Bioenergia: desenvolvimento, pesquisa e inovação

Bioenergia: desenvolvimento, pesquisa e inovação

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Bioenergia

Eliana G. dE M. lEMos nElson R. stRadiotto (oRGs.) dEsEnvolviMEnto, pEsquisa E inovação f r o n t ei r as

BIOENERGIA Miolo_Bioenergia_(GRAFICA).indd 1Miolo_Bioenergia_(GRAFICA).indd 107/12/2012 21:49:4207/12/2012 21:49:42

CONSELHO EDITORIAL ACADÊMICO Responsável pela publicação desta obra

Maria José Soares Mendes Giannini

Erivaldo Antônio da Silva Kleber Tomás de Resende

Maria Valnice Boldrin Maysa Furlan

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© 2012 Editora UNESP

Cultura Acadêmica Praça da Sé, 108 01001-900 – São Paulo – SP Tel.: (0xx11) 3242-7171 Fax: (0xx11) 3242-7172 w.editoraunesp.com.br feu@editora.unesp.br

CIP – BRASIL. Catalogação na fonte Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ

Bioenergia: desenvolvimento, pesquisa e inovação / Eliana G. M. Lemos e Nelson R. Stradiotto (orgs.). São Paulo: Cultura Acadêmica, 2012.

il. Inclui bibliografi a ISBN 978-85-7983-256-7

1. Biocombustíveis. 2. Combustíveis. 3. Energia – Fontes alternativas – Brasil. 4. Desenvolvimento sustentável. 5. Inovações tecnológicas. I. Lemos, Eliana G. M. I. Stradiotto, Nelson R.

12-48. CDD: 662.8 CDU: 662.6

Este livro é publicado pelo Programa de Publicações Digitais da Pró-Reitoria de Pesquisa da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP)

Editora afiliada: Miolo_Bioenergia_(GRAFICA).indd 4Miolo_Bioenergia_(GRAFICA).indd 407/12/2012 21:49:4807/12/2012 21:49:48

Apresentação 9

Parte I Biomassa para bioenergia 13

1 Metabolômica de cana-de-açúcar e sua relação com a produção de biomassa vegetal para bioenergia 15 2 Estudos da dormência e do condicionamento fisiológico de sementes: possíveis contribuições à propagação de espécies vegetais com potencial energético 35 3 Tecnologia de aplicação e inovações voltadas ao uso racional de defensivos agrícolas em culturas destinadas à produção de bioenergia 53 4 Metagenoma e a desconstrução da biomassa 83 5 Modificações genéticas em plantas de cana-de-açúcar visando aumento de produtividade e a utilização de genes de Bacillus thuringiensis para o controle biológico de insetos praga 113 6 Eucalipto adensado: manejo para florestas energéticas 125

Parte I Produção de biocombustíveis 163

7 A complexidade da produção do bioetanol em fermentações abertas de matérias-primas industriais 165

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8 Produção de etanol por Zymomonas mobilis CCT 4494 utilizando substratos não convencionais como alternativa à produção convencional 195 9 Hidrólise enzimática na cadeia produtiva do bioetanol e uso de enzimas para diagnósticos de produtos da fermentação 251 10 Resíduos agrícolas e agroindustriais: potencialidades de uso na produção de etanol 271 1 Utilização de enzimas lipolíticas na produção de biodiesel 319 12 Estressores bióticos em cana-de-açúcar: reflexos quali-quantitativos na matéria-prima e no processamento industrial 341 13 Produção, caracterização e utilização do biodiesel de tucumã originário da região amazônica 409 14 Contaminação microbiana na fermentação alcoólica para produção de etanol carburante 447

Parte I Utilização de bioenergia 489

15 Combustível renovável em trator agrícola: experiências na utilização de biodiesel 491 16 Efeitos da utilização do biodiesel em motores de combustão interna 521 17 Uso de etanol para a produção de hidrogênio e acionamento de motor aeronáutico flex 547 18 Uso de biogás para produção de água gelada e eletricidade 595 19 Biodiesel e gás de gaseificação em motor de combustão interna 633 20 Aspectos do incremento da cogeração no setor sucroalcooleiro com o uso de novos equipamentos e tecnologias para melhor aproveitamento energético 657

Parte IV Biorrefi narias, alcoolquímica e oleoquímica 751

21 Da biotecnologia à biorrefinaria 753

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Parte V Sustentabilidade dos biocombustíveis 833

2 Mudanças recentes na ocupação sucroalcooleira em decorrência da mecanização do corte de cana-de-açúcar no estado de São Paulo 835 23 Potenciais riscos ambientais do biodiesel 855 24 Impactos do uso de concentrado de vinhaça biodigerida e outras fontes de nutrientes nos agroecossistemas de cultivo da cana-de-açúcar 865 25 Avanços brasileiros no desenvolvimento de normas técnicas analíticas para certificação e controle da qualidade de biodiesel 889 26 Novos métodos analíticos para avaliação da qualidade do bioetanol combustível 945 27 Aspectos relacionados à produção de biodiesel com aproveitamento de resíduos, caracterização e testes de misturas em motores de combustão interna 981

Lista de autores 1043

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A bioenergia constitui atualmente um importante segmento das denominadas energias renováveis, fração cada vez mais representativa entre as matrizes energéticas de vários países do mundo. No Brasil, a pesquisa sobre bioenergia tem se desenvolvido consideravelmente, e seu uso, apontado como exemplo a ser seguido na evolução tecnológica energética da sociedade contemporânea.

