demais matérias-primas renováveis utilizadas em processos de conversão serão abordadas na seção Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

12 Figura 2 Grupos de biomassa Fonte: Embrapa Agroenergia (2012) No que tange à biomassa vegetal (plantas), a divisão em commodities e novas culturas se deu em função de três requisitos: pacote tecnológico definido, escala de produção e logística de comercialização desenvolvida. As commodities atendem a todos esses requisitos. Por outro lado, no contexto do grupo de novas culturas, a canola, o capim-elefante, o dendê, a mamona e o sorgo sacarino apresentam pacote tecnológico disponível, mas baixa escala de produção. Já as culturas pinhão manso, macaúba e outras palmáceas (por exemplo: inajá, tucumã e babaçu) ainda não apresentam tecnologia disponível, pois são espécies que se encontram em processo de domesticação, cujos resultados só virão no longo prazo (Embrapa Agroenergia, 2012). Laviola e Alves (2011) e Molinari et al. (2011) discutem, respectivamente, as matérias oleaginosas e lignocelulósicas como matérias-primas para as biorrefinarias, reafirmando o potencial destas e apontando a necessidade de investimentos em pesquisa e desenvolvimento destas culturas e de tecnologias a elas relacionadas. Kalib Kersh, analista da Lux Research, destaca a importância do desenvolvimento da biomassa: Hoje, os biocombustíveis e químicos de base renovável precisam de mais de um bilhão de toneladas de biomassa por ano para substituir apenas 3% dos produtos 12 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

13 de base fóssil. Em 2030, este número vai subir para 3,7 bilhões de toneladas, e atender o crescente desafio exigirá inovações de matérias-primas, tais como a modificação das culturas, novas configurações da cadeia de valor, e melhorias na tecnologia agrícola, como irrigação (Reidy, 2013). Ganhos de produtividade e eficiência são os principais objetivos das tecnologias emergentes voltadas para as culturas agrícolas. Na etapa agrícola, as tecnologias emergentes concentram-se em duas grandes frentes: melhoramento/desenvolvimento de novas variedades e desenvolvimento das técnicas agrícolas. A multidisciplinaridade e o rápido avanço da fronteira tecnológica e respectivas técnicas empregadas trazem grandes desafios no que se refere ao melhoramento e/ou desenvolvimento de novas variedades de culturas agrícolas. Há de se considerar que estes conhecimentos são transversais, sendo desenvolvidos e aplicados também na medicina e agricultura em geral, como no caso das ciências ômicas e da biologia sintética. As ciências ômicas (genômica, proteômica, metabolômica, fenômica etc.) tratam da análise global dos sistemas biológicos, integrando diferentes áreas do conhecimento, como a bioquímica, genética, fisiologia e computação, com o objetivo de isolar e caracterizar genes, proteínas e metabólitos, assim como estudar as interações entre eles, com base em técnicas experimentais, softwares e bancos de dados (Espíndola et al., 2010). Rech Filho (2010), ao discutir o uso de novas tecnologias no melhoramento de cultivos alimentares, apresenta alguns exemplos de parcerias entre a Embrapa e outras organizações. O autor discute o grande dinamismo da inovação tecnológica nesta área do conhecimento e a necessidade do uso de técnicas modernas para o aumento da produtividade. Vermerris (2011) afirma que o grande trunfo atual é a disponibilização de ferramentas genômicas que têm o potencial de acelerar o melhoramento de culturas de forma significativa. Outros autores também discutem as novas ferramentas de modificação genética (Murphy, 2011; Stephanopoulos, 2012), reforçando o interesse no assunto. No que diz respeito ao melhoramento de culturas para uso na produção de biocombustíveis e bioprodutos, alguns exemplos de empresas de destaque mostram a intensa dinâmica de inovação neste campo. A empresa Ceres, fundada em 1996, está voltada ao desenvolvimento de cana com alto teor de energia e gramíneas com características avançadas, tais como tolerância à seca. Em 2009, a empresa instalou uma subsidiária no Brasil (Ceres Sementes do Brasil), cujo foco volta-se exclusivamente ao sorgo sacarino (Ceres, 2013). Este se apresenta como uma cultura de destaque para a empresa, configurando-se enquanto alternativa de cultura de rotação para cana-de-açúcar no Brasil, permitindo aos produtores brasileiros a manutenção da produção de açúcar durante a entressafra de cana. Em 2012, a referida empresa anunciou o primeiro híbrido de switchgrass desenvolvido para bioenergia e novas variedades de miscanto. A Ceres tem parcerias com as empresas Novozymes 13 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

14 e Amyris, ressaltando experiências exitosas de produção de diesel a partir de açúcares originados de seus híbridos de sorgo. Os testes com xarope de sorgo foram realizados pela Amyris em escala piloto nos Estados Unidos (Biofuels Digest, 2012). Já a Chromatin, empresa norte-americana fundada em 2001, trabalha no desenvolvimento de variedades de sorgo voltadas à alimentação, a combustíveis e a produtos químicos. A empresa possui uma tecnologia própria de gene-stacking (empilhamento de gene) que permite inserir várias novas características em culturas-alvo, com grande redução do tempo de desenvolvimento entre laboratório e aplicação no campo (Chromatin, 2013). No início de 2012, a Chromatin obteve financiamento de US$ 5,7 milhões através do programa PETRO (Plants Engineered To Replace Oil), do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Fora estabelecido como objetivo o desenvolvimento de novas variedades de sorgo sacarino rico em energia com baixo custo, a ser usado como matéria-prima na produção de combustíveis para transporte (Biofuels Digest, 2012). A Proterro é um exemplo de empresa que aposta na viabilidade da utilização de microrganismos fotossintetizantes. A empresa foi fundada em 2008 e é voltada ao desenvolvimento de açúcares renováveis de alta performance e baixo custo através de biologia sintética uso de cianobactérias modificadas para fazer sacarose diretamente de CO 2, água, nutrientes e luz solar. As cianobactérias, também conhecidas como algas azuis, são microrganismos procariontes como as bactérias, mas com um sistema fotossintetizante semelhante ao das algas. A empresa selecionou cianobactérias que produzem naturalmente apenas sacarose, modificando-as geneticamente para que secretem a sacarose de forma contínua e com alto rendimento. A empresa relata que testes de laboratório e de campo mostram que, mesmo quando introduzida deliberadamente contaminação microbiana, a produtividade de sacarose não diminuiu. No curto prazo, a Proterro deverá iniciar uma transição para a operação de fotobiorreatores maiores (Biofuels Digest, 2012). A SG Biofuels é uma empresa de desenvolvimento de culturas de alto rendimento de energia dedicada, nos últimos cinco anos, ao desenvolvimento do pinhão manso, combinando plataformas de melhoramento e ciência genômica (Biofuels Digest, 2012). Em janeiro de 2013 firmou, junto à Embrapa, um acordo de pesquisa estratégica para promover o desenvolvimento do pinhão manso como fonte alternativa de energia renovável no Brasil (SGB, 2013). Duas start-ups de base tecnológica brasileira trabalhavam no melhoramento genético da cana-de-açúcar: Allelyx fundada em 2002 e CanaVialis fundada em Ambas foram adquiridas pela Monsanto em 2008, sendo hoje CanaVialis a marca comercial da Monsanto para os negócios de cana-de-açúcar e sorgo sacarino no Brasil. A empresa possui cinco estações de pesquisa no país, desenvolvendo novas variedades de cana- -de-açúcar e híbridos de sorgo sacarino (CanaVialis, 2013). No Brasil, a GranBio, em parceria com o Instituto Agronômico de Campinas (IAC) e a Rede Interuniversitária para o Desenvolvimento do Setor Sucroenergético (Ridesa), desenvolve um projeto destinado à obtenção de uma variedade de cana-de-açúcar, cha- 14 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

