Júlio César dos Santos.

Biorrefinarias de materiais lignocelulósicos apresentam potencial como alternativas ambientalmente sustentáveis para obtenção de biocombustíveis e outros materiais de interesse do setor de infraestrutura de transportes. No Brasil, em função da importância do setor sucroalcooleiro, o bagaço e a palha de cana-de-açúcar correspondem a materiais lignocelulósicos abundantes com elevado potencial de contribuição como fonte de carbono e energia para as mais diversas aplicações. Para sua viabilidade, no entanto, as biorrefinarias requerem o aproveitamento integral das matérias-primas. Desta forma, no presente projeto, grupos de pesquisa multidisciplinares e interdisciplinares atuarão de forma integrada para geração de conhecimento científico, tecnológico e de inovação aplicáveis ao setor de transportes nacional. O tema surgiu de ampla discussão da equipe em relação a sua importância para a sociedade. Especificamente, propõe-se o aproveitamento integral do bagaço e da palha da cana-de-açúcar para obtenção de biocombustíveis e materiais de interesse do setor de transportes através de rotas bioquímicas e termoquímicas. Este eixo temático central favorecerá o desenvolvimento de processos considerados tecnicamente, economicamente e ambientalmente viáveis para produção dos biocombustíveis etanol e biogás, além de bioligantes e biocarvão para aplicação no setor de infraestrutura de transportes. O projeto foi subdividido em quatro linhas temáticas principais: i. bioconversão de carboidratos; ii. termoconversão de lignina; iii. materiais para infraestrutura de transportes; iv. sustentabilidade econômica e ambiental. Estas foram planejadas para desenvolvimento de forma integrada e sinérgica entre os grupos de pesquisa envolvidos. As rotas bioquímicas terão como foco o aproveitamento das frações carboidrato dos materiais visando à obtenção de etanol e biogás, enquanto as rotas termoquímicas terão como foco o uso da lignina para obtenção de bio-óleo e biocarvão, de forma que os pré-tratamentos aplicados à biomassa deverão ser direcionados a cada rota avaliada e a cada material em estudo. Além disso, desde o início da execução do projeto, estudos de avaliação de viabilidade econômica e ambiental serão realizados com auxílio de ferramentas de simulação de processos, possibilitando a identificação dos obstáculos tecnológicos e o direcionamento da pesquisa para obtenção de resultados científicos internacionalmente relevantes e tecnologia inovadora aplicável ao setor produtivo nacional.

O projeto visa ao desenvolvimento de tecnologias inovadoras empregando reatores de cavitação hidrodinâmica e sistemas de colunas interligadas para obtenção de produtos de interesse em biorrefinarias de bagaço de cana-de-açúcar. Inicialmente, o bagaço de cana-de-açúcar será pré-tratado por processos oxidativos assistidos por cavitação hidrodinâmica, sendo avaliada a influência de variáveis importantes como concentração de oxidante, óxido de ferro III, pH e temperatura. O material sólido obtido no pré-tratamento será empregado como matéria-prima em processo de hidrólise enzimática catalisada por preparação comercial de celulases em reator de cavitação, sendo também neste caso avaliada a influência de variáveis como carga enzimática, razão sólido:líquido inicial e temperatura de processo. Os hidrolisados obtidos serão usados para produção de etanol e pululana em biorreatores de coluna de bolhas, empregando, respectivamente, células de Scheffersomyces shehatae e Aureobasidium pullulans. O material pré-tratado em processo assistido por cavitação hidrodinâmica será utilizado também em sistemas de hidrólise e cofermentação simultâneas, nos quais serão empregados biorreatores de coluna interligados. Destes, um biorreator será empregado para a hidrólise enzimática das frações carboidrato do material, enquanto o outro biorreator de coluna irá conter células imobilizadas de S. shehatae para produção de etanol. Alternativamente, células de A. pullulans serão empregadas neste sistema para produção de pululana. Assim, o projeto contribui com abordagens inovadoras para a viabilização de bioprocessos de interesse para aproveitamento de matérias primas lignocelulósicas, resultando na geração de tecnologia nacional relevante e sustentável.

