Conforme mencionado anteriormente, a indústria de bioetanol é composta de ao menos três áreas tecnológicas. Nesta pesquisa, procurou-se examinar três áreas: feedstock, processos agrícolas e processos industriais. Contudo, a área de feedstock é caracterizada por possuir ao menos duas rotas tecnológicas e a área de processos industriais é caracterizada por possuir ao menos três rotas tecnológicas. Dessa forma, as subseções 4.3.3.1 e 4.3.3.2 objetivam clarificar quais são essas rotas tecnológicas envolvidas na área agrícola de feedstock e na área industrial.
4.3.3.1 Área agrícola de feedstock
Esta seção visa demonstrar que a área de feedstock possui ao menos duas rotas tecnológicas para obtenção de novas variedades de cana-de-açúcar: melhoramento convencional e transgenia.
O melhoramento genético de cana-de-açúcar tem como objetivo obter novas variedades mais produtivas, com maior tolerância ao estresse hídrico, maior resistência às pragas e doenças, e melhor adaptação a diferentes ambientes de produção e/ou ao tipo de colheita empregada (manual ou mecânica) (ROSSETTO, 2015; UFSCAR, 2015). O desenvolvimento de novas variedades é baseado em técnicas de melhoramento genético convencional com ou sem transgenia (GOES et al., 2011). A Figura 4.2 apresenta de forma esquemática as duas rotas tecnológicas disponíveis para obtenção de novas variedades de cana-de-açúcar. Nessa estrutura, as duas rotas tecnológicas podem ser desempenhadas com diferentes níveis de capacidade inovadora.
A rota tecnológica de melhoramento convencional envolve a obtenção de sementes sexuadas de cana-de-açúcar pela hibridação para acesso a uma ampla variabilidade genética. Em seguida, uma grande população de plântulas oriundas das sementes sexuadas é levada para o campo e um processo de sucessivas etapas de seleção e multiplicação (propagação vegetativa) é conduzido de forma a identificar um conjunto de genótipos superiores que reúnam as características do fenótipo desejado. Finalmente, a experimentação de campo, com repetições em vários ambientes,
possibilita a identificação genotípica com o fenótipo superior, que será a nova variedade (ALVAREZ et al., 1983; GOES et al., 2011; PARAIZO, 2013; UFSCAR, 2015).
Figura 4.2. Rotas tecnológicas de desenvolvimento de novo feedstock
Fonte: Elaborado pelo autor com base em Goes et al. (2011), Carlini-Garcia et al. (2012), Marin, Stubrin e van Zwanenberg (2014) e UFSCar (2015), e com a ajuda de experts da indústria.
A rota tecnológica de melhoramento convencional pode ser realizada com diferentes níveis de capacidade tecnológica. Atividades de ensaios de caracterização, para realização de testes de adaptabilidade de variedades existentes (importadas ou nacionais) para diferentes ambientes, demandam capacidades tecnológicas básicas de inovação. A atividade de desenvolvimento de novas variedades com base em seleção fenotípica (mensuração biométrica) necessita de capacidades tecnológicas intermediárias de inovação. Atividades de melhoria de novas variedades com o uso de genética quantitativa, a ampliação de bancos de germoplasma e/ou identificação de espécies e variação genética demandam capacidades tecnológicas avançadas de inovação. Por fim, o desenvolvimento de novas variedades assistidas pela engenharia genética, ferramentas biotecnológicas e de bioinformática (ex.: marcadores moleculares) demanda capacidades tecnológicas world-leading innovation.
A rota tecnológica de transgenia envolve atividades de P&D para descoberta de novos genes, desenvolvimento de novos eventos genéticos e a obtenção de variedades transgênicas. Particularmente, a obtenção de variedades transgênicas envolve a identificação de sequências de genes modificados ou oriundos de organismos de outras espécies com as características desejadas e a transferência desses genes para variedades de cana-de-açúcar melhoradas pelo método convencional. Esses procedimentos são possíveis pelo uso da engenharia genética.
