UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola de Química
Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de
Processos Químicos e Bioquímicos
Braz José Demuner
Orientadores: Nei Pereira Jr., PhD (EQ/UFRJ)
Adelaide Maria de Souza Antunes, DSc (EQ/UFRJ)
Rio de Janeiro
Dezembro de 2012
INSERÇÃO DA TECNOLOGIA
ENZIMÁTICA NA INDÚSTRIA
DE CELULOSE E PAPEL
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola de Química
Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de
Processos Químicos e Bioquímicos
BRAZ JOSÉ DEMUNER
Inserção da Tecnologia Enzimática na Indústria de
Celulose e Papel
Orientadores
Professor Nei Pereira Jr., PhD (EQ/UFRJ)
Professora Adelaide Maria de Souza Antunes, DSc (EQ/UFRJ)
Rio de Janeiro
Dezembro de 2012
Tese de Doutorado apresentada ao
Programa de Pós Graduação em
Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do título de
Doutor em Ciências (DSc).
iii
INSERÇÃO DA TECNOLOGIA ENZIMÁTICA NA INDÚSTRIA DE
CELULOSE E PAPEL
BRAZ JOSÉ DEMUNER
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos da Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários para a obtenção
do título de Doutor em Ciências (DSc).
Aprovada por:
______________________________________________________
Nei Pereira Jr., PhD (DEB/UFRJ) - Orientador/Presidente
______________________________________________________
Adelaide Maria de Souza Antunes, DSc (EQ/UFRJ)
______________________________________________________
Estevão Freire, DSc (EQ/UFRJ)
______________________________________________________
Maria Antonieta Peixoto Gimenes Couto, DSc (EQ/UFRJ)
______________________________________________________
Paulo César Pavan, DSc (EEL-USP)
________________________________________________
Lídia Maria Melo Santa Anna, DSc (CENPES/PETROBRAS)
______________________________________________________
Maria Antonieta Ferrara, DSc (Far-Fiocruz)
______________________________________________________
iv
FICHA CATALOGRÁFICA
D389i Demuner, Braz José.
Inserção da Tecnologia Enzimática na Indústria da Celulose e
Papel./ Braz José Demuner. – 2012.
330 f.:Il.
Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
de Química, Rio de Janeiro, 2012.
Orientadoras: Nei Pereira Júnior e Adelaide Maria de Souza
Antunes.
1. Enzimas. 2. Patentes. 3. Celulases. 4. Xilanases. 5.
Lacases. 6. Lipases. – Teses. I. Pereira Júnior, Nei. (Orient.).II.
Antunes, Adelaide Maria de Souza (Orient.). III. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Programa em Tecnologia de Processos
Químicos e Bioquímicos, Escola de Química. IV. Título.
CDD: 660.63
v
Dedico esta tese à minha família, ao Professor Nei Pereira Jr. e à
Professora Adelaide Maria de Souza Antunes.
Às cinco pessoas mais queridas e importantes da minha vida: à minha
filha Gabriela, ao meu filho Rafael, à minha esposa Tânia e aos dois
maiores doutores da vida, minha mãe Maria e meu pai Domingos (in memorian). Sem vocês e as suas contribuições as minhas realizações
muito pouco valeriam. Obrigado!
“A persistência é o menor caminho do êxito”. Charles Chaplin.
Ao meu orientador professor Nei Pereira Jr, por ter me inspirado para realizar este sonho da minha vida, para o qual
eu pouco acreditava que seria possível compartilhar as várias
responsabilidades e prioridades profissionais com os estudos
nesta renomada Universidade. Ele soube também, com muita paciência, sabedoria, dedicação e articulação, compor um
conjunto de idéias, pensamentos, agendas, incentivos e
aprendizados. Muito obrigado ilustríssimo mestre!
À professora Adelaide, esta extraordinária e
brilhante professora, profissional e orientadora.
Embora com tantas outras prioridades, você
sempre conseguiu encontrar tempo e disposição para contribuições tão expressivas, além de ter me
inspirado tantas vezes! Agradeço por tudo!
“Não há no mundo exagero mais belo que a gratidão”. Jean de La Bruyère
vi
Agradecimentos
São muitas as lembranças guardadas durante o decorrer desta importante
etapa da minha vida. Foram muitos os incentivos e apoios. Para todas as
pessoas que contribuíram, direta ou indiretamente, muitíssimo obrigado.
À Carolina, Flávia, Luciana, Sabrina, Luiz André, Maeda, Felipe, que por
muitas vezes me ajudaram, muitíssimo obrigado.
Ao Jorge e ao Luiz, grandes parceiros, que por tantas vezes estiveram
prontos e dispostos a me ajudarem, meus sinceros desejos de sucesso e
tudo de melhor para vocês.
Ao professores Estevão, Peter e Flávia que flexibilizaram as agendas,
viabilizando a minha atuação como estudante e profissional, residente no
Espírito Santo.
A todos da secretaria, à professora Ofélia, Roselee, Júlio, Lúcia, Marlene,
que sempre me atenderam e ajudaram com presteza.
Á Fibria Celulose, em nome do Pavan, Bertolucci e Ergilio, Robert e Cesar
que viabilizaram condições para esta minha tão importante realização.
Aos meus colegas na Fibria (alguns nomes dentre outros: Antônio Elias,
Bibiana, Bruno, Deusa, Eliane, Heloisa, Jupiter, Otávio, Robert, Rodolfo),
agradeço pelos incentivos e contribuições.
vii
Ao Carlos Augusto Santos, pelos incentivos, muito obrigado.
A Flávia, do SIQUIM, que além de me ajudar com as análises no
VantagePoint®, contribuiu transcrevendo as revisões da professora
Adelaide. Ao Daniel (ex- SIQUIM) e à Priscila, assistente da Adelaide,
muito obrigado por todas as contribuições.
Agradeço também às bibliotecárias da Fibria (Janine, Peggy, Daniela) pela
prontidão aos meus pedidos de documentações.
Ao amigo Rudine, parceiro e incentivador durante algumas dificuldades.
Muito obrigado e sucesso no seu doutoramento.
Agradeço à Terhi, Oili e Suurnäkki, do Technical Research Centre of
Finland pelo envio de artigos científicos específicos sobre enzimas.
Ao Henrik, Theo, Pasi, Angelina, Marco Antônio, Viviane, Greg e James
pelas discussões apropriadas, palavras de incentivos e artigos enviados.
Agradeço por tudo.
Ao Rafael, Gabriela e Marieli, pela ajuda na preparação da tese e críticas
construtivas. Além da inspiração e incentivo que esta tese possa
representar para vocês, muito sucesso para cada um em especial.
Aos professores Igor Polikarpov e André Ferraz, pelos aprendizados sobre
enzimas e incentivos. Muitíssimo obrigado.
viii
Resumo
DEMUNER, Braz José. INSERÇÃO DA TECNOLOGIA ENZIMÁTICA NA
INDÚSTRIA DE CELULUSE E PAPEL. Tese de Doutorado. Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012.
Orientadores: Nei Pereira Jr., PhD e Adelaide M. de Souza Antunes, DSc
Esta tese tem como objetivo prospectar a aplicação de enzimas no setor de polpa celulósica e papel. Diferentes bases (Web of Science, Derwent,
USPTO, EPO, SIPO, JPO, INPI) foram utilizadas. As estratégias de buscas
pela classificação internacional de patentes e de palavras chaves de
interesse foram usadas. Foram prospectadas 17 áreas com potencial para a aplicação de enzimas no setor. Para estas diferentes áreas de aplicação
de enzimas, 1030 documentos de patentes foram analisados criticamente.
O software comercial VantagePoint® foi usado na análise das patentes,
obtendo-se agrupamentos e correlações de informações relevantes de interesse. Esta análise mostrou que existe um elevado nível de interesse
científico e de proteção da propriedade industrial da tecnologia enzimática
para o setor de polpa celulósica e papel. Diferentes enzimas e suas
aplicações foram prospectadas. As principais enzimas de interesse são as xilanases, celulases, lacases, lipases, amilases e as enzimas da rota de
biossíntese da lignina. A principal aplicação das xilanases é no
branqueamento da polpa celulósica em, aproximadamente, 50 fábricas na
Europa e 20 na América do Norte. As celulases são usadas,
principalmente, na remoção de tinta durante a reciclagem de papel. As amilases têm uso contínuo na modificação de amido para aplicação na
colagem e no revestimento do papel. As lipases são aplicadas na limpeza
de sistemas de máquinas de papel e no controle de contaminantes.
Grandes avanços foram obtidos na produção de enzimas para esta indústria, graças ao uso de técnicas modernas para engenheirar enzimas.
Os principais desafios para ampliar a aplicação comercial de enzimas no
setor são o aumento da especificidade e da seletividade em níveis
adequados de temperaturas e pH da produção de polpa celulósica e papel. Os impactos das enzimas sobre o rendimento do processo, demanda
química de oxigênio e resistência do papel são também críticos. O
potencial de geração de valor com a aplicação de enzimas foi prospectado,
mas a produção desses biocatalisadores em larga escala, aumento de sua
aplicação industrial e custos de produção são ainda desafios importantes.
Palavras chave: enzimas, patentes, celulases, xilanases, lacases,
lipases, amilase, polpa, papel.
ix
Abstract
DEMUNER, Braz José. INSERTION OF THE ENZYMATIC TECHNOLOGY
IN THE PULP AND PAPER INDUSTRY. Abstract of the DSc Thesis
presented to the Graduate Program on Technology of Chemical and Biochemical Processes of the Federal University of Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, Brazil, 2012.
Supervisors: Nei Pereira Jr, PhD e Adelaide Maria de Souza Antunes, DSc.
