Novo processo que preserva a lignina rende mais biocombustível

O cultivo de plantas para a produção de biocombustíveis apresenta um potencial para impulsionar o setor de viagem, mas uma parte importante de sua força química tem permanecido teimosamente difícil de ser recuperada. Novas pesquisas do Centro de Inovação em Biocombustíveis e Bioprodutos Avançados (CABBI), da Universidade de Illinois, EUA, demonstraram uma forma de preservar a estrutura nativa da lignina — um componente-chave da matéria vegetal para a conversão em outros produtos valiosos — que abre o caminho para uma produção aprimorada de biocombustíveis e bioprodutos.

Liderado pelo pesquisador de pós-doutorado Tirath Raj e pelo diretor executivo do Laboratório de Pesquisa em Bioprocessamento Integrado, Vijay Singh, o projeto mostrou que um novo método de pré-tratamento de culturas voltadas para a produção de biocombustível resultou em maiores rendimentos de materiais valiosos, exigindo muito menos energia e insumos químicos.

A principal descoberta do estudo, cujos resultados foram publicados no Chemical Engineering Journal Advances, representa um passo altamente prioritário não apenas para o CABBI, mas também para os outros três Centros de Pesquisa em Bioenergia do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Por que a lignina é um desafio

Os biocombustíveis oferecem a possibilidade de abastecer nossa sociedade com plantas que podem ser cultivadas e colhidas ano após ano. Qualquer matéria vegetal pode fornecer energia quando queimada; mas para produzir um biocombustível eficiente e versátil, os componentes diferentes da estrutura física da planta precisam primeiro ser separados e, em seguida, fermentados ou quimicamente transformados em formas conhecidas de combustível, como etanol e biodiesel, ou em outros compostos aromáticos e alifáticos úteis. Esse processo é chamado de conversão.

Singh, Raj e colaboradores buscaram melhorar a etapa de pré-processamento da conversão. Nessa etapa, a celulose e as respectivas fibras que dão força aos caules e galhos são separadas da lignina, um tipo distinto de fibra que ajuda a preencher a estrutura da planta e a impedir a entrada de água.

A celulose, composta por longas fibras retas de glicose, é relativamente fácil de quebrar e virar ácidos graxos após fermentação. Já a lignina é considerada “recalcitrante”, ou seja, suas fibras são formadas por várias unidades estruturais fenólicas que são ramificadas e interligadas, formando uma rede resistente, pegajosa e impermeável. Isso é ótimo para dar força à planta, mas péssimo para convertê-la em combustível.

Cada um desses grupos químicos diferentes confere propriedades potencialmente valiosas à lignina, mas também dificulta sua purificação. O tratamento hidrotérmico é normalmente usado no pré-processamento, mas apresenta desvantagens significativas.

“Essa estrutura recalcitrante da lignina começa a quebrar quando você usa água em alta temperatura e pressão. Mas o que acontece é que, ao usar o processo hidrotérmico, você tende a derreter a lignina polimérica amorfa, que é como um cimento que mantém unidas a celulose e a hemicelulose”, segundo Singh. “Tal processo quebra esse ‘cimento’ e libera os açúcares celulósicos poliméricos. Mas a lignina também acaba sendo degradada”, concluiu.

Desvantagens do pré-tratamento convencional

Quando a lignina é quebrada e separada pelo tratamento hidrotérmico, ela tende a se condensar em uma massa ainda mais sólida e impenetrável. Isso representa duas perdas de energia: tanto pela necessidade de gerar alta temperatura e pressão quanto pela perda de parte da biomassa valiosa da planta. Os pesquisadores buscaram uma forma diferente de separar a lignina para evitar essas perdas.

A equipe se concentrou em uma solução especial de sais chamada solvente eutético profundo natural (natural deep eutectic solvent – NADES), capaz de soltar a lignina de forma mais suave. Apesar do nome técnico, os NADES são compostos de origem natural, relativamente seguros de manusear, ativos em temperatura ambiente e recicláveis.

Raj e colegas demonstraram que as combinações corretas de NADES conseguiam liberar a lignina da estrutura da planta sem destruir suas ramificações e ligações cruzadas, evitando sua condensação.

“Após o processamento, separamos a lignina, caracterizamos e verificamos sua estrutura química geral, como ela se comporta e se a estrutura nativa foi preservada ou não”, disse Raj. “Provamos que as ligninas resultantes desse processo mantêm sua estrutura nativa”, observou ele.

Benefícios da abordagem com NADES

Os altos rendimentos da lignina mais acessível e dos açúcares de celulose mais puros são exatamente o ponto de partida necessário para tornar mais eficiente e lucrativo o restante do processo de conversão do biocombustível.

A lignina de alta pureza pode ser convertida quimicamente em compostos aromáticos e alifáticos com muito mais facilidade. Além disso, cepas especiais de levedura podem fermentar os açúcares não apenas para transformá-los em etanol, mas também em óleo para biodiesel e SAF (combustível sustentável de aviação).

Os custos operacionais do pré-tratamento com NADES são menores que os do tratamento hidrotérmico, e as soluções podem ser recuperadas e reutilizadas até cinco vezes sem perda significativa de eficácia.

“Tal esforço também contribui para um objetivo de pesquisa compartilhado entre todos os quatro Centros de Pesquisa em Bioenergia do DOE relacionado à lignina. Outros centros estão quebrando essa lignina nativa de forma catalítica para alimentar microrganismos que vão gerar novos produtos químicos”, disse Singh. “Nosso pré-tratamento com NADES preserva essa lignina, que pode então ser usada para esses produtos de alto valor. Essa é a contribuição do CABBI para o objetivo comum”, concluiu.

Outra força da inovação da equipe é sua flexibilidade. Embora tenha sido testado neste estudo em uma gramínea bioenergética chamada Miscanthus, o processo pode ser aplicado a uma ampla variedade de culturas de biocombustível, resíduos agrícolas e madeiras — também conhecidos como feedstocks [matérias-primas]. Ele preserva quaisquer óleos produzidos pela planta selvagem ou geneticamente modificada que podem ser recuperados como fonte adicional de combustível, além de outras substâncias úteis.

“Chamamos isso de processo agnóstico de biomassa”, disse Singh. “O objetivo é desenvolver uma biorrefinaria capaz de usar matérias-primas diferentes e produzir diversos produtos que os consumidores possam utilizar”.

Mais informação:Tirath Raj et al. Green pretreatment strategies for enhanced microbial lipid fermentation and synergistic high-quality lignin recovery for next-generation integrated biorefineries. Chemical Engineering Journal Advances (2026). DOI: 10.1016/j.ceja.2025.101031

Fonte: University of Illinois at Urbana-Champaign

Artigo original (em inglês) publicado por Claudia Lutz na TechXplore.