Ocorrente e recombinante, empregando

                                                                      
_____________________CAPÍTULO 2 
 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Neste  capítulo  são  apresentados  os  diferentes  aspectos  teóricos 
referentes  à  temática  abordada:  aspectos  gerais  da  produção  de 
bicombustíveis;  o  bagaço  de  cana  como  matéria-prima  para  a  produção  de 
etanol;  algumas  características  relevantes  ao  processo  de  aproveitamento  do 
material  lignocelulósico;  o  microrganismo  Zymomonas  mobilis  sendo 
empregado  na  produção  de  etanol  a  partir  da  glicose  e  xilose,  através  de 
processos  de  primeira  e  de  segunda  geração;  bem  como  a  transformação 
genética  no  que  tange  à  inserção  de  genes  que  codificam  enzimas 
responsáveis 
pela 
metabolização 
da 
xilose: 
histórico, 
atualidades, 
problemáticas e perspectivas.  

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
8 
2.1.  A ERA DOS BIOCOMBUSTÍVEIS 
A  matriz energética mundial tem participação total de 80% de fontes de 
carbono  fóssil,  sendo  38,4%  de  petróleo,  26%  de  carvão  mineral  e  20,5%  de 
gás  natural.  A  biomassa  corresponde  apenas  a  10,1%  da  matriz  energética 
mundial (IEA, 2008).   
Material oleoso e inflamável, o petróleo é atualmente, a principal fonte de 
energia.  Estimativas  apontam  que  o  consumo  de  petróleo  deve  passar  dos 
atuais  88  milhões  de  barris  para  103  milhões  de  barris  em  2015.  Os  Estados 
Unidos  e  a  China  estão  entre  os  principais  responsáveis  por  este  aumento, 
conforme observado na figura 2.1 (ANP, 2012).  
 
Figura 2.1. Participação dos países no consumo mundial de petróleo no ano de 
2011. Fonte: ANP (2012). 
 
Todavia, devido ao esgotamento progressivo do petróleo e às ameaças 
ambientais  que  a  exploração  de  fontes  não  renováveis  ocasiona, 
particularmente em termos de emissões de CO
2
, a busca por outras fontes de 
energia torna-se cada vez mais imperiosa. Desta forma, a indústria química do 
século  XXI  será  obrigada  a  passar  por  uma  completa  reestruturação, 
recorrendo  ao  uso  de  recursos  renováveis  como  matéria-prima  básica  e  à 
36,6% 
2,1% 
2,6% 
2,6% 
2,7% 
2,7% 
3% 
3,3% 
3,9% 
4% 
5% 
11,1% 
21,4% 
0% 
10% 
20% 
30% 
40% 
Outros 
Irã 
México 
Canadá 
Alemanha 
Coreia do 
…
 
Brasil 
Arábia 
…
 
Rússia 
Índia 
Japão 
China 
Estados 
…
 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
9 
Biotecnologia  para  realização  de  transformações  químicas  (BRDTAC,  2002; 
NRC, 2000; WILKE, 2000).  
2.2.  ETANOL: O PRINCIPAL BIOCOMBUSTÍVEL 
2.2.1. PANORAMA MUNDIAL 
O  etanol,  também  denominado  álcool  etílico  (C
2
H
5
OH)  é  produzido  desde  os 
tempos  antigos  pela  fermentação  dos  açúcares  encontrados  em  produtos  vegetais. 
Ainda hoje, grande parte do etanol industrial é  obtido  pelo mesmo processo, embora 
também possa ser produzido a partir de eteno, derivado do petróleo (BASTOS, 2007).  
O  uso  do  bioetanol  tem  suscitado  grande  interesse  devido  à  alta  dos 
preços  e  aos  problemas  ambientais  causados  pelos  combustíveis  fósseis. 
Trata-se  de  um  produto  renovável  com  características  combustíveis,  que 
contribui para a redução do efeito estufa e diminui substancialmente a poluição 
do  ar,  minimizando  os  seus  impactos  na  saúde  pública.  Atualmente,  este  é  o 
principal  biocombustível  empregado  mundialmente,  correspondendo  por  10% 
da  energia  mundial.  No  entanto,  estimativas  indicam  que  a  utilização  mundial 
do mesmo será de 27% em 2050 (IEA, 2010).
   