Nesse contexto, a edição deste livro, intitulado Bioenergia: desenvolvimento, pesquisa e inovação, tem por objetivo proporcionar uma visão abrangente sobre as diversas áreas que compõem este segmento, com o intuito de contribuir para melhor compreensão dessa importante energia renovável fundamental para o desenvolvimento do país.

Este livro apresenta uma coletânea de trabalhos realizados por vários pesquisadores do Instituto de Pesquisa em Bioenergia (Bioen) da Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho” (Unesp). Essas pesquisas foram agrupadas em cinco partes distintas, perfazendo um total de vinte e sete capítulos.

Na primeira parte são mostradas as várias formas de biomassa utilizadas na obtenção de bioenergia; na segunda, os diversos processos usados na produção de biocombustíveis; na terceira, as aplicações dos bicombustíveis em motores; na quarta, os aspectos concernentes às biorrefinaria, alcoolquímica e oleoquímica; e na última, os impactos ambientais, sociais e econômicos da sustentabilidade dos bicombustíveis.

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10 APRESENTAÇÃO

Na primeira parte intitulada “Biomassa para bioenergia” são aportados, em seis capítulos, temas da maior relevância acadêmica, tais como: a metabolômica de cana-de-açúcar e sua relação com a produção de biomassa vegetal para bioenergia; os estudos da dormência e do condicionamento fisiológico de sementes e as possíveis contribuições à propagação de espécies vegetais com potencial energético; a tecnologia de aplicação e as inovações voltadas ao uso racional de defensivos agrícolas em culturas destinadas à produção de bioenergia; o metagenoma e a desconstrução da biomassa; as modificações genéticas em plantas de cana-de-açúcar visando ao aumento de produtividade e à utilização de genes de Bacillus thuringiensis para o controle biológico de insetos praga; e o uso do eucalipto adensado no manejo de florestas energéticas.

Na segunda parte intitulada “Produção de biocombustíveis” são descritos em oito capítulos tópicos da maior envergadura científica, como: a produção de etanol por Zymomonas mobilis CCT 4494, utilizando substratos não convencionais como alternativa à produção convencional; a hidrólise enzimática na cadeia produtiva do bioetanol e o uso de enzimas para diagnósticos de produtos da fermentação; a utilização de enzimas lipolíticas na produção de biodiesel; os resíduos agrícolas e agroindustriais e as potencialidades de uso na produção de etanol; a complexidade da produção do bioetanol em fermentações abertas de matérias-primas industriais; os estressores bióticos em cana-de-açúcar e seus reflexos quali-quantitativos na matéria- -prima e no processamento industrial; a produção, caracterização e utilização do biodiesel de tucumã originário da região amazônica; e a contaminação microbiana na fermentação alcoólica para produção de etanol carburante.

Na terceira parte intitulada “Utilização de bioenergia” são relatados em seis capítulos temas da mais alta importância tecnológica, tais como: o uso de combustível renovável em trator agrícola e as experiências na utilização de biodiesel; os efeitos da utilização do biodiesel em motores de combustão interna; o uso de etanol para a produção de hidrogênio e acionamento de motor aeronáutico flex; o uso de biogás para produção de água gelada e eletricidade; o biodiesel e o gás de gaseificação em motor de combustão interna; e os aspectos do incremento da cogeração no setor sucroalcooleiro com o uso de novos equipamentos e tecnologias para melhor aproveitamento energético.

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Na quarta parte intitulada “Biorrefinarias, alcoolquímica e oleoquímica” são discutidos dentro de um único capítulo tópicos altamente relevantes para o desenvolvimento industrial, tais como: a evolução da biotecnologia à biorrefinaria, em que são relatadas importantes aplicações em biotecnologia e recentes desenvolvimentos de tecnologias de bioprocesso para utilização de biomassa com foco principal na bioconversão industrial das fontes renováveis em químicos de interesse.

Na quinta parte intitulada “Sustentabilidade dos biocombustíveis” são aportados em seis capítulos temas extremamente vitais para a sociedade, como: as mudanças recentes na ocupação sucroalcooleira em decorrência da mecanização do corte de cana-de-açúcar no estado de São Paulo; os potenciais riscos ambientais do biodiesel; os impactos do uso de concentrado de vinhaça biodigerida e outras fontes de nutrientes nos agroecossistemas de cultivo da cana-de-açúcar; os avanços brasileiros no desenvolvimento de normas técnicas analíticas para certificação e controle da qualidade de biodiesel; os novos métodos analíticos para avaliação da qualidade do bioetanol combustível; e os aspectos relacionados à produção de biodiesel com aproveitamento de resíduos, caracterização e testes de misturas em motores de combustão interna.