Resultados das contínuas e recentes pesquisas na EEL-USP (FAPESP: Processos 2013/27142-0 e 2016/22179-0) apontam para a viabilidade técnica da rota biotecnológica para produção de xilitol pela levedura Candida guilliermondii FTI 20037 (recentemente identificada como C. tropicalis) com o uso concomitante das biomassas bagaço e palha de cana de açúcar. Entretanto, ainda há gargalos a serem solucionados como a simplificação e/ou aprimoramento das etapas do processo, entendimento dos aspectos fisiológicos e/ou moleculares aliado ao estudo da viabilidade técnico-econômica. Assim, neste projeto propõe-se otimizar as condições de hidrólise ácido diluído da mistura do bagaço e palha, avaliar a etapa de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico pela adaptação da levedura ao hidrolisado e/ou substituição do uso do carvão ativo pela biomassa de levedura residual da etapa fermentativa. Também, abordagem nova será estudar os efeitos dos compostos tóxicos por citometria de fluxo, possibilitando avaliar a viabilidade, complexidade e estado metabólico celular, e ferramentas de biologia molecular serão aplicadas para estudar os mecanismos de transporte envolvidos no consumo de xilose. Ainda como abordagem transversal e em cooperação com o "Grupo de Diseño de Produtos y Procesos" da Universidad de Los Andes (Bogotá, Colômbia), uma plataforma de simulação virtual da rota biotecnológica de produção de xilitol será estabelecida, para a análise técnica e econômica do bioprocesso. Espera-se que os resultados contribuam para oferecer ao setor produtivo uma tecnologia com viabilidade técnica e econômica de bioprodução de xilitol, com uso conjunto dos subprodutos bagaço, palha e melaço de cana promovendo a integração em uma biorrefinaria de cana no contexto da bioeconomia.

Tendo em vista que a maioria dos agentes fotossensibilizadores e quimioterápicos são pouco solúveis em água, levando à sua rápida eliminação da corrente sanguínea, a encapsulação ou associação desses agentes com materiais adequados pode melhorar sua solubilidade e estabilidade in vivo. Assim, este projeto visa explorar nanopartículas poliméricas, capazes de combinar a terapia fotodinâmica (PDT) com a quimioterapia em um mesmo sistema de combate ao câncer. As nanopartículas são baseadas, principalmente, na pululana, um polímero natural produzido a partir do fungo Aureobasidium pullulans e aprovada pela FDA para uso na indústria farmacêutica e cosmética. Primeiramente, a pululana será parcialmente enxertada com poli(etilenoglicol), visto que materiais anfifílicos à base de PEG podem se auto agregar em meio aquoso, formando partículas com superfície furtiva, reduzindo o seureconhecimento pelo sistema reticulo-endotelial (RES) e prolongando o seu tempo de irculação in vivo. Em seguida, será feita a enxertia de cadeias de poli(lisina) na pululana via polimerização por abertura de anel, obtendo, assim, os copolímeros anfifílicos. Ácido retinóico (vitamina A) será incorporado nos polímeros, visto sua ação adicional como inibidor de crescimento de células cancerosas e transição de um estado hidrofóbico para hidrofílico decorrente de oxidação na presença de oxigênio singleto, podendo causar desestabilização de partículas constituídas dessa molécula. Outras moléculas poderão ser testadas com o mesmo propósito, dependendo da evolução do trabalho. A etapa seguinte consistirá no preparo de nanopartículas à base de pululana enxertada, através de um método típico de diálise, que também será utilizado para a encapsulação de um princípio ativo utilizado na terapia de câncer fluorouracila (5-FU) e um fotossenbilizador, protoporfirina IX (PPiX). A cinética de liberação in vitro do agente quimioterápico será cuidadosamente avaliada em fluidos que simulam o meio fisiológico.