The present work aimed at prospecting the application of enzymes in the
pulp and paper industry. Different patent data basis (Web of Science,
Derwent, USPTO, EPO, SIPO, JPO, INPI) were used. International patent
classification and key words strategies were used and 17 areas where enzymes are potentially applied were prospected. For these different areas
of enzyme application 1030 patent documents were critically evaluated.
The clusters and cross correlations were obtained with the VantagePoint®
software. This analysis showed that the scientific interest on enzymes and
their industrial protection are prominent. Different enzymes and their applications were also prospected. The most important enzymes are the
xylanases, cellulases, laccases, lipases, amylases and the enzymes of the
lignin biosynthetic pathway. The xylanases have been applied in pulp
bleaching in approximately 50 mills in Europe and 20 mills in North America. The cellulases have been used to remove inks in the paper
recycling. The enzymatic starch modifications for paper surface sizing and
coating have been made with amylases. Lipases have been currently
applied in paper mills to control slime and pitch. Extensive advances on enzymes production for the pulp and paper industry were reached thanks
to the use of modern biotechnology techniques. Some major challenges to
enlarge the commercial application of enzymes in this industry are the
increase on enzyme specificity and selectivity of desirable levels of
temperature and pH of the pulp and paper productions. Enzymes impacts on process yield, chemical oxygen demand and paper strength are also
critical. A high potential to create value with the application of enzymes
was prospected, however their large scale production, industrial
application, and production costs are still key-challenges.
Keywords: enzymes, patents, cellulases, xylanases, laccases, lipases,
amylases, pulp, paper.
x
Sumário
Resumo ...................................................................................... viii
Sumário ......................................................................................... x
Lista de Siglas e Abreviaturas .................................................... xxvi
Capítulo 1 .................................................................................... 33
Apresentação do Tema da Tese ................................................... 33
Capítulo 2 .................................................................................... 41
O Setor de Polpa Celulósica e Papel ............................................. 41
2.1. A indústria de Polpa Celulósica e Papel no Mundo e no
Brasil: ...................................................................................................... 41
2.2. A Indústria de Papel e Uso de Enzimas .............................. 47
2.3. Indústria de Polpa Celulósica e o Uso das Enzimas ........ 51
2.3.1 Produção de polpa celulósica ..............................................52
2.3.2. Produção de Energia ........................................................62
Capítulo 3 .................................................................................... 65
Enzimas de Interesse para o Setor de Polpa Celulósica e Papel ... 65
3.1. Classificação de Enzimas: ........................................................ 65
3.2. Mercado Mundial de Enzimas de Interesse: ...................... 67
3.3. Enzimas de Interesse para o Setor de Polpa Celulósica e
Papel: ....................................................................................................... 69
3.3.1. Xilanases: .......................................................................70
3.3.2. Celulases ........................................................................80
3.3.3. Lacases e outras enzimas oxidativas (LiPs e MnPs): .............85
xi
3.3.4. Lipases: .........................................................................99
3.3.5. Amilases ....................................................................... 101
3.3.6. Principais Enzimas da Rota de Biossíntese da Lignina: ........ 102
3.4. Considerações Gerais: ............................................................ 108
Capítulo 4 .................................................................................. 111
Metodologias ............................................................................. 111
4.1. Prospecção Tecnológica .......................................................... 111
4.1.1. Visão Geral ................................................................... 111
4.1.2. Prospecções Específicas .................................................. 116
4.1.3. Tratamento dos Dados ................................................... 122
Capítulo 5 .................................................................................. 128
Resultados e Discussão ............................................................. 128
5.1. Prospecção geral sobre enzimas para o setor de polpa
celulósica e papel: ............................................................................. 128
5.1.1. Evolução do número de documentos publicados sobre enzimas
(foco no setor de polpa celulósica e papel, em nível mundial) ....... 128
5.1.2. Evolução do número de patentes sobre enzimas no setor de
polpa celulósica e papel ........................................................... 130
5.1.3. Principais Empresas Detentoras de patentes ..................... 131
5.1.4. Empresas detentoras de patentes: Setor Privado versus
Instituições Públicas ................................................................ 133
5.1.5. Países de prioridade de patentes sobre enzimas para o setor
............................................................................................ 134
5.1.6. Análise do Conteúdo dos depósitos de patentes de interesse
............................................................................................ 134
5.2. Prospecção sobre a aplicação de enzimas para
diferentes áreas importantes do setor de polpa celulósica e
papel ...................................................................................................... 143
xii
5.2.1. Enzimas relacionadas à biossíntese da lignina: .................. 144
5.2.1.1. Definição do tema ......................................................... 144
5.2.1.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas para modificação das fibras........ 147
5.2.1.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 150
5.2.2. Enzimas para a desconstrução/hidrólise enzimática de
materiais lignocelulósicos ......................................................... 154
5.2.2.1.Definição do tema .......................................................... 154
5.2.2.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 155
5.2.2.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 158
5.2.3. Enzimas e microorganismos para a biopolpação de materiais
lignocelulósicos ....................................................................... 168
5.2.3.1. Definição do tema ......................................................... 168
5.2.3.2. Evolução do número de patentes e detentores das
enzimas ............................................................................................. 169
5.2.3.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 171
5.2.4. Enzimas para o descascamento da madeira ...................... 174
5.2.4.1. Definição do tema ......................................................... 174
5.2.4.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 174
5.2.4.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 175
xiii
5.2.5. Enzimas para a deslignificação da polpa celulósica ............. 176
5.2.5.1. Definição do tema ......................................................... 176
5.2.5.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 177
5.2.5.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 178
5.2.6. Enzimas para o branqueamento da polpa celulósica ........... 182
5.2.6.1. Definição do tema ......................................................... 182
5.2.6.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 183
5.2.6.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 185
5.2.7.1. Definição do tema ......................................................... 191
5.2.7.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 192
5.2.7.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 194
5.2.8. Enzimas tolerantes às condições alcalinas ......................... 199
5.2.8.1. Definição do tema ......................................................... 199
5.2.8.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 200
5.2.8.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 201
5.2.9. Enzimas para o tratamento de efluentes ........................... 204
5.2.9.1. Definição do tema ......................................................... 204
xiv
5.2.9.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 205
5.2.9.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 205
5.2.10. Enzimas para Modificação de Amido ............................... 206
5.2.10.1. Definição do tema ...................................................... 206
5.2.10.2. Evolução do número de patentes e os detentores
das enzimas ..................................................................................... 207
5.2.10.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 208
5.2.11. Enzimas para refino da polpa celulósica .......................... 214
5.2.11.1. Definição do tema ...................................................... 214
5.2.11.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 214
5.2.11.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 216
5.2.12. Enzimas para modificação de fibras ................................ 218
5.2.12.1. Definição do tema ...................................................... 218
5.2.12.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas para modificação das fibras........ 219
5.2.12.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 220
5.2.13. Enzimas para a melhoria da drenagem da polpa celulósica e
do papel ................................................................................ 225
5.2.13.1. Definição do tema ...................................................... 225
xv
5.2.13.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 225
5.2.13.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 227
5.2.14. Enzimas para o controle de depósitos (“Slime”) ............... 227
5.2.14.1. Definição do tema ...................................................... 227
5.2.14.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 229
5.2.14.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 230
5.2.15. Enzimas para o controle de “pitch” ................................. 231
5.2.15.1. Definição do tema ...................................................... 231
5.2.15.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 234
5.2.15.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 235
5.2.16. Enzimas para o controle de arrancamento de vasos.......... 237
5.2.16.1. Definição do tema ...................................................... 237
5.2.16.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 238
5.2.16.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 238
5.2.17. Enzimas para a produção de polpa celulósica a partir de papel
reciclado ................................................................................ 240
5.2.17.1. Definição do tema ...................................................... 240
xvi
5.2.17.2. Evolução do número de patentes e principais
detentores das enzimas ............................................................... 241
5.2.17.3. Análise dos documentos de patentes
(complementada com informações de artigos científicos)
............................................................................................................. 241
Capítulo 6 .................................................................................. 246
Tendências e Desafios ............................................................... 246
6.1. Enzimas relacionadas à biossíntese da lignina: ............. 246
6.2. Enzimas para a desconstrução/hidrólise enzimática de
materiais lignocelulósicos ............................................................... 248
6.3. Enzimas e microorganismos para a biopolpação de
materiais lignocelulósicos ............................................................... 250
6.4. Enzimas para o descascamento da madeira ................... 251