15 mada cana vertix, voltada à produção de etanol e bioprodutos de segunda geração. A empresa prevê o plantio em escala comercial a partir de 2015 (GranBio, 2013). Há de se ressaltar o importante papel da Embrapa, tanto no melhoramento genético de espécies vegetais quanto na difusão de tecnologias para o setor agrícola no Brasil. A criação da Embrapa Agroenergia, em 2006, pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA), destaca a maior atenção dispensada pela instituição às questões relativas à produção de biocombustíveis e bioprodutos. No tocante ao desenvolvimento das técnicas agrícolas, as estratégias de ação são baseadas em sistemas de produção e adaptação de novos equipamentos e processos para as diferentes culturas. Desta forma, a questão mais crítica gira em torno da adoção de novas tecnologias para emprego no campo, a ser discutida na seção 5. Na questão que envolve os resíduos, os maiores desafios tecnológicos surgem na etapa de tratamento, que será discutida na seção 3. A sua adoção como matéria-prima requer ações ligadas à organização estrutural que garanta o fornecimento a contento (Embrapa Agroenergia, 2012). Neste sentido, são verificadas as seguintes demandas: mapeamento dos resíduos agrícolas, florestais, industriais e urbanos (georreferenciamento) do Brasil; quantificação dos resíduos disponíveis; qualificação dos resíduos (caracterização físico-química). Em face do exposto, torna-se possível concluir que o grupo 1 apresenta desafios de diferentes naturezas. Segundo a taxonomia de Pavitt (1984), a agricultura é um setor classificado como dominado pelos fornecedores, ou seja, o desenvolvimento das tecnologias é, em geral, realizado por atores de outros setores produtivos. Desta forma, as fontes de inovação são diversificadas, com participação tanto de empresas e instituições de pesquisas dedicadas às espécies vegetais como daquelas que atuam como fornecedoras de equipamentos. 15 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

16 3. Tecnologias de tratamento da matéria-prima As tecnologias de tratamento constituem uma etapa fundamental para o desenvolvimento de toda a cadeia produtiva de químicos bioderivados. A capacidade de gerar matérias-primas com baixo custo e com as características necessárias para alimentar os processos de conversão apresenta-se como um grande desafio tecnológico. Neste sentido, há diferentes alternativas sendo investigadas. É preciso considerar que cada biomassa tem uma composição distinta, de forma que as tecnologias mais adequadas para o seu aproveitamento integral irão variar. O esforço de desenvolvimento tecnológico na etapa de tratamento da biomassa é comum à indústria de biocombustíveis, assim como acontece na etapa de produção e desenvolvimento de matérias-primas discutidas na seção anterior. No caso da biomassa lignocelulósica, o etanol celulósico e os biocombustíveis avançados a partir de gás de síntese ou bio-óleo impulsionaram os desenvolvimentos iniciais. Esta sinergia é inerente ao conceito de biorrefinaria. Com o crescente interesse pelo açúcar de segunda geração para produtos químicos, há, atualmente, empresas focadas em tecnologias específicas para obtenção deste açúcar. A figura 3 apresenta as diferentes biomassas e os respectivos resultados alcançados após a etapa de tratamento. Figura 3 Diferentes biomassas e respectivos resultados alcançados após o tratamento Fonte: Elaboração própria 16 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

17 Existem duas rotas distintas de tratamento da biomassa lignocelulósica: a bioquímica e a termoquímica. Na rota bioquímica, enzimas são utilizadas para converter celulose e hemicelulose em açúcares fermentáveis pentoses e hexoses. Na rota termoquímica, os processos de pirólise ou gaseificação são empregados para gerar bio-óleo e gás de síntese, respectivamente. De acordo com Sims et al. (2010) e Wright e Brown (2007), não há clara vantagem comercial ou técnica de uma rota sobre outra. Uma efetiva diferença a ser considerada diz respeito ao aproveitamento da lignina, uma vez que esta é convertida em gás de síntese na gaseificação, ao passo que mantém sua estrutura para posterior aproveitamento na rota bioquímica. Pereira Junior (2010) e Sousa-Aguiar e Silva (2010) apresentam um panorama destas duas rotas, tanto pela prospecção tecnológica em patentes quanto pela descrição técnica dos processos, mostrando o crescente interesse em ambas ao longo do tempo. A rota bioquímica (hidrólise enzimática) engloba uma ou mais etapas de pré-tratamento da biomassa, com o objetivo de remover ou quebrar as camadas de lignina e hemicelulose, permitindo às enzimas acessarem a celulose mais facilmente. Logo, a combinação de diferentes pré-tratamentos e enzimas para hidrólise gera uma grande diversidade de rotas tecnológicas para a produção de açúcares. Diversas perspectivas de pré-tratamento vêm sendo desenvolvidas, as quais variam em relação a condições operacionais, eficiência e impacto na etapa de hidrólise (presença de inibidores). Os fatores a serem considerados na escolha do pré-tratamento são: tipo de matéria-prima; formação de inibidores; tamanho de partícula requerido; custo do material de construção dos reatores; formação de resíduos e número de etapas (CGEE, 2010). As principais características das tecnologias emergentes de pré-tratamento são apresentadas na tabela Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

