{"id":49183,"date":"2023-03-08T13:48:46","date_gmt":"2023-03-08T13:48:46","guid":{"rendered":"https:\/\/lnbr.cnpem.br\/compostos-naturais-podem-aumentar-producao-de-etanol-de-bagaco-de-cana\/"},"modified":"2023-03-08T13:57:09","modified_gmt":"2023-03-08T13:57:09","slug":"compostos-naturais-podem-aumentar-producao-de-etanol-de-bagaco-de-cana","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lnbr.cnpem.br\/en\/compostos-naturais-podem-aumentar-producao-de-etanol-de-bagaco-de-cana\/","title":{"rendered":"Compostos naturais podem aumentar produ\u00e7\u00e3o de etanol de baga\u00e7o de cana"},"content":{"rendered":"

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Publicado originalmente em Revista Pesquisa FAPESP<\/a> em mar\u00e7o de 2023<\/p>\n

Tratamento aplicado na lavoura facilita obten\u00e7\u00e3o da energia armazenada na celulose da planta<\/p><\/blockquote>\n

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Eduardo Cesar\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/p>\n<\/div>\n

A aplica\u00e7\u00e3o de uma \u00fanica dose de compostos naturais pode provocar altera\u00e7\u00f5es sutis na parede celular da cana-de-a\u00e7\u00facar e aumentar a efici\u00eancia do processo de obten\u00e7\u00e3o do etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o, produzido no Brasil a partir do baga\u00e7o e da palha. Artigo publicado em dezembro passado na revista cient\u00edfica Biomass and Bioenergy<\/em> sugere que esse tipo de procedimento pode elevar em 120% a taxa de sacarifica\u00e7\u00e3o do baga\u00e7o da cana em 12 meses, no momento da colheita. Tamb\u00e9m chamada de hidr\u00f3lise, a sacarifica\u00e7\u00e3o \u00e9 o processo qu\u00edmico que, com o emprego de enzimas, converte mol\u00e9culas complexas de carboidratos, como a celulose e a hemicelulose que n\u00e3o fermentam, em a\u00e7\u00facares mais simples, como a sacarose, capazes de se transformar em etanol.<\/p>\n

\u201cSe aplicados em excesso, esses compostos podem matar uma planta, mas fizemos experimentos de campo com dosagens muito baixas, que s\u00e3o eliminadas rapidamente e, ainda assim, promovem as altera\u00e7\u00f5es que buscamos\u201d, diz o bioqu\u00edmico Wanderley Dantas dos Santos, da Universidade Estadual de Maring\u00e1 (UEM), principal autor do artigo. \u201cN\u00e3o identificamos nenhum efeito colateral indesejado, as plantas cresceram normalmente e n\u00e3o houve perda de produtividade.\u201d Desde 2008, quando fez est\u00e1gio de p\u00f3s-doutorado na equipe do bot\u00e2nico Marcos Buckeridge no Instituto de Bioci\u00eancias da Universidade de S\u00e3o Paulo (IB-USP), Santos pesquisa essa abordagem.<\/p>\n

Na vis\u00e3o dos autores do trabalho, a abordagem, denominada engenharia fisiol\u00f3gica, seria uma alternativa mais simples do que tentar promover altera\u00e7\u00f5es no DNA da cana com o objetivo de tornar sua biomassa mais facilmente ferment\u00e1vel. O genoma da cana \u00e9 grande e complexo, com mais de 100 cromossomos, muitos deles repetidos, uma caracter\u00edstica que dificulta a cria\u00e7\u00e3o de linhagens transg\u00eanicas vi\u00e1veis. A obten\u00e7\u00e3o do etanol de primeira gera\u00e7\u00e3o, que responde por mais de 98% desse biocombust\u00edvel produzido no pa\u00eds, dispensa a etapa de hidr\u00f3lise ou sacarifica\u00e7\u00e3o. Os a\u00e7\u00facares do caldo ou mela\u00e7o da cana fermentam de forma natural.<\/p>\n

