Produção de Etanol de 2ª Geração

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA 
 
 
 
 
 
 
ALINE VITÓRIA DOS SANTOS RODRIGUES 
BEATRIZ DOS SANTOS FARIA 
KAUAN PEDRO DE AZEVEDO SOUZA 
MATEUS SOARES MOREIRA 
 
 
 
 
 
 
Produção de etanol de segunda geração 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LORENA 
2023 
 
 
RESUMO 
O etanol de segunda geração é um biocombustível produzido a partir de biomassa 
lignocelulósica, que pode ser proveniente de várias fontes, entretanto, o bagaço de 
cana-de-açúcar é o mais presente nas pesquisas brasileiras por conta das altas taxas 
de produção e descarte desse material, sendo uma ótima oportunidade o seu 
aproveitamento. O presente artigo textual discorre sobre o processo produtivo do 
etanol de segunda geração, também chamado de bioetanol, e abrange além disso a 
sua relação histórica, tanto global quanto brasileira, e suas problemáticas e 
facilidades. 
Palavras-chave: E2G, biomassa, lignocelulósicos, biocombustível. 
 
 
ABSTRACT 
Second-generation ethanol is a biofuel produced from lignocellulosic biomass, which 
can come from several sources, however, sugarcane bagasse is the most present in 
Brazilian research due to the high rates of production and disposal of this material, 
being a great opportunity to use it. This textual article discusses the production process 
of second-generation ethanol, also called bioethanol and also covers its historical 
relationship, both global and Brazilian, and its problems and facilities. 
Key-words: E2G, biomass, lignocellulosic, biofuel. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
Tabela 1: Comparação de fontes de energia entre o Brasil e o mundo ...................... 7 
Tabela 2: Emissões de CO2 por Combustível Comercial, em 2005. ........................ 13 
Tabela 3: biomassas e suas composições básicas. ................................................. 17 
Tabela 4: Diferenças entre celulose e hemicelulose. ................................................ 20 
Tabela 5: Estrutura dos álcoois formadores de lignina ............................................. 21 
Tabela 6: Demonstração da ação do pré-tratamento. ............................................... 22 
Tabela 7: pré-tratamentos suas vantagens e desvantagens. .................................... 23 
Tabela 8: Comparação entre hidrólise ácida e enzimática ........................................ 28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1: Fluxograma geral do processo de produção de etanol. ............................ 16 
Figura 2: Fluxograma de produção E2G. ................................................................. 16 
Figura 3: Estrutura da biomassa lignocelulósica. ..................................................... 18 
Figura 4: Estrutura molecular da celulose. ............................................................... 19 
Figura 5: Componentes da hemicelulose. ................................................................ 20 
Figura 6: fluxograma de possíveis etapas de organossolv ....................................... 26 
Figura 7: Desconstrução da biomassa lignocelulósica por enzimas fúngicas. ......... 27 
Figura 8: fluxograma de processos de hidrólise ....................................................... 30 
Figura 9: Quebra da xilose. ...................................................................................... 32 
Figura 10: Destilação ............................................................................................... 33 
Figura 11: Processo geral com equipamentos principais. ........................................ 33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE GRÁFICOS 
Gráfico 1: Matriz energética natural e nuclear mundial 2020 ..................................... 8 
Gráfico 2: Matriz energética brasileira 2021 ............................................................... 9 
Gráfico 3: Produção de açúcar ................................................................................. 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7 
1.1. Fontes de energia e combustíveis no mundo ................................................... 7 
1.1.1. Fontes de energia não renováveis .............................................................. 7 
1.1.2. Fontes de energia renováveis ..................................................................... 8 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 10 
2.1. Os biocombustíveis e o etanol no brasil .......................................................... 10 
2.1.1. Histórico da Cana-de-açúcar no Brasil ..................................................... 11 
2.1.2. Produção de Etanol em território brasileiro ............................................... 11 
2.1.3. A Ascensão dos Biocombustíveis no Geral ............................................... 12 
2.2. Início da perspectiva de utilizar o bagaço da cana-de-açúcar para a produção 
do etanol de segunda geração ............................................................................... 14 
3. MÉTODOS DE FABRICAÇÃO ............................................................................. 15 
3.1. Biomassa ........................................................................................................ 17 
3.2. Cana-de-açúcar .............................................................................................. 17 
3.2.1. Composição química do bagaço ............................................................... 17 
3.3. Pré-tratamento ................................................................................................ 21 
3.3.1. Pré-tratamento mecânico .......................................................................... 23 
3.3.2. Pré-tratamentos químico ........................................................................... 24 
3.3.3. Pré-tratamento biológico ........................................................................... 26 
3.4. Hidrólise .......................................................................................................... 27 
3.4.1. Enzimática ................................................................................................ 28 
3.4.2. Ácida ......................................................................................................... 28 
3.4.3. Variáveis da hidrólise ................................................................................ 29 
3.5. Fermentação ................................................................................................... 30 
3.5.1. Fermentação das glicoses ........................................................................ 31 
3.5.2. Fermentação dos lignocelulósicos (xilose) ............................................... 32 
3.6. Destilação ....................................................................................................... 32 
4. Avanços da produção de etanol de segunda geração .................................... 34 
4.1. Coquetel enzimático ........................................................................................ 35 
5. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 36 
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 37 
7 
 
1 INTRODUÇÃO 
1.1. Fontes de energia e combustíveis no mundo 
Para compreender melhor as vantagens de utilizar o etanol de segunda geração, cabe 
discorrer sobre os outros tipos de fontes de energia, suas vantagens e desvantagens. 
Assim,ficará clara a importância econômico-ambiental do desenvolvimento do 
bioetanol, que se classifica como um biocombustível. Para início, vale ressaltar que 
existem dois grupos principais e mais usuais de fontes de energia: as fontes não 
renováveis e as fontes renováveis. 
 