18 Tecnologias Tabela 1 Resumo das tecnologias de pré tratamento de biomassa lignocelulósica Exemplo de químico usado Ácido fraco H 2 SO 4 w = 0,5-2% T > 160 C Condições Vantagens Desvantagens Breve descrição Métodos químicos Processo conhecido e já utilizado Problemas de corrosão; perda de material por degradação; rendimento baixo Neste processo, ácido sulfúrico é misturado à biomassa para hidrolisar a hemicelulose. A porosidade da parede celular aumenta, melhorando a acessibilidade das enzimas. A remoção de lignina é muito baixa. Ocorre a formação de produtos de degradação, que inibem a etapa posterior de hidrólise, como o furfural. É necessária uma etapa de neutralização para neutralizar e destoxificar a corrente oriunda do pré-tratamento. Existe ainda o problema de corrosão do reator. Os principais custos do processo estão associados ao consumo de energia e ao ácido. Processo organossolve Etanol, butanol, etilenoglicol, dentre outros T = C Meio pode ser recuperado Custo do solvente; questões de segurança Como indicado pelo próprio nome, este processo envolve o uso de solventes orgânicos como agente do tratamento. Geralmente ocorre em condições de altas temperatura e pressão. O solvente solubiliza a lignina e a hemicelulose, havendo decomposição de carboidratos solúveis em furfural e HMF. A lignina, considerada de alta qualidade, pode ser separada através da evaporação do solvente, o que ocasiona alto consumo de energia. Existe grande preocupação com o uso de solventes inflamáveis devido ao risco de explosão. Catalisadores heterogêneos Líquidos iônicos T = ~ 110 C Meio pode ser recuperado; baixo consumo de energia Métodos físicos Alto custo dos líquidos iônicos; custo dos métodos de recuperação do solvente Líquidos iônicos são solventes verdes que dissolvem celulose. Desta forma, seu uso no pré-tratamento permite dissolver grandes quantidades de celulose e também reduzir sua cristalinidade. Ainda em fase de pesquisa. Explosão a vapor p = 2,5-7 MPa T = C Processo conhecido e já utilizado; não há problemas de corrosão; altos rendimentos Geração de subprodutos indesejados; alto consumo de energia Neste processo, a biomassa tratada com vapor em alta pressão é rapidamente colocada em um vaso operado à baixa pressão. A queda brusca de pressão ocasiona a ruptura da estrutura das fibras. Há uma redução na cristalinidade da celulose bem como um aumento na superfície de contato. A principal desvantagem apontada é a degradação de hemicelulose, em caso de emprego de altas temperaturas, havendo necessidade de destoxificação antes da bioconversão. continua na próxima página Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

19 Tecnologias Exemplo de químico usado Condições Vantagens Desvantagens Breve descrição Hidrotermólise T = C Altos rendimentos; não há problemas de corrosão Geração de subprodutos indesejados (menos que na explosão a vapor) O tratamento de biomassa com água quente sob pressão permite a hidrólise parcial da hemicelulose e a recuperação de uma pequena parte de lignina. Dependendo da biomassa, é necessária alta temperatura, o que aumenta a degradação dos açúcares, diminuindo o rendimento e aumentando a presença de inibidores. Ainda em fase de pesquisa. Explosão com amônia Amônia líquida T = C Baixa formação de inibidores; meio pode ser recuperado Problemas ambientais devido ao uso de amônia Consiste no tratamento da biomassa com amônia pura em temperaturas entre o C e alta pressão, seguida de rápida queda de pressão, o que gera a ruptura da estrutura das fibras. O processo não remove lignina. A amônia é recuperada por evaporação, o que consome grande quantidade de energia, aumentando os custos do processo. Além disso, a estocagem de amônia líquida envolve questões de segurança industrial. Fonte: Adaptado de Bacovsky, Dallos e Wörgetter (2010) De acordo com Galbe e Zacchi (2002), o método de pré-tratamento mais investigado é a explosão de vapor. Neste método, hemicelulose e lignina são decompostas e convertidas em frações de peso molecular baixo que podem ser facilmente extraídas (Naik et al., 2010). Há dois tipos de hidrólise da biomassa lignocelulósica: ácida e enzimática. No primeiro, a obtenção dos açúcares fermentáveis se dá pela ação de solução ácida. O uso de ácido, entretanto, aumenta o investimento na planta devido à sua natureza corrosiva e, além disso, a recuperação do ácido é uma etapa cara. A Dedini desenvolveu pesquisas relacionadas a esta rota, construindo inclusive uma planta piloto, no momento desativada. No segundo caso, um conjunto de enzimas é responsável pela hidrólise. A rota enzimática concentra atualmente maior esforço de desenvolvimento. Os grandes desafios da rota bioquímica são: desenvolvimento de sistemas de pré-tratamento adequados para diferentes tipos de biomassas e processos; desenvolvimento de processos de destoxificação dos produtos da hidrólise; e desenvolvimento de novos tipos de enzimas com maior atividade enzimática e menor custo. Outro desafio tecnológico é a separação das pentoses e hexoses para posterior fermentação, de forma a gerar produtos de maior valor agregado, através do uso da fração de pentoses separadamente. Neste caso, tecnologias de separação eficientes e de baixo custo 19 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