Diversos são os países com interesse em iniciativas que envolvam o uso 
do  álcool  combustível,  entre  os  quais  se  destacam:  Austrália,  Guatemala, 
União  Européia,  Índia,  Japão,  Nova  Zelândia,  Nicarágua  e  Tailândia.  Os 
importadores  tradicionais  são  os  EUA,  a  União  Européia,  Japão  e  Coréia 
(CASTRO, 2005).  
O  acordo  implementado  pela  PEA,  Policy  Energy  Act,  seguida  pela  
EISA, Energy Independece and Security Act, almejam que em 2022 obtenha-se 
cerca  de  36  bilhões  de  galões  de  bioetanol  por  ano  (LIMAYEM  &  RICKE, 
2012), bem  como  a  União  Européia  almeja  o  uso  de 10%  de  biocombustíveis 
de  segunda  geração  no  setor  de  transporte  em  2020  (PORZIO  et  al.  2012). 
Neste  contexto,  estudos  de  modelagem  realizados  por  Giacomo  et  al.  (2012) 
indicaram  que  uma  planta  piloto  produziria  40.000  t  etanol/
 
ano  a  partir  de 
240.000 t biomassa/
 
ano.  

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
10 
O  Brasil  e  os  Estados  Unidos  produzem  o  etanol  a  partir  de  cana-de-
açúcar  e  milho,  respectivamente,  sendo  os  maiores  produtores  mundiais  e 
juntos  respondem  por  89%  da  produção  global.  De acordo  com  a  Associação 
de Combustíveis Renováveis, a produção de etanol foi de 10,9 e 12,82 bilhões 
de  galões  nos  anos  de  2009  e  2010,  respectivamente  (LIMAYEM  &  RICKE, 
2012),  representando  55%  da  produção  mundial.  Adicionalmente,  a  figura  2.2 
compara  a  demanda  de  etanol  nos  EUA  e  no  Brasil,  indicando  que  em 
dezembro de 2011, os países consumiram cerca de 44,5 e 19,1 milhões de m
3
 
deste álcool, respectivamente. 
 
Figura 2.2. Evolução do consumo de etanol no Brasil e EUA.  
Fonte: MME (2012). 
2.2.2. PANORAMA NACIONAL 
A  substituição  da  gasolina  pelo  etanol  no  Brasil  começou  em  1975, 
quando o governo lançou o Programa do Álcool, denominado de PROALCOOL. 
Atualmente,  o  Brasil  tem  sido  líder  no  uso  de  combustíveis  renováveis, 
possuindo 851 milhões de hectares de área total, dos quais cerca de 8 milhões 
são utilizadas para plantações de cana-de-açúcar (CONAB, 2011; CARVALHO, 
2006).  
No Brasil, 44,1% da energia fornecida são de origem renovável, uma das 
maiores  proporções  mundiais,  contrastando  significativamente  com  a  média 
mundial,  de  13,3%,  e  mais  ainda  com  a  média  dos  países  que  compõem  a 
Organização  de  Cooperação  e  de  Desenvolvimento  Econômicos  (OCDE),  em 
sua grande maioria países desenvolvidos - de apenas 8% (EPE, 2012). 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
11 
A produção nacional em 2010 foi de 27,9 bilhões de litros de etanol, um 
grande  aumento  em  relação  ao  volume  de  2002/2003  (12,5  bilhões  de  litros), 
antes  da  introdução  dos  veículos  flex-fuel.  O  número  de  licenciamento  de 
veículos  leves  em  janeiro  de  2012  foi  de  252,6  mil,  apresentando  um 
crescimento  de  9,89%  em  relação  a  janeiro  de  2011.  Desse  total,  os  carros 
flex-fuel  representaram  83,7%.  Em  janeiro  de  2012,  o  setor  automotivo 
alcançou  a  marca  de  15,60  milhões  de  veículos  bicombustíveis  licenciados 
desde 2003 e a sua participação estimada na frota total de veículos leves foi de 
48% (CENBIO, 2011; MMA, 2012). 
A tabela 2.1 aponta os avanços na produção de etanol para os próximos 
anos,  indicando  que  no  período  de  2020/2021  serão  produzidos  65,3  milhões 
de  toneladas  de  etanol,  sendo  49,6  milhões  de  toneladas  voltados  para  o 
consumo  interno  e  15,7  milhões  de  toneladas  à  exportação  (ÚNICA,  COGEN, 
2009)  
Tabela 2.1. Perspectivas da produção de etanol 
 