A engenharia genética estuda a estrutura do DNA e o genoma dos seres vivos, e desenvolve técnicas que permitem a inserção de genes de espécies diferentes em indivíduos aos quais se deseja alterar alguma característica (ROSSETTO, 2015; CTC, 2015). A rota tecnológica da transgenia pode ser apenas desempenhada com níveis avançado e world-leading de capacidade tecnológica. A realização de P&D para a descoberta de genes, o desenvolvimento de novos eventos genéticos e o desenvolvimento de novas variedades de cana-de-açúcar com o uso da engenharia genética são classificados no nível world-leading innovation. Atividades realizadas na rota tecnológica de transgenia podem ser apenas realizadas com capacidades world-leading innovation.
A rota tecnológica de melhoramento convencional e a de transgenia permitem a aplicação de ferramentas biotecnológicas com o objetivo de melhorar o ganho genético e reduzir o tempo necessário para se obter um novo cultivar. O Quadro 4.2 resume as características de três das principais ferramentas biotecnológicas em uso para o desenvolvimento de novas variedades de cana-de-açúcar.
As novas variedades geradas possuem um nível de produtividade maior ou características que conferem um maior retorno econômico e são usadas para substituir as variedades existentes, cujo desempenho não esteja satisfazendo as necessidades dos produtores (GOES et al., 2011). As rotas tecnológicas de melhoramento convencional e de transgenia podem ser usadas de forma complementar para o desenvolvimento de novas variedades. Ou seja, é compreendido nesta pesquisa que ambas as rotas tecnológicas coexistem e não há uma distinção de superioridade técnica entre elas. As possibilidades técnicas não são intrínsecas, mas, sim, dependentes do nível de investimento e de compromisso com uma rota tecnológica particular (MARIN; STUBRIN; VAN ZWANENBERG, 2014).
Quadro 4.2. Ferramentas biotecnológicas usadas para o desenvolvimento de novas variedades de cana-de-açúcar na rota tecnológica de melhoramento convencional e de transgenia
Ferramenta biotecnológica Definição
Quantitative Trait Loci (QTL)
O método genético-estatístico possibilita estudar na cana-de-açúcar a interação entre locos controladores de características (QTLs), cortes e os locais onde acontece o cultivo. Mapear um QTL significa identificar sua posição no genoma e estimar seus efeitos genéticos (TOLEDO et al., 2008). Em outras palavras, é uma seção de DNA que se correlaciona com uma variação fenotípica.
Expressed Sequence Tags (ESTs)
A aplicação de ESTs é uma ferramenta para a descoberta de genes, mapeamento genético e para a geração de perfis de expressão gênica (ARRUDA, 2001; TELLES et al., 2001). Ou seja, é uma metodologia para descobrir uma sequência de DNA complementar.
Marcadores moleculares
Os marcadores moleculares são um fragmento de sequência de DNA que pode conter genes ou estar associado a genes que confiram características de importância agronômica. O marcador molecular é um sinal ao longo da trilha de DNA que aponta a localização de uma característica genética desejada ou indica diferenças genéticas específicas. Os marcadores moleculares podem ser utilizados em estudos de mapeamento genético e de QTL e também para auxiliar a seleção de genótipos no programa de melhoramento (CARLINI-GARCIA et al., 2012; SUCEST-FUN, 2015). Em outras palavras, é um fragmento de sequência de DNA que é associado a uma parte do genoma.
Fonte: Arruda (2001), Telles et al. (2001), Toledo et al. (2008), Carlini-Garcia et al. (2012) e SucEST-Fun (2015).
4.3.3.2 Área industrial
A produção de bioetanol possui ao menos três rotas de produção. Conforme mencionado anteriormente, a rota de produção de 1ª geração é econômica e tecnologicamente viável, enquanto a rota de produção de 2ª geração possui processos que ainda necessitam de progressos para serem economicamente viáveis. Dessa forma, esta seção objetiva apresentar o processo de produção da 1ª e 2ª gerações de produção de bioetanol.