20 podem viabilizar a produção de produtos diferenciados. O arranjo do processo, com a possível integração de etapas, aparece como uma questão em aberto e com diferentes apostas. Em relação à rota termoquímica, os processos de gaseificação e pirólise têm sido alvo de intensa pesquisa para aplicação em biomassa, em face do conhecimento acumulado nesta rota para outras matérias-primas. Na gaseificação, a biomassa, com teor de umidade entre 10 e 20% (resíduo lignocelulósico ou lixo sólido), é aquecida a temperaturas superiores à 500 o C, sendo esta total ou parcialmente convertida em gases cujos principais componentes são o monóxido de carbono e o hidrogênio (o chamado gás de síntese). De acordo com relatório do Cenbio (2002), a composição dos gases e a produção concomitante de combustíveis sólidos (carvão) e líquidos condensáveis dependem dos seguintes fatores: tipo de forno de gaseificação; forma de fornecimento de energia ao processo; introdução ou não de vapor de água junto com o comburente (ar, O 2 ); tempo de retenção da carga; sistema de retirada de gases e outros produtos e matéria orgânica utilizada. O principal problema da gaseificação se relaciona à etapa de limpeza do gás de síntese e ajuste de sua composição (Sousa-Aguiar e Silva, 2010). Outro desafio consiste na alimentação contínua de biomassa nas condições adequadas. A gaseificação é uma tecnologia intensiva em capital, sendo necessárias plantas em grande escala para tornar o processo economicamente viável. A tecnologia de pirólise caracteriza-se pela decomposição térmica da biomassa em ausência de oxigênio. Dentre os diferentes tipos de pirólise conhecidos, a pirólise rápida é mais utilizada na biomassa, com o objetivo de gerar maior volume de bio-óleo. Durante o processo, a biomassa é aquecida a temperaturas entre 400 e 650 o C durante um curto intervalo de tempo, com a geração de vapores que, em seguida, são resfriados e condensados para gerar principalmente o bio-óleo (Almeida, 2008). As algas autotróficas são organismos fotossintéticos com capacidade para converter CO 2 em bio-óleo ou biomassa. Esta tecnologia se apresenta, ainda, em estágio embrionário no mundo, demonstrando, entretanto, grande potencial de utilização (Carioca et al., 2010). As tecnologias utilizando microalgas representam, em longo prazo, uma perspectiva promissora, principalmente devido à alta eficiência fotossintética, à tolerância a ambientes extremos e à rápida proliferação. As tecnologias de tratamento da matéria-prima têm uma relação direta com o desenvolvimento dos biocombustíveis de segunda geração. As tecnologias voltadas à liberação de açúcares são exploradas pelos atores envolvidos com o etanol de segunda geração, sendo as de progresso tecnológico mais avançado mundialmente. Já as tecnologias termoquímicas de tratamento de materiais lignocelulósicos têm forte relação com a produção de outros biocombustíveis avançados. No caso do Brasil, a experiência com o etanol de primeira geração mostra-se vantajosa, considerando a infraestrutura já estabelecida de pesquisa e desenvolvimento, produtores de equipamentos e grandes usinas, além do lastro de conhecimento em fermentação já constituído. 20 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

21 Em nível mundial, é possível acompanhar a dinâmica dessas tecnologias por meio de relatórios de agências internacionais como a International Energy Agency (IEA). A tabela 2 apresenta um panorama dos projetos atuais em biocombustíveis, classificados segundo a rota de produção. Há um total de 83 projetos desenvolvidos por 54 empresas ou organizações de pesquisa. A rota bioquímica concentra 65% dos projetos e mostra-se mais avançada, se considerarmos o elevado número de plantas piloto e de demonstração em operação. Na rota termoquímica, há ainda uma predominância de projetos em escala piloto, inclusive com plantas planejadas e em construção, o que já não aparece para a rota bioquímica. Em relação a projetos em escala comercial, não há ainda plantas em operação, mas é possível observar que 80% dos projetos relativos à rota bioquímica já estão planejados ou em fase de construção. Para a rota termoquímica, este percentual é de 50%. Em relação ao Brasil, aparecem apenas as empresas Petrobras e GranBio, não se configurando o país como um país de destaque no desenvolvimento das tecnologias emergentes de tratamento da biomassa. Apesar de não figurar entre os projetos apontados pelo IEA (2013), o Centro de Tecnologia Canavieira (CTC) coordena um projeto em etanol de segunda geração por rota bioquímica, em parceria com a Novozymes e a Andritz.(CTC, 2013). Em relação aos projetos em gaseificação, vale destacar que há sete projetos desenvolvidos por duas empresas (Enerkem e Fiberight), aplicados a lixo sólido, englobando: uma planta piloto em operação, duas plantas de demonstração também em operação e quatro em escala industrial (duas planejadas e duas em construção). Tabela 2 Projetos relativos ao desenvolvimento de biocombustíveis pelas rotas bioquímica e termoquímica Situação Escala Total de Piloto Demonstração Industrial projetos Rota bioquímica Operacional 20 (91%) 15 (68%) 0 Em construção (50%) Planejado 0 3 (14%) 3 (30%) Outros 1 2 (9%) 4 (18%) 2 (20%) Rota termoquímica Operacional 9 (64%) 5 (56%) 0 Em construção 2 (14%) 1 (11%) 1 (17%) Planejado 1 (7%) 1 (11%) 2 (33%) Outros 1 2 (14%) 2 (22%) 3 (50%) Total 83 Notas: 1 Projetos interrompidos, adiados ou cancelados Fonte: IEA (2013) Sousa-Aguiar e Silva (2010), ao construírem o mapa tecnológico de tópicos associados à biorrefinaria termoquímica, apontam que, no que diz respeito ao grau de maturidade tecnológica no mundo, a gaseificação da biomassa encontra-se em crescimento e a pirólise em estágio ainda embrionário. Mesmo desenvolvendo tais tecnologias em trajetórias similares a tendências mundialmente verificadas, o Brasil encontra-se em estágio menos avançado nesta seara. A tabela 3 resume a expectativa de evolução destas tecnologias, 21 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

22 no Brasil e no mundo, até A Petrobras apresenta-se como um ator importante no desenvolvimento da rota termoquímica no Brasil. Tabela 3 Evolução esperada das tecnologias de pirólise e gaseificação de biomassa no Brasil e no mundo Tecnologia Mundo Brasil Mundo Brasil Mundo Brasil Demo / Bancada / Demo / Gaseificação de biomassa Industrial implantação piloto industrial Pirólise de biomassa Piloto/ demo Bancada / piloto Implantação / industrial Fonte: Sousa-Aguiar e Silva (2010) Demo / implantação Industrial Industrial Voltando à taxonomia de Pavitt (1984) concernente às trajetórias tecnológicas, a etapa referente ao tratamento da biomassa apresenta uma dinâmica semelhante aos setores classificados como baseados em ciência. Neste sentido, a inovação ocorre, majoritariamente, pelos esforços dos próprios atores envolvidos. Verifica-se, por conseguinte, intensa competição tecnológica, principalmente neste estágio inicial de estruturação da indústria. 22 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