2008/2009 
2015/2016 
2020/2021 
Produção de cana de açúcar 
(milhões de toneladas) 
562 
829 
1.038 
Etanol 
(bilhões de litros) 
27,0 
46,9 
65,3 
Consumo interno 
22,0 
34,6 
49,6 
Excedente para exportação 
4,8 
12,3 
15,7 
Fonte: UNICA, COGEN (2009). 
O  fato  de  o  Brasil  ser  o  maior  país  tropical  do  mundo  é  um  diferencial 
positivo para a produção de energia de biomassa. Portanto, considera-se que a 
grande  quantidade  de  bagaço  de  cana-de-açúcar  gerado  pelos  processos  de 
produção  de  etanol  venha  a  se  tornar  matéria-prima  para  outros  processos 
produtivos,  incluindo  a  produção  de  mais  etanol  através  de  tecnologias 
portadoras de futuro, gerando emprego e desenvolvimento. Este é um cenário 
tão  promissor  que  para  cada  10  milhões  de  toneladas  de  biomassa  seca  é 
possível produzir 600 milhões de galões de etanol, considerando apenas o seu 
componente celulósico (PEREIRA, 2008).     

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
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12 
2.3.  CANA-DE-AÇÚCAR:  A  MATÉRIA-PRIMA  BRASILEIRA 
PARA PRODUÇÃO DE ETANOL 
A cana-de-açúcar (Figura 2.3) é uma gramínea, cujo potencial, variado e 
complexo,  ainda  pode  ser  muito  explorado. Tem  origem  asiática  e  pertence  a 
uma  das  mais  importantes  e  maiores  famílias  de  angiospermas,  a  Poaceae. 
Das  seis  espécies  mais  conhecidas,  duas  são  consideradas  silvestres 
(Saccharum  robustum  Brandes  &  Jewiest  e  Saccharum  spontaneum  L.)  e 
quatro  cultivadas  (Saccharum  officinarum  L.,  Saccharum  sinense  Roxb., 
Saccharum edule Hassk e Saccharum barberi Jewiest.)  (DANIELS &  ROACH, 
1987).  
 