Tabela 1: Comparação de fontes de energia entre o Brasil e o mundo 
 
FONTE: EPE; Ministério de Minas e Energia – MME. 
 
1.1.1. Fontes de energia não renováveis 
 As fontes de energia não renováveis são fontes limitadas, pois são obtidas a partir 
de materiais que não se regeneram a curto prazo, ou seja, não podem ser repostos, 
além de que, em sua maioria, geram poluentes e são prejudiciais para o meio 
ambiente. 
A ascensão da utilização desse tipo de energia se deu na segunda revolução industrial 
(final do século XIX ), que proporcionou a geração de energia principalmente através 
do petróleo, que até hoje está no topo da matriz energética mundial. Na matriz atual, 
as principais fontes energéticas ainda possuem caráter não renovável, por conta da 
8 
 
maior experiência e conhecimento sobre suas propriedades, seu potencial energético 
muito elevado, baixos custos e geração de emprego. As principais fontes não 
renováveis encontradas na matriz mundial são: petróleo, 
Gráfico 1: Matriz energética natural e nuclear mundial 2020 
 
FONTE: EPE; Ministério de Minas e Energia – MME. 
 
1.1.2. Fontes de energia renováveis 
Em contraponto, temos as fontes de energia renováveis, que são fontes 
inesgotáveis, ou seja, são obtidas através de materiais que podem ser repostos a 
curto prazo. Esse tipo de energia é muito conhecido principalmente por sua vantagem 
ambientalmente sustentável. 
A utilização de fontes renováveis tem sido mais estimada e crescido cada vez mais 
por conta da demanda ambiental, em decorrência das mudanças climáticas que se 
aproximam cada vez mais devido à alta emissão de gases do efeito estufa do uso de 
fontes não-renováveis, de seu esgotamento e de seu encarecimento também. No 
entanto, ainda que haja um nítido crescimento e aumento da preocupação mundial 
em aumentar o emprego de tecnologias para desenvolver e aprimorar a utilização de 
fontes renováveis de energia, falta muito para que elas possam substituir as 
respectivas fontes esgotáveis no âmbito mundial. 
Contudo, no Brasil, as fontes renováveis já ocupam a maior porcentagem na matriz 
energética. Analisando a matriz brasileira do ano de 2021, é válido ressaltar que os 
derivados da cana-de- açúcar estão em maior porcentagem (16,4%), o que reflete o 
9 
 
grande potencial dessa matéria-prima para o crescimento ainda maior a produção de 
combustíveis. 
 
Gráfico 2: Matriz energética brasileira 2021 
 
FONTE: EPE; Ministério de Minas e Energia – MME. 
 
Para o cenário de crescimento alto, a produção de açúcar atinge 47,8 milhões de 
toneladas em 2031, sendo que a participação do Brasil no fluxo de comércio mundial 
alcança 46%. 
 
10 
 
Gráfico 3: Produção de açúcar 
 
FONTE: EPE, 2021. 
 
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
1.2. Os biocombustíveis e o etanol no brasil 
Agora, entendendo melhor o contexto no qual os biocombustíveis entraram em alta, é 
evidente que as crises de petróleo – que ocorreram em decorrência a conflitos 
envolvendo países do Oriente Médio – foram o estopim para o início de um esforço 
mundial em desenvolver mais fontes de energia alternativas. 
As crises foram um grande impacto no mundo inteiro já que os conflitos que a 
permeiam se deram entre importantes exportadores de petróleo, a maioria dos demais 
países dependiam do abastecimento desses países. Além disso, os choques de 
petróleo resultaram no aumento significativo do preço do barril, o que vulnerabilizou 
muitas nações naquele contexto e acelerou o processo mundial de busca por fontes 
alternativas e renováveis. 
Além das crises, os problemas ambientais que surgem devido ao uso de fontes de 
energia poluentes e emissoras de gases do efeito estufa também é um importante 
fator na busca mundial de fontes menos poluentes. No caso do Brasil, aproveitou-se 
a abundância da monocultura da cana-de-açúcar e a viabilidade dessa matéria prima 
para passar a utilizá-la e desenvolver de forma ampla o etanol como combustível 
alternativo. 
 
11 
 
1.2.1. Histórico da Cana-de-açúcar no Brasil 
A cana de açúcar, matéria prima para o etanol, passou a ser explorada no Brasil a 
partir do Período Colonial por diversos motivos e interesses de Portugal. Dentre eles, 
é importante ressaltar a demanda do mercado europeu pelo produto; no entanto, o 
principal objetivo de instalar a monocultura da cana no Brasil foi a ameaça de perder 
posse do vasto território para outros países colonizadores, os quais tinham planos e 
interesses nas terras brasileiras. Para manter o domínio sobre o território, era preciso 
que a coroa portuguesa tornasse o território brasileiro produtivo e, dessa maneira, 
implantaram a cana-de-açúcar. 
A monocultura de cana-de-açúcar no Brasil superou muitas expectativas, pois o clima 
do Brasil era muito propício para o seu desenvolvimento. A cultura da cana se adapta 
muito bem às regiões de clima tropical, quente e úmido, cuja temperatura 
predominante seja entre 19 e 32ºC e onde as chuvas sejam bem distribuídas, com 
precipitação acumulada acima de 1000 milímetros por ano. 
Com as condições climáticas favoráveis do território brasileiro, o sucesso da plantação 
de cana foi certo e incentivou o investimento e desenvolvimento de técnicas 
inovadoras com o decorrer dos anos e das Revoluções Industriais para ampliar ainda 
mais esse mercado no país. 
 