6.5. Enzimas para a deslignificação da polpa celulósica ...... 251
6.6. Enzimas para o branqueamento da polpa celulósica ... 253
6.7. Enzimas termoestáveis para o setor de polpa celulósica
e papel ................................................................................................... 255
6.8. Enzimas tolerantes às condições alcalinas....................... 256
6.9. Enzimas para o tratamento de efluentes ......................... 257
6.10. Enzimas para Modificação de Amido ............................... 258
6.11. Enzimas para refino da polpa celulósica ........................ 259
6.12. Enzimas para modificação de fibras ................................ 260
6.13. Enzimas para a melhoria da drenagem da polpa
celulósica e do papel ........................................................................ 260
6.14. Enzimas para o controle de depósitos (“Slime”) ......... 261
6.15. Enzimas para o controle de “pitch” .................................. 262
6.16. Enzimas para o controle de arrancamento de vasos . 262
xvii
6.17. Enzimas para a produção de polpa celulósica a partir
de papel reciclado .............................................................................. 263
Capítulo 7 .................................................................................. 264
Conclusões e Sugestões ............................................................. 264
7.1. As principais conclusões são: ............................................... 264
7.1.1. No tocante às xilanases: ................................................. 265
7.1.2. Quanto às celulases: ...................................................... 266
7.1.3. Sobre as lacases (e outras enzimas oxidativas): ................ 267
7.1.4. Sobre as amilases: ........................................................ 267
7.1.5. Em relação às lipases: .................................................... 267
7.1.6. Sobre as enzimas da rota de biossíntese da lignina: ........... 267
7.1.7. Com relação às enzimas para a desconstrução/hidrólise de
materiais lignocelulósicos: ........................................................ 268
7.2. Sugestões .................................................................................... 268
Referências Bibliográficas ......................................................... 270
xviii
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Números da balança comercial do setor de polpa celulósica e
papel.. ...........................................................................................42
Figura 2.2 – Diferenças da produtividade de florestas. ........................43
Figura 2.3 - Processo simplificado da produção de papel do tipo escrita e
impressão, ilustrando diferentes possibilidades de aplicação de enzimas. 49
Figura 2.4 – Principais constituintes químicos da madeira. ..................52
Figura 2.5 - Fluxograma simplificado de um processo
quimotermomecânico, ilustrando possibilidades de aplicação de
microorganismos e/ou enzimas.. .......................................................53
Figura 2.6 - Fluxo simplificado: a) Croqui do sistema original para
construção de pilha de 50 toneladas de cavacos biotratados e b) Layout de
montagem do equipamento para construção (descontaminação, inoculação
e montagem) da pilha de cavacos.. ....................................................55
Figura 2.7 – Fluxograma da fabricação de polpa celulósica..................55
Figura 2.8 – Diagrama de blocos da fabricação de polpa celulósica, com
indicação das possibilidades de aplicação de enzimas. ..........................56
Figura 2.9 - Digestor de cozimento kraft da madeira..........................57
Figura 2.10 – Evolução da diferentes fontes de produção de energia do
setor de polpa celulósica..................................................................63
Figura 3.1 - Principais aplicações industriais de enzimas. ....................68
Figura 3.2 - Participação de xilanases na hidrólise de xilanas. ..............73
Figura 3.3 - Hipótese para explicar a ação de xilanases na melhoria do
branqueamento. ..............................................................................74
Figura 3.4 - Ação de celulases na hidrólise da cadeia de celulose......... 83
xix
Figura 3.5 - Atuação de diferentes tipos de celulases na hidrólise da
cadeia de celulose...........................................................................84
Figura 3.6 - Estrutura proposta para a CBH I do Trichoderma reesei
mostrando a “cellulose binding domain” (CBM)................................ ...84
Figura 3.7 - Um tipo de CBM I de T. resei interagindo com uma face
planar da celulose. ...........................................................................85
Figura 3.8 - Ilustração da ação de lacases na clivagem da lignina. .......86
Figura 3.9 - Ciclo catalítico de lacases......... .....................................86
Figura 3.10 – Ilustração da hidrólise de triacilgliceróis por lipases.. ......99
Figura 3.11 - Rota de biossíntese da lignina..... ............................... 106
Figura 3.12 - Rota genérica da biossíntese de monômero (monoligninol)
de lignina, ilustrando o fluxo relativo de carbono entre as rotas de
competição...... ............................................................................. 108
Figura 4.1 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
................................................................................................... 114
Figura 4.2 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de
patentes............... ........................................................................ 115
Figura 4.3 - Exemplo ilustrativo de extração de documentos na base
USPTO................................... ...................................................... 115
Figura 4.4 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de
patentes............... ........................................................................ 118
Figura 4.5 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
................................................................................................... 118
Figura 4.6 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de
patentes............... ........................................................................ 121
Figura 4.7 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de
patentes................. ...................................................................... 121
xx
Figura 4.8 – Banco de dados sobre enzimas.......... .......................... 125
Figura 4.9 - Extração de informações sobre enzimas de interesse no
VantagePoint® para obtenção de correlações cruzadas.......... ............. 126
Figura 4.10 - Obtenção de correlações cruzadas no VantagePoint®..... 127
Figura 5.1 - Número de documentos publicados sobre enzimas para o
setor de polpa celulósica e papel. .................................................... 129
Figura 5.2 – Evolução do número de patentes. ................................ 130
Figura 5.3 – Evolução do número de patentes. ................................ 131
Figura 5.4 – Principais empresas detentoras de patentes. ................. 132
Figura 5.5 - Empresas privadas versus públicas. .............................. 133
Figura 5.6 - Países de prioridade de patentes. ................................. 135
Figura 5.7 - Correlações entre enzimas e produção de polpa celulósica e
papel............. .............................................................................. 137
Figura 5.8 - Enzimas mais importantes. .......................................... 138
Figura 5.9 - Principais técnicas biotecnológicas aplicadas na produção de
enzimas para o setor. .................................................................... 139
Figura 5.10 - Correlações entre enzimas e suas principais aplicações.. 141
Figura 5.11 - Visão geral dos principais objetivos na produção e aplicação
das enzimas analisadas na base com 602 patentes. ........................... 142
Figura 5.12 - Proteção das tecnologias de modificação da lignina de
plantas. ........................................................................................ 148
Figura 5.13 - Principais detentores de patentes relacionadas à
modificação da lignina............. ....................................................... 149
Figura 5.14 - Países de prioridade de patentes sobre modificação da
lignina. ......................................................................................... 150
xxi
Figura 5.15 - Patentes sobre enzimas para desconstrução/hidrólise de
biomassas lignocelulósicas........... ................................................... 156
Figura 5.16 – Principais detentores das patentes sobre enzimas para a
desconstrução/hidrólise de biomassas lignocelulósicas. ...................... 157
Figura 5.17 – Principais países de prioridade das patentes sobre enzimas
para a desconstrução/hidrólise de biomassas lignocelulósicos......... .... 157
Figura 5.18 – Evolução do número de patentes sobre biopolpação..... 170
Figura 5.19 – Detentores de patentes sobre biopolpação. ................. 171
Figura 5.20 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
deslignificação da polpa celulósica. .................................................. 178
Figura 5.21 - Empresas e instituições detentoras de patentes sobre
enzimas para a deslignificação da polpa celulósica. ............................ 179
Figura 5.22 – Principais países detentores de patentes sobre enzimas
para a deslignificação da polpa
celulósica................................................ ..................................... 180
Figura 5.23 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
branqueamento. ............................................................................ 184
Figura 5.24 - Empresas detentoras de patentes sobre branqueamento.
................................................................................................... 185
Figura 5.25 – Principais países de prioridades de patentes sobre
branqueamento. ............................................................................ 186
Figura 5.26 - Número de artigos científicos publicados sobre
branqueamento da polpa celulósica............... .................................. 190
Figura 5.27 – Evolução do número de patentes sobre enzimas
termoestáveis. .............................................................................. 193
Figura 5.28 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas
rmoestáveis........... ....................................................................... 193
xxii
Figura 5.29 - Países de prioridade de patentes sobre enzimas
termoestáveis.................. ............................................................. 194
Figura 5.30 – Evolução do número de patentes sobre enzimas
alcalinas............. .......................................................................... 200
Figura 5.31 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas
alcalinas...................................................... ................................ 201
Figura 5.32 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
modificação de amido. ................................................................... 209
Figura 5.33 - Principais empresas das patentes sobre enzimas para a
modificação de amido. ................................................................... 209
Figura 5.34 – Princiapis países de prioridade de patentes sobre enzimas
para modificação de amido ............................................................. 210
Figura 5.35 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
refino da polpa celulósica e papel. ................................................... 215
Figura 5.36 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para o
refino da polpa celulósica e papel. ................................................... 215
Figura 5.37 – Evolução do número de patentes sobre modificação de
fibras com enzimas. ....................................................................... 219
Figura 5.38 - Detentores de patentes sobre modificação de fibras com
enzimas. ...................................................................................... 220
Figura 5.39 – Evolução do número de documentos de patentes sobre
drenagem.. ................................................................................... 226
Figura 5.40 - Detentoras de patentes sobre drenagem......... ............ 226
Figura 5.41 – Evolução do número de patentes sobre controle de “slime”