Figura 2.3. Cana-de-açúcar. 
Fonte: NUNES (2008). 
São  herbáceas,  perenes,  caule  do  tipo  colmo  cheio,  com  nós  (de  onde 
saem  gemas)  e  entrenós,  epiderme  característica,  raiz  fasciculada  e  flores 
monóclinas  (JOLY,  2002).  As  folhas  da  cana-de-açúcar  são  alternas  ou 
opostas,  possuem  nervuras  paralelinérvias  e  bainhas  largas,  são  lineares  e 
podem chegar a 140 centímetros de comprimento. Já o fruto é bem pequeno, 
do tipo cariopse. Dentre seus constituintes químicos estão o ácido hidrociânico, 
o  ácido  ascórbico,  sais  minerais  (sobretudo  de  cálcio  e  de  ferro),  fibras  e 
sacarose.  
O  Brasil  é  o  maior  produtor  mundial  de  cana-de-açúcar,  seguido  da 
Índia,  China,  Tailândia  e  Paquistão.  No  Brasil,  a  cana-de-açúcar  utilizada, 
principalmente na produção de álcool (anidro e hidratado) e açúcar,  é uma das 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
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culturas  agrícolas  mais  importantes  em  países  tropicais,  gerando  diversos 
recursos  e  empregos  diretos,  e  contribuindo,  dessa  forma,  para  o 
desenvolvimento  com  melhores  fontes  de  renda.  O  interior  paulista,  principal 
produtor mundial de cana-de-açúcar, é uma das regiões mais desenvolvidas do 
Brasil,  possuindo  elevados  índices  de  desenvolvimento  urbano  e  renda  per 
capita muito acima da média nacional (BNDES, 2006). 
2.3.1. PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL DO CALDO DE CANA 
Para a produção de açúcar, a cana é prensada, submetida a uma etapa 
de  sulfitação,  seguida de  clarificação e,  por  fim,  cristalização,  onde é  obtido  o 
produto  para  ser  comercializado  (NANDY  et  al.,  2002).  Diversos  tipos  de 
açúcares  podem  ser  fabricados,  e  posteriormente,  é  gerado  o  melaço,  um 
xarope altamente viscoso que contém cerca  de 35% (p/p) de sacarose e 15% 
(p/p) de açúcares invertidos (glicose e frutose).  
Para  a  produção  de  etanol,  o  caldo  da  cana  ou  o  melaço  diluído  são 
utilizados como meio de fermentação, resultando em uma solução com um teor 
alcoólico  de  6-8%  (v/v)  (COSTA  et  al.,  2001;  ROGERS,  2005).  Após  a 
separação  das  células,  da  destilação  do  meio  fermentado  e  da  retificação  do 
destilado,  obtém-se  o  produto  com  94-95%  (v/v)  de  etanol  (RYAN  & 
JOHNSON, 2001).  
Como  exemplo  de  uma  usina  que  produz  tanto  açúcar  como  álcool 
(usina  de  açúcar  com  destilaria  anexa),  para  cada  tonelada  de  cana 
processada  podem  ser  produzidos  100  a  150  kg  de  açúcar  e  70  a  90  L  de 
etanol,  gerando  300  kg  de  bagaço,  980  L  de  vinhoto,  dentre  outros  resíduos 
(NANDY et al., 2002).  
O vinhoto, resíduo da destilação fracionada do caldo de  cana-de-açúcar 
fermentado  para  a  obtenção  do  etanol,  tem  sido  aproveitado  como  fertilizante 
ou  na  produção  de  biogás.  A  torta  de  filtro,  resíduo  composto  da  mistura  de 
bagaço  moído  e  lodo  da  decantação,  proveniente  do  processo  de  clarificação 
do açúcar, é um composto orgânico (85% da sua composição) rico em cálcio, 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
14 
nitrogênio e potássio, com composições variáveis dependendo da variedade da 
cana  e  da  sua  maturação,  podendo  ser  utilizado  como  fertilizante  ou  na 
composição de ceras.  
A  biomassa  microbiana,  gerada  com  o  esgotamento  do  reciclo  celular, 
vem sendo utilizada na indústria alimentícia. É possível utilizar a levedura seca 
para a produção de ração, uma vez que esse produto possui 40% de proteína. 
Há  estudos  para  a  utilização  da  levedura  seca  também  na  alimentação 
humana.  Há  oportunidades  para  a  comercialização  de  gás  carbônico  (CO
2
), 
principalmente para as fábricas de refrigerantes e indústria química (ROGERS, 
2005).   
O potencial energético da cana-de-açúcar é desmembrado em seus três 
principais  contribuintes:  para  cada  tonelada de  cana,  1.700  MJ  vêm  do  etanol 
produzido, enquanto que 2.100 e 2.150 MJ são referentes ao bagaço e à palha, 
respectivamente (MOREIRA, 2000).  
A  palha  (Figura  2.4)  não  é  considerada  um  resíduo  do  processamento 
industrial.  Este  resíduo  agrícola  ainda  é  queimado  no  campo  de  colheita. 
(BNDES,  2006),  embora  esta  prática,  por  força  da lei nº  11.241,  venha  sendo 
proibida  no  estado  de  São  Paulo.  O  bagaço,  obtido  após  a  prensagem  dos 
colmos de cana, destaca-se por ser gerado em grandes quantidades e possuir 
enormes potenciais energéticos e biotecnológicos. 
 