1.2.2. Produção de Etanol em território brasileiro 
Considerando o sucesso da cana-de-açúcar no brasil, a presença e o 
desenvolvimento da produção de etanol em território brasileiro estão estritamente 
interligados com a facilidade de obtenção da matéria prima, com os choques do 
petróleo que ocorreram na segunda metade do século XX e com as medidas públicas 
para a redução das consequências de tais disrupções. 
Em razão dos conflitos no Oriente Médio que causaram o primeiro choque do petróleo, 
o preço do barril do petróleo aumentou. Esse aumento afetou países que dependiam 
de sua matriz energética e de combustíveis do uso do petróleo e de sua importação, 
inclusive o Brasil. Na época, estima-se que 80% desse combustível vinha diretamente 
da importação de outros países, o que tornava o Brasil uma nação vulnerável frente a 
alterações no preço e disponibilidade dessa fonte energética. 
Frente a isso, em 14 de novembro de 1975, foi instituído o decreto de número 76.593. 
Essa ferramenta política criou o Programa Nacional do Álcool (Proálcool), campanha 
voltada para atender as necessidades do mercado interno e externo e da política de 
12 
 
combustíveis automotivos. De modo geral, o programa visava três metas: suprir a 
demanda de combustível no território nacional, substituir gradativamente o uso da 
gasolina por um combustível renovável e promover novas tecnologias no ramo da 
cana-de-açúcar e da produção de álcool. 
Segundo dados do Balanço Energético Nacional de 2005, o consumo anual Álcool 
Etílico Hidratado (Uma das vertentes do Etanol), em unidades de 10^3 tep, passou de 
8 para 5.205 no período de 1979 a 1990. Além disso, o rendimento (toneladas por 
hectare), nesse mesmo intervalo, foi de 54,79 para 61,49. Ambos os dados 
representam as consequências do Proálcool e a maior presença do etanol na matriz 
de combustíveis automotivos no Brasil. 
A partir do que foi discutido, é possível compreender melhor o cenário do Brasil e suas 
vantagens para o desenvolvimento de tecnologias que estão presentes na produção 
de etanol, fonte renovável e significantemente mais sustentável ambientalmente e 
economicamente do que o combustível produzido a partir do petróleo. Esse sucesso 
fez os investimentos impulsionarem a tecnologia e a inovação, de maneira que a cana 
passou a ser exploradapara além da produção de etanol. Com as perspectivas 
mundiais de utilizar o bagaço da cana – que antes era apenas um descarte da 
produção de etanol comum – como matéria prima para o etanol de segunda geração, 
um novo combustível promissor, o Brasil passou a pesquisar e desenvolver a 
produção, também, desse novo combustível, que se mostrou muito sustentável e é 
uma alternativa de combustível renovável. 
 
1.2.3. A Ascensão dos Biocombustíveis no Geral 
A ascensão de biocombustíveis no Brasil se deu por fatores políticos, econômicos, 
culturais e regionais. No que se diz ao uso de biocombustíveis, os mesmos são de 
lucro financeiro, ambiental e social. Os biocombustíveis têm tido seu progresso com 
o barateamento de obra prima e com estudos de otimização de processos. os 
incentivos governamentais e privados nos setores sucroalcooleiro e automobilístico 
levaram à criação do motor flex-fuel, bicombustível, responsável pela aceleração do 
mercado nacional de etanol. Entre 2003 e 2007 a demanda nacional por etanol 
hidratado aumentou 273,36%, passando de 3.792 mil m³ em 2003 para 10.366 
mil m³ em 2007(EPE, 2008; IICA, 2008). 
13 
 
Ao ser utilizado como substituto da gasolina em veículos, o etanol promove uma 
redução significativa na emissão de dióxido de carbono (CO2), um dos principais 
responsáveis pelo aquecimento global. 
 
Tabela 2: Emissões de CO2 por Combustível Comercial, em 2005. 
 
FONTE: EPE, 2005. 
 
A utilização de biocombustíveis, como o etanol, reduz a dependência externa por 
combustíveis fósseis, o que pode proporcionar uma maior autonomia energética e 
maior estabilidade econômica. O Brasil tem mostrado liderança no setor de 
biocombustíveis, desenvolvendo tecnologias inovadoras e ampliando a produção em 
larga escala, o que impulsiona o crescimento do mercado e a competitividade 
internacional. 
No entanto, é importante ressaltar que a produção de biocombustíveis não está isenta 
de desafios. Questões como a disponibilidade de matéria-prima, o uso sustentável 
dos recursos naturais e a eficiência dos processos de produção devem ser 
consideradas e constantemente aprimoradas. Além disso, é fundamental garantir a 
adequada fiscalização e controle para evitar impactos negativos na agricultura e no 
meio ambiente. 
Os biocombustíveis, em especial o etanol, têm se mostrado como alternativas viáveis 
e vantajosas para o Brasil. Além de a cana-de-açúcar ser uma matéria-prima viável e 
abundante, o etanol contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa 
e para a diversificação da matriz energética, a produção de etanol impulsiona a 
economia, gera empregos e fortalece a posição do país no mercado global. Contudo, 
é necessário continuar investindo em pesquisa e desenvolvimento, bem como em 
políticas públicas que incentivem a produção sustentável e o uso eficiente dos 
biocombustíveis, visando um futuro mais limpo e sustentável para o Brasil e o mundo. 
O setor de biocombustíveis do Brasil, em 2020, apresentou resultados positivos. Os 
números apresentam os avanços desse segmento da economia, o que demonstra o 
resultado de investimentos em pesquisa para a produção e o uso da bioenergia. 
14 
 