A viabilização de biorrefinarias de bagaço de cana-de-açúcar requer o estudo de alternativas inovadoras que apresentem potencial para melhoria do desempenho de etapas cruciais nos processos em desenvolvimento, em particular no pré-tratamento e nas etapas biológicas, como a fermentação. Realmente, o pré-tratamento corresponde a um gargalo persistente em biorrefinarias, e o desenvolvimento de reatores contínuos de cavitação hidrodinâmica para este fim é uma abordagem completamente nova. Neste projeto, propõe-se que sistemas de cavitação hidrodinâmica sejam empregados para o pré-tratamento alcalino de bagaço de cana-de-açúcar em reator contínuo. O reator em batelada disponível nos laboratórios do departamento de biotecnologia será empregado na otimização das condições de processo, incluindo a temperatura e o uso de diferentes tipos e concentrações de álcalis e diferentes configurações de placas de orifício. O sistema será então adaptado para uso em modo contínuo, incluindo um sistema de separação sólido/líquido. As condições de operação em modo contínuo serão então avaliadas e otimizadas. Em outra frente de trabalho, será avaliado o efeito do uso de luzes LED visíveis de diferentes comprimentos de onda, visando ao aumento de produtividade do processo ou à modificação da qualidade do produto obtido. Como modelos de estudo, foram selecionados como produtos o etanol e a pululana, este último um exopolissacarídeo de interesse das indústrias alimentícia e farmacêutica e cuja produção pode contribuir para a viabilidade global de uma biorrefinaria. Assim, o material pré-tratado será submetido à hidrólise enzimática e fermentações assistidas por luzes LED de diferentes cores serão conduzidas em frascos Erlenmeyer, avaliando-se o efeito do comprimento de onda e da luminância à qual o sistema está submetido. Após a otimização de variáveis de processo, testes em fotobiorreatores de bancada serão conduzidos visando-se à avaliação da possibilidade de escalonamento do sistema. Espera-se que a execução do projeto favoreça o desenvolvimento de tecnologia nacional aplicável a diferentes etapas de uma biorrefinaria, favorecendo assim o desenvolvimento de processos sustentáveis e ambientalmente amigáveis de interesse econômico e social.

Este projeto temático (FAPESP 2016/10636-8) se propõe a enfrentar desafios tecnológicos colocados por uma nova concepção de biorrefinaria integrada, aproveitando sinergias entre os processos de produção dos dois mais importantes biocombustíveis no contexto brasileiro: bioetanol de 1 e 2 gerações, a partir cana de açúcar, e biodiesel, a partir de óleos vegetais e, também, de fonte microbiana. Para tanto, associam-se pesquisadores com larga experiência da área, de várias instituições do Estado de São Paulo: UFSCar (Departamento de Engenharia Química), UNICAMP (Faculdades de Engenharia Química e de Engenharia de Alimentos), USP (Escola de Engenharia de Lorena), EMBRAPA Instrumentação (São Carlos). Biocombustíveis líquidos de fontes renováveis são a espinha dorsal dessa biorrefinaria, baseada em rotas bioquímicas, mas moléculas de maior valor agregado têm sua produção igualmente estudada, pois contribuem de forma importante para a viabilidade do empreendimento. Em uma analogia com a indústria do petróleo, esta biorrefinaria seria equivalente a um parque refinaria-complexo petroquímico de 1 a 2/3 gerações. Até onde vai nosso conhecimento, a exploração das inúmeras sinergias que existem entre os processos de produção de biodiesel e bioetanol é ainda incipiente. A utilização de subprodutos hoje problemáticos, como o glicerol e a fração hemicelulósica da biomassa vegetal, a produção de biodiesel etílico (totalmente renovável), dentre vários outros exemplos, podem ter soluções tecnicamente mais eficazes se os processos de produção dos dois biocombustíveis forem pensados de forma integrada, entre si e com a produção de outras moléculas (como ácido 3-hidroxipropiônico, ácido aspártico, nanocelulose, carotenoides, biossurfactantes, dentre outras). Todas essas linhas de pesquisa são interligadas pela análise tecno-econômica dos processos integrados na biorrefinaria (encarada como um sistema complexo em macroescala), utilizando ferramentas avançadas da Engenharia de (Bio)processos e Sistemas que permitem retroalimentar aos grupos trabalhando experimentalmente metas a serem atingidas para que o processo global passe pelo crivo de uma análise econômica, ainda que preliminar. Paralelamente, técnicas de Biologia de Sistemas são utilizadas para estudar a fábrica celular, encarada como um sistema complexo em microescala. Finalmente, soluções definidas em microescala que, por exemplo, resultem em um microrganismo recombinante, irão interagir com o meio, dentro de biorreatores os quais estão por sua vez inseridos no processo em macroescala. Desta forma, metodologias da área de engenharia de (bio)processos e sistemas podem proporcionar novos pontos de vista para análise dos fenômenos em micro e macroescalas. Tais metodologias irão auxiliar na definição da viabilidade técnico-econômica de soluções industriais sem esquecer os aspectos relativos à sustentabilidade ambiental da solução proposta.