Figura 2.4. Excedente de Palha de cana-de-açúcar.  
Fonte: PEREIRA (2006). 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
15 
2.3.2. BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR  
O bagaço da cana de açúcar (Figura 2.5) é um resíduo lignocelulósico e 
um dos subprodutos da indústria da cana.  
 
Figura 2.5. Excedente de Bagaço de cana-de-açúcar.  
Fonte: PEREIRA (2006). 
A  Companhia  Nacional  de  Abastecimento  estima  que  a  produção  de 
cana-de-açúcar  deva  crescer  6,5%  na  safra  2012/13  e  atingir  596,63  milhões 
de toneladas, gerando cerca de 180 milhões de toneladas de bagaço de cana 
(CONAB,  2012).  Atualmente,  90%  do  bagaço  gerado  na  usina  é  consumido 
para  produção  de  energia  por  meio  da  co-geração,  tornando  a  usina  auto-
sustentável energeticamente.  
Este  material,  constituído  por  celulose,  hemicelulose  e  lignina,  compõe 
em  média,  28%  do  peso  da  cana  de açúcar.  Sua  composição  elementar  é  de 
44,6% de carbono, 5,8% de hidrogênio, 44,5% de oxigênio, 0,6% de nitrogênio, 
0,1% de enxofre e 4,4% de outros elementos (SIMÕES, 2005). Neste contexto, 
a  tabela  2.2  apresenta  a  composição  química  do  bagaço  de  cana  em  base 
úmida, indicando que há mais de 20% de hexoses e 10% de pentoses.  
A  hemicelulose  e  a  celulose  apresentam-se  como  uma  das  principais 
frações  estruturais  do  bagaço  de  cana, representando uma  fonte  potencial  de 
xilose e glicose, respectivamente; porém, a obtenção desses açúcares requer a 
aplicação  de  técnicas  que  permitam  a  sua  extração  seletiva.  No  caso  da 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
16 
extração  de  xilose,  são  utilizadas  diferentes  metodologias  de  solubilização  e 
hidrólise,  dentre  as  quais  o  pré-tratamento  ácido  é  normalmente  empregado 
(BETANCUR & PEREIRA JR, 2010; FUJITA et al., 2004). 
Tabela 2.2. Composição química média do bagaço de cana  
Composição química 
(%) 
Glicose 
19,50 
Xilose 
10,50 
Arabinose 
1,50 
Galactose 
0,55 
Lignina 
9,91 
Organosolúveis 
2,70 
Outros AR 
1,85 
Cinzas 
1,6 
Umidade 
50,00 
Hexoses Totais 
20,04 
Pentoses Totais 
12,00 
Fonte: SOARES (2011). Onde: AR: açúcares redutores. 
Neste contexto, o bagaço de cana-de-açúcar apresenta-se como um dos 
materiais  lignocelulósicos  com  maior  potencial  para  a  obtenção  de  diversos 
produtos  de  interesse  comercial.  No  que  tange  à  produção  de  etanol,  são 
realizadas  reações  químicas  e/ou  biológicas,  aumentando-se  a  produtividade 
das  indústrias.  Estimativas  estabelecem  que  a  produção  de  etanol  no  Brasil 
possa ser duplicada, sem a necessidade de aumentar áreas de cultivo de cana-
de-açúcar (PEREIRA, 2008).  
2.4. MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS 
2.4.1. MATÉRIA-PRIMA PARA A PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS 
Os  materiais  lignocelulósicos  constituem-se  em  matéria-prima  para  a 
produção  de  etanol,  bem  como  de  outros  produtos  utilizados  em  diversos 
segmentos  industriais,  devido  ao  seu  caráter  renovável,  abundante  e  de  seu 
baixo custo (BINOD et al., 2010; YAMASHITA et al., 2008; DEMIRBAS, 2003).  
Devido à grande disponibilidade de resíduos agrícolas foi estimado que 
491  bilhões  de  litros  deste  biocombustível  possam  ser  gerados  a  partir  de 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
17 
biomassa lignocelulósica residual, ampliando em até 16 vezes a sua  produção 
anual  (BINOD  et  al.,  2010;  SARKAR  et  al.,  2012).  Só  nos  Estados  Unidos,  a 
biomassa residual gerada é estimada em torno de 1,4 bilhões de toneladas de 
matéria  seca  por  ano,  30%  originadas  de  florestas.  Neste  contexto,  tais 
biomassas  podem  suprir  em  grande  escala  a  produção  deste  combustível, 
utilizando diferentes resíduos  agro-industriais (CARDONA &  SANCHEZ, 2007; 
HU et al., 2008; CARDONA et al., 2009).
 
