Tecnologia Científica

Nova perspectiva destaca promessa de abordagem híbrida para produção de biocombustível celulósico
Conforme apresentado em Energy & Environmental Science , essa abordagem híbrida usa micróbios para converter biomassa celulósica , como madeira e grama, em um produto intermediário de pequenas moléculas, como o etanol.
Por Laboratório Nacional de Oak Ridge - 01/04/2022


Cientistas do Centro de Inovação em Bioenergia do ORNL destacaram uma abordagem híbrida que usa micróbios e catálise para converter biomassa celulósica em combustíveis adequados para aviação e outros setores de difícil eletrificação. Crédito: ORNL, Departamento de Energia dos EUA

O ritmo acelerado das mudanças climáticas globais acrescentou urgência ao desenvolvimento de tecnologias que reduzam a pegada de carbono das tecnologias de transporte, especialmente em setores difíceis de eletrificar. Em resposta, pesquisadores que colaboram por meio do Centro de Inovação em Bioenergia argumentam que os avanços científicos apoiam uma abordagem híbrida usando métodos biológicos e catalíticos para a produção de biocombustível celulósico para uso em aviões, navios e caminhões de longo curso.

Conforme apresentado em Energy & Environmental Science , essa abordagem híbrida usa micróbios para converter biomassa celulósica , como madeira e grama, em um produto intermediário de pequenas moléculas, como o etanol. O etanol seria então cataliticamente atualizado em combustíveis de hidrocarbonetos adequados para veículos mais pesados.

O estudo afirma que usar a combinação de métodos biológicos e catalíticos “é uma abordagem promissora para preencher a lacuna atual entre as moléculas de combustível que a biologia produz mais prontamente e as moléculas de combustível que o mundo mais valorizaria produzir a partir de biomassa”.

"Estamos olhando para isso como tirar o melhor dos dois mundos: usar a biologia para o que realmente faz bem, que é fazer essas pequenas moléculas, e depois usar a catálise para fazer o que faz bem, que é fazer misturas de combustível de hidrocarbonetos rapidamente", disse Brian Davison, coautor e diretor científico do CBI, com sede no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia.

Lee Lynd, professor de engenharia e professor adjunto de biologia do Dartmouth College, que coliderou o estudo com Gregg Beckham no National Renewable Energy Laboratory, disse que o campo se concentrou anteriormente em um processo de duas etapas de pré-tratamento de biomassa com calor e/ou químicos antes do processamento biológico. Este artigo é um dos poucos que buscaram refinar uma abordagem diferente: criar biologicamente pequenas moléculas, depois romper mecanicamente as paredes celulares durante a fermentação e introduzir um catalisador para criar combustíveis de hidrocarbonetos. Essa abordagem é mais acessível do que produzir grandes moléculas de combustível diretamente usando microorganismos, disse Lynd.

Ao contrário das abordagens de pré-tratamento químico que degradam a lignina, o polímero resistente que dá às plantas sua estrutura e rigidez, esse método preserva algo mais próximo da estrutura original da lignina. Como resultado, os resíduos de lignina podem ser mais facilmente convertidos em outros produtos, em vez de serem impróprios para qualquer outra coisa que não seja a queima, disse Davison.
 
"Às vezes é importante voltar ao básico como este artigo faz", disse Jim Bielenberg, pesquisador associado sênior da ExxonMobil Research and Engineering que acompanha de perto a pesquisa de produtos de biocombustíveis. "Fizemos uma corrida aos biocombustíveis celulósicos, e o custo e o desempenho dessas tecnologias não parecem chegar onde tem muita tração. Talvez seja hora de repensar fundamentalmente os passos."

O caminho para os biocombustíveis celulósicos

A conversão de açúcares das paredes celulares das plantas em combustíveis líquidos é amplamente reconhecida como a pedra angular da bioeconomia e a chave para alcançar um sistema de transporte neutro em carbono ou carbono negativo. As matérias-primas celulósicas perenes custam menos que o petróleo e são amplamente disponíveis e renováveis.