Al\u00e9m dos resultados positivos com o baga\u00e7o da cana, o tratamento com essas subst\u00e2ncias elevou em 36% a sacarifica\u00e7\u00e3o da soja 90 dias ap\u00f3s a aplica\u00e7\u00e3o dos compostos. No capim braqui\u00e1ria, usado como pastagem na pecu\u00e1ria bovina, o aumento foi de 21% 40 dias ap\u00f3s o emprego dos compostos. \u201cO foco principal do experimento era a cana-de a\u00e7\u00facar, mas essa abordagem tamb\u00e9m pode produzir um pasto aparentemente de digest\u00e3o mais f\u00e1cil e uma soja com cascas mais resistentes a choques mec\u00e2nicos, algo desej\u00e1vel pela ind\u00fastria\u201d, comenta Buckeridge, coordenador da equipe do estudo e do Instituto Nacional de Ci\u00eancia e Tecnologia do Bioetanol, financiado pela FAPESP e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient\u00edfico e Tecnol\u00f3gico (CNPq). O trabalho contou, ainda, com o apoio do Centro de Pesquisa e Inova\u00e7\u00e3o de Gases de Efeito Estufa (RCGI), uma iniciativa bancada pela Funda\u00e7\u00e3o e pela Shell, multinacional da \u00e1rea de petr\u00f3leo e energia.<\/p>\n

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Foram testados tr\u00eas compostos que funcionam como inibidores de enzimas associadas \u00e0 s\u00edntese de lignina na cana e em outras plantas: o \u00e1cido metilenodioxi cin\u00e2mico (MDCA), o \u00e1cido piperol\u00ednico (PIP) e a daidzina (DZN). Ao lado da celulose e da hemicelulose, a lignina, uma mol\u00e9cula arom\u00e1tica, est\u00e1 presente na parede celular das plantas terrestres, \u00e0 qual confere resist\u00eancia mec\u00e2nica e rigidez, al\u00e9m de funcionar como uma barreira para a entrada de pat\u00f3genos. Se n\u00e3o houvesse lignina, as plantas, literalmente, n\u00e3o parariam em p\u00e9 e n\u00e3o teriam um sistema vascular imperme\u00e1vel capaz de transportar \u00e1gua das ra\u00edzes at\u00e9 seu tronco.<\/p>\n

Diferentes dosagens dos compostos foram dilu\u00eddas em \u00e1gua e aplicadas na forma de spray sobre folhas e ra\u00edzes das plantas em etapas distintas de seu crescimento. Ao final do experimento, os pesquisadores determinaram o melhor momento e a dosagem mais eficaz para a aplica\u00e7\u00e3o das subst\u00e2ncias. O PIP foi o composto que apresentou melhor desempenho.<\/p>\n

Grosso modo<\/em>, metade do baga\u00e7o de cana \u00e9 constitu\u00eddo por celulose, um quarto de hemicelulose e um quarto de lignina. Embora essencial para a planta, a lignina \u00e9 um composto que dificulta a obten\u00e7\u00e3o do etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o. Por n\u00e3o ser um a\u00e7\u00facar, n\u00e3o fermenta. Mas esse n\u00e3o \u00e9 o problema. Sua presen\u00e7a na biomassa da cana torna muito mais complexo e caro o processo de transformar os carboidratos longos da celulose e da hemicelulose, originalmente n\u00e3o pass\u00edveis de fermenta\u00e7\u00e3o, em a\u00e7\u00facares menores, esses sim aptos a se transformar em etanol. Al\u00e9m de ser trabalhoso separ\u00e1-la da celulose e da hemicelulose presentes na parede celular, a lignina produz subst\u00e2ncias que atrapalham o processo qu\u00edmico de sacarifica\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Hoje, para que ocorra a hidr\u00f3lise da biomassa da cana, s\u00e3o aplicados tratamentos t\u00e9rmicos e um coquetel de enzimas no baga\u00e7o da planta. Essa etapa \u00e9 a que mais encarece o processo de produ\u00e7\u00e3o do etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o e responde por pelo menos 30% de seu custo final. \u201cN\u00e3o podemos simplesmente reduzir a quantidade de lignina em uma planta. Isso seria prejudicial para o organismo\u201d, comenta Buckeridge. \u201cQuando examinamos no microsc\u00f3pio a parede celular da cana que submetemos ao tratamento com os compostos, n\u00e3o vimos diferen\u00e7a alguma. As altera\u00e7\u00f5es devem ser muito sutis.\u201d<\/p>\n

