Há diversas gerações de bioetanol que podem ser utilizadas para converter a matéria-prima de biomassa em produtos finais de energia. A Figura 4.1 apresenta, de forma esquemática, a maturidade das diferentes gerações de produção de bioetanol. Na Figura 4.1, são apresentadas quatro linhas de tendência que representam quatro gerações de bioetanol.
A primeira linha de tendência representa o bioetanol de 1ª geração. Os principais processos produtivos utilizados na rota produtiva de 1ª geração (ex.: fermentação biológica) já são tecnicamente maduros e comercialmente viáveis. Entretanto, ainda restam oportunidades tecnológicas para melhoria dos processos, como, por exemplo: melhorias das enzimas para converter o amido em açúcares (pela hidrólise), melhorias das leveduras (fermentação), métodos de separação da água, otimização de processos e da fábrica, e valorização dos coprodutos (ex.: desenvolvimento de biorrefinarias).
Existem possibilidades de algumas melhorias no processo de produção de bioetanol de 1ª geração, por exemplo: (i) novas enzimas para realizar a hidrólise; (ii) novas leveduras para realizar a fermentação; (iii) geração de novas variedades de cana-de-açúcar com maior grau de produtividade; (iv) redução do tempo de obtenção de novas variedades por melhoramento convencional; (v) criação de variedade para cultivo em regiões não tradicionais em cana (ex.: cerrado); (vi) pesquisa de controle de pragas e doenças; (vii) desenvolvimento genético de cepas e leveduras com maior poder de conversão e tolerância alcoólica, termotolerância e resistência à floculação; (viii) redução de produção de vinhaça; (ix) otimização do uso da água nas usinas, reduzindo a captação, e redução do consumo de energia para resfriamento; (x) melhorias incrementais em processos agrícolas para melhor adaptar as novas variedades às condições de
solo, clima, pragas e doenças das diferentes estações; (xi) desenvolvimento de técnicas para mapeamento de solos agrícolas; (xii) novas tecnologias em solo, para aumentar a capacidade produtiva e promover o manejo racional; (xiii) adoção de novas técnicas para controle de pragas e doenças, com o monitoramento e análise de informações climáticas e adoção de novos agentes de combate; entre outras (IEA, 2009; ANTUNES; SILVA, 2010; CTC, 2015).
Figura 4.1. Situação da maturidade tecnológica das quatro gerações de produção de bioetanol
Fonte: Elaborado pelo autor com base em IEA (2009) e UNEP (2009).
A segunda linha de tendência representa o bioetanol de 2ª geração. De acordo com o IEA (2009), a rota de produção de bioetanol de material lignocelulósico (2ª geração) possui viabilidade comercial em algumas de suas fases (ex.: pré-tratamento de ácido diluído, fermentação e destilação), porém ainda são necessários avanços substantivos na tecnologia de outras fases do processo produtivo (ex.: hidrólise enzimática, fermentação de açúcares C5) para que essa rota produtiva reduza seus custos e seja uma alternativa competitiva. Expressivo P&D nessa rota tem sido realizado nos EUA, mas o Brasil demonstra grande interesse nessa tecnologia, uma vez que o país faz parte da liderança mundial de produção de bioetanol de 1ª geração a partir da cana-de-açúcar.
Conforme mencionado anteriormente, a rota de 2ª geração ainda não é economicamente viável em algumas de suas etapas. Dessa forma, surgem algumas possibilidades de avanços
tecnológicos para a 2ª geração. Existem esforços em direção ao desenvolvimento de matéria- prima não comestível para a geração de energia (ex.: grãos não comestíveis, resíduos, biomassa de lixo e biomassa não comestível) que não impactam na cadeia alimentar e não competem por espaço em terras apropriadas para o cultivo de alimentos.
Tanto o Brasil quanto outros países no mundo têm trabalhado para domesticar novas variedades de grãos oleaginosos com alto teor de óleo (ex.: pinhão manso e óleo de rícino). Assim como há esforços de P&D para o desenvolvimento de novas variedades, há esforços para o desenvolvimento de processos agriculturais, nas áreas de gerenciamento, colheita, proteção contra pragas e processamento industrial. Por fim, há esforços na rota de biomassa lignocelulósica (ex.: talos e palha de milho, bagaço da cana-de-açúcar e conteúdo celulósico de plantas) (IEA, 2009, 2011; ANTUNES; SILVA, 2010; SOUSA; MACEDO, 2010; SANTHANAM, 2011).