O biocombustível celulósico tem outra vantagem sobre matérias-primas amiláceas como o milho. Como o milho precisa de fertilizantes nitrogenados e água, a vantagem de carbono fornecida pelo etanol à base de amido é questionável, disse Bielenberg. O etanol feito de árvores e gramíneas ofereceria um benefício de carbono muito maior. "Uma das grandes alavancas que você tem é usar a matéria-prima certa", acrescentou.

Devido aos desafios nas abordagens atuais de produção de biocombustíveis celulósicos, o investimento em biocombustíveis celulósicos está agora muito ultrapassado pelo investimento em energia solar e eólica. "A implantação de biocombustíveis celulósicos na última década ficou muito aquém das expectativas, então faz sentido considerar novas abordagens", disse Lynd.

Este artigo destaca o potencial do etanol como um intermediário chave que pode ser processado para criar os combustíveis de hidrocarbonetos desejados, disse Davison. Com esse objetivo, "estamos produzindo biologicamente as melhores moléculas que sabemos que podem ser convertidas por catálise".

Uma variedade de métodos foi testada para converter cataliticamente esses produtos intermediários em reatores que são relativamente pequenos e acessíveis. Embora atender às necessidades de aviação e motores a diesel exigirá mais avanços, esses avanços não estão longe.

"Se formos capazes de obter etanol celulósico hoje, temos processos de refinaria padrão para nos levar pelo resto do caminho para o que queremos", disse Bielenberg.

"Estamos muito mais perto de poder produzir etanol a partir de biomassa celulósica do que qualquer outro combustível líquido ou intermediário de combustível", acrescentou Lynd.

Grandes moléculas de combustível para um clima estável

Para veículos leves, o foco está mudando para a eletrificação como a abordagem preferida para reduzir as emissões que afetam o clima. No entanto, Lynd disse, "cerca de metade das necessidades futuras de energia de transporte são difíceis de eletrificar - como aviação, caminhões de longa distância e transporte marítimo. Precisamos de emissões negativas para estabilizar as mudanças climáticas. A fotossíntese é a melhor opção para capturar dióxido de carbono do ar para que possamos colocá-lo no chão. Os biocombustíveis têm um potencial notável e provavelmente subestimado neste contexto."

A indústria da aviação vem desenvolvendo uma estratégia de descarbonização há mais de 15 anos, disse Steve Csonka. Ele é diretor executivo da Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative, uma coalizão de companhias aéreas, fabricantes de aeronaves e motores, produtores de energia e outros que buscam combustíveis alternativos para aviação.

Csonka disse que a indústria da aviação se concentrou em combustíveis de baixo carbono que poderiam substituir o combustível de aviação à base de petróleo. Para serem viáveis, esses combustíveis devem ser acessíveis sem exigir infraestrutura especial ou modificações em aeroportos e aviões. Alternativas em desenvolvimento, como aeronaves movidas a hidrogênio e híbridos de hidrogênio elétrico, não atendem a esses requisitos e provavelmente não serão úteis para aviões grandes em breve, disse Csonka.

A Associação Internacional de Transporte Aéreo se comprometeu com o zero carbono líquido até 2050, e várias companhias aéreas assumiram compromissos ainda mais rigorosos. "Realisticamente, a única maneira de chegarmos lá é com a introdução de combustíveis de aviação sustentáveis ​​de várias fontes", disse Csonka.

Embora ele não endosse nenhum tipo de matéria-prima ou processo, Csonka disse que a combinação biológica/catalítica selecionada no estudo faz sentido econômico: ambas as etapas exigem menos investimento de capital do que outros métodos.

Bielenberg disse que o estudo forneceu uma visão geral incomum para pesquisadores e indústria. "A lente que eles usam é realmente valiosa, porque em vez de se concentrar em uma abordagem específica, eles estão tentando entender qualquer abordagem técnica através da lente da eficiência de carbono - para que você tenha certeza de que seus esforços estão indo na direção certa, " ele disse. "Acho que este artigo faz um bom trabalho ao enquadrar os problemas de forma que você tenha certeza de que está trabalhando em algo que vale a pena resolver."

 

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