com enzimas.............................. .................................................. 229
Figura 5.42 - Empresas detentoras de patentes sobre controle de “slime”
com enzimas................................................ ................................ 230
xxiii
Figura 5.43 – Evolução do número de patentes sobre controle de
“pitch”........................................................................... .............. 234
Figura 5.44 - Empresas detentoras de patentes sobre controle de
“pitch”.......................................... ............................................... 235
Figura 5.45 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
controle do arrancamento de vasos................................. ................ 239
Figura 5.46 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para o
controle do arrancamento de vasos.............. ................................... 239
Figura 5.47 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
produção de polpa celulósica a partir de papel reciclado..................... 242
Figura 5.48 – Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para a
produção de polpa celulósica a partir de papel reciclado..................... 243
xxiv
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Posicionamento dos maiores produtores de polpa celulósica
e papel. ..........................................................................................46
Tabela 2.2 – Perspectivas para o setor de polpa celulósica e papel
brasileiro entre 2010 e 2020........................................................ ....46
Tabela 4.1 – Termos da busca para as 17 áreas de aplicação de
enzimas............................................................. .......................... 119
Tabela 4.2 – Matriz de informações obtidas dos documentos de
patentes.................................... .................................................. 123
Tabela 5.1 – Número de documentos de patentes sobre diferentes temas
do setor de polpa celulósica e papel............................... .................. 146
Tabela 5.2 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas da rota de biossíntese da lignina................................ 153
Tabela 5.3 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para a desconstrução/hidrólise de materiais
lignocelulósicos.................................................... ......................... 160
Tabela 5.4 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas e microorganismos para a biopolpação de materiais
lignocelulósicos...................................... ....................................... 173
Tabela 5.5 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para a deslignificação da polpa celulósica. ................... 181
Tabela 5.6 – Resumo das principais enzimas oxidativas comerciais para a
catálise da lignina. ......................................................................... 182
Tabela 5.7 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o branqueamento da polpa celulósica................... 188
Tabela 5.8 – Resumo das principais xilanases comerciais disponíveis para
aplicação no branqueamento............................................ .............. 189
xxv
Tabela 5.9 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas termoestáveis para o setor de polpa celulósica e papel.. 196
Tabela 5.10 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas resistentes às condições alcalinas...............................203
Tabela 5.11 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para a modificação do amido.....................................212
Tabela 5.12 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o refino da polpa celulósica.................................217
Tabela 5.13 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para a modificação das fibras..................................... 223
Tabela 5.14 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para a melhoria da drenagem da polpa celulósica......... 228
Tabela 5.15 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o controle de depósitos (“slimes”)....................... 232
Tabela 5.16 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o controle de “pitch”.......................................... 236
Tabela 5.17 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o controle de arrancamento de vasos................... 240
Tabela 5.18 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para produção de polpa celulósica a partir de papel
reciclado....................................................................................... 244
xxvi
Lista de Siglas e Abreviaturas
35S: Promotor do vírus do mosaico da couve-flor
4CL: “4-Coumarato Co-Enzima A Ligase”
ABRAF: Associação Brasileira de Produtores de Florestas Plantadas
ABTS: [ácido 2,2'-azinobis-(3-etilbenzitiazolina-6)-sulfônico]
AHA: Ácido acetohidroxâmico
AHB: Ácido 4-hidroxi-benzóico
AIdOMT: “Aldehyde O-methyltransferase gene”
Al2(SO4)3: Sulfato de alumínio
AlCl3: Cloreto de alumínio
AMATA: Empresa florestal brasileira – Inteligência da floresta viva
ANFPC: Associação Nacional dos Fabricantes de Papel e Celulose
atm: Unidade de pressão
Bar: Unidade de pressão
BCTMP: Polpa quimotermomecânica branqueada
BRACELPA: Associação Brasileira de Celulose e Papel
BRIC: Brasil, Rússia, índia e China
C0: Composto zero
C12:Classificação internacional de patentes que corresponde a chemistry;
biochemistry; beer; spirits; wine; vinager; microbiology; enzymology;
mutation or genetic engineering
C12N: Vai além da definição para C12: microorganisms or enzymes:
compositions thereof
C3H: “4-Hidroxicinamato 3-Hidroxilase”
C4H: “Cinamato 4-Hidroxilase”
C6C3: Carbono 6 e Carbono 3
CaCl2: Cloreto de cálcio
CaCO3: Carbonato de Cálcio
xxvii
CaCO3: Carbonato de cálcio
CAD: “Cinamil Álcool Dehidrogenase”
CAld5H: “Coniferaldehyde 5-hydroxylase”
CAPES: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CBH: “Cellobiohydrolases”
CBH2: Celobiohidrolases 2
CBHI: Celobiohidrolases I
CBM: “Cellulose Binding Module”
CBP: Bioprocesso consolidado
CCoA-3H: “Coumaroil-Coenzima A 3-Hidroxilase”
CCoA-OMT: “Cafeiol-Coenzima A O-Metiltransferase”
CCR: “Cinamil-CoA Redutase”
CCR: “Cinamoil-CoA Redutase”
CDH: Celobiose-Desidrogenase
CH3: Grupo metil
CI: Composto I
CII: Composto II
CIP I: Tipo de proteína não hidrolítica
CIP: Classificação Internacional de Patentes
CMCase: medição de atividade enzimática em carboxi-metil-celulose
CO2: Gás carbônico
COMT: “Ácido Caféico 3-O-Metiltransferase”
COMT: “Catecol-O-Metil Transferase”
CONAB: Companhia Nacional de Abastecimento
CTC: Centro Tecnologia Canavieira
CTMP: Polpa quimotermomecânica
CTNBio: Comissão Técnica Nacional de Biossegurança
Cu+1: Íon cobre monovalente
Cu+2: Íon cobre bivalente
DHP: Lignina sintética do tipo "dihydropyrimidinase"
xxviii
DIP: “Deinked paper”
DNA: Ácido desoxirribonucléico
DQO: Demanda Química de Oxigênio
dsDNA: “Double-stranded” DNA
EC: Comissão de Enzima
EG2: Endoglucanases 2
EG4: Endoglucanases 4
EGI: Endoglucanases I
EP: Base Espacenet – coleção completa das aplicações de patentes
publicadas na Europa
EPO: Sigla da base européia de patentes (“European Patent Office”)
Ep-PCR: “Error prone-polymerase chain reaction”
EUA: Estados Unidos da América
EXCEL: “Software” do pacote “Office” da “Microsoft”
F5H: “Ferulato 5-Hidroxilase”
FeCl3: Cloreto férrico
FeCO3: Carbonato ferroso
FeSO4: Sulfato ferroso
FOB: "Free on Board"
FPU/g: Unidade de atividade enzimática em “filter-paper units”/grama
FT-IR: Espectroscopia infra vermelho com transformada de Fourier
GFAT: Glutamina-Frutose-6-Fosfato Transaminase
H/G/S: p-Hidroxifenil/Guaiacil/Siringil
h: hora
H2CO3: Ácido carbônico
H2O: Água
H2O2: Peróxido de Hidrogênio
H3PO4: Ácido fosfórico
HBT: hidroxibenzotriazol
HCl: Ácido clorídrico
xxix
HCT: “Hidroxicinamoil CoA-“shikimate”/quinato Transferase”
HNO3: Ácido nítrico
HRP: “Horse Rardish Peroxidase”
IFP: Instituto Francês de Petróleo
INPI: Sigla da base brasileira de patentes (Instituto Nacional de
Propriedade Industrial)
IP: Nomenclatura para busca de patentes via classificação internacional de
patentes na base da “Derwent Innovations”
IPC: “International patent classification”
IPC: “International Patent Classification”
ISI: Base de dados “ISI Web of Knowledge”, da Thomson Reuters
ISO: Sigla que em inglês significa “International Organization for
Standardization”
JPO: Sigla da base japonesa de patentes (“Japan Patent Office”)
Kappa: Medida do residual de lignina em uma polpa
Kg: kilograma
LADEBIO:Laboratórios de Desenvolvimento de Bioprocessos da UFRJ/EQ
Lac: Lacase
Lacs: Lacases
LCC: Complexo entre lignina e carboidratos
LICCR: “Gene Leucaena leucocephala cinnamoyl CoA reductase”
LiP: Lignina peroxidase
LiP: Lignina peroxidases
LMS: Sistema Lacase/Mediador
LMS1: Sistema Lacase/Mediador de uma polpa 1
LMS2: Sistema Lacase/Mediador de uma polpa 2
LMS3: Sistema Lacase/Mediador de uma polpa 3
m³/ha/ano: Metros cúbicos por hectare por ano
MAPA: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
MDIC: Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior
xxx
ml/h: mililitros por hora
mM: Concentração em Mili Molar
Mn (II): Íon manganês bivalente
Mn (III): Íon manganês trivalente
Mn+2: Íon manganês bivalente
Mn+3: Íon Manganês trivalente
MnCl2: Cloreto de manganês
MnO2: Óxido de manganês
MnP: Manganês peroxidase
MnPs: Manganês peroxidases
MnSO4: Sulfato de Manganês
MPa: Unidade de pressão
mRNA: Ácido ribonucléico mensageiro
MZKI: Nome de uma coleção de cultura, localizada na Eslovênia
Na2CO3: Carbonato de sódio
NC-IUBMB: Comissão de Nomenclatura – União Internacional de
Bioquímica e Biologia Molecular
NREL: “National Renewable Energy Laboratory”
O2: Oxigênio
ºC: Unidade de temperatura (em Celsius)
OCC: “Old Corrugated Container”
OECD: “Organization for Economic Cooperation and Development”
ºK: Unidade de temperatura (em Kelvin)
OMT: “Ometiltransferase”
P&D: Pesquisa e Desenvolvimento
PAL: “Fenilalamina AmôniaLiase”
PAPRICAN: Instituto de Pesquisas no Canadá
PAPRICAN: Pulp and Paper Research Institute of Canada
PC-IDMS: “Protein Cleavage-Isotope Dilution Mass Spectrometry”
PcL: Lacases de Pycnoporus cinnabarinus
xxxi
PCR: “Polymerase Chain Reaction”
PCT: “Patent Cooperation Treaty” – tratado de cooperação de patentes
PEG: Polietileno Glicol
pH: Potencial hidrogeniônico
PHB: Polihidroxibutirato
PhOH: Substrato fenólico
PIB: Produto Interno Bruto
Pm4CL1: “Gene Pinus massoniana Lamb”
ppm: Unidade que expressa partes por milhão
PSI: Unidade de pressão
R&D: “Research and Development”
RCC: “Recycled cardboard cartons”
RISI: Sigla de uma instituição que prepara bancos de dados denominados
“Repository of Industrial Security Incidents”
RNA: Ácido ribonucléico
SAM: S-adenosilmetionina
SECEX: Secretaria de Comércio Exterior
SIPO: Siga da base chinesa de patentes (“China's State Intellectual
Property Office”)
SO2: Dióxido de enxofre
SP: São Paulo
SS: Ligações disulfeto
SSF: “Simuiltaneuous Sacarification and Fermentation”
STFI: Instituto de pesquisa situado em Estocolmo, Suécia
Stickies: Contaminantes orgânicos na fabricação de papel
TAL: “Tirosina Amônia Liase”
TCF: “Total Chlorine Free”
TMP: Polpa termomecânica
TOC: “Total Organic Compound”
Ton: Tonelada
xxxii
Trp: Aminoácido triptofano
TS: Nomenclatura para busca de palavras chave no tópico para a base de
patentes da “Derwent Innovations”
TYR: “Tyrosine”
U/grama: Unidade por grama
UFRJ: Universidade Federal do Rio de Janeiro
UI/g: Unidade Internacional/grama
UIB: União Internacional de Bioquímica
US$: Moeda Norte America que significa Dólar
USA: Estados Unidos da América
USP: Universidade de São Paulo
USPTO: Sigla da base americana de patentes (“US patent Office”)
VA: Ácido violúrico
VantagePoint®: “Software” comercial para tratamentos de informações na
forma de texto
VPs: Peroxidases versáteis
VTT: Instituto de pesquisas, situado em Helsinki, FI
WIPO: “World Intellectual Property Organization”
WO: Sigla para patentes que são aplicadas internacionalmente, de acordo
com a WIPO (aplicação via PCT)
XP1: Xilanase tipo 1
XP2: Xilanase tipo 2
ZnCl2: Cloreto de zinco
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
33
Capítulo 1
Apresentação do Tema da Tese
O setor de polpa celulósica1 destaca-se no cenário mundial por ser
um forte gerador de empregos e de divisas, investimentos e crescimento
contínuo. Este cenário favorável é decorrente de muitos investimentos e
desenvolvimentos tecnológicos. A liderança atingida justifica a
necessidade de investir ainda mais em pesquisas, tecnologias e inovações,
visando ampliar as vantagens competitivas do setor (BRACELPA, 2011).