O processo de hidrólise da 2ª geração pode ter duas rotas: a ácida e a enzimática. Esse processo pode ser melhorado para o aumento da produtividade (expectativa de 95%) na hidrólise enzimática. De qualquer forma, são necessários esforços significativos de P&D para o desenvolvimento e produção dessas enzimas para melhorar seu desempenho técnico e sua viabilidade econômica. Por exemplo, atividades de P&D para o pré-tratamento ou o desenvolvimento de formas de uso do açúcar C5, tanto para fermentação quanto para aumentar o valor agregado de coprodutos. Por fim, há esforços de P&D para desenvolver sacarificação e fermentação simultânea e o desenvolvimento de leveduras capazes de processar açúcares com cadeias de carbono de diferentes tamanhos (IEA, 2009; ANTUNES; SILVA, 2010; SOUSA; MACEDO, 2010; SANTHANAM, 2011; CTC, 2015).
As outras duas linhas de tendência representam o bioetanol de 3ª e 4ª gerações. O bioetanol de 3ª geração, oriundo de macro e microalgas, tem potencial de alto rendimento de produção de óleo por hectare. A literatura especializada especula que algumas espécies de alga têm potencial de produção de 6 até 20 vezes mais óleo por hectare do que culturas tradicionais (ex.: óleo de palma). Não obstante, essas algas têm outra finalidade, podendo ser utilizadas para a limpeza de águas residuais. Contudo, sua aplicabilidade em escala comercial ainda não é madura e competitiva economicamente. Por fim, o bioetanol de 4ª geração ainda é um produto conceitual.
Os avanços mais promissores para o bioetanol de 3ª geração estão centrados no desenvolvimento do feedstock e em esforços de P&D para o desenvolvimento de matérias- primas de alto rendimento, tanto no uso minimizado de áreas de cultivo quanto na alta produtividade de material energético (ex.: micro e macroalgas). Essas algas produzem mais material energético do que outras fontes de óleo e podem ser cultivadas sob condições adversas de temperatura, salinidade e acidez. Atualmente, existem esforços consideráveis em genômica de microalgas, particularmente na criação de sequências de marcadores expressos (ESTs, em inglês Expressed Sequence Tags) e sequência genômica de várias espécies (SANTHANAM, 2011). Porém, essa rota produtiva ainda não é viável economicamente, necessitando de esforços para a redução de custos e tecnologias para possibilitar a produção em larga escala (IEA, 2009; ANTUNES; SILVA, 2010; SOUSA; MACEDO, 2010; SANTHANAM, 2011).
Existem possíveis avanços tecnológicos que permeiam as quatro gerações aqui mencionadas. Esforços em nanotecnologia, bioinformática, biotecnologia, criação de novos produtos e insumos independem da geração em si. Muito se avançou no aprimoramento genético e na clonagem de espécies de cana-de-açúcar. Porém, ainda existem outras áreas de avanço tecnológico que podem ser exploradas para o aumento da competitividade das empresas nessa indústria, como: (i) projetos em biotecnologia para modificação e aprimoramento genético de plantas e aplicação de tecnologia de transgenia; (ii) a aplicação da nanotecnologia para o desenvolvimento de plantas; (iii) utilização da bioinformática para a pesquisa em genética; e (iv) utilização de marcadores moleculares para aceleramento dos processos de desenvolvimento de novas variedades. Além dessas oportunidades, os avanços conquistados (ex.: banco de germoplasma) devem ter investimentos contínuos para sua manutenção e aprimoramento (IEA, 2009; ANTUNES; SILVA, 2010; CTC, 2015).
Outra possível oportunidade tecnológica que as organizações estão buscando está relacionada ao P&D para geração de novos combustíveis e aditivos, como, por exemplo: furanics, syndiesel, biocombustível para turbinas de avião, butanol etc. Com relação aos insumos especiais, há oportunidade para pesquisas de desenvolvimento de enzimas, leveduras e catalisadores com o objetivo de reduzir custos, aumentar a produtividade, reduzir desperdícios e reduzir os impactos ambientais. Existem oportunidades com a implantação do conceito de biorrefinaria, para a produção de bioalimentos, bioquímicos, bioplásticos, biofármacos etc. (SILVA, 2008; IEA, 2009; ANTUNES; SILVA, 2010; SOUSA; MACEDO, 2010; SANTHANAM, 2011; CTC, 2015).