O projeto tem como objetivo gerar conhecimento integrado sobre as origens da recalcitrância da biomassa de cana-de-açúcar e, em função deste conhecimento, desenhar processos inovadores de conversão de biomassa dentro do conceito contemporâneo das biorrefinarias. A deposição de paredes celulares secundárias será avaliada em função do estágio de maturação das plantas com teores contrastantes de componentes. A microscopia UV será empregada para avaliar o processo de lignificação e a microscopia de fluorescência será empregada para avaliar a deposição de hemicelulose. O processo de lignificação será ainda avaliado pelo nível de expressão de genes codificadores de enzimas envolvidas na biossíntese de monolignóis. Além do monitoramento do processo de síntese da parede celular, será avaliada a digestibilidade direta das amostras geradas frente a enzimas hidrolíticas comerciais. A execução do projeto permitirá uma visão completa sobre o processo de acúmulo de biomassa nas paredes secundárias das células de cana-de-açúcar e dos componentes que causam a recalcitrância da parede celular (lignina, ácidos hidroxicinâmicos e hemicelulose). A contraposição destes dados com a digestibilidade enzimática dos materiais permitirá direcionar as etapas subsequentes de desenho de bioprocessos destinados à conversão da biomassa da cana em produtos de interesse tecnológico dentro do contexto contemporâneo das biorrefinarias. Está previsto que processos amenos de pré-tratamento baseados na ação deslignificante do sulfito alcalino ou na ação seletiva de ácidos diluídos sobre a hemicelulose possam gerar substratos aptos à bioconversão por xilanases para a preparação de oligossacarídeos e por celulases para a produção de hidrolisados fermentescíveis. Novas enzimas hidrolíticas oriundas do estudo da secretômica de basidiomicetos degradadores de madeira serão testadas na digestão dos materiais pré-tratados, visando o desenvolvimento de misturas enzimáticas específicas para cada tipo de material. A avaliação econômica e ambiental de processos desenhados com as bases científicas geradas no projeto permitirá ainda verificar os benefícios obtidos com o emprego de plantas selecionadas por apresentar baixa recalcitrância e como a eficiência de cada pré-tratamento pode ser maximizada a partir do emprego destas plantas.

Convênios Bilaterais / Chamada N 12/2013 - Cooperação MCTI-CNPq/DBT (ÍNDIA) . Este projeto teve como objetivo o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa em uma proposta colaborativa entre laboratórios do Brasil e da Índia, visando-se à produção de etanol de segunda geração a partir de bagaço de cana-de-açúcar. O escopo do projeto incluiu o uso de líquidos iônicos para o pré-tratamento da matéria-prima, além da hidrólise enzimática do material pré-tratado e um processo integrado para produção e purificação do produto, empregando-se sistemas acoplados a módulos de membrana.