A verticalização da produção, o uso intensivo de capital e o estágio
tecnológico atingido são algumas das características marcantes do setor.
O desenvolvimento de novas tecnologias e a inserção de inovações são
elementos chave para suportar a competitividade e o crescimento previsto
para o futuro do setor. Estudos de Buainain e Batalha (2007) e Figueiredo
(2011) mostram a importância da capacidade inovadora das empresas
para explorar novas oportunidades tecnológicas, em termos de
diversificação para novas linhas de negócios.
1 O termo “celulose” apresenta um duplo significado: a) significado químico:
polissacarídeo, formado por unidades de D-anidroglicose unidas através de ligações Beta-1,4 que, por hidrólise, produz única e exclusivamente moléculas de glicose; e b) significado técnico: produto resultante da transformação da madeira por diferentes processos (mecânicos e químicos). A madeira assim transformada recebe o nome de pasta, polpa ou celulose (BARRICHELLO e BRITO, 1979). Nesta tese, adotaremos o termo celulose referindo-se ao significado químico e a expressão polpa celulósica para expressar o significado técnico.
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
34
A indústria de polpa celulósica brasileira destaca-se com uma das
melhores performances mundiais. É importante ainda citar que o modelo
florestal brasileiro adotado a partir, principalmente, do início dos anos 70
foi e continua sendo muito inovador. As florestas obtidas a partir de um
modelo e plantio agrossilvicultural2, em mosaico3, com investimentos
contínuos em pesquisas, no melhoramento genético, conhecimento do
solo, necessidades e balanços nutricionais, efeitos edafoclimáticos4, dentre
outros, vem posicionamento o Brasil como um dos países mais
competitivos nesta área, cujas inovações são destacadas por Figueiredo
(2011).
O setor brasileiro sobressai também pelas contínuas modernizações
do parque industrial e introdução de alternativas inovadoras na logística
de madeira e de polpa celulósica. Como resultados destes investimentos,
nos últimos anos, a indústria de polpa celulósica e papel tem apresentado
um crescimento acelerado no Brasil, o que o colocou, em 2011, em 4º
lugar na produção mundial de polpa celulósica e em 9º na de papel.
As principais necessidades da indústria de polpa celulósica e papel
são de desenvolvimento e introdução de inovações tecnológicas para
2 Em uma definição geral, a agrossilvicultura oferece diferentes modalidades de uso mais
racional do solo,onde se associam culturas e, ou, animais com a finalidade de maximizar o lucro por unidade de área. Além disso, a associação traz um ganho ecológico, uma vez que são respeitadas as exigências das plantas e dos animais em sincronismo com o ambiente, permitindo que as atividades sejam sustentáveis (SBS, 2008 e VALLE, 2004). 3 A plantação de florestas é feita de forma a compor um rico mosaico ecoflorestal, englobando nesse complexo muitos ecossistemas naturais, como matas nativas, campos naturais, sistemas lacustres, áreas pantanosas e afloramentos rochosos, entre outros (CNA, 2011). 4 São características relativas à relação planta-solo-clima para o plantio de uma determinada cultura (EMBRAPA, 2012).
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
35
consolidar as vantagens competitivas em mínimo custo de fabricação e
geração de maior valor agregado para os clientes e acionistas. É sabido
que inovações com maior chance de apresentarem viabilidade técnica e
econômica e, conseqüentemente, de serem introduzidas no processo
produtivo são aquelas que apresentam: maior potencial de minimizarem o
uso dos recursos naturais; máximo rendimento; menor custo de
fabricação; mínimo impacto ambiental; e máxima diferenciação da
qualidade (YIN, 1998; MEADOWS e SYNOVEC, 1997, BUAINAIN e
BATALHA, 2007, ELSHOUT, 2010, COMMONWEALTH AUSTRALIA, 2010,
VILLARREAL, 2011, MORAIS, 2011).
Dentre as várias frentes tecnológicas com potencial de atender as
necessidades citadas para a produção de polpa celulósica e papel,
destaca-se a tecnologia enzimática. Enzimas são biocatalisadores, com
aplicação de caráter ambiental e sustentável, requerem pequeno
investimento para a sua adoção industrial, relativamente a outras
tecnologias desta indústria. Portanto, não há dúvidas de que as enzimas
são inovações que deverão ser cada vez mais avaliadas e aplicadas no
setor de polpa celulósica e papel.
Algumas enzimas vêm sendo usadas, em diferentes aplicações,
durante anos, na produção de papel. Mas na fabricação de polpa
celulósica, a literatura especializada relata que o primeiro teste com
enzimas neste setor foi na década de 80 (VIIKARI et al., 1986) e, até o
presente momento, esta indústria é um usuário tímido de enzimas.
Entretanto, no geral, os dados do crescimento do uso de enzimas é
animador. O mercado global de enzimas industriais foi de US$ 2 bilhões
em 2004, US$ 2,2 bilhões em 2006, US$ 3,1 bilhões em 2009, US$ 3,6
bilhões em 2010, US$ 3,9 bilhões em 2011 e tem projeção de US$ 6
bilhões para 2016 (BCC RESEARCH INC, 2004, 2011 e 2012). Dados
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
36
destes relatórios e também do ETEPS-AISBEL (2005) indicam que o setor
de celulose papel corresponde a 4 a 6% do volume total de aplicação de
enzimas industriais. Estes dados permitem calcular um crescimento médio
de 13% ao ano entre 2002 a 2011, para o consumo de enzimas para o
setor de papel e celulose, com uma projeção de crescimento de 10% ao
ano até 2016. Em contraste, dados anteriores do Market Research News
(2011) indicam valores de crescimento 50% menores daqueles citados
pela BCC Research Inc. (2012), mas mesmo assim os volumes são
expressivos.
Algumas revisões sobre enzimas para a produção de polpa celulósica
foram realizadas (BAJPAI, 1992, VIIKARI, 1994; KIRK, 1996; SUURNAKKI,
1997; BAJPAI, 1999; BEG, 2001; KENEALY, 2003). Estas contribuíram
significamente para consolidar os primeiros resultados atingidos e
evidenciar as dificuldades existentes na sua aplicação. Mais recentemente,
várias novas revisões e estudos sobre o tema revelam que este assunto
continua com um grande interesse científico e comercial (BAJPAI, 2006,
PAVAN, 2008; DHIMAN, 2008, CASTRO e PEREIRA JR, 2010; GIBBES et
al., 2010; EBRAHIMI, 2010; CANAS e CAMARERO, 2010; SHRINIVAS et
al., 2010; WANG et al., 2010; WANG et al., 2010; VALLS et al., 2010;
LECOURT et al. (2010); BARROS et al., 2010; MACIEL, 2010, BAJPAI,
2012; LAOTHANACHAREON, et al., 2011; NAGAR et al., 2011; VALLS et
al., 2011; KHONZUE et al., 2011; MISHRA e THAKUR, 2011; PRITI et al.,
2012; PRAKASH, 2012; FILLAT et al., 2012). Nestas é notadao que novas
enzimas e aplicações são estudadas, como por exemplo as xilanases mais
termoestáveis e enzimas para a redução do consumo de energia no setor.
Adicionalmente, existe uma corrida na produção de enzimas melhoradas
para a produção de biocombustíveis e bioprodutos a partir de biomassa
lignocelulósica (um setor industrial diferente de polpa celulósica e papel).
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
37
De forma resumida, verifica-se que é inegável que ocorreram
grandes avanços no desenvolvimento da tecnologia enzimática para
diferentes usos no setor. Entretanto, é notório que as informações sobre
enzimas são dispersas e não totalmente conhecidas pela indústria de
polpa celulósica e papel, o que dificulta o avanço tecnológico e limita a
ampliação da sua adoção em escala industrial.
Sob outro ponto de vista, muitos dos desenvolvimentos sobre
enzimas foram realizados por empresas de biotecnologia, praticamente
sem uma interface com o setor de polpa celulósica e papel, o que também
limita a difusão do conhecimento e a produção de enzimas mais
específicas às necessidades do setor. Como conseqüência, a aplicação de
enzimas (como exemplos as celulases, xilanases, amilases e lipases)
continua com maior ênfase em algumas áreas do setor de papel,
principalmente na formulação de aditivos de revestimentos à base de
amido e à reciclagem do papel, na qual a limpeza é um fator essencial. Na
produção de polpa celulósica o uso é ainda bastante limitado para facilitar
o branqueamento5, com o uso de xilanases.