 
1.3. Início da perspectiva de utilizar o bagaço da cana-de-açúcar para a 
produção do etanol de segunda geração 
O etanol de primeira geração desempenhou um papel importante na indústria de 
biocombustíveis, especialmente a partir dos anos 2000, com a popularização dos 
carros de motor flex, que podem utilizar tanto gasolina quanto etanol. No entanto, sua 
produção está relacionada a problemas como desmatamento, aumento do preço dos 
alimentos e a expansão de áreas agrícolas. Essas consequências levaram à busca 
por alternativas mais sustentáveis e eficientes. 
Dessa maneira ,a perspectiva da produção de etanol de segunda geração, representa 
um importante cenário para a indústria de biocombustíveis. Diferentemente do etanol 
de primeira geração , que utiliza principalmente culturas alimentares como cana-de-
açúcar e milho, o etanol de segunda geração é produzido a partir de biomassa 
lignocelulósica, como palha, bagaço de cana-de-açúcar, serragem e resíduos 
agrícolas. 
Essa mudança na matéria-prima é necessária para evitar os impactos 
socioeconômicos e ambientais associados à produção de etanol de primeira geração. 
O uso de culturas alimentares na produção de biocombustíveis pode levar 
principalmente à destruição de ecossistemas naturais e à perda de biodiversidade, 
além da competição entre a produção de alimentos e combustíveis . Já a utilização da 
biomassa lignocelulósica surge como uma alternativa mais viável, pois é uma fonte 
abundante e diversificada, que não interfere na produção do setor alimentício. Além 
disso, o etanol de segunda geração apresenta benefícios significativos em relação às 
emissões de gases de efeito estufa. Dados do CTBE (Laboratório Nacional de Ciência 
e Tecnologia do Bioetanol) indicam que o etanol de segunda geração (E2G) é 
considerado um combustível ainda mais limpo que o etanol de primeira 
geração(E1G),esse biocombustível é capaz de reduzir as emissões de CO2 da 
gasolina em até 90%, enquanto o E1G consegue reduzir somente 60%. 
Entretanto, como a lignocelulose é composta principalmente por celulose, 
hemicelulose e lignina, e sua estrutura complexa dificulta a extração eficiente de 
açúcares fermentáveis para a produção de etanol, encarecendo o seu processo de 
produção. Porém as pesquisas nessa área já tiveram início ainda no século 21, e 
atualmente ainda estão em curso, como a realização de coquetéis enzimáticos, 
compostos naturais e outras abordagens inovadoras, que visam otimizar a eficiência 
15 
 
e reduzir os custos do processo de produção. Em 2011, a Financiadora de Estudos e 
Projetos (FINEP) e o BNDES assinaram um acordo para investir cerca de 1 bilhão de 
reais no setor industrial de biomassa lignocelulósica para produzir etanol de segunda 
geração. 
O investimento contínuo em pesquisas no setor de etanol de segunda geração é 
fundamental para impulsionar avanços tecnológicos e superar os desafios associados 
à sua produção em larga escala. 
 
3 MÉTODOS DE FABRICAÇÃO 
A biomassa geralmente utilizada para esse tipo de processo é composta por cadeias 
de celulose (polissacarídeo de glicose formado por ligações ß-1-4-glicosidica) unidas 
entre si por ligações de hidrogênio. Essas fibras celulósicas são recobertas por 
hemiceluloses (polissacarídeos ramificados formados principalmente por D-xilose) e 
ligninas (redes poliméricas tridimensionais formadas por unidades fenilpropano 
interligadas). Por ser uma cadeia polimérica estável, é necessário fazer um pré-
tratamento para que haja o rompimento das fibras e a posterior hidrólise das cadeias 
de celulose e hemicelulose, para que se tornem glicose e xilose, respectivamente. É 
possível observar que a produção do E2G pode ser dividida em quatro etapas básicas, 
o pré-tratamento para quebra de fibras e obtenção de açúcares, a hidrólise enzimática 
que transforma as cadeias recentemente quebradas em açúcares fermentescíveis, a 
fermentação desses açúcares e a destilação do que foi obtido. (BUORO, 2021). 
 
16 
 
 
Figura 1: Fluxograma geral do processo de produção de etanol. 
 
FONTE: MELO, 2020. 
Figura 2: Fluxograma de produção E2G. 
 
FONTE: LIMA, 2011. 
17 
 
1.4. Biomassa 
Com dito anteriormente a biomassa é um tipo de energia renovável conseguida 
através de materiais lignocelulósicos, ou seja, provém de fontes renováveis, como 
plantas no geral. Portanto, é possível produzir E2G de proveniente de várias fontes, 
como mostrado na tabela 3. 
 
Tabela 3: biomassas e suas composições básicas. 
 
FONTE: SANTOS et al., 2012. 
Observando a tabela 4, vê-se que a palha de cana tem um percentual de celulose, 
hemicelulose e lignina aceitáveis, entretanto, a fibra de bananeira apresenta um 
percentual de celulosemaior que a maioria, apesar disso, por ser uma fibra mais 
resistente, ela vem sendo pesquisada para ser utilizada pela indústria têxtil. Contudo, 
a cana-de-açúcar existe em grandes quantidades no país por conta do etanol de 
primeira geração (E1G). 
 
1.5. Cana-de-açúcar 
1.5.1. Composição química do bagaço 
É uma biomassa celulósica composta parcialmente por celulose, hemicelulose e 
lignina, polímeros ligados por ligações de hidrogênio e covalente. Sendo os materiais 
lignocelulósicos abundantes no planeta, se tornam também, materiais atrativos para 
a produção de biocombustíveis, além do etanol. Entretanto, por serem polímeros de 
18 
 
ligações fortes, se tornam insolúveis em vários solventes, dificultando o processo de 
degradação microbiana, além de ser resistente a tensão.(SILVA, 2016). 
 
 
 
Figura 3: Estrutura da biomassa lignocelulósica. 
 
FONTE: SANTOS et al., 2012. 
 
A partir da figura 2, observa-se que a lignina é a responsável por unir a celulose e a 
hemicelulose, sendo as ligações de hidrogênio na celulose responsáveis pela rigidez 
da planta. Com isso, a hemicelulose funciona como uma barreira para a entrada de 
microrganismos e a lignina promove a ligação entre a hemicelulose e a cadeia fibrosa. 
(OGATA, 2013). 
1.5.1.1 Celulose 
É o polímero natural mais abundante dos materiais lignocelulósicos. É um polímero 
linear formado por unidades de glicose ligadas, exclusivamente, por ligações 
19 
 
glicosídicas do tipo β (1→4), com fórmula geral: (C6H10O5)n. sua unidade repetitiva é 
chamada de celobiose. A ligação beta fornece uma estrutura rígida para a celulose o 
que torna impossível humanos digerirem celulose.(OGATA, 2013). 
A figura 6 mostra a estrutura molecular da celulose. 
 
