A indústria da aviação produz 2% das emissões globais de dióxido de carbono induzidas pelo homem. Essa participação pode parecer relativamente pequena - para perspectiva, a geração de eletricidade e o aquecimento doméstico representam mais de 40% -, mas a aviação é uma das fontes de gás de efeito estufa que mais cresce no mundo. A demanda por viagens aéreas deve dobrar nos próximos 20 anos.
As companhias aéreas estão sob pressão para reduzir suas emissões de carbono e são altamente vulneráveis às flutuações do preço global do petróleo. Esses desafios provocaram forte interesse em combustíveis para jatos derivados de biomassa. O biocombustível pode ser produzido a partir de vários materiais vegetais, incluindo culturas oleaginosas, culturas de açúcar, plantas amiláceas e biomassa lignocelulósica, através de várias rotas químicas e biológicas. No entanto, as tecnologias para converter o óleo em combustível de aviação estão em um estágio mais avançado de desenvolvimento e geram maior eficiência energética do que outras fontes.
Estamos projetando a cana-de-açúcar, a planta mais produtiva do mundo, para produzir petróleo que possa ser transformado em combustível de biojato. Em um estudo recente, descobrimos que o uso dessa cana-de-açúcar projetada poderia render mais de 2.500 litros de biocombustível por acre de terra. Em termos simples, isso significa que um Boeing 747 poderia voar por 10 horas com combustível de biojato produzido em apenas 54 acres de terra. Comparada a duas fontes de plantas concorrentes, soja e jatrofa, a fibra lipídica produziria cerca de 15 e 13 vezes mais combustível de aviação por unidade de terra, respectivamente.
Criando cana de açúcar de duplo propósito
Os biocombustíveis derivados de matérias-primas ricas em petróleo, como camelina e algas, foram testados com sucesso em voos de prova de conceito. A Sociedade Americana de Testes e Materiais aprovou uma mistura 50:50 de combustível para jatos à base de petróleo e combustível para jatos renováveis hidroprocessado para vôos comerciais e militares.
No entanto, mesmo após esforços significativos de pesquisa e comercialização, os volumes atuais de produção de biocombustível são muito pequenos. A fabricação desses produtos em maior escala exigirá mais melhorias tecnológicas e abundantes matérias-primas de baixo custo (culturas usadas para produzir o combustível).
A cana-de-açúcar é uma fonte de biocombustível conhecida: o Brasil tem fermentado o caldo de cana para produzir combustível à base de álcool há décadas. O etanol da cana-de-açúcar produz 25% mais energia do que a quantidade usada durante o processo de produção e reduz as emissões de gases do efeito estufa em 12% em comparação com os combustíveis fósseis.
Colheita de cana-de-açúcar no Brasil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Nós nos perguntamos se poderíamos aumentar a produção de petróleo natural da usina e usar o petróleo para produzir biodiesel, o que proporciona benefícios ambientais ainda maiores. O biodiesel produz 93% mais energia do que o necessário para produzir e reduz as emissões em 41% em comparação com os combustíveis fósseis. Etanol e biodiesel podem ambos ser usados em combustível de biojato, mas as tecnologias para converter óleo derivado de planta em combustível de aviação estão em um estágio avançado de desenvolvimento, geram alta eficiência energética e estão prontas para implantação em grande escala.
Quando propusemos pela primeira vez a engenharia da cana-de-açúcar para produzir mais petróleo, alguns de nossos colegas pensaram que éramos loucos. As plantas de cana-de-açúcar contêm apenas 0, 05% de óleo, o que é muito pouco para converter em biodiesel. Muitos cientistas de plantas teorizaram que aumentar a quantidade de óleo para 1% seria tóxico para a planta, mas nossos modelos computacionais previam que poderíamos aumentar a produção de petróleo para 20%.
Com o apoio da Advanced Energy Projects Agency-Energy, do Departamento de Energia, lançamos um projeto de pesquisa chamado Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, ou PETROSS, em 2012. Desde então, através da engenharia genética aumentamos a produção de petróleo e ácidos graxos para atingir 12 por cento de óleo nas folhas de cana.
Uma garrafa de óleo produzido a partir do lipideno da PETROSS (Claire Benjamin / Universidade de Illinois, CC BY-ND) Agora estamos trabalhando para obter 20% de óleo - o limite teórico, de acordo com nossos modelos computacionais - e direcionando esse acúmulo de óleo para o caule da planta, onde é mais acessível do que nas folhas. Nossa pesquisa preliminar mostrou que, mesmo quando as plantas engenheiradas produzem mais petróleo, elas continuam produzindo açúcar. Nós chamamos essas plantas de engenharia de lipídios.