Justifica-se, portanto, a realização desta prospecção tecnológica
sobre enzimas no setor de polpa celulósica e papel. Julga-se pertinente
reunir as fontes de informações e de conhecimentos relevantes sobre a
tecnologia enzimática disponíveis na literatura e, de forma especial e
crítica, nas patentes. Desta forma, esta tese busca entender a inserção
atual e propor alternativas para ampliar a aplicação da tecnologia
enzimática nesta indústria.
5 Processos químicos, realizados em diferentes estágios, intercalados com lavagens, para
aumentar o grau de alvura da celulose.
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
38
Objetivo Geral:
Esta tese tem como objetivo prospectar a aplicação de enzimas no
setor de polpa celulósica e papel, para incrementar a vantagem
competitiva desta indústria.
Objetivos Específicos:
1. Descrever as principais enzimas de interesse para o setor;
2. Identificar as principais aplicações nos processos produtivos de
polpa celulósica e papel;
3. Identificar os principais avanços já obtidos sobre a tecnologia
enzimática;
4. Identificar as principais tendências e desafios, como fatores
chave para o desenvolvimento da tecnologia enzimática e a
expansão da sua inserção no setor;
5. Realizar uma análise crítica das informações relevantes
contidas nas patentes sobre enzimas para as diferentes áreas
do setor.
A fim de proporcionar uma exposição mais ordenada, esta tese foi
dividida em 8 capítulos. A apresentação do tema da tese corresponde ao
primeiro capítulo.
O capítulo 2 apresenta uma descrição geral do setor de polpa
celulósica e papel. São apresentadas as justificativas da importância
econômica, tecnológica e social do setor, sob a visão mundial, mas
principalmente para o Brasil, que vem se destacando, principalmente, na
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
39
produção de polpa celulósica, graças a um modelo inovador e estruturado
implantado nos últimos 45 anos.
O capítulo 3 contém uma visão geral sobre as enzimas de interesse
para o setor de polpa celulósica e papel, enquanto que o capítulo 4
apresenta a metodologia utilizada neste trabalho.
O capítulo 5 descreve os principais resultados obtido neste estudo
prospectivo sobre a inserção de enzimas no setor de polpa celulósica e
papel, enquanto que o capítulo 6 descreve as principais tendências e
desafios da tecnologia enzimática para o setor de polpa celulósica e papel.
Por fim, no capítulo 7, são apresentadas as principais conclusões,
além de sugestões para trabalhos futuros. O capítulo 8 apresenta as
referências bibliográficas, as quais são também compostas por patentes
analisadas criticamente neste estudo.
O desenvolvimento da tese de doutorado permitiu a seguinte
produção bibliográfica:
DEMUNER, B.J.; PEREIRA JR., N.; AND ANTUNES, A.M.S. Technology
Prospecting on Enzymes for the Pulp and Paper Industry. J. Technol.
Manag. Innovation. Vol.6, No. 3, pp. 148-157, October – December 2011.
DEMUNER, B.J.; PEREIRA JR., N.; AND ANTUNES, A.M.S. Technology
Prospecting on Enzymes for the Pulp and Paper Industry. In: XVIII
Capítulo 1 – Apresentação do Tema da Tese
40
Simpósio Nacional de Bioprocessos - Anais do SINAFERM 2011, 2011.
Caxias do Sul - RS: EDUCS, 2011. v. 1. p. 1-6.
DEMUNER, B.J.; PEREIRA JR., N.; AND ANTUNES, A.M.S. Propriedade
Intelectual e Interesse Científico no Desenvolvimento Tecnológico de
Enzimas para a Produção de Celulose. In: Anais:IV ENAPID: Encontro
Acadêmico de Propriedade Intelectual, Inovação e
Desenvolvimento –14 a 16 de Setembro.de 2011. Rio de Janeiro - RJ.
INPI, 2011. P1067-1087. ISBN 978-85-7543-08-0.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
41
Capítulo 2
O Setor de Polpa Celulósica e Papel
2.1. A indústria de Polpa Celulósica e Papel no Mundo e
no Brasil:
O setor de polpa celulósica e papel tem importância destacada no
cenário mundial. Apresenta um grande número de fábricas (5520 fábricas,
em 2007), espalhadas em todos os continentes (U.S. CENSUS BUREAU,
2008). Tem uma participação destacada no PIB. Por exemplo, em países
como o Canadá, Suécia e Brasil, o setor corresponde com 2,0 a 3,5% do
PIB e apresenta um crescimento de aproximadamente 3% ao ano
(FORESTY; WOOD; PULP AND PAPER SECTORAL ACTIVITIES, 2008). O
Brasil possui 4% do número mundial de fábricas, que gera 115.000
empregos diretos e 575.000 indiretos e apresenta um modelo inédito e
inovador de florestas plantadas e preservadas (BRACELPA, 2012).
Segundo Buainain e Batalha (2007) os investimentos realizados pelo
setor de polpa celulósica e papel brasileiro são significativos. Eles
permitiram a inserção do Brasil no mercado internacional, com qualidade
destacada de produto, além de tornar-se o maior produtor mundial de
polpa celulósica de fibra curta de mercado. Com este cenário de
investimentos, esta indústria destaca-se com as exportações do país, cuja
evolução positiva pode ser vista na figura 2.1. Em 2011 as exportações
foram de US$ 7,2 milhões FOB, com um saldo comercial de 5,1 milhões
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
42
FOB (BRACELPA, 2012), o que representa, respectivamente, 2,8% das
exportações brasileiras e 17% do saldo da balança comercial
(SECEX/MDIC, ago.2012).
Figura 2.1 - Números da balança comercial do setor de polpa celulósica e
papel. Fonte: BRACELPA (2012).
O potencial de crescimento da área de florestas plantadas no Brasil
não é decorrente apenas do clima e do solo favoráveis. É resultado,
principalmente, dos investimentos em pesquisas e tecnologias, formação e
contratação de mão-de-obra qualificada, setor privado organizado,
planejamento sócio-ambiental, manejo florestal e rotação de áreas
plantadas (BRACELPA, 2012 e SWEDISH TRADE COUNCIL BRAZIL, 2006,
BUAINAIN BATALHA, 2007). Em 2011 a área total e plantios de eucalipto
e pinus totalizou 6.515.844 hectares (ABRAF, 2012), o que corresponde a
0,8% da área total do território nacional – 7ª maior área plantada do
mundo (AMATA, 2009).
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
43
Como respostas ao modelo de agronegócio adotado no plantio de
florestas, atualmente o setor brasileiro de polpa celulósica e papel
apresentam excelentes níveis de produtividade. O rendimento produtivo
resulta do maior rendimento de polpa celulósica por metro cúbico de
madeira por hectare a cada ano (m³/ha.ano). A figura 2.2 ilusta que,
quando comparadas às de outros países, as florestas plantadas de
eucalipto e pinus no Brasil são as que têm o menor ciclo de crescimento
no mundo (BRACELPA, 2010, 2012, ABRAF, 2012, BUAINAIN BATALHA,
2007). Desta forma, no Brasil, a área de cultivo florestal necessária para a
fabricação de 1,5 milhão de toneladas de polpa celulósica por ano é de
140 mil hectares. Este valor corresponde a um terço da utilizada na
Escandinávia, por exemplo.
Figura 2.2 – Diferenças da produtividade de florestas. Fonte: ABRAF
(2012).
Outras vantagens competitivas são a diferenciação da qualidade da
polpa celulósica de eucalipto para a fabricação de papéis especiais,
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
44
sanitários e escrita e impressão e a estrutura de exploração. As florestas
dispostas em um raio de distância próximo às fábricas evitam a
manutenção de estoques e o corte antecipado, bem como têm custos de
transporte reduzidos (BUAINAIN E BATALHA, 2007).
O Brasil inovou na adoção da técnica de clonagem6 do eucalipto,
sendo pioneiro na sua adoção comercial, a partir de um processo de
interação entre empresas, universidades e governo (MONTEBELLO E
BACHA, 2009). A partir daí, os investimentos em pesquisa e tecnologia só
aumentaram. O manejo florestal sustentável7, apoiado pelo
desenvolvimento tecnológico e genético, é um dos pilares da
competitividade global do setor nacional, que garante ao Brasil uma
posição de destaque internacional.
Adicionamente, Penido (2010) cita que a indústria brasileira de
papel e polpa celulósica tem na sustentabilidade o melhor caminho para
gerar e distribuir valor de modo equilibrado entre negócio, sociedade e
meio ambiente. Preservar recursos naturais e promover a inclusão social
na cadeia de valor na produção de florestas, polpa celulósica e papel são
fundamentais para o sucesso do setor, que tem no plantio florestal o seu
principal diferencial.
6 É uma técnica de propagação vegetativa, via estaquia por ( enraizamento de estacas). Foi introduzida em 1979, no Espírito Santo, sendo atualmente largamente usada em todo o Brasil ( CAMPINHOS E IKEMORI, 1983).
7 (Decreto 1.282, de 1994): Entende-se por manejo florestal sustentável a administração da floresta de modo a se obter benefícios econômicos e sociais, respeitando-se mecanismos de sustentação do ecossistema objeto do manejo.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
45
Diante destas vantagens competitivas, o Brasil tem se destacado
com um crescimento da indústria de polpa celulósica brasileira: saltou 0,8
milhões de toneladas em 1970 para 14,1 milhões em 2011, de tal forma
que atualmente o Brasil é o 4º maior produtor de polpa celulósica (tabela
2.1).
Outro fator que puxa o crescimento mundial de polpa celulósica é o
consumo mundial de papel. Enquanto na década de 80 o consumo
mundial de papel foi de 168 milhões de toneladas, em 2010 aumentou
para 394 milhões de toneladas (BRACELPA, 2009 e 2012).