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No artigo, os pesquisadores dizem que o uso dos compostos n\u00e3o diminuiu a quantidade total de lignina no baga\u00e7o da cana. Tamb\u00e9m n\u00e3o modificou sua composi\u00e7\u00e3o. Por\u00e9m eles averiguaram que a concentra\u00e7\u00e3o desse pol\u00edmero org\u00e2nico apresentou altera\u00e7\u00f5es em diferentes tecidos da planta. Aumentou ligeiramente na parte fibrosa e nos vasos condutores e diminuiu no par\u00eanquima, um tecido de preenchimento dos vegetais. \u00c9 poss\u00edvel que essa redistribui\u00e7\u00e3o da lignina em diferentes partes da cana tenha sido a respons\u00e1vel pela maior efici\u00eancia de sacarifica\u00e7\u00e3o reportada no estudo.<\/p>\n

Para o bioqu\u00edmico Mario Murakami, diretor cient\u00edfico do Laborat\u00f3rio Nacional de Biorrenov\u00e1veis (LNBR), de Campinas, ligado ao Minist\u00e9rio da Ci\u00eancia, Tecnologia e Inova\u00e7\u00e3o (MCTI), o emprego de compostos que modulam a s\u00edntese de lignina \u00e9 uma abordagem interessante para se tentar aumentar a efici\u00eancia do processo de obten\u00e7\u00e3o de etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o. Ele considera que os resultados apresentados por seus colegas da UEM e USP s\u00e3o promissores, mas precisam ser validados em condi\u00e7\u00f5es tipicamente empregadas pela ind\u00fastria. \u201cEsses experimentos precisam ser feitos em condi\u00e7\u00f5es mais pr\u00f3ximas das que s\u00e3o usadas pelas empresas que produzem etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o para ver se o ganho de sacarifica\u00e7\u00e3o se mant\u00e9m e n\u00e3o h\u00e1 nenhuma perda de efici\u00eancia no processo\u201d, comenta Murakami. \u201cTamb\u00e9m \u00e9 preciso saber quais seriam os eventuais impactos do uso desses compostos no custo da produ\u00e7\u00e3o do etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o.\u201d<\/p>\n

Esses questionamentos dever\u00e3o ser respondidos em breve. Santos e Buckeridge contam que a Ra\u00edzen, uma das duas empresas que produzem etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o no pa\u00eds (a outra \u00e9 a GranBio), vai come\u00e7ar a testar o emprego dos compostos moduladores de lignina em uma \u00e1rea-piloto de produ\u00e7\u00e3o ainda neste semestre. \u201c\u00c9 poss\u00edvel que daqui a um ano tenhamos uma no\u00e7\u00e3o mais clara se o aumento da sacarifica\u00e7\u00e3o se mant\u00e9m em uma opera\u00e7\u00e3o comercial\u201d, pondera o pesquisador da UEM. O novo experimento na empresa, uma joint-venture da Shell e do grupo brasileiro Cosan, faz parte das atividades de pesquisa do RCGI.<\/p>\n

Os pesquisadores envolvidos nos estudos apostam que os moduladores de lignina, que tamb\u00e9m podem ser produzidos de forma sint\u00e9tica em laborat\u00f3rio, podem se tornar no futuro um produto comercial para o setor sucroalcooleiro e talvez para outros ramos agr\u00edcolas. J\u00e1 obtiveram patente no Brasil sobre o seu emprego em culturas agr\u00edcolas, e Santos e um grupo de alunos do Departamento de Bioqu\u00edmica da UEM constitu\u00edram uma startup, a BioSolutions, para tentar comercializar os compostos. Criada em 2021, a empresa conta com suporte do Servi\u00e7o Brasileiro de Apoio \u00e0s Micro e Pequenas Empresas (Sebrae) do Paran\u00e1 e do Instituto Tim.<\/p>\n

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A busca por um coquetel de enzimas melhor<\/strong><\/h3>\n

A degrada\u00e7\u00e3o da parede celular da cana em a\u00e7\u00facares ferment\u00e1veis depende da a\u00e7\u00e3o desse produto<\/em><\/p>\n

Uma etapa crucial na produ\u00e7\u00e3o do etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o \u00e9 o emprego do coquetel enzim\u00e1tico encarregado de promover a hidr\u00f3lise da celulose e da hemicelulose. Por meio da a\u00e7\u00e3o de um conjunto de enzimas, os carboidratos longos e complexos desses dois componentes do baga\u00e7o da cana-de-a\u00e7\u00facar s\u00e3o quebrados em a\u00e7\u00facares menores, glicose e xilose, que s\u00e3o pass\u00edveis de fermentar. O mercado de enzimas para essa finalidade \u00e9 dominado pela empresa dinamarquesa Novozymes. \u201cO emprego do coquetel enzim\u00e1tico representa entre 30% e 50% do custo final da produ\u00e7\u00e3o de etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o\u201d, diz o bioqu\u00edmico Mario Murakami, diretor cient\u00edfico do Laborat\u00f3rio Nacional de Biorrenov\u00e1veis (LNBR). Por isso, grupos de pesquisa no Brasil procuram alternativas mais em conta e, idealmente, mais eficientes do que os produtos hoje dispon\u00edveis.<\/p>\n<\/div>\n