23 4. Tecnologias de conversão Segundo Christensen et al. (2008), há duas abordagens possíveis frente à estruturação da indústria de químicos a partir de matérias-primas renováveis. Na primeira, o foco está na obtenção de produtos já existentes a partir de matéria-prima fóssil, os chamados produtos drop-in. Esta denominação, inicialmente utilizada apenas para biocombustíveis, indica a não existência de mudanças para os usuários, visto que as propriedades do produto se mantêm, ficando os esforços de inovação concentrados na matéria-prima e no processo de conversão. Na segunda abordagem, busca-se a geração de novos produtos, com propriedades que os tornem possíveis substitutos para os petroquímicos em alguns mercados e com possibilidades de novos mercados. A opção por discutir as tecnologias emergentes de conversão e não uma lista de produtos vem da lógica de pesquisa dos produtos químicos bioderivados, denominada abordagem divergente. Neste caso, observa-se que uma mesma tecnologia pode gerar diferentes produtos e não precisa necessariamente ser descartada caso não se mostre viável para um dos produtos-alvo. Poderia ser aplicada a um produto diferente, principalmente por questões de custos de produção e sua relação com o preço final do produto. Conforme afirmam Bozell e Petersen (2010), o foco na escolha da tecnologia leva à identificação do produto no caso de produtos químicos, diferentemente da abordagem de pesquisa dos biocombustíveis. A figura 4 apresenta a comparação entre as abordagens de pesquisa para biocombustíveis e químicos, apontando claramente a diferença entre ambas. Figura 4 Abordagem da pesquisa para biocombustíveis e químicos a partir de renováveis Fonte: Bozell e Petersen (2010) Um relatório do Departamento de Energia dos Estados Unidos, publicado em 2004, foi a primeira de muitas iniciativas com o objetivo de identificar os produtos mais promissores a partir de matérias-primas renováveis. Diferentes critérios foram adotados e, ao longo do tempo, estas listas foram sendo revistas, alterando-se os produtos componentes. 23 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

24 Reitera-se, portanto, a percepção acerca da necessidade de estruturação da agenda tecnológica com base nas tecnologias emergentes. A tabela 4 retrata o intenso dinamismo tecnológico dos processos nesta área, visto que, comparando as duas listas de produtos mais promissores a partir de carboidratos, montadas em 2004 e 2010, diversas alterações são observadas. Alguns produtos saíram da lista (em vermelho), outros entraram (marcados em azul), e mesmo entre os que se mantiveram, a maior parte teve sua colocação alterada. O próprio Bozell, um dos participantes na construção das listas, afirmou em 2011 que, caso fossem refeitas, trariam novas modificações. Tabela 4 Comparação entre duas listas de produtos mais promissores a partir de carboidratos The DOE Top 10 produtos a partir de carboidratos, 2004 The new Top 10+4 produtos a partir de carboidratos, 2010 Ácidos succínico, fumárico e maleico Etanol 2,5 ácido dicarboxílico furânico (FDCA) Furânicos furfural, FDCA, HMF Ácido 3 Hidroxipropiônico Glicerol e derivados Ácido aspártico Biohidrocarbonos isopreno e outros Ácido glucárico Ácido láctico Ácido glutâmico Ácido succínico Ácido itacônico Ácido/Aldeído hidroxipropiônico Ácido levulínico Ácido levulínico 3-hidroxibutirolactona Sorbitol Glicerol Xylitol Sorbitol Xylitol / Arabinitol Fonte: Bozell e Petersen (2010); Bozell (2011) Adotando a lógica de análise a partir das tecnologias, duas rotas são identificadas, quais sejam: a bioquímica, que utiliza microrganismos naturalmente selecionados ou geneticamente modificados em processos fermentativos; e a química, com o emprego de processos químicos convencionais em diferentes matérias-primas. Observa-se também um elevado número de projetos que utilizam as duas rotas em conjunto. Desta forma, no caso dos processos fermentativos, grande parte do esforço de inovação reside na descoberta ou criação de microrganismos capazes de produzir as moléculas de interesse. Microrganismos capazes de gerar diretamente produtos que, por rota química, necessitavam de diferentes etapas, são foco de intensa pesquisa e desenvolvimento, visto que a redução no número de etapas e, consequentemente, no investimento na planta, têm impacto decisivo na viabilidade econômica do processo. Recentemente, a Braskem adotou o uso de roadmap para levantar a discussão sobre a evolução da produção de químicos a partir de matérias-primas renováveis. Esta abordagem mostra-se mais adequada, uma vez que não elege produtos vencedores, realizando, outrossim, um mapeamento, para diferentes horizontes de tempo, de acordo com os avanços tecnológicos apresentados. Esta ferramenta também tem o objetivo de fomentar debates sobre políticas públicas e estratégias para o Brasil (Coutinho e Bomtempo, 2011). 24 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

25 O roadmap foi utilizado na identificação das tecnologias emergentes de conversão, principalmente a partir de açúcares. É possível perceber a diversidade de produtos, processos e atores envolvidos. Grande parte dos produtos é exatamente igual aos produzidos a partir de matéria-prima fóssil, os chamados produtos drop-in. No que tange às tecnologias de conversão, tanto para novos produtos ou produtos drop-in, o roadmap desenvolvido pela Braskem permite um panorama da evolução esperada, ao longo do tempo, conforme apresentado na tabela 5. É possível perceber que grande parte das tecnologias estará em escala industrial no médio prazo. A maior parte das tecnologias vem sendo desenvolvida por empresas estrangeiras, sejam elas start-ups de base tecnológica ou empresas estabelecidas. Há também muitos desenvolvimentos em parcerias, demonstrando uma diversificação nos modelos de negócios adotados pelas firmas envolvidas. Nota-se uma grande diversidade nas tecnologias em desenvolvimento. Desta forma, é possível observar considerável complexidade tanto do ponto de vista da inovação tecnológica como dos aspectos relacionados ao mercado e empresas. Tabela 5 Panorama geral dos produtos que compõem o roadmap da Braskem Classificação do produto, ou grupo de produtos obtidos Tecnologia em diante Gaseificação Intermediários/ produtos químicos Fermentação Síntese química Fermentação + síntese química Fermentação Polímeros Síntese química Fermentação + síntese química Fonte: Braskem (2012) No curto prazo, ácido succínico e butanodiol, ambos obtidos por fermentação de açúcares, despontam como os mais promissores químicos a partir de açúcares, com várias plantas comerciais anunciadas e em construção. O alto rendimento da conversão é apontado como o principal fator para o sucesso das tecnologias de conversão desses produtos. A busca por p-xileno de fontes renováveis também aparece com grande concentração de esforços, principalmente com o objetivo de produção de PTA (ácido tereftálico purificado) para fabricação de PET. A obtenção do PET verde é um exemplo de interação entre os desenvolvedores de tecnologia e os clientes, principalmente a Coca-Cola, que investe em diferentes rotas tecnológicas em desenvolvimento por diferentes empresas. A expectativa é a produção em escala industrial do PET verde no médio prazo. 25 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