O Brasil destaca-se com um crescimento médio anual de papel,
entre 1970 a 2011, de 5,5% (BRACELPA, 2012). Em 2010 o Brasil ocupou
a 10ª posição mundial na produção de papel, enquanto que os três
maiores produtores mundiais de papel, em 2009, foram a China, EUA e
Japão (tabela 2.1). Um contraste importante aparece ao analisar o
consumo per capita de papel. O Brasil, com um consumo per capita de
48,6 kg, em 2010, está abaixo da média mundial, que é de 57,0 kg per
capita. A Finlândia, com o mais alto consumo per capita (280,6 kg, em
2010) é 5,7 vezes mais elevado do que o do Brasil. Logo abaixo da
Finlândia, temos a Alemanha com 242,6 kg, os USA com 204,2 kg e o
Japão com 220,4 kg per capita (BRACELPA, 2012).
Diante dos crescimentos citados para as produções de polpa
celulósica e papel brasileiros, existem projeções de investimentos,
conforme ilustrado na tabela 2.2. Analisando os dados das tabela 2.1
podemos concluir que não há uma relação direta entre a produção de
polpa celulósica brasileira como consumo de papel brasileiro. Esta situação
pode ser explicada, principalmente, pelo fato de que o modelo brasileiro
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
46
de produção de polpa celulósica é para exportação, para abastecer os
principais consumidores mundiais de papel, enquanto que a produção de
papel brasileira é para o uso doméstico.
Tabela 2.1 – Posicionamento dos maiores produtores de polpa celulósica
e papel. Fonte: BRACELPA (2012).
Tabela 2.2 – Perspectivas para o setor de polpa celulósica e papel
brasileiro entre 2010 e 2020. Fonte: BRACELPA (2010).
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
47
2.2. A Indústria de Papel e Uso de Enzimas
A indústria de papel é constituída, basicamente, por quatro grandes
segmentos: 1) escrita e impressão; 2) higiene pessoal; 3) papelão e
papéis para embalagens; e 4) papéis especiais. O primeiro segmento
alcançou a maturidade, com taxa de crescimento baixa (estável),
principalmente nos países desenvolvidos.
Mas na última década, papéis para jornal e alguns tipos de revistas
vem sendo substituídos, principalmente, pela mídia eletrônica. No
entanto, há ainda nichos que continuam consumindo quantidades
elevadas, como é o caso de papéis para a impressão de revistas
especializadas.
É importante ainda considerar que em países em desenvolvimento,
com destaque para Brasil, Rússia, Índia e China o consumo per capita de
papel é relativamente baixo em relação aos países industrializados, e o
crescimento deste segmento é contínuo. No Brasil, especialmente, nota-se
que o crescimento de produção de papel é inferior ao crescimento da
produção de polpa celulósica. Isto pode ser explicado por três razões: 1) o
país possui um modelo bem estruturado para produção de polpa celulósica
de alta qualidade para exportação; 2) o consumo per capita de papel é
relativamente baixo; e 3) os gargalos e elevados custos de logística de
exportação de bobinas (elevado volume) de papel tende a inviabilizar a
exportação, frente à elevada competitividade das empresas de grande
porte neste segmento em outros países.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
48
O segmento de papéis de higiene pessoal (papéis faciais, sanitários,
toalhas) tem crescimento regular nos países desenvolvidos (em geral
acompanha o crescimento do PIB), enquanto que é muito alto nos países
em desenvolvimento. Outro fator de destaque é que não há previsão de
substitutos para estes tipos de papéis.
O segmento de papelão e papéis para embalagens é o de maior
volume mundial. Tem crescido constantemente, acompanhando a
evolução de outros setores que demandam cada vez mais o uso de
embalagens. Mais recentemente vem crescendo a demanda por
embalagens especiais, como exemplos para produtos farmacêuticos e
alimentícios (MÄKI e MANNINEN, 2012, BITTERMANN e NEUMANN, 2012).
O segmento de papéis especiais é o de menor volume, em geral
requer produções muito bem planejadas (sob demanda). Embora o
volume corresponde a apenas 5% do consumo mundial de papel, o
segmento de papéis especiais atinge mais alto valor agregado do que
outros tipos de papéis que são produzidos em elevados volumes (VOITH
PAPER, 2008).
A indústria de fabricação de papel é caracterizada por uso de
considerável quantidade de materiais renováveis (tais como madeira, da
qual é extraída a polpa celulósica, papéis reciclados e água). O uso de
produtos não renováveis, tais como óleo e/ou gás na geração de energia,
é relativamente pequeno, comparativamente aos outros segmentos
industriais.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
49
A figura 2.3 ilustra o processo simplificado de fabricação de papel,
com foco em papéis do tipo escrita e impressão. Fluxos de produção de
papéis do tipo higiênicos, toalhas, lenços diferem consideravelmente, no
entanto a aplicação de enzima em geral ocorre na preparação de massa
(antes da formação da folha de papel). Nesta figura é apresentada a
possibilidade de adição de enzimas na fabricação de papéis.
Figura 2.3 - Processo simplificado da produção de papel do tipo escrita e
impressão, ilustrando diferentes possibilidades de aplicação de enzimas.
Fonte: Adaptações pelo autor da tese a partir de Metso (2012), KnowPap
(2005) e Process Flowsheets (2012).
A produção de papel caracteriza-se pelo uso de diversos insumos
químicos. No entanto, o mundo atravessa uma fase em que a
competitividade e consciência pela sustentabilidade ambiental são cada
vez mais altas. A necessidade de reduzir custos é cada vez mais
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
50
necessária. Produtores de equipamentos, fornecedores de polpas
celulósicas e de insumos em parcerias com os fabricantes de papel têm
trabalhado no sentido de introduzir inovações.
Novas tecnologias que permitam uma mais alta sustentabilidade têm
sido desenvolvidas. Neste sentido enzimas têm sido aplicadas na
fabricação de papel, com destaque na preparação de aditivos para o
revestimento do papel, à base de amido e também na produção de fibras
recicladas.
A figura 2.3 ilustra as diversas aplicações de enzimas na fabricação
de papel. As amilases têm grande importância na preparação de agentes
de revestimento do papel, para o ajuste da viscosidade do aditivo,
enquanto que lipases e celulases, principalmente, são requeridas para
promover a limpeza na produção de polpas celulósicas a partir de papéis
reciclados. As xilanases tem aplicações definidas no branqueamento para
a redução de insumos químicos (BAJPAI, 2012).
Outras aplicações menos difundidas são no refino8 da polpa
celulósica para a produção de papel, visando à redução da quantidade de
energia requerida e também para obter propriedades desejadas no papel;
no aumento da drenagem9, visando economia de energia e/ou aumento
da produção da máquina de papel; limpeza de sistemas úmidos de
máquinas, visando à minimização de matéria orgânica decantada; redução
8 Processo mecânico realizado para aumentar propriedades de resistência da celulose, para atender especificações de alguns tipos de papel.
9 Processo de remoção de água da suspensão fibrosa para minimizar a quantidade de
água que deverá ser removida por evaporação, durante a secagem.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
51
de arrancamento de elementos de vasos10 em sistemas de impressão de
papel; modificação das características das fibras, visando à obtenção de
determinadas características especiais no papel.
Na produção de fibras recicladas, as celulases, xilanases, lipases e
lacases têm sido estudadas e, em alguns casos, aplicadas. Como
exemplos, o uso de celulases para o aumento de resistência do papel e da
remoção de tinta na reciclagem de papéis; o uso de xilanases na redução
de finos e de energia de secagem; aplicação de lipases na limpeza e
remoção de extrativos, graxas, resíduos de óleos e no controle de
depósitos orgânicos em sistemas de máquina de papel; e uso de lacases
para o aumento da alvura11, remoção de resíduos de lignina e de grupos
cromóforos.
2.3. Indústria de Polpa Celulósica e o Uso das Enzimas
A indústria de polpa celulósica é, atualmente, uma das principais
geradoras de madeira (biomassa) para aplicação industrial no Brasil. Esta
indústria demonstrou ser capaz de produzir grande variedade de madeira
viável para ser empregada na produção de fibras para a fabricação de
diferentes tipos de papel e também como fonte de produção de energia.
10 Arrancamento de elementos de vasos vem do termo em inglês “vessel picking”. Elementos de vasos são constituintes anatômicos da madeira do tipo “hardwood”. Durante a impressão do papel estes elementos podem causar defeito na superfície da folha, durante o processo de impressão da mesma.
11 Medida de alvura padronizado pela ISO, conforme norma ABNT NBR NM ISO
2470:2001.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
52
2.3.1 Produção de polpa celulósica
Inicialmente, é ilustrada na figura 2.4 a constituição química da
madeira para facilitar o entendimento da produção de polpa celulósica e
da desconstrução/hidrólise enzimática de biomassas. Nesta figura nota-se
que as madeiras são compostas por 3 constituintes principais: celulose,
hemiceluloses e lignina. Estes 3 constituintes correspondem a até 95% do
peso seco da madeira (sem a casca). Adicionalmente, existem pequenas
proporções de outros constituintes orgânicos, facilmente extraíveis em
solventes orgânicos, e os constituintes inorgânicos, que podem somar até
5% do peso seco da madeira sem casca (obs. mas há grandes variações
entre diferentes tipos de plantas). Com relação às hemiceluloses,
enquanto que as xilanas são tipicamente encontradas em árvores do tipo
angiospermas (também conhecidas como folhosas), as glucomananas são
típicas de árvores de gimnospermas (ou coníferas).
Figura 2.4 – Principais constituintes químicos da madeira. Fonte: Salmén
(2004).