Vários produtos de lipidcane
Lipidcane oferece muitas vantagens para os agricultores e para o meio ambiente. Calculamos que o cultivo de lipídios contendo 20% de óleo seria cinco vezes mais lucrativo por acre do que a soja, a principal matéria-prima atualmente usada para produzir biodiesel nos Estados Unidos, e duas vezes mais lucrativa por acre que o milho.
Para ser sustentável, o biocombustível também deve ser econômico para processar e ter altos rendimentos de produção que minimizem o uso de terras aráveis. Estimamos que em comparação com a soja, o lipidcane contendo 5% de óleo poderia produzir quatro vezes mais combustível de aviação por acre de terra. Lipidcane com 20 por cento de óleo poderia produzir mais de 15 vezes mais combustível de aviação por acre.
E o lipidcane oferece outros benefícios energéticos. As partes da planta que sobraram após a extração do suco, conhecida como bagaço, podem ser queimadas para produzir vapor e eletricidade. Segundo nossa análise, isso geraria eletricidade mais do que suficiente para abastecer a biorrefinaria, para que a energia excedente pudesse ser vendida de volta à rede, substituindo a eletricidade produzida a partir de combustíveis fósseis - prática já usada em algumas fábricas no Brasil para produzir etanol a partir da cana-de-açúcar.
Uma potencial colheita de bioenergia nos EUA
A cana-de-açúcar prospera em terras marginais que não são adequadas para muitas culturas alimentares. Atualmente é cultivado principalmente no Brasil, Índia e China. Também estamos planejando o uso do lipideno para ser mais tolerante ao frio, de modo que ele possa ser gerado mais amplamente, particularmente no sudeste dos Estados Unidos, em terras subutilizadas.
Um mapa da região de crescimento de lipidaca tolerante ao frio (PETROSS) Se dedicarmos 23 milhões de acres no sudeste dos Estados Unidos a lipídios com 20% de petróleo, estimamos que essa safra poderia produzir 65% do suprimento de combustível de aviação dos EUA. Atualmente, em dólares correntes, esse combustível custaria às companhias aéreas US $ 5, 31 por galão, o que é menos do que o biocombustível produzido a partir de algas ou outras culturas de óleo, como soja, canola ou óleo de palma.
O lipideno também pode ser cultivado no Brasil e em outras áreas tropicais. Como relatamos recentemente na Nature Climate Change, a expansão significativa da produção de cana-de-açúcar ou lipídios no Brasil poderia reduzir as atuais emissões globais de dióxido de carbono em até 5, 6%. Isso pode ser feito sem interferir em áreas que o governo brasileiro designou como ambientalmente sensíveis, como a floresta tropical.
Em busca da 'cana de energia'
Nossa pesquisa sobre lipídios também inclui a engenharia genética da planta para torná-la fotossintetizável de forma mais eficiente, o que se traduz em mais crescimento. Em um artigo de 2016 na Science, um de nós (Stephen Long) e colegas de outras instituições demonstraram que melhorar a eficiência da fotossíntese no tabaco aumentava seu crescimento em 20%. Atualmente, pesquisas preliminares e testes de campo lado-a-lado sugerem que melhoramos a eficiência fotossintética da cana-de-açúcar em 20% e em quase 70% em condições frescas.
A cana-de-açúcar normal (à esquerda) cresce ao lado da cana-de-açúcar PETROSS, que é visivelmente mais alta e mais macia, em testes de campo na Universidade da Flórida. (Fredy Altpeter / Universidade da Flórida, CC BY-ND) Agora, nossa equipe está começando a trabalhar para projetar uma variedade de cana-de-açúcar de maior rendimento que chamamos de “cana de energia” para obter mais produção de petróleo por hectare. Temos mais terreno para cobrir antes de poder ser comercializado, mas o desenvolvimento de uma planta viável com óleo suficiente para produzir biodiesel e biodiesel é um grande passo.
Nota do Editor: Este artigo foi atualizado para esclarecer que o estudo de Stephen Long e outros publicados na Science em 2016 envolveu a melhoria da eficiência da fotossíntese em plantas de tabaco.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Deepak Kumar, pesquisador de pós-doutorado, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Professor de Ciências da Cultura e Biologia Vegetal da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign
Vijay Singh, Professor de Engenharia Agrícola e Biológica e Diretor do Laboratório Integrado de Pesquisa em Bioprocessamento da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign
