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Microrganismos: agentes de transformação de biomassa em insumos energéticos

Carolina Madalozzo Poletto

A Embrapa Agroenergia, baseada no Plano Nacional de Agroenergia – PNA 2006-2011 executa projetos com foco em quatro plataformas de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação: etanol, biodiesel, florestas energéticas e aproveitamento de resíduos.  Diversas pesquisas englobando estes temas vêm sendo realizadas buscando atender a demanda do país por novas fontes de energia renovável.

Em geral o processo de transformação de biomassa em alguma forma de energia apresenta etapas que envolvem a ação de microrganismos de forma direta ou indireta. O objetivo aqui é ressaltar a importância que esses microrganismos representam dentro de cada etapa, além de relatar de forma simples e objetiva os princípios dos processos bioquímicos envolvidos.

A produção de etanol de primeira geração pode ser realizada por duas rotas tecnológicas, utilizando matérias-primas açucaradas ou amiláceas. Entre as matérias-primas açucaradas temos a cana de açúcar, a beterraba açucareira, sorgo sacarino e a mandioca açucarada, onde após a obtenção do caldo rico em açúcares obtêm-se o etanol por meio da fermentação que é realizada por leveduras denominadas Saccharomyces cerevisiae.

Entre as matérias-primas amiláceas, temos o milho, a mandioca amilácea, a batata doce, etc. Esses materiais liberam um caldo rico em amido, que deve ser primeiramente convertido a açúcares. Uma das formas de conversão desse amido é a hidrólise enzimática, onde enzimas denominadas amilases promovem a quebra das ligações das moléculas de amido obtendo moléculas de glicose.

As amilases podem ser encontradas em vegetais, na saliva, no pâncreas, e também podem ser produzidas por microrganismos.  As amilases microbianas têm a preferência no mercado de enzimas devido a sua alta seletividade para determinados substratos, ampla faixa de atuação de temperatura e pH, além de serem biodegradáveis. Dentre as bactérias, as espécies do gênero Bacillus são um dos grupos mais investigados quanto à produção de amilase.  As principais fontes biológicas de enzimas são os fungos filamentosos, destacando-se o gênero Aspergillus. Após a hidrólise enzimática, o caldo obtido, agora composto por açúcares fermentescíveis, pode ser fermentado e transformado em etanol pela ação das leveduras.

O etanol de segunda geração é obtido a partir de matérias-primas lignocelulósicas, como bagaço de cana, capim, palha de arroz, madeira e resíduos agroindustriais em geral. Esta rota tecnológica difere daquela utilizada na produção de etanol de primeira geração, principalmente pela complexidade da estrutura do material.

Materiais lignocelulósicos são compostos principalmente por lignina, hemicelulose e celulose. A celulose é um polissacarídeo formado por cadeias de hexoses, que são açucares de seis carbonos. Já a hemicelulose é formada por hexoses e pentoses, que são açucares de cinco carbonos. Para conseguir transformar estas moléculas complexas em etanol, primeiramente é necessário quebrá-las em açucares mais simples. Para tanto são necessárias três etapas, a primeira é normalmente um tratamento físico-químico que objetiva desestruturar a formação rígida destas moléculas. Nesta etapa, ocorre a quebra da hemicelulose e liberação das pentoses, que podem ser convertidos em etanol por meio da ação de leveduras específicas.

A segunda etapa do processo é a hidrólise enzimática, realizada por enzimas denominadas celulases, que promovem a quebra da celulose transformando-a em glicose. Esta glicose por fim será submetida à terceira etapa do processo, onde através da fermentação ocorre a formação do etanol, exatamente como é realizado no processo convencional. Esta tecnologia ainda está em desenvolvimento, e os dois maiores entraves enfrentados são as etapas de fermentação das pentoses e de hidrólise enzimática, ambas realizadas direta ou indiretamente por microrganismos. Nem toda levedura é capaz de fermentar pentoses e sem manipulação genética a S. cerevisiae não assimila nem fermenta pentoses. Pichia stipitis e Pachysolen tannophilus são leveduras conhecidas por possuir este tipo de metabolismo, mas não são suficientemente competentes na produção de etanol se comparadas à S. cerevisiae.

Com relação à hidrólise enzimática, sabe-se que o alto custo de produção das enzimas torna o processo de etanol lignocelulósico financeiramente inviável. Grupos de pesquisa da Embrapa Agroenergia estão trabalhando na busca por microrganismos celulolíticos que possam ser utilizados diretamente no processo. Os fungos são os principais produtores de celulases, pois possuem um arsenal enzimático diferenciado, entre eles destacam-se os gêneros Penicillium e Trichoderma.

O processo para produção de biodiesel é chamado transesterificação, onde um óleo vegetal ou gordura animal (triglicerídeo) é convertido a um éster de ácido graxo (biodiesel) e glicerina, através da reação com um álcool. A forma convencional de realizar esta reação é química, mas também pode ser feita por pirólise, fluido supercrítico ou por meio de uma reação enzimática. Na química, a presença de um ácido ou uma base acelera a conversão, mas este processo causa um impacto negativo ao meio ambiente devido à geração de resíduos e ao alto consumo de energia.

Na transesterificação enzimática, a conversão ocorre pela ação de enzimas chamadas lipases, que são comumente encontradas na natureza e podem ser obtidas a partir de fontes animais, vegetais e microbianas, sendo que as lipases microbianas apresentam maior estabilidade, diversidade e especificidade.  

O uso de enzimas na produção de biodiesel reduz o impacto ambiental, pois substitui o catalisador químico. Além disso, são biodegradáveis e o consumo de energia no processo é menor, pois a temperatura requerida na reação é mais baixa. Entre as leveduras, Candida e Torulopsis são conhecidas pela produção de enzimas lipolíticas, assim como as bactérias Pseudomonas e Bacillus e os fungos filamentosos Rhizopus, Penicillium, Aspergillus e Mucor.

O Brasil é conhecido por ter a economia fortemente baseada no agronegócio, e como todo processo agroindustrial gera resíduos é indispensável para o país desenvolver tecnologias que visem o aproveitamento desses materiais, de forma a convertê-los em diferentes formas secundárias de energia. Existem várias pesquisas em busca dessas tecnologias e entre as que incluem a participação de microrganismos está a produção de biogás a partir de matéria orgânica. Resíduos vegetais, dejetos animais, lixo residencial ou lixo industrial são materiais propícios à produção de biogás. Essa matéria orgânica é fermentada pela ação de bactérias em condições anaeróbicas, ou seja, na ausência de oxigênio, produzindo o biogás, uma mistura de dióxido de carbono e metano. O aproveitamento do biogás pode ser feito por meio da queima em motores para geração de energia elétrica. A formação do gás metano é um evento biológico específico de um pequeno grupo de bactérias, classificadas como metanogênicas, principalmente encontradas em ambientes exclusivamente anaeróbicos.

Torna-se interessante realizar constantes buscas por microrganismos que apresentem características de interesse industrial. A prospecção, identificação e melhoramento dos microrganismos exercem papel fundamental no desenvolvimento e consolidação das novas tecnologias de geração de biocombustíveis. Cada vez mais a Embrapa Agroenergia vem investindo em pesquisas deste gênero, com o intuito de contribuir para o desenvolvimento sócio-econômico do país, buscando assegurar a liderança internacional no setor da agroenergia.

Carolina Madalozzo Poletto é Analista – Embrapa Agroenergia (Brasília-DF)
Contato: carolina.poletto@embrapa.br