 
Atualmente,  os  resíduos  derivados  de  materiais  lignocelulósicos  mais 
promissores para serem empregados  em bioprocessos são o bagaço de cana, 
palha  de  arroz,  de  milho  e  de  trigo,  provenientes  da  América  do  Sul,  Ásia, 
Estados  Unidos  e  Europa,  respectivamente  (KADAM  &  MCMILLAN,  2003; 
CHENG et al., 2008). Segundo Sarkar et al. (2012), a Ásia gera cerca de 667,6 
milhões de toneladas de palha de arroz e 145,2 milhões de toneladas de palha 
de trigo, enquanto que a América produz 140,86 milhões de toneladas de palha 
de milho.  
Embora  alguns  destes  resíduos  sejam  utilizados  como  ração  animal, 
combustíveis domésticos ou mesmo para co-geração de energia, grande parte 
ainda  é  inutilizada,  constituindo-se  em  excedentes.  Adicionalmente,  muitos 
países  da  Europa  Ocidental  proíbem  a  queima  no  campo,  menos  de  1%  de 
palha  de  milho  é  recolhida  para  o  processamento  industrial,  bem  como  cerca 
de  5%  é  utilizado  como  alimento  e  forragem  para  animais.  No  entanto,  nos 
Estados  Unidos,  mais  de  90%  de  palha  de  milho  é  deixada  nos  campos 
(BANERJEE, 2010).  
Adicionalmente,  a  indústria  de  celulose  também  gera  resíduos 
industriais,  contendo  alto  teor  de  fibras  de  celulose  (cerca  de  80%)  com 
potencial  suficiente  para  se  tornar  também  matéria-prima.  Isto  se  deve, 
principalmente,  à  presença  destes  materiais  em  abundância  e  a  não 
necessidade das etapas de pré-tratamento para muitos deles, uma vez que no 
processo  é  realizada  a  deslignificação  das  polpas,  que  permite  a  remoção  de 
grande  parte  da  lignina  para  obtenção  da  celulose  (SILVA,  et  al.,  2009). 
Neste  contexto,  segundo  a  associação  brasileira  de  celulose  e  papel,  nos 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
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últimos 10 anos, a produção mundial de papel cresceu 35%; sendo que o Brasil 
somou  8,2  milhões  de  toneladas  de  papel  em  2004  e  ocupou  a  posição  de 
sétimo  maior  fabricante  mundial  de  celulose,  com  cerca  de  9,4  milhões  de 
toneladas (BRACELPA, 2006).  
2.4.2. ESTRUTURA CELULAR 
A estrutura microscópica da maioria das células vegetais é formada por 
uma parede celular rígida composta basicamente de polissacarídeos (cerca de 
70%  da  massa)  com  propriedades  físico-químicas  tais  como  plasticidade, 
elasticidade,  resistência  à  tensão  e  decomposição  por  microrganismos. 
Conforme  ilustrado  na  figura  2.6,  a  parede  celular  dos  materiais 
lignocelulósicos  é  formada  por  arranjos/concêntricos  divididos  em  camadas 
com  diferente  composição  química  e  orientação  dos  elementos  estruturais 
(FENGEL & WEGENER, 1991).