26 O biobutanol é outro exemplo de produto com diversos anúncios de plantas comerciais, o qual deverá ser produzido em escala comercial no curto prazo. A empresa Butamax, uma joint venture entre BP e DuPont, vem a ser o principal desenvolvedor desta tecnologia, mas não o único. No longo prazo, aparecem biopolímeros por novas rotas, como o PHA, assim como os químicos a partir de algas e lignina, tecnologias ainda em estágio de desenvolvimento inicial. A lignina está presente em matérias-primas lignocelulósicas, correspondendo a, pelo menos, cerca de 30% em peso e 40% em conteúdo energético destes materiais (IEA, 2012). A lignina é responsável pela rigidez e resistência da parede celular dos vegetais. Sua estrutura química propicia o desenvolvimento de rotas químicas promissoras para a produção de aromáticos. A produção de etanol de segunda geração irá aumentar a disponibilidade de novas formas de lignina de alta qualidade, o que desperta o interesse em processos de obtenção de produtos de maior valor agregado a partir desta. O uso de etanol como matéria-prima para a produção de químicos a chamada alcoolquímica, apresenta esforços tecnológicos recentes, buscando, principalmente, processos de conversão química em etapa única. Em estudo recente realizado pelo CGEE (2010), apontou-se que o esforço tecnológico de desenvolvimento dos novos processos da alcoolquímica refere-se à diminuição das etapas de síntese e catalisadores multifuncionais, tornando a catálise heterogênea uma área de conhecimento importante para a evolução dos processos. Appel (2010), ao analisar um grupo de tópicos tecnológicos referentes à alcoolquímica diretamente relacionados às tecnologias emergentes identificadas neste estudo, verificou que, entre 2026 e 2030, todas as tecnologias listadas já demonstrariam potencial para situarem-se em fase de produção, tendo atravessado todas as etapas de desenvolvimento. A comercialização do polietileno verde pela empresa Braskem, obtido através da desidratação do etanol a eteno, revela-se um caso de sucesso no desenvolvimento de polímeros drop-in. A glicerina é um importante coproduto da produção de biodiesel por transesterificação de óleos. Devido ao aumento de produção de biodiesel no Brasil, a glicerina tem sido alvo de pesquisas para a geração de produtos de maior valor agregado. Pode ser utilizada como matéria-prima tanto para fermentação quanto para processos de conversão química, sendo estes os que atualmente concentram maiores esforços de desenvolvimento. Mota, Silva e Gonçalves (2009) descrevem em detalhes os diferentes produtos que podem ser obtidos pela conversão química da glicerina. A substituição da epicloridrina de origem fóssil pela produzida a partir de glicerina aparece como um caminho viável, dado o alto rendimento do processo de conversão. Vários projetos desta natureza estão em andamento. O uso de glicerina e bio-óleo de plantas (ou de algas) para a produção de químicos, assim como a produção de bio-óleo por algas autotróficas, fazem partem da olequímica. Glicerina e microalgas configuraram-se como tópicos selecionados no mapeamento tecnológico realizado por Seidl e Lago (2010). O uso da glicerina para 26 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

27 produção de químicos encontra-se em crescimento no mundo, enquanto a utilização de algas voltadas para produção de bio-óleo ainda permanece em estágio embrionário. A tabela 6 resume a expectativa de evolução destas tecnologias no Brasil e no mundo até 2030, apontando rápida evolução das tecnologias que utilizam a glicerina como matéria-prima. Tabela 6 Evolução esperada das tecnologias relacionadas à glicerina e a algas no Brasil e no mundo Tecnologia Mundo Brasil Mundo Brasil Mundo Brasil Glicerina Piloto / implantação Piloto / industrial Industrial Industrial Industrial Industrial Algas Bancada/ demo Bancada / piloto Implantação / industrial Demo / scaleup Indstrial Industrial Fonte: Seidl e Lago (2010) Em relação ao uso de CO 2 como matéria-prima na produção de químicos, a grande motivação vem a ser a redução na emissão deste gás, gerando produtos de maior valor agregado. As tecnologias emergentes seguem a rota química e o aproveitamento do CO 2 gerado nas usinas sucroalcooleiras se apresenta como uma relevante oportunidade no Brasil. O alto consumo energético apresenta-se como a principal barreira para o avanço destas tecnologias. Especificamente em relação à biomassa de cana-de-açúcar, o cenário brasileiro pode ser alterado, devido ao esforço conjunto de coordenação das instituições Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) ao lançarem o Plano Conjunto BNDES-FINEP de Apoio à Inovação Tecnológica Industrial dos Setores Sucroenergético e Sucroquímico (PAISS) em O programa permite o desenvolvimento, tanto de tecnologias relacionadas ao tratamento da biomassa com foco na produção de etanol celulósico, quanto da tecnologia de gaseificação de biomassa e tecnologias de conversão a produtos químicos. Um total de 35 planos de negócio foram selecionados, com 25 empresas nacionais e estrangeiras envolvidas. A cooperação entre as empresas e entre estas e universidades e centros de pesquisa já se configura como um resultado positivo. As linhas temáticas do PAISS e o número de empresas envolvidas em cada uma destas constam da tabela 7. Percebe-se o grande interesse pela linha 2, o que aumenta o potencial de inovação em tecnologias de conversão a produtos químicos. 27 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

28 Tabela 7 Distribuição das firmas selecionadas de acordo com a linha de interesse no PAISS Linhas Número de firmas % do total Linha 1: Bioetanol de 2ª Geração Desenvolvimento de tecnologias de coleta e transporte de palha de cana-deaçúcar; Otimização de processos de pré-tratamento de biomassa de cana para hidrólise; Desenvolvimento dos processos de produção de enzimas e/ou de processos de hidrólise de material lignocelulósico oriundo da biomassa da cana-de-açúcar; Desenvolvimento de microrganismos e/ou de processos de fermentação de pentoses; Integração e escalonamento de processos para produção de etanol celulósico. Linha 2: Novos produtos de cana-de-açúcar Desenvolvimento de novos produtos diretamente obtidos a partir da biomassa da cana-de-açúcar por meio de processos biotecnológicos; Integração e escalonamento de processos para produção de novos produtos diretamente obtidos a partir da biomassa da cana-de-açúcar % 17 68% Linha 3: Gaseificação: Tecnologias, equipamentos, processos e catalisadores Desenvolvimento de tecnologias de pré-tratamento de biomassas de cana-deaçúcar para gaseificação; Desenvolvimento de tecnologias de gaseificação de biomassas de cana-de-açúcar, especialmente quanto à otimização dos parâmetros de processos e/ou redução nos custos de capital dos equipamentos; Desenvolvimento de sistemas de purificação de gases; Desenvolvimento de catalisadores associados à conversão de gás de síntese em produtos. 1 4% Linhas 1 e % Total % Fonte: BNDES (2011) Novos produtos químicos a partir de matérias-primas renováveis A produção de químicos a partir de matérias-primas renováveis traz a oportunidade da geração de novos produtos. Neste caso, o desenvolvimento de aplicações e a difusão no mercado têm papel crítico. Como já exposto anteriormente, considerando uma indústria em formação, a dinâmica de inovação é intensa e não há como apontar todos os possíveis novos produtos. A criação de um grupo de tecnologias voltado para novos produtos tem o objetivo de diferenciar as apostas em relação a produtos drop-in. É importante entender esta perspectiva na construção da agenda setorial, visto que o desenvolvimento de novos produtos necessita de uma abordagem diferenciada em relação ao mercado. A tabela 8 apresenta alguns exemplos de novos produtos que concentram grande parte dos esforços de desenvolvimento atualmente. Observa-se uma grande presença de biopolímeros entre os exemplos citados. A discussão a respeito da proposta de valor vinculada a estes (com ênfase ou não na biodegradabilidade), bem como a existência de ativos complementares, tanto pelo lado da oferta, como face à demanda, apresentam-se como fatores críticos no desenvolvimento destes produtos. 28 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

