Para se tornarem competitivas, as biorrefinarias precisam operar de forma semelhante às refinarias de petróleo tanto no que tange à escala de produção como em relação ao portfólio de produtos, e para serem economicamente viáveis é necessário que sejam versáteis, com a produção direcionada de forma a acompanhar as tendências mundiais de mercado.

Atualmente, a usina de cana-de-açúcar é a que mais se enquadra no escopo de uma biorrefinaria, porém, existe a tendência de outros segmentos, tais como as indústrias de óleos vegetais, empresas de papel e celulose, dentre outras, de se adequarem a este conceito.

Com base nos diferentes processos bioquímicos e químicos disponíveis para conversão de biomassa, diversas configurações de biorrefinarias podem ser adotadas, dependendo da matéria-prima e/ou dos produtos que se pretende obter dessas instalações.

Os processos bioquímicos envolvem os processos enzimáticos, os processos fermentativos e a produção de algas. Os processos químicos englobam os processos termoquímicos, a transesterificação química, o hidroprocessamento, o craqueamento catalítico e a síntese de Fischer-Tropsch (FT). Muitos dos processos químicos foram desenvolvidos pela indústria química, principalmente, pela indústria do petróleo, e estão sendo adaptados para uso da biomassa como matéria-prima.

Um exemplo de biorrefinaria é a biorrefinaria agrícola que processa produtos agroindustriais, principalmente cereais, como milho, trigo e centeio (Figura 1). Nesse tipo de biorrefinaria, diversos processos bioquímicos e químicos, incluindo os termoquímicos, são integrados para obter a máxima variedade de produtos e, portanto, maior retorno financeiro da instalação industrial. A primeira etapa é a separação mecânica em grão e palha. A palha é um material lignocelulósico que pode ser separado em celulose, hemicelulose e lignina, sendo que essas frações podem ser convertidas em vários produtos em uma biorrefinaria lignocelulósica, como por exemplo, o gás de síntese via gaseificação. Uma das aplicações do gás de síntese é a produção de combustíveis pela síntese de FT. Os grãos podem ser fontes de óleos vegetais que são obtidos por processos de extração ou serem usados como farinhas diretamente após moagem, ou ainda podem ser convertidos em amido que após hidrólise e fermentação, torna-se o etanol.  Outros processamentos podem ser realizados para a obtenção de amidos modificados e filmes bio-plásticos através de processos de conversão química e plastificação, respectivamente. A plastificação objetiva a obtenção de um filme biodegradável através da reação com um poliol, normalmente o glicerol.

Tomando-se como exemplo a biorrefinaria agrícola, segue uma descrição resumida dos principais processos bioquímicos e químicos que podem ser utilizados para converter a matéria-prima em produtos.

Figura 1. Representação de uma biorrefinaria agrícola

Processos Bioquímicos

Os processos bioquímicos podem ser usados para obtenção de diversos bioprodutos, como a produção de etanol, que será abordada a seguir. Dependendo do tipo de matéria-prima a ser utilizado, serão necessárias etapas diferentes de processo antes da fermentação para produção de etanol. A matéria-prima sacarínea (como por exemplo, cana de açúcar) não requer nenhum tratamento prévio, exceto uma simples moagem, pois a sacarose já está biodisponível. Caso a matéria-prima seja amilácea (como os grãos), existe a necessidade da hidrólise do amido para transformá-lo em glicose fermentescível, que pode ser realizado via química ou, de preferência, por via enzimática com o uso de um complexo amilolítico. Porém, se a matéria-prima for lignocelulósica (palha), é necessária a desconstrução da matéria-prima nas frações hemicelulose, celulose e lignina, por uma etapa de pré-tratamento químico (ácido e/ou básico) ou físico-químico, como explosão a vapor. Normalmente, neste pré-tratamento a hemicelulose é hidrolisada formando, principalmente, pentoses (C5), mas para a hidrólise da celulose em glicose (C6), ainda faz-se necessária a ação de um complexo enzimático celulolítico. Ao final, têm-se os açúcares C5 e C6 que podem ser transformados por bioconversão em etanol (Segunda Geração - 2G) ou em diversos outros produtos de maior valor agregado.

— Hidrólise enzimática
A hidrólise enzimática ocorre em temperaturas amenas (40-60 oC) e a quantidade de enzima necessária para uma maior eficácia e eficiência do processo dependerá do tipo de matéria-prima utilizada, da atividade da enzima e da relação sólido:líquido do sistema. A enzima pode ser utilizada sob a forma livre ou imobilizada, sendo que a segunda tem a vantagem, na maioria dos casos, de ser reaproveitada.

— Fermentação
A conversão de glicose em etanol é um processo fermentativo anaeróbico e, portanto, para a produção eficiente deste bioproduto há a necessidade de controle adequado do nível de oxigênio e também da temperatura do caldo de fermentação. As leveduras do gênero Saccharomyces são as principais responsáveis pela produção de etanol no Brasil, mas convertem eficientemente somente glicose (C6) em etanol. Portanto, uma estratégia muito interessante quando se pensa no conceito de biorrefinaria é o uso das pentoses (C5) para produção de outros bioprodutos de maior valor agregado visando ajudar a tornar esta instalação economicamente viável.