 
Figura 4: Estrutura molecular da celulose. 
 
FONTE: KLEMM et al., 2005. 
 
1.1.1.1 Hemicelulose 
 A hemicelulose é formada por polissacarídeos, compostas por diversos polímeros 
como: hexoses, pentoses e ácidos urônicos, podem cadeias lineares ou ramificadas 
e são amorfos. (VASQUEZ, 2007). 
 
20 
 
Figura 5: Componentes da hemicelulose. 
 
FONTE: MACHADO, 2016. 
 
Estas características tornam a hemicelulose mais suscetível a quebras por hidrólise, 
pois apresenta caráter amorfo e tem maior afinidade com ácidos, geralmente 
utilizados como catalisadores. A hemicelulose tem muitas semelhanças coma 
celulose, entretanto, algumas características diferentes entre elas podem ser 
observadas listadas na tabela 4. 
 
 
Tabela 4: Diferenças entre celulose e hemicelulose. 
 
21 
 
FONTE: PEREIRA, 2019. 
 
1.5.1.2 Lignina 
A lignina é o segundo polímero mais abundante presente na biosfera, atrás somente 
da celulose. É formada através da despolimerização dos álcoois: cumarílico, 
coniferilico e sinapilico , possui grandes cadeias ramificadas estrutura amorfa. 
(OGATA, 2013). 
Dentre os principais compostos da cana-de-açúcar, a lignina é a mais complexa, isso 
ocorre por cona da grande quantidade de combinações possíveis entre as suas 
moléculas. Na figura X há os álcoois presentes na composição da lignina e sua 
estrutura. 
 
 
 
Tabela 5: Estrutura dos álcoois formadores de lignina 
 
FONTE: VAQUEZ, 2007. 
 
1.6. Pré-tratamento 
A transformação da celulose e da hemicelulose presentes na biomassa em 
monômeros glicose e xilose, respectivamente, além da fermentação por 
22 
 
microrganismos são etapas base do processo. Entretanto, a celulose em sua forma 
natural se encontra protegida pela matriz lignina-carboidrato, tornando a celulose, 
resistente ao processo de hidrólise, resultando em processo lento e pouco proveitoso 
economicamente. (RABELO, 2010). Portanto, o pré-tratamento se mostra a melhor 
opção para que a produção seja viável, pois, aumentando a exposição das fibras de 
celulose a agentes hidrolíticos ou ácidos. 
De forma resumida, o pré-tratamento visa retirar a lignina e a hemicelulose da 
biomassa como mostrado na figura 2, reduzir a cristalinidade da celulose e, com isso, 
aumentar a conversão dos polissacarídeos em açúcares fermentescíveis. Além de 
limitar a perda dos açúcares formados, limitar a formação de co-produtos inibidores, 
reduzir a demanda de energia e, principalmente, minimizar os custos. (FREITA, 2017). 
Tabela 6: Demonstração da ação do pré-tratamento. 
 
FONTE: (FREITA, 2017) 
No geral, existem alguns tipos de pré-tratamento que podem ser adaptados de acordo 
com a necessidade do processo. 
 
23 
 
Tabela 7: pré-tratamentos suas vantagens e desvantagens. 
 
FONTE: OGEDA e PETRI, 2010. 
 
1.6.1. Pré-tratamento mecânico 
De forma geral, esse método consiste em limpar e triturar o material, causando uma 
desorganização das moléculas do material, podendo ser combinada com outros pré-
tratamentos. Após a lavagem, a cana-de-açúcar passa pelo picador, as facas do 
triturador têm a função de cortar a cana em pequenos pedaços, facilitando o trabalho 
do esmagamento, após isso, ocorre o desfribilamento e a moagem que divide a cana 
em dois produtos: caldo, rico em açúcares, e o bagaço, rico em fibras. (ROSA e 
GARCIA,2009). 
24 
 
Esse método consiste em aumentar a área da superfície específica de materiais 
lignocelulósicos acessível ao ataque das enzimas, seja reduzindo o tamanho das 
partículas ou afetando a sua cristalinidade. Há diferentes tipos de processos físicos 
para isso, tais como trituração mecânica (lascas, moagem e trituração) e irradiação 
(raios gama, feixes de elétrons ou de microondas) têm sido utilizados para melhorar 
a digestibilidade do material lignocelulósico. (TAHERZADEH, 2008). 
 
1.6.1.1 Explosão a vapor 
A explosão a vapor é um pré-tratamento bastante utilizado quando se trata da hidrólise 
de materiais lignocelulósicos. Durante esse processo, a biomassa já triturada é 
submetida a vapor de alta pressão e alta temperatura de160 a 240°C por até 20 
minutos, variando de cada biomassa, em seguida a pressão é retirada, resultando em 
uma mudança brusca de temperatura com a finalidade de causar a ruptura nas 
ligações da lignina, hemicelulose e celulose. É possível adicionar SO2 para aumentar 
o efeito do tratamento com recuperação de hemicelulose.(TENGBORG et al, 2001). 
 
1.6.2. Pré-tratamentos químico 
Se trata de pré-tratamentos com a necessidades de reagentes químicos, podendo ser 
combinada com outros pré-tratamentos, como o biológico. 
 