29 Tabela 8 Novos produtos e suas características Produto Classificação Processo Matéria-prima Principais usos FDCA PEF PLA Bloco de construção Biopolímero Biopolímero Conversão química Conversão química Fermentação + conversão química Açúcares Substituição do PTA na produção de PET, gerando novo polímero PEF Exemplo de empresas envolvidas Avantium FDCA Substituição do PET Avantium Açúcares PHAs/PHB Biopolímeros Fermentação Açúcares PBS Policarbonatos (PPC/PEC) Solventes verdes Biopolímero Biopolímeros Intermediários químicos Conversão química Conversão química Conversão química Ácido succínico CO 2 Glicerina Filmes, embalagens e produtos de higiene Embalagens rígidas e flexíveis, principalmente para alimentos Solventes para tintas Natureworks Purac Metabolix, Biomer, PHB Industrial PTT Novomer Rhodia, Dow, Oxiteno Legenda: FDCA: 2,5 ácido dicarboxílico furânico; PEF: Polietilenofuranoato; PLA: poliácido láctico; PHA: polihidroxialcanoato; PBS: Polibutileno succinato; PPC: Polipropileno carbonato; PEC: Polietileno carbonato Fonte: Elaboração própria Do ponto de vista da aquisição de equipamentos para produção em escala industrial, é possível considerar que, no caso das rotas químicas acima mencionadas, não haverá grandes alterações em relação à situação atual. Não há mudança significativa na natureza dos equipamentos em relação aos que são utilizados nos processos de conversão para produção de químicos a partir de matérias-primas de origem fóssil, de forma que a cadeia produtiva de bens de capital para a indústria química não seria afetada em sua estrutura. Atualmente, esta apresenta significativa dependência de importações, o que acarreta aumento nos valores de investimento necessários à instalação de plantas químicas no Brasil em relação a outros países. No entanto, caso haja um direcionamento para as rotas bioquímicas, os projetos no Brasil poderiam se beneficiar de uma cadeia produtiva de equipamentos industriais bem estabelecida e competitiva. Esta cadeia foi estruturada para atender às necessidades principalmente do setor sucroalcooleiro e, pela natureza dos equipamentos necessários para a produção de químicos a partir de renováveis por processos biotecnológicos, tem capacidade de atender a demanda dessa nova indústria em formação. Neste caso, haveria uma vantagem de localização das plantas no Brasil devido a um custo de construção menor. O fator localização é um aspecto importante a ser considerado na escolha das rotas tecnológicas mais promissoras ao desenvolvimento do setor de químicos a partir de renováveis no Brasil. 29 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

30 5. Competências no Brasil e Principais fatores condicionantes da difusão tecnológica do setor 5.1. Mapeamento das competências no Brasil No que se refere às competências voltadas para tecnologias emergentes no desenvolvimento de matérias-primas agrícolas, Teixeira (2009) apresenta um mapeamento de competências em melhoramento genético vegetal no Brasil como um ponto importante para a competitividade agrícola. O artigo apresenta um levantamento dos programas de pós-graduação em nível de doutorado nesta área do conhecimento e o número de doutores especialistas titulados entre 1996 e 2007, analisando também a distribuição regional desses. O estudo conclui que existiam 69 programas de pós-graduação, em nível de doutorado, que apresentam áreas de concentração e/ou linhas de pesquisa relacionadas ao melhoramento vegetal e biotecnologia. Praticamente 85% dos programas de pós- -graduação correlatos estão localizados nas regiões Sul e Sudeste e são responsáveis pela titulação de 88% dos melhoristas e/ou doutores desse campo do conhecimento. As principais áreas de formação de recursos humanos para o segmento são Agronomia, Genética e Botânica (p. 174). O estudo considera a base de competência instalada no país competitiva em relação ao mundo no que se refere a técnicas convencionais e aponta para a necessidade de políticas públicas de capacitação no sentido de desenvolver capacitação em técnicas modernas. Teixeira (2009, p. 175) afirma que existe um distanciamento da fronteira do conhecimento científico e tecnológico e do uso das técnicas de melhoramento genético de plantas em algumas áreas ligadas à biologia molecular. Esse distanciamento pode levar à perda da competência instalada no país já nos próximos cinco a dez anos. A identificação dos grupos de pesquisas relacionados à biologia sintética para melhoramento vegetal será explorada mais adiante. A identificação de grupos de pesquisa foi realizada através do diretório de grupos de pesquisas do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq (disponível em: < considerando os aspectos já discutidos nas seções anteriores. Dada a amplitude do tema e a multiplicidade de matérias-primas, processos e produtos, a estratégia de busca não se mostra exaustiva, sendo o objetivo principal identificar os principais grupos de pesquisa relacionados ao tema de interesse. Em relação às competências relacionadas aos processos de tratamento da biomassa, a busca utilizou as palavras-chave listadas na tabela 9, considerando as tecnologias da figura 3. A busca retrata uma maior ênfase nas rotas termoquímicas, o que provavelmente é fruto da maior dispersão de termos para investigar as competências relacionadas à rota bioquímica. No caso da rota termoquímica, apenas pelo nome da tecnologia é pos- 30 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