Nos últimos anos, tem-se buscado a viabilização da hidrólise enzimática da celulose a glicose, o que requer uma etapa de pré-tratamento na qual a estrutura dos componentes da parede celular de lignocelulósicos torna-se mais susceptível à ação das enzimas hidrolíticas. Assim, os açúcares obtidos podem ser submetidos a processos fermentativos para a produção de compostos de interesse, entre os quais o etanol, o qual é chamado, neste caso, ?de segunda geração?. Dependendo do pré-tratamento, podem ser também liberados açúcares da fração macromolecular hemicelulose, os quais se constituem principalmente em pentoses, que podem ser transformadas em etanol ou outros produtos por microrganismos específicos. Embora os esforços de pesquisa neste tema tenham sido intensos até o presente, são necessários mais estudos que focalizem os desafios da realização do pré-tratamento em larga escala de produção, como a possibilidade de um menor consumo de energia pelo uso de condições menos severas de processo. O pré-tratamento mais utilizado emprega ácidos diluídos o que, no entanto, requer condições de elevada pressão e temperatura. Desta forma, propõe-se o estudo de alternativas que favoreçam o uso de condições menos severas em um processo organossolve com glicerol em meio ácido. Neste processo, o efeito do álcool de elevada massa molar pode favorecer, por si só, o uso de condições mais brandas, como operação sob pressão atmosférica. Além disso, o pré-tratamento será acoplado ao emprego de cavitação hidrodinâmica como forma de melhorar o desempenho do processo, aproveitando-se a energia da implosão das bolhas de cavitação para favorecer o aumento da digestibilidade enzimática do material. Como matéria-prima, selecionou-se o bagaço de cana-de-açúcar, material abundante no Brasil e cujo desenvolvimento de alternativas para biorrefinarias que favoreçam sua utilização é de amplo interesse nacional.

Projeto EV-C CNPq:
A proposta teve como objetivo principal o aprimoramento da tecnologia de utilização de reatores de coluna de leito fixo com enzimas imobilizadas em reações de biotransformação de diferentes óleos e gorduras (palma e babaçu) visando à produção de biocombustíveis (biodiesel) pela rota etílica. Propôs-se o uso de lipase previamente selecionada em trabalhos prévios do grupo de pesquisa, imobilizada em suporte híbrido orgânico-inorgânico, obtido pela técnica sol-gel. Avaliou-se o desempenho do processo, comparando-se os resultados obtidos com sistemas imobilizados comercialmente disponíveis. A proposta estava inserida no âmbito do projeto ?Transesterificação de diferentes matérias-primas lipídicas pela rota etílica empregando catalisadores heterogêneos (químicos e bioquímicos)?, edital MCT/CNPq/FNDCT Nº 46/2008.

O projeto teve como objetivo a nucleação de um novo grupo de pesquisa ?Tecnologia de Processos em Reatores Enzimáticos? no Departamento de Engenharia Química, um centro emergente da Faculdade de Engenharia Química de Lorena. Selecionou-se como proposta de trabalho o desenvolvimento de reatores enzimáticos para a reestruturação de gorduras de interesse social e comercial visando à produção de alimentos funcionais. Para atingir este objetivo, a enzima foi estabilizada por meio de imobilização em suportes sólidos adequados para utilização em reatores enzimáticos de coluna. Em seguida, foi avaliado o desempenho de diferentes configurações de biorreatores na reestruturação da gordura de leite por meio da transesterificação com óleo de soja, visando à melhoria de suas propriedades físicas e ao aumento do teor de ácidos graxos insaturados e essenciais. Testaram-se os parâmetros operacionais de reatores de leito fixo e fluidizado em modo contínuo, descontínuo e semicontínuo.