Processos Químicos

— Transesterificação
Óleos vegetais e gorduras animais são ésteres de ácidos monocarboxílicos saturados e insaturados com glicerídeo. Esses ésteres são chamados de triacilgliceróis, os quais reagem com álcool na presença de um catalisador, processo conhecido como transesterificação. Normalmente, metanol é o álcool mais utilizado para a produção de biodiesel. Nesse processo, os catalisadores empregados podem ser homogêneos e heterogêneos dos tipos ácidos ou alcalinos.

— Hidroprocessamento
No hidroprocessamento utiliza-se o hidrogênio com o emprego de um catalisador (por exemplo, NiMo/Al2O3) para a obtenção de hidrocarbonetos de cadeia longa. O processo opera tipicamente a altas pressões (em torno de 200 bar) e temperaturas moderadas (até 400ºC) e necessita de uma fonte suplementar de hidrogênio. O processo fornece um produto tipo nafta que requer processo de refino para obtenção de combustíveis convencionais. O hidroprocessamento pode ser aplicado a óleos vegetais e ao bio-óleo obtido de processos termoquímicos (pirólise ou liquefação). Os produtos obtidos pelo processo incluem diesel, gasolina e querosene de aviação.

— Craqueamento catalítico
Processo de craqueamento catalítico é aplicado na conversão de frações do petróleo com alto ponto de ebulição e alto peso molecular em gasolina e olefinas nas refinarias de petróleo. Craqueamento catalítico é um dos modos mais eficientes de craquear (“quebrar”) matéria-prima renovável na presença de catalisador para produzir biocombustíveis e outros compostos químicos. Esse processo pode ser aplicado em óleos obtidos de oleaginosas (triacilgliceróis) ou no bio-óleo obtido da pirólise e/ou liquefação. Entre os catalisadores empregados pode-se citar zeólitas, sílica-alumina e alumina. No caso dos triacilgliceróis, existem algumas vantagens desse tipo de tecnologia, comparado com a transesterificação, como: (a) o uso da infraestrutura existente de uma refinaria de petróleo típica, diminuindo os investimentos em instalações e os custos operacionais; (b) o combustível produzido possui compatibilidade com motores e padrões de combustíveis atuais; e (c) o processo possui uma maior flexibilidade em termos de matéria-prima.

— Síntese de Fischer-Tropsch
A síntese de FT converte uma mistura de H2 e CO (gás de síntese), derivado de carvão, metano ou biomassa, em combustíveis líquidos. A síntese FT foi estabelecida em 1923, pelos cientistas alemães Franz Fischer e Hans Tropsch. O objetivo da síntese FT é a síntese de hidrocarbonetos de cadeia longa a partir de CO e H2. Os produtos obtidos são, principalmente, hidrocarbonetos alifáticos de cadeia linear (CnHn). Além de CnHn, hidrocarbonetos ramificados, hidrocarbonetos insaturados, e álcoois primários também são formados em quantidades menores. Condições típicas de operação para a síntese de FT estão em uma faixa de temperatura aproximada de 750 a 900°C e pressões de 15 a 40 bar, dependendo do processo. Catalisadores de ferro e de cobalto normalmente são empregados nesse processo.

— Processos termoquímicos
Os processos de conversão termoquímica incluem combustão, gaseificação, liquefação e pirólise.

Na combustão, a biomassa reage com oxigênio em uma série de reações químicas, nas quais o carbono é oxidado a dióxido de carbono, e o hidrogênio é oxidado para a formação de água, com a consequente liberação de calor. Industrialmente, esse processo é empregado em caldeiras e termoelétricas para geração de calor e/ou energia elétrica.

Na pirólise tem-se a decomposição térmica na ausência de oxigênio, produzindo gases, líquidos e sólidos. A pirólise rápida para produção de líquidos é atualmente de grande interesse, pois o líquido pode ser estocado e transportado, e usado para produção de combustíveis e produtos químicos.

A liquefação é um processo que ocorre na presença de solvente orgânico em temperaturas de moderadas a altas (250 a 550°C) e pressões de 50 a 250 bar. O bio-óleo produzido pela liquefação é insolúvel em água, devido à sua acentuada característica não-polar, e quando comparado com o óleo obtido na pirólise, possui conteúdo de oxigênio menor e, portanto, maior conteúdo energético.

A gaseificação é um processo no qual um material carbonáceo sólido ou líquido, tal como biomassa, carvão ou petróleo, reage com ar, oxigênio e/ou vapor d’água, para produzir uma mistura gasosa contendo H2, CO, CO2, CH4, C2H4 e impurezas como nitrogênio, enxofre, compostos alcalinos e alcatrão. Estes compostos são posteriormente utilizados para a síntese de compostos químicos de grande aplicação industrial, de combustíveis a polímeros e química fina.

Com base nas informações apresentadas foi possível identificar diferentes processos que podem ser utilizados visando obter produtos energéticos diferenciados a partir de uma mesma biomassa renovável, dentro de uma instalação versátil e capaz de se adequar às demandas comerciais e econômicas que surgirem.

Na concepção de uma biorrefinaria, tanto a plataforma bioquímica como a química são fundamentais e complementares. Ainda não é possível definir as melhores tecnologias e produtos para as novas cadeias de biomassa que se encontram em formação, sendo que na atualidade todos eles devem ser considerados.

Além da questão tecnológica, existe a necessidade de políticas públicas de incentivo ao desenvolvimento e implantação de diferentes concepções de biorrefinarias dependendo da matéria-prima e/ou dos produtos que se pretende obter.