31 sível encontrar os grupos de interesse, ao passo que muitos grupos relacionados à rota bioquímica podem estar vinculados a palavras-chave diferentes das utilizadas. De todo modo, com exceção de gaseificação de lixo, todos os demais temas estão sendo pesquisados por grupos no Brasil. Após a eliminação dos grupos que apareceram para mais de uma palavra-chave, restaram 32 grupos com linhas de pesquisa diretamente focadas nas tecnologias do grupo 2, sendo mais da metade relacionada à área de engenharia química. Tabela 9 Grupos de pesquisa com competências em tecnologias de tratamento da biomassa Palavras-chave Número de grupos de pesquisa Número de grupos com linhas de identificados pesquisa de interesse Pré-tratamento material lignocelulósico 2 1 Pré-tratamento de biomassa 9 5 Hidrólise ácida 4 1 Hidrólise enzimática 26 8 Pirólise biomassa Gaseificação biomassa Gaseificação lixo 0 0 Biomassa bio-hidrogênio 2 1 Fixação CO 2 algas; captura CO 2 algas, sequestro CO Fonte: Elaboração própria Pereira Junior (2010) apresenta uma lista dos laboratórios nacionais identificados como referência no desenvolvimento de processos na rota bioquímica de aproveitamento da biomassa lignocelulósica, conforme a tabela 10. Tabela 10 Lista de laboratórios de excelência na rota bioquímica de aproveitamento de biomassa lignocelulósica Laboratório de Desenvolvimento de Bioprocessos (Ladebio) da Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético (NIPE) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) Instituto Virtual Internacional de Mudanças Globais (IVIG) da Coppe/UFRJ Laboratórios de Engenharia Bioquímica DEQ/Universidade de São Paulo (USP) Centro de Tecnologia Canavieira (CTC) Instituto de Pesquisa Tecnológica do Estado de São Paulo (IPT/SP) Laboratórios de Biologia Molecular (Labiomol) do ICB da Universidade de Brasília (UnB) Centro de Pesquisas Leopoldo Miguez de Mello (Cenpes)/Petrobras Centro de Apoio Multidisciplinar (CAM)/Universidade Federal do Amazonas (UFAM) Laboratório de Engenharia de Processos Enzimáticos (LEE) do DEQ/Universidade Federal de são Carlos (UFSCar) Laboratório de Cristalografia do Instituto de Física da USP (Campus de São Carlos) Laboratório de Tecnologia Enzimática/UFRJ Laboratórios de Biotecnologia da EEL/USP (Campus Lorena) Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) Fonte: Pereira Junior (2010) 31 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico

32 O programa Bioen FAPESP, no estado de São Paulo, relacionado ao desenvolvimento de tecnologias para a produção de etanol celulósico, precisa ser considerado no que diz respeito ao desenvolvimento de competências relacionadas ao grupo 2. No caso dos processos de conversão, o novo campo de conhecimento que desponta como um grande desafio tecnológico é a modificação genética de microrganismos para uso nos processos fermentativos, principalmente a biologia sintética. Outra questão importante é o escalonamento dos processos biotecnológicos, o qual se apresenta crítico na transição para a escala comercial. Nas rotas químicas, o desafio tecnológico concentra-se na aprendizagem em trabalhar com novas matérias-primas, otimizar, escalonar e reduzir o número de etapas dos processos. Segundo Scott, Haveren e Sanders (2010), o principal desafio na rota química é o desenvolvimento de sistemas catalíticos para a conversão das matérias-primas renováveis. Sendo assim, o mapeamento das competências relativas às tecnologias emergentes dos grupos 3 e 4 será dividido em duas partes: competências em melhoramento genético de microrganismos e competências no uso de algumas das matérias-primas identificadas para produção de químicos lignina, glicerina, bio-óleo, CO 2 e gás de síntese. No caso das matérias-primas relacionadas a um processo de conversão específico, a busca considerou esta restrição. Competências em melhoramento genético de microrganismos A busca por novas tecnologias que permitam a produção de químicos a partir de matérias-primas renováveis tem se intensificado nos últimos anos. Conforme já apresentado no presente relatório, existe uma grande diversidade de matérias-primas, processos e produtos em desenvolvimento. Nota-se acentuada ênfase nas rotas biotecnológicas com uso de microrganismos geneticamente modificados, as quais necessitam de uma ampla gama de novas áreas do conhecimento e infraestrutura de pesquisa. A biologia sintética aplicada a processos industriais apresenta-se em rápida expansão no mundo e quase inexistente no Brasil. Oldham, Hall e Burton (2012) apresentam um mapeamento das publicações relacionadas à biologia sintética, identificando autores, agências de financiamento, instituições, redes e respectivas distribuições regionais. O texto afirma que a publicação em biologia sintética é dominada pelos Estados Unidos, seguidos de Reino Unido, Alemanha, França e Suíça. Apesar de não aparecer quantitativamente nos gráficos e mapas apresentados no artigo, o Brasil é citado, juntamente com China, Índia, México, Argentina, África do Sul e Cingapura, como um país de economia emergente que aparece neste campo de conhecimento. A figura 5 apresenta a distribuição geográfica das organizações ligadas a publicações em biologia sintética. 32 Complexo Industrial da Química Química de Renováveis

33 Figura 5 Distribuição geográfica de organizações relacionadas a publicações em biologia sintética Fonte: Oldham, Hall e Burton (2012) Ainda mais relevante que a existência de tais organizações é a identificação da crescente importância de redes de colaboração internacional neste campo de conhecimento. Não há registro de participação de instituições brasileiras, mas é necessário buscar meios de inserção dos grupos brasileiros nestas redes internacionais, visto que esta nova área do conhecimento organiza-se desta forma e a não participação configura-se em desvantagem para o país. Com relação aos grupos de pesquisa relacionados à biologia sintética, a tabela 11 apresenta o resultado da busca para as diferentes palavras-chave utilizadas. Tabela 11 Resultado da busca por grupos de pesquisa relacionados a biologia sintética Palavra-chave Número de grupos de pesquisa relacionados Biologia sintética 5 Engenharia de proteínas 20 Engenharia genética 37 Engenharia metabólica 11 Total 73 Fonte: Elaboração própria Dos 73 grupos inicialmente identificados, alguns apareciam em mais de uma busca. Após eliminação de grupos repetidos, restou um total de 53 grupos, os quais se dividem em áreas de conhecimento conforme apresentado na figura 6. Além disso, é possível perceber que, apesar do maior número de grupos de pesquisa se relacionar a apenas uma das palavras-chave, mais de 25% apareceram para mais de uma palavra-chave utilizada. 33 Agenda Tecnológica Setorial ATS Panorama Tecnológico