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Com o emprego da t\u00e9cnica de edi\u00e7\u00e3o gen\u00e9tica Crispr-Cas9, uma equipe coordenada por Murakami modificou em 2019 seis genes do fungo <\/span>Trichoderma reesei <\/em>para maximizar sua produ\u00e7\u00e3o de enzimas de interesse biotecnol\u00f3gico, sobretudo as usadas para a hidr\u00f3lise de biomassa vegetal. Fungos desse g\u00eanero s\u00e3o empregados na fabrica\u00e7\u00e3o do coquetel enzim\u00e1tico vendido comercialmente para promover a sacarifica\u00e7\u00e3o do baga\u00e7o da cana e possibilitar a produ\u00e7\u00e3o de etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o. Em um trabalho publicado no fim de 2022 na revista <\/span>Bioresource Technology<\/em>, os pesquisadores do LNBR reportaram que conseguiram reduzir o tempo de produ\u00e7\u00e3o das enzimas de 14 para 9 dias. \u201cNosso coquetel enzim\u00e1tico \u00e9 de baixo custo e est\u00e1vel. O produto dura um ano em temperatura ambiente\u201d, conta Murakami. Ele j\u00e1 foi testado na planta-piloto do laborat\u00f3rio e conseguiu degradar cerca de 60% dos carboidratos longos da biomassa da cana, um desempenho semelhante ao de alguns produtos comerciais.<\/span><\/div>\n
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Para o bot\u00e2nico Marcos Buckeridge, do Instituto de Bioci\u00eancias da Universidade de S\u00e3o Paulo (IB-USP), diferentes microrganismos devem ser usados para se tentar produzir coquet\u00e9is enzim\u00e1ticos que promovam uma hidr\u00f3lise mais eficiente e simples. Al\u00e9m do conhecido T. reesei<\/em>, fungos de origem amaz\u00f4nica, insetos, como baratas, e a pr\u00f3pria cana t\u00eam sido estudados como poss\u00edveis fontes de enzimas que podem ser \u00fateis para melhorar esse processo. \u201cA origem das enzimas n\u00e3o importa\u201d, comenta o pesquisador da USP. \u201cO que n\u00f3s precisamos \u00e9 dominar a tecnologia de produ\u00e7\u00e3o de um coquetel enzim\u00e1tico eficiente. O alto custo do produto importado afasta investimentos no setor de etanol de segunda gera\u00e7\u00e3o.\u201d<\/div>\n

Projetos<\/strong><\/h3>\n

1.<\/strong> INCT 2014: Instituto Nacional de Ci\u00eancia e Tecnologia do Bioetanol (n\u00ba 14\/50884-5<\/a>); Modalidade<\/strong> Projeto Tem\u00e1tico; Conv\u00eanio<\/strong> CNPq-\u2011INCT; Pesquisador respons\u00e1vel<\/strong> Marcos Buckeridge (USP); Investimento<\/strong> R$ 5.261.561,47.
\n2.<\/strong> Centro de Pesquisa e Inova\u00e7\u00e3o de Gases de Efeito Estufa \u2013 RCG2I (n\u00ba 20\/15230-5<\/a>) Modalidade<\/strong> Programa Centros de Pesquisa em Engenharia; Conv\u00eanio<\/strong> BG E&P Brasil (Grupo Shell); Pesquisador respons\u00e1vel <\/strong>Julio Meneghini (USP); Investimento<\/strong> R$ 13.604.936, 28.<\/p>\n

Artigo cient\u00edfico<\/strong>
\nSANTOS, W. D. et al<\/em>. Natural lignin modulators improve lignocellulose saccharification of field-grown sugarcane, soybean, and brachiaria<\/a>. Biomass and Bioenergy<\/strong>. 5 dez. 2022.<\/p>\n

Este texto foi originalmente publicado por Pesquisa FAPESP<\/a> de acordo com a licen\u00e7a Creative Commons CC-BY-NC-ND<\/a>. Leia o original aqui<\/a>.<\/p>\n

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