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
53
É importante destacar que existem diferentes tipos de produção de
polpa celulósica: processos mecânicos, termomecânicos,
quimotermomecânicos, semi-químicos e químicos. No Brasil predomina o
processo químico de produção de polpa celulósica. Os processos
mecânicos, termomecânicos e quimotermomecânicos são, atualmente,
pouco usados, mas no contexto desta tese é feita uma ilustração
simplificada na figura 2.5, para citar as possibilidades de tratamento da
madeira (cavacos) com microorganismos e também com enzimas.
Figura 2.5 - Fluxograma simplificado de um processo
quimotermomecânico, ilustrando possibilidades de aplicação de
microorganismos e/ou enzimas. Fonte: adaptações pelo autor da tese a
partir de Granfeldt e Suhonen (2003) e Sixta (2006).
Ressalta-se que os tratamentos com microorganismos são
denominados de biopolpação, poque são característicamente aplicados
antes da etapa de refino mecânico dos cavacos. Nesta aplicação, a visão
primária é a degradação da lignina via microorganismos e também com
enzimas oxidativas. Na biopolpação, as aplicações de lipases, celulases e
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
54
hemicelulases também são descritas. Lipases (e também lacases) são, em
geral, usadas para reduzir o teor de impurezas (ex. alguns tipos de
extrativos), enquanto que as celulases e hemicelulases visando à redução
de energia de refino ou modificação das características das fibras. Um
estudo recente do processo de biopolpação, em escala industrial, foi
apresentado por Pavan (2008), conforme ilustrado na figura 2.6.
Quanto aos processos químicos de produção de polpa celulósica,
embora existam alguns tipos, o de maior expressão é denominado de
processo de cozimento Kraft12, o qual será descrito a seguir. A figura 2.7
ilustra a visão completa do processo de fabricação de polpa celulósica, da
madeira ao preparado de fardos de polpa celulósica para uso final
(OSORIO, 2007).
A figura 2.8 ilustra o fluxograma simplificado do processo de
produção de polpa celulósica química kraft e de energia. Adicionalmente,
são indicados locais onde a aplicação de enzima foi estudada, sendo que
alguns casos são realidades industriais (exemplo, no branqueamento). O
processo kraft de produção de polpa celulósica (figuras 2.7 e 2.8) consiste
da alimentação de madeira (cavacos), insumos, cozimento kraft, ciclo de
recuperação dos químicos e geração de energia, deslignificação13,
branqueamento, secagem e embalagem para uso final, quando a polpa
celulósica é para uso não integrado à produção de papel.
12 Nome dado a um dos processos químicos de produção de celulose, o qual usa como insumos químicos primários a NaOH e o Na2S
13 processo químico, realizado com oxigênio em meio alcalino, para realizaar a oxidação,
clivagem e, conseguentemente, a redução do teor de lignina da celulose.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
55
Figura 2.6 - Fluxo simplificado: a) Croqui do sistema original para
construção de pilha de 50 toneladas de cavacos biotratados e b) Layout de
montagem do equipamento para construção (descontaminação, inoculação
e montagem) da pilha de cavacos. Fonte: Pavan (2008).
Figura 2.7 – Fluxograma da fabricação de polpa celulósica. Fonte: Osorio
(2007).
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
56
Figura 2.8 – Diagrama de blocos da fabricação de polpa celulósica, com
indicação das possibilidades de aplicação de enzimas. Fonte: Pereira Jr.
(2007), adaptado por Demuner (2012).
Na figura 2.8 é verificado que a madeira é convertida em polpa
celulósica pelo processo kraft, o qual usa como insumos químicos a soda e
o sulfeto de sódio. Este processo é líder mundial neste tipo de conversão
da madeira. Como resultado da digestão, a lignina, uma macromolécula
de natureza complexa, é fragmentada em moléculas menores. Portanto,
ficam definidas duas correntes principais de conversão da madeira: 1) a
polpa celulósica, para a produção de papéis; e 2) a energia, a qual é
gerada a partir da queima de biomassa (majoritariamente a partir da
lignina).
A seguir são descritas, em maiores detalhes, estas duas etapas de
conversão da madeira, visando deixar o assunto mais claro para o leitor:
1) produção de polpa celulósica; e 2) produção de energia. Na figura 2.8 a
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
57
produção de polpa celulósica segue o fluxo da esquerda, enquanto que a
geração de energia segue o fluxo da direita, que ocorre a partir da lignina
e outros materiais orgânicos usados (ex. madeira e casca de madeira) em
queima em caldeiras de biomassa.
No processo Kraft, a madeira, soda, vapor, sulfeto de sódio, água e
os licores de reciclagem do processo são alimentados a um reator de
cozimento. Este reator é denominado de digestor. O digestor é um dos
principais reatores usados na produção de polpa celulósica (figura 2.9). No
digestor, os cavacos de madeira são impregnados com vapor, com os
insumos químicos e são aplicadas condições para a realização de uma
cinética adequada para a clivagem, solubilização e, ao final do processo,
remoção da lignina (temperatura, relação líquido/sólido, tempo de
cozimento são fatores críticos).
Figura 2.9 - Digestor de cozimento kraft da madeira. Fonte: Revista
Fator Brasil. Disponível em <http://www.revistafator.
com.br/ver_noticia.php?not=21528>. Acesso em 25 Junho 2012.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
58
Fica evidente então que o principal objetivo do cozimento é a
fragmentação, solubilização e extração da lignina, tanto a que fica nas
camadas externas, mas principalmente a que se localiza no interior da
parede das fibras. No processo Kraft, ocorrem reações dos componentes
químicos da madeira com o sulfeto de sódio, em meio alcalino (pH ao
redor de 12) e em temperaturas acima de 130ºC (podendo chegar até
160ºC), em meio pressurizado, por um tempo de reação, em geral, de 3 a
6 horas.
Ao final do cozimento Kraft (descarga do digestor), a madeira, cujas
fibras na forma natural são ligadas umas às outras pela macromolécula
lignina, é transformada em uma massa contendo um mínimo de lignina
residual. Este processo resulta na individualização das fibras, as quais são
os principais constituintes anatômicos da madeira. Como exemplo geral,
este tipo de processo químico, atualmente, promove uma remoção
superior a 95% da lignina originalmente existente na madeira.
Na seqüência, a celulose e as hemiceluloses, bem como uma
pequena fração de lignina residual, passam por processos de depuração e
lavagem, cuja finalidade continua sendo obter limpeza e uma máxima
remoção de lignina.
Em seguida, a polpa celulósica é alimentada a um outro reator,
denominado de deslignificação com oxigênio, conforme ilustrado na figura
2.8. Nesta etapa, é realizada uma oxidação da polpa celulósica com
oxigênio, em meio alcalino e em temperaturas de 90 a 105ºC, durante 30
a 60 minutos. O objetivo é reduzir ainda mais o tero de lignina residual.
Esta oxidação com oxigênio, em meio alcalino, apresenta também a
vantagem de minimizar a demanda química de oxigênio que deverá ser
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
59
lançada ao sistema de tratamento de efluentes. Isto ocorre porque o licor
de lavagem gerado imediatamente após o tratamento com oxigênio é
enviado de volta (em sistema contracorrente), para as etapas de diluições
e lavagens até o sistema de evaporação, seguindo para queima na
caldeira de recuperação, para a geração de vapor e energia
(GULLISCHSEN et al., 1999).
Portanto, a adoção deste processo contribui para um máximo
aproveitamento dos componentes orgânicos (principalmente a partir da
lignina), para uma máxima geração de energia, redução da demanda
química de oxigênio e do aumento da biodegradabilidade do efluente.
Contribuiu também para a minimização do consumo de água no processo,
já que o licor é usado em sua substituição.
Outra vantagem da oxidação com oxigênio está na redução de
grupos cromóforos que geram uma coloração marrom-escura à polpa
celulósica, facilitando o branqueamento. Neste ponto, é importante citar
que o mercado mundial demanda a produção de papéis brancos.
Entretanto, destaca-se que a lignina é, após a sua digestão, rica em
grupos cromóforos que geram uma coloração marrom-escura intensa. A
oxidação com oxigênio aumenta a alvura da polpa celulósica.
A etapa seguinte do processo (figuras 2.7 e 2.8) é denominada de
branqueamento, cujo objetivo principal é obter a polpa celulósica para a
fabricação de papel na alvura desejada. O branqueamento consiste de
diferentes reações químicas, alternadas em condições ácidas e alcalinas,
bem como por estágios de lavagens para a máxima remoção dos grupos
cromóforos provenientes, fundamentalmente, da lignina e de ácidos
hexanurônicos.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
60
Nas últimas duas décadas várias inovações tecnológicas
consolidaram cada vez mais o uso de oxigênio e peróxido de hidrogênio,
em substituição ao uso de compostos contendo cloro na estrutura
química. Estas inovações minimizaram o uso de insumos derivados de
cloro, com significativas vantagens ao meio ambiente.
Na etapa final, após o branqueamento, a polpa celulósica pode
seguir dois caminhos: quando o processo é integrado, a polpa celulósica é
enviada diretamente para a fabricação de papel. Mas quando a polpa
celulósica é do tipo não integrado (também denominada de polpa
celulósica de mercado), ela é enviada uma máquina secadora, para que o
teor de sólidos seja elevado de aproximadamente 10% para
aproximadamente 90%, condição atualmente para envio ao mercado
externo. Esta operação é necessária para minimizar custos de logística,
com mínimo transporte de água, mas de tal forma que a polpa celulósica
seja facilmente transformada em uma suspensão em etapas da fabricação
de papel.
Neste ponto, é importante ressaltar que a polpa celulósica é
produzida, na sua grande maioria, a partir da aplicação de processos
térmico-químicos. Embora já existam aplicações de enzimas na produção