1ª geração
A tecnologia de produção de bioetanol hidratado e anidro pelo processo de 1ª geração é tecnologicamente madura e comercialmente viável. O Brasil é um dos países com maior experiência e know-how em tecnologias de produção do bioetanol a partir da cana-de-açúcar. O processo de produção é dividido nas fases descritas na Figura 4.3. A parte industrial se inicia por:
(i) processo de lavagem e moagem: a cana-de-açúcar cultivada em fazendas próximo à usina é transportada por caminhões até a planta produtora. Em seguida, a cana-de-açúcar é submetida a uma lavagem e em seguida é levada para a etapa de extração do caldo. Esse processo gera dois
coprodutos principais: caldo e bagaço. O caldo contém a sacarose que é o insumo para o restante do processo. O bagaço, ou a fibra de cana-de-açúcar, é reaproveitado em outras etapas para a geração de bioenergia, sendo que, nas empresas produtoras, é utilizado como fonte de energia para o funcionamento da planta;
(ii) processo de tratamento químico: em seguida, o caldo (solução) é peneirado, tratado quimicamente e filtrado, gerando dois coprodutos: o caldo tratado e a torta de filtro. O caldo é enviado para as próximas etapas, enquanto a torta de filtro é reaproveitada em plantações de cana-de-açúcar como insumo da adubação dos campos de cultivo;
Figura 4.3. Rota tecnológica produtiva de bioetanol hidratado e anidro de 1ª geração
(iii) processo de produção de açúcar: o caldo passa pelas etapas de: evaporação, cozimento, centrifugação – onde é gerado o coproduto melaço que pode ser usado na rota tecnológica do bioetanol – e secagem para cristalizar a sacarose e obter o açúcar;
(iv) processo de evaporação: a partir do caldo, o substrato é submetido ao processo de evaporação para ajustar o nível de concentração de açúcares;
(v) processo de fermentação: o caldo proveniente do processo de evaporação é misturado com o melaço, resultando no mosto. São acrescentadas leveduras no mosto e, após 8 a 12 horas, o processo de fermentação resulta na produção do vinho (com taxa de 7 a 10% de álcool). Ao término do processo de fermentação, as leveduras utilizadas são recicladas e o vinho é passado para a próxima etapa;
(vi) processo de destilação: esse processo tem como objetivo a criação do bioetanol hidratado, realizando a separação do vinho e do álcool. Essa etapa gera um coproduto chamado vinhaça. De acordo com o Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE) (2008), nessa etapa são gerados até 13 litros de vinhaça para cada litro destilado de bioetanol hidratado;
(vii) processo de desidratação: as tecnologias mais comuns empregadas nesse processo são: adição de cicloexano, peneiras moleculares e destilação extrativa com monoetilenoglicol (MEG). A tecnologia do MEG é considerada a mais tecnológica, porém a mais cara. A tecnologia da adição de cicloexano é a mais utilizada pelas empresas produtoras. Após o fim desse processo, o produto final é o etanol anidro (WYMAN, 1996; BNDES; CGEE, 2008).
2ª geração
A rota tecnológica de produção de bioetanol de 2ª geração é dividida nas seguintes fases: (i) processo de transporte: o bagaço da cana-de-açúcar, a cultura de amido, a palha e os resíduos lignocelulósicos são transportados por caminhões até a planta produtora; (ii) processo de pré- tratamento: o objetivo é a ruptura da estrutura celular, para separar os açúcares e remover a lignina; (iii) processo de hidrólise: nesta fase a celulose é convertida em glicose por meio de processos químicos ácidos (diluídos ou concentrados) ou enzimáticos. Nessa etapa também é realizada a remoção da lignina e a hidrólise da hemicelulose; e (iv) processo de fermentação e
desidratação: estas etapas utilizam a mesma tecnologia de produção de bioetanol de 1ª geração, ou seja, são adicionadas leveduras à matéria-prima. Posteriormente, o produto é desidratado por uma das três tecnologias tradicionais (adição de cicloexano, peneiras moleculares ou o MEG) (BNDES; CGEE, 2008).
Portanto, a indústria de biocombustíveis é caracterizada por uma complexidade em termos de fontes de matéria-prima, tecnologias de conversão, produtos e coprodutos finais. Nesta pesquisa, será somente examinada a indústria de bioetanol de produção de combustível de 1ª geração e, de forma superficial, os avanços realizados pelas organizações industriais e organizações de pesquisa para a produção de bioetanol de 2ª e 3ª gerações.
4.4 Indústria de Bioetanol do Brasil: Breve Panorama de Aspectos Econômicos e da