1.6.2.1 Hidrólise alcalina 
Mediante os estudos e as propriedades desejadas no sólido pré-tratado, esse método 
vem sendo um dos mais utilizados. Estudos sobre esse pré-tratamento com a 
utilização de NaOH (hidróxido de sódio) vem sendo realizados desde os anos 90, 
sendo um dos catalisadores básicos mais fortes, sua eficiência é comprovada com 
uma maior produção de açúcares fermentescíveis através da hidrólise enzimática, ao 
compará-lo com outros pré-tratamentos alcalinos. (KIM et.al, 2015). 
O hidróxido de sódio ataca as ligações entre a lignina e hemicelulose do complexo 
lignina-carboidrato (CLC), provocando a quebra das ligações éter e éster desta 
estrutura. Sendo assim, ocorre a redução do grau de polimerização e cristalinidade, 
intumescimento das fibras e ruptura da ligação da lignina. Além disso, a dissociação 
do NaOH (Na+ e OH- ) leva a um aumento na velocidade da reação de hidrólise de 
acordo com o aumento da concentração da hidroxila (OH-). (CAMPOS, 2017). 
25 
 
Esse método pode ter muitas vantagens do ponto de vista industrial por possuir 
condições de aplicação mais acessíveis, como baixa temperatura e pressão da 
reação, reagentes químicos menos corrosivos em comparação ao pré-tratamento 
ácido, utilização de reatores mais simples, portanto mais em conta, e a possibilidade 
de reuso da solução alcalina residual. (CAMPOS, 2017). 
 
1.6.2.2 Organossolve 
O pré-tratamento Organossolve surgiu na década de 70, com a possibilidade de ser 
um substituto do processo Kraft e sulfito, os mais utilizados na produção de celulosepara papel, devido a grande poluição que estes últimos causam na água e no 
ar.(RODRIGUES, 2017). 
Este pré-tratamento consiste na combinação de solventes orgânicos, sendo eles: 
metanol, etanol, acetona e outros, podendo ser empregado um catalisador 
dependendo da necessidade do processo, sendo empregado na quebra de ligações 
no complexo lignocelulósico.(ARAÚJO, 2022). 
Esse tipo de pré-tratamento tem chamado a atenção de pesquisadores por permitir a 
reutilização do solvente orgânico, capacidade de fracionamento de biomassa vegetal 
em celulose, hemicelulose e lignina com grau de pureza relativamente alto, apesar da 
escolha do solvente limitar o processo devido ao alto custo, sendo necessário analisar 
melhor a relação custo – benefício.(ARAÚJO, 2022). 
26 
 
 
Figura 6: fluxograma de possíveis etapas de organossolv 
 
FONTE: RODRIGUES, 2017. 
 
1.6.3. Pré-tratamento biológico 
O pré-tratamento biológico se baseia na despolimerização da biomassa celulósica por 
enzimas produzidas por microrganismos (como lignina peroxidases e lacases), 
geralmente fungos ou bactérias, facilitando o acesso aos açúcares para as próximas 
etapas. Diferentemente dos pré-tratamentos físico e químico, não há necessidade do 
uso de reagentes químicos ou altos gastos energéticos. (SINGH et al. 2008). 
27 
 
Esse método possui como principais vantagens o baixo custo operacional, devido a 
menor gasto de energia e os processos são conduzidos em condições amenas de 
temperatura e pressão e sem necessidade de produtos químicos, entretanto, é 
necessário um monitoramento minucioso do crescimento do crescimento dos 
microrganismos e, por conta da baixa taxa de hidrólise, é um tempo maior de pré-
tratamento.(JOUZANI et al., 2013). 
Após o pré-tratamento, a lignina é separada da biomassa e da hemicelulose. A lignina 
é difícil de tratar quimicamente então a sua função até aqui se resume a fornecer 
energia térmica. Quanto à hemicelulose, será hidrolisada sem problemas com o uso 
das técnicas citadas no subtópico 1.1.2.(ROSA e GARCIA, 2009). 
 
Figura 7: Desconstrução da biomassa lignocelulósica por enzimas fúngicas. 
 
Fonte: (HATMANN, 2017) 
 
1.7. Hidrólise 
Já pré-tratada, a biomassa passa para a etapa de hidrólise, em que suas cadeias são 
quebradas em açúcares fermentescíveis. As hemiceluloses presentes no material 
serão convertidas em pentoses, em sua maioria xiloses, e a celulose é convertida em 
glicose. A reação tem a presença de um catalizador ácido ou enzimático, que pode ter 
suas variações como mostrado na tabela 6. (FREITA, 2017). 
28 
 
 
Tabela 8: Comparação entre hidrólise ácida e enzimática 
 
FONTE: MELO, 2020. 
1.7.1. Enzimática 
As enzimas são proteínas, ou seja, moléculas orgânicas complexas, que aplicadas no 
ambiente industrial, são produzidas e secretadas por bactérias e fungos, e utilizadas 
amplamente como catalisadores na produção de etanol amiláceo. Mas, a hidrólise da 
celulose é mais complicada pois, envolve a quebra de polímeros mais resistentes, 
protegidos por materiais resistentes a ataques químicos (lignina e celulose). (ROSA e 
GARCIA, 2009). 
As condições do processo como temperatura, pH, tempo de sacrificação, 
concentração enzimática, entre outros fatores, dependem do complexo enzimático e 
da biomassa a ser utilizada. Tais condições devem ser mapeadas, determinadas e 
otimizadas em análises laboratoriais em cada caso específico.(RABELO,2010). 
 
1.7.2. Ácida 
É de conhecimento prévio que os ácidos são substâncias que, na presença de solução 
aquosa, sofrem ionização, que atinge compostos orgânicos como amidas, açúcares 
dentre outros.(HIJZIN, 2010). 
O objetivo desse tratamento é a degradação da hemicelulose, expondo a celulose. 
Essa degradação ocorre com a quebra da ligação β (1,4) – glicosídica, que resulta em 
moléculas de grau inferior em relação a polimerização, afetando propriedades físico-
químicas, como a viscosidade e resistência mecânica. Por conta das ligações de 
hidrogênio é mantida a rigidez das regiões cristalinas, dificultando a clivagem não 
apenas no pré-tratamento ácido, como também no alcalino e biológico. (FERREIRA, 
2018). 
29 
 
O tratamento ácido ocorre em solução aquosa, não necessariamente diluída, 
entretanto, o tratamento com ácido em altas concentrações acabam prejudicando o 
processo e aumentando os custos. (HIJAZIN, 2010). 
Esse processo de pré-tratamento pode atingir até 90% de aproveitamento em 
períodos longos, temperaturas moderadas e concentração elevada (40 – 70%). As 
condições de tratamento devem ser meticulosamente estudadas e calculadas, pois 
pode resultar em composto que podem ser inibidores microbiológicos, inviabilizando 
o restante do processo. (FERREIRA,2018). 
 
