Pré-tratamento enzimático

Potencial Biotecnológico da Biomassa

Uma análise aprofundada na digestão anaeróbia e fermentação alcoólica

Introdução

No Portal Energia e Biogás fazemos trabalho voluntário de divulgação científica com um propósito claro: aproximar pesquisas acadêmicas de alto impacto das necessidades reais do setor de biogás e biometano. Nossa curadoria prioriza estudos que tragam soluções práticas, dados robustos e visão integradora, trabalhos que mereçam uma leitura atenta não apenas pela comunidade acadêmica, mas também por empreendedores, operadores de plantas e formuladores de políticas públicas.

Em cada episódio da série Quartas de Divulgação Científica selecionamos uma produção que, pela qualidade técnica e pela relevância aplicada, pode contribuir para acelerar a transição energética e a economia circular no Brasil. Buscamos destacar pesquisas que indiquem caminhos viáveis para aumento de eficiência, redução de custos e integração de cadeias (por exemplo: biogás + biometano + bioetanol), sempre com olhar crítico sobre desafios operacionais e possibilidades de escalonamento.

No episódio de hoje trazemos uma tese que se enquadra exatamente nesse perfil: “Potencial biotecnológico da biomassa-influência do pré-tratamento enzimático para a digestão anaeróbia e fermentação alcoólica”, da Vanessa Elisa Pinheiro, Doutora em Ciências – Área de Concentração: Bioquímica (Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo - USP, 2021).

O trabalho combina triagem de matrizes, formulação e otimização de coquetéis enzimáticos, testes de digestão anaeróbia em batelada e semi-contínuo e avaliação de rotas fermentativas, resultados que apontam para estratégias concretas de pré-tratamento e integração em biorrefinarias.

Acompanhe-nos nesta edição das Quartas de Divulgação Científica: vamos destrinchar os objetivos, a metodologia, os achados e as implicações práticas da tese e discutir como esses insights podem ser traduzidos em projetos-piloto, melhorias operacionais e políticas de fomento para o setor.
 

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A Tese de Doutorado

No trabalho, a autora  foca no potencial biotecnológico da biomassa, especificamente na influência do pré-tratamento enzimático para otimizar dois processos chave na produção de biocombustíveis: a digestão anaeróbia (para produção de metano) e a fermentação alcoólica (para produção de etanol). A pesquisa destaca a importância de tornar a produção de energia mais sustentável e acessível, minimizando a dependência de fontes fósseis.

O objetivo

O objetivo principal da tese foi multifacetado:

1. Triar, selecionar, estudar e otimizar a formulação de coquetéis enzimáticos para a hidrólise de biomassa, utilizando enzimas de origem comercial (Trichoderma reesei, Novozymes®) e de cultivo de microrganismos (Aspergillus brasiliensis e Aspergillus tamarii Kita).
2. Estudar a digestão anaeróbia da biomassa selecionada, tanto na forma hidrolisada quanto não hidrolisada, e em codigestão com dejeto bovino.
3. Comparar a fermentação alcoólica da biomassa selecionada quando a hidrólise enzimática e a fermentação são realizadas de forma simultânea ou separada.

Metodologia utilizada

A metodologia empregada envolveu planejamentos experimentais de mistura para otimizar a conversão de substratos enzimáticos em açúcares simples. Os experimentos incluíram:

• Hidrólise enzimática: Utilização de extratos brutos ricos em amilase (AMI) e celulase (Celluclast™) para hidrolisar farelo de milho e casca de banana, respectivamente.
• Digestão anaeróbia: Testes de produção de metano em ensaios em batelada e experimentos semi-contínuos em escala laboratorial, avaliando a monodigestão e a codigestão de farelo de milho com dejeto bovino.
• Fermentação alcoólica: Comparação da produção de etanol a partir de farelo de milho pré-sacarificado, utilizando hidrólise e fermentação simultâneas ou separadas.

Por que essa metodologia?

A escolha da metodologia baseia-se na necessidade de otimizar a eficiência da conversão da biomassa em produtos energéticos. O pré-tratamento enzimático é crucial para facilitar e acelerar a hidrólise de materiais compostos da biomassa, tornando os açúcares mais acessíveis para os processos de digestão anaeróbia e fermentação. A utilização de planejamentos experimentais de mistura permite uma abordagem sistemática para identificar as melhores condições e formulações enzimáticas, enquanto os ensaios em batelada e semi-contínuos fornecem dados robustos sobre a viabilidade e estabilidade dos processos em diferentes escalas.
 

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Principais Resultados

Os estudos revelaram resultados significativos:

•  O extrato bruto rico em amilase (AMI) demonstrou uma influência positiva significativa na hidrólise do farelo de milho, maximizando a liberação de Açúcar Redutor (AR) (173 µmol/mL).
• O Celluclast™, rico em celulase, teve um efeito significativo na hidrólise da casca de banana, maximizando a produção de AR (175 µmol/mL).
• O pré-tratamento enzimático do farelo de milho por AMI resultou na hidrólise de 79 ± 5% dos carboidratos do substrato.
• Os testes de produção de metano mostraram um aumento significativo na produção específica de gás quando as enzimas foram adicionadas diretamente ao digestor ou quando o hidrolisado de farelo de milho foi digerido.
• Foram observados efeitos sinérgicos na codigestão de farelo de milho e dejeto bovino, resultando em uma maior produção de metano (280 NmL/g SV) em comparação com os substratos individuais (200 NmL/g SV).
• Experimentos semi-contínuos demonstraram que a codigestão de farelo de milho e dejeto bovino (1:1 na base de SV) levou a um processo estável por 140 dias, atingindo uma taxa de carga orgânica de 3 g SV/L/dia e uma produção diária de metano de 1280,12 ± 99,4 NmL CH4/dia.
• A fermentação alcoólica a partir do farelo de milho pré-sacarificado com extrato enzimático bruto de fungo filamentoso selvagem apresentou 100% de potencial etanólico em relação ao potencial teórico.

Conclusões obtidas no desenvolvimento da tese

A tese de Vanessa Elisa Pinheiro conclui que o pré-tratamento enzimático da biomassa é uma estratégia altamente promissora para otimizar a produção de biocombustíveis. Os resultados demonstram a eficácia de coquetéis enzimáticos na hidrólise de diferentes tipos de biomassa e a melhoria significativa na produção de metano e etanol através da digestão anaeróbia e fermentação alcoólica. A codigestão de farelo de milho e dejeto bovino, em particular, mostrou-se uma abordagem robusta e estável para a produção de biogás. A pesquisa ressalta o potencial das enzimas brutas em processos industriais bioenergéticos, contribuindo para o desenvolvimento de fontes de energia mais limpas e sustentáveis.

Contribuição da tese para o setor de biogás

A principal contribuição da tese para a biotecnologia reside na demonstração da eficácia do pré-tratamento enzimático da biomassa como uma estratégia altamente promissora para otimizar a produção de biocombustíveis. A pesquisa validou o uso de coquetéis enzimáticos (tanto comerciais quanto de cultivo de micro-organismos) para hidrolisar diferentes tipos de biomassa, tornando os açúcares mais acessíveis para processos de conversão energética. Além disso, destacou o potencial das enzimas brutas em processos industriais bioenergéticos, abrindo caminho para o desenvolvimento de fontes de energia mais limpas e sustentáveis.

Para o setor de biogás, o principal destaque da tese é a comprovação dos efeitos sinérgicos e a estabilidade da codigestão de farelo de milho e dejeto bovino. Os experimentos mostraram um aumento significativo na produção de metano (280 NmL/g SV) em comparação com os substratos individuais, e um processo estável por um longo período (140 dias) em escala laboratorial, atingindo uma alta taxa de carga orgânica e produção diária de metano. Isso sugere uma rota eficiente e robusta para a produção de biogás a partir de resíduos agrícolas e pecuários.

Por que o tema segue tão relevante em 2025?

• Descarbonização e políticas de incentivo ampliam a procura por soluções que convertam resíduos em energia e produtos renováveis, tecnologias que elevem eficiência e flexibilidade dos insumos (como pré-tratamentos enzimáticos) são estratégicas.
• Circularidade e economia de resíduos: valorização de subprodutos agrícolas (farelo, cascas) é central ao modelo de economia circular e segurança energética local.
• Integração de cadeias energéticas (biogás + biometano + etanol) e a necessidade de maximizar valor por tonelada de biomassa tornam a otimização da hidrólise um desafio contínuo e de alto impacto.
• Desenvolvimentos tecnológicos (imobilização de enzimas, bioprocessos híbridos, estratégias de proteção enzimática) colocam o conhecimento gerado pela tese em posição de vantagem para translação à escala, especialmente quando combinado a estudos de custo-benefício e plantas pilotos.

Visão estratégica da autora

Com uma trajetória que uniu pesquisa no Brasil e no exterior, Vanessa Pinheiro construiu uma visão estratégica que conecta ciência e aplicação prática. Sua tese combina domínio de técnicas enzimológicas e de otimização experimental com experiência em digestão anaeróbia, fermentação alcoólica e análise cinética. Esse percurso proporcionou competências que vão da produção de extratos enzimáticos ao manejo de instabilidades em reatores, conhecimentos valiosos tanto para a pesquisa quanto para a operação de plantas de biogás e biometano. Em síntese, trata-se de um trabalho que oferece base técnica e estratégica sólida para transformar resultados de bancada em soluções industriais que impulsionam a bioeconomia.

Fomento e apoio ao desenvolvimento da pesquisa

Antes de encerrar, vale ressaltar que esta pesquisa de doutorado contou com apoio e financiamento público e institucional, fundamentais para tornar possível a realização de um trabalho científico de alto nível, como:

• CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) — processo 142139/2017-3;
• CAPES/PRINT — Programa de Doutorado-sanduíche no Exterior — processo 88887.368240/2019-00;
• FAPESP — processos 2014/50884-5; 2018/07522-6;
• FAEPA (Fundação de Apoio ao Ensino, Pesquisa e Assistência — FMRP/USP);
• Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto — FMRP/USP;
• Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto — FFCLRP/USP. 

O financiamento permitiu desde a produção de extratos enzimáticos até a realização do doutorado sanduíche no exterior, etapa crucial para acesso a infraestrutura especializada e troca de conhecimento que agregaram valor técnico e experiência internacional ao estudo.
 

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