Concluindo, gostaríamos de agradecer imensamente aos autores dos capítulos pela inestimável contribuição; à professora Maria José Soares Mendes Giannini pelo convite para organizarmos a edição deste livro; aos revisores dos capítulos pelas correções altamente qualificadas; à Neusa Maria Luiz pelos excelentes serviços de secretaria; à Pró-Reitoria de Pesquisa da Unesp pela oportunidade proporcionada pelo Programa de Publicações Digitais; e à Editora da Unesp pela esmerada produção desta obra.

Eliana G. M. Lemos Nelson R. Stradiotto

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Parte I Biomassa para bioenergia

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Metabolômica de cana-de-açúcar e sua relação com a produção de biomassa vegetal para bioenergia

Alberto J. Cavalheiro, Isabel Duarte Coutinho,

Gabriel Mazzi Leme, Alexander Alves da Silva, Ana Paula Dias da Silva

A produção de biocombustíveis tem recebido atenção crescente, vislumbrados como fontes biodegradáveis e não poluentes de energia. Merecem ênfase o diesel e o etanol obtidos de fontes vegetais, com destaque para este último, já produzido em vários países a partir da fermentação da sacarose obtida, em ordem de importância, de cana-de-açúcar, milho, sorgo e beterraba. A produção a partir da cana-de-açúcar desenvolveu-se de forma impressionante no Brasil, a ponto de se tornar uma cultura agrícola de importância estratégica para a economia nacional.

A cana-de-açúcar pertence à família Poaceae, tribo Andropogoneae e ao gênero Saccharum, destacando-se a espécie Saccharum officinarum, originária do sudeste asiático, onde é cultivada desde tempos remotos. Cruzamentos dessa espécie com outras quatro do mesmo gênero permitiram o desenvolvimento de diversas variedades, com o objetivo de obter plantas com características agronômicas melhoradas, incluindo resistência a doenças. Variedades modernas de cana-de-açúcar são derivadas principalmente de cruzamento interespecífico entre a cana nobre S. officinarum e a espécie selvagem S. spontaneum. Como resultado disso, as variedades atuais de cana possuem um genoma interespecífico complexo, aneupoliploide (n ≈ 12), com o número de cromossomos variando de 100 a 130 (Hoarau et al., 2001). Essa complexidade genômica e a natureza multialélica e multigênica da maioria das variedades agronômicas torna o melhoramento da cana-de-açúcar uma

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16 BIOMASSA PARA BIOENERGIA tarefa muito difícil (Casu et al., 2004). Os gêneros Saccharum, Erianthus, Miscanthus, Narenga e Sclerostachya são considerados muito similares e formam o “complexo Saccharum” (Mukherjee, 1957), cujas espécies são passíveis de intercruzamento forçado em programas de melhoramento genético.

Por que estudar metabolômica de cana-de-açúcar?

O crescimento e ciclo de vida das plantas envolvem sequências complexas de expressão gênica altamente controladas, além de respostas e adaptações ao meio ambiente, no qual estão sujeitas a várias situações de estresses bióticos e abióticos que podem modificar essa expressão. A maior parte dos progressos no entendimento desses processos em vegetais foi obtido a partir de estudos em espécies modelo, principalmente com Arabidopsis e arroz. Embora o impacto da poliploidia sobre a expressão gênica tenha sido estudado em várias espécies alopoliploides (algodão e Arabidopsis – tetraploides, trigo e Senécio – hexaploides), com relatos de efeitos aditivos e não aditivos sobre subconjuntos de genes, observados juntamente com a poliploidização (Jackson; Chen, 2010), estudos ômicos com cana-de-açúcar podem proporcionar descobertas importantes acerca da regulação gênica em genomas complexos (Manners; Casu, 2011).

Metabolômica estuda os processos ecofisiológicos no nível micromolecular, monitorando o maior número possível de metabólitos primários e secundários de células, órgãos e tecidos de um organismo por meio de técnicas analíticas de alto desempenho como cromatografia gasosa acoplada a espectrômetro de massas (CG-EM), cromatografia líquida acoplada a espectrômetro de ultravioleta e visível com arranjo de diodos e/ou espectrômetro de massas (CLAE-DAD-EM) e espectrômetro de ressonância magnética nuclear (RMN) acoplado ou não a um cromatógrafo líquido. Resulta, portanto, na caracterização de fenótipos micromoleculares de organismos sob condições específicas (fatores ambientais, genéticos e patológicos), visando a associação dessas substâncias ao genótipo e à função gênica (Villas-Bôas; Rasmussen; Lane, 2005).

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