1.7.3. Variáveis da hidrólise 
Além das variáveis químicas e físicas já citadas, as variáveis dentro do processo são 
importantes, abaixo estão citadas algumas delas. 
Com o objetivo de facilitar a compreensão adequada das questões mencionadas, 
serão expostas, a seguir, as principais configurações em desenvolvimento dos 
processos de hidrólise da biomassa a partir da sigla em inglês. 
• SHF – separate hydrolysis and fermentation: a hidrólise da celulose e a 
subsequente fermentação da glicose são realizadas em reatores diferentes; a 
fermentação das pentoses ocorre em outro reator; 
• SSF – simultaneous saccharifi cation and fermentation: como o nome indica, a 
fermentação da glicose e a hidrólise da celulose são realizadas no mesmo reator; a 
fermentação das pentoses, no entanto, continua se processando em reator separado; 
• SSCF – simultaneous saccharification and cofermentation: representa um 
aumento da integração em relação ao SSF, já que a fermentação das pentoses e da 
glicose ocorre no mesmo reator; 
• CBP – consolidated bio processing: o máximo de integração é atingido com essa 
rota, na qual todas as operações de caráter biológico – inclusive a produção de 
enzimas – são realizadas em um único reator. 
A Figura 5 permite visualizar as várias configurações descritas 
acima. É importante salientar que em todos os casos – inclusive a 
CBP – a hidrólise da hemicelulose se verifica separadamente. 
30 
 
 
Figura 8: fluxograma de processos de hidrólise 
 
FONTE: HAMELINCK et al., 2005. 
1.8. Fermentação 
Etapa estritamente biológica, cujos açúcares são catalisados por via de enzimas 
produzidas por microrganismos 
específicos. Estes, por sua vez, precisam estar em condições específicas de 
operação, para que haja uma fermentação com o maior rendimento 
possível.(ASSUMPÇÃO, 2015). 
Quanto às condições de operação, as principais são: Temperatura, pureza da matéria-
prima e pH do meio, este está diretamente relacionado com o crescimento das 
leveduras, e deve estar na faixa de 4,5 a 5,. (NUNES et al., 2013). 
31 
 
O processo de batelada alimentada é o mais utilizado pela indústria, pois assim é 
possível ter um controle preciso da limpeza e manutenção da dorna (MARTINS, 2009). 
A etapa de Fermentação abrange dois processos: A fermentação da glicose a dos 
compostos lignocelulósicos, ambos obtidos na etapa da hidrólise 
 
1.8.1. Fermentação das glicoses 
A fermentação da glicose obtida na hidrólise é feita segundo procedimento usual para 
obtenção do etanol 1G. 
Apesar de existir diversos microrganismos que metabolizam a glicose, sem dúvida o 
mais utilizado para esse processo é a levedura Saccharomyces cerevisiae, justamente 
pelo seu custo reduzido e pela sua alta eficiência no processo. 
Nesse processo, denominado de fermentação alcoólica, as leveduras fermentam os 
açúcares, produzindo etanol e gás carbônico (CO2). 
Na fermentação alcoólica, a glicose é convertida em duas moléculas de ácido pirúvico 
e essas posteriormente em etanol através da enzima piruvato descarboxilase, com a 
liberação de duas moléculas de CO2 e a formação de duas moléculas de ATP e de 
NADH. 
Figura 9: processo de fermentação 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Descarboxilase32 
 
 
1.8.2. Fermentação dos lignocelulósicos (xilose) 
A etapa de hidrólise do compostos lignocelulósicos tem como principal produto a 
xilose, ao contrário da glicose esse açúcar não pode ser metabolizado pela levedura 
Saccharomyces cerevisiae. 
Inicialmente, o processo de metabolização da xilose ocorre na membrana plasmática. 
Primeiramente a xilose é convertida a xilitol, através da enzima xilose redutase (XR) 
e em sequência oxidada à xilose, pela enzima xilitol desidrogenase (XDH). 
Em seguida a enzima xilulocinase (XK) fosforiza a xilulose é fosforilada, tendo como 
produto a xilulose-5-fosfato, que entra na Via das Pentoses-fosfato que alimenta a Via 
glicolítica (Glicólise) resultando na formação de etanol. 
 
Figura 10: Quebra da xilose. 
 
FONTE: LEMÔES, 2017. 
 
1.9. Destilação 
O resultado dos processos de fermentação é uma mistura de Etanol e água. O 
processo majoritariamente adotado pela indústria é a destilação fracionada. 
A destilação fracionada é a operação unitária que visa a separação de líquidos com 
base na diferença de volatilidade. A operação consiste em sucessivas vaporizações e 
condensações em uma coluna em constante aquecimento em sua base por meio de 
33 
 
um refervedor. O vapor obtido no aquecimento ascenderá até o condensador onde 
será liquefeito. 
O produto desse processo será o etanol hidratado, com sua pureza em cerca de 96%. 
 
Figura 11: Destilação 
 
FONTE: AGUIAR, 2017. 
 
Abaixo, um fluxograma geral do processo de produção de E2G com os equipamentos 
principais. 
Figura 12: Processo geral com equipamentos principais. 
 
FONTE: AZEVEDO et al., 2016.
34 
 
4 AVANÇOS DA PRODUÇÃO DE ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO 
Anualmente, com o incentivo de pesquisas e investimentos, o Brasil tem se tornado 
berço para a pesquisa e desenvolvimento de etanol de segunda geração. Projeções 
indicam que no Brasil, após 2025, o E2G se tornará mais viável financeiramente e 
que, em 2030, ele irá se assimilar com o etanol de primeira geração. 
O etanol de segunda geração (E2G) apresenta um enorme potencial competitivo. A 
produção de E2G implica na solução para a redução das importações de gasolina pelo 
Brasil, como também aumenta exportações e impulsiona um ciclo de investimentos 
na área de química renovável. Sendo, desta forma, uma solução financeira e 
ambiental. 
Nesse contexto, o Brasil atua um papel fundamental na entrada para o consumo de 
etanol de segunda geração no mercado global, considerando sua vasta experiência 
no setor sucroenergético e sua capacidade de produção de biomassa lignocelulósica 
em larga escala. 
Esses avanços e perspectivas promissoras destacam a relevância do estudo e análise 
do etanol de segunda geração no contexto brasileiro, contribuindo para o 
entendimento dos desafios e oportunidades relacionados à produção desse 
biocombustível de última geração. Entre os avanços mais promissores estão a 
aplicação de compostos naturais às plantas e o desenvolvimento de métodos para 
aproveitar melhor a biomassa, como o bagaço da cana-de-açúcar. 
Um dos principais avanços na produção de etanol de segunda geração é a aplicação 
de compostos naturais às plantas, como o ácido metilenodioxi cinâmico (MDCA), 
ácido piperonílico (PIP) e daidzina (DZN). Esses compostos atuam como inibidores 
da lignina, que é a molécula responsável por conferir rigidez à parede celular das 
plantas. Ao alterar o metabolismo das plantas, esses compostos facilitam o acesso à 
parede celular, onde a celulose está localizada. Isso permite uma maior produção de 
açúcar e carboidratos, que podem ser convertidos em etanol. Atualmente, a indústria 
enfrenta altos custos no pré-tratamento da biomassa, que representam cerca de 30% 
dos custos totais de produção. No entanto, com a aplicação desses compostos 
inibidores da lignina, é possível melhorar a eficiência na utilização do bagaço da cana-
de-açúcar, reduzindo os custos de produção do etanol de segunda geração. 
Além disso estudos foram realizados a partir da alimentação de gado, notou-se que 
com a aplicação desses compostos, na digestão o animal consegue extrair mais 
35 
 
carboidratos do capim. Podendo então alocar mais gado por m², evitando 
desmatamentos. 
Esses avanços resultam de uma década de intensa pesquisa, com colaboração entre 
pesquisadores da Universidade Estadual de Maringá (UEM) e da Universidade de São 
Paulo (USP), além do envolvimento de alunos de iniciação científica. Em 2018, os três 
compostos foram patenteados, destacando a importância dessas descobertas. 
Quanto aos efeitos colaterais, de acordo com os pesquisadores, nenhum dos três 
inibidores causam efeitos colaterais para o desenvolvimento da planta, e nem para 
outros seres vivos, como as moléculas são formadas por oxigênio, hidrogênio e 
carbono, possuem fácil degradação portanto não costumam deixar resíduos. 
 
1.10. Coquetel enzimático 
Em 2011, duas instituições governamentais, FINEP e BNDES, assinaram um acordo 
de financiamento para pesquisas relacionadas ao setor industrial destinada ao 
processamento da biomassa proveniente da cana-de-açúcar, com investimento de R$ 
1bilhão, o acordo foi realizado entre 2011 até 2014. 
Uma pesquisa relacionada a um coquetel enzimático capaz de acelerar o processo de 
produção de etanol de segunda geração, foi financiada pela FINEP. Seguindo a 
mesma linha, em 2020, a FAPESP divulga um estudo na mesma área, onde 
pesquisadores do centro nacional de pesquisa em energia e materiais ( CNPEM), 
desenvolvem, um coquetel de enzimas, produzidos por um fungo, capaz de degradar 
com mais facilidade a biomassa utilizada na produção do bioetanol. 
 Técnicas de engenharia genética foram amplamente utilizadas. De acordo com os 
pesquisadores e a FAPESP, foram realizadas 6 modificações genéticas em uma cepa 
de levedura já conhecida trichoderma reesei, esse trabalho foi testado em ambientes 
semi industriais para avaliação da viabilidade econômica. 
Vale ressaltar que praticamente todas as enzimas utilizadas no Brasil para a 
degradação de biomassa são importadas de um pequeno e seleto grupo de empresas 
que adquirem dessa tecnologia. Desta forma, o coquetel enzimático importado pode 
representar até 50% do custo da produção do biocombustivel. 
A partir do bioprocesso desenvolvido no CNPEM, foram produzidos 80 gramas por 
litro (g/L) de enzimas, sendo a maior concentração já descrita em uma publicação 
científica a partir de fontes de carbono (açúcar) de baixo custo. O valor é mais que o 
36 
 
dobro da mais alta concentração de enzimas até então relatada na literatura científica 
para esse tipo de fungo (37 g/L de enzimas). 
 
5 CONCLUSÃO 
O Brasil cultiva milhares de hectares de cana-de-açúcar todos os anos para produção 
de etanol, açúcar, com a implementação de etanol de segunda geração, o 
reaproveitamento dessa cana-de-açúcar poderia aumentar o dobro da produção de 
etanol sem a presente necessidade de aumentar a área de cultivo. Entretanto, o pouco 
investimento nessa área por não haver um retorno imediato prejudica o seu 
desenvolvimento. 
Entretanto, a crescente alta no preço do barril de petróleo pode mudar esse cenário, 
dispondo que a alta de preço de venda e importação pode incentivar, pela 
necessidade, a busca de energias alternativas, além é claro das ideias mundiais de 
um planeta sustentável, com leis de regulamentação mundiais e muito mais, 
superando conceitos de crescimento desenfreado e com uma maior reocupação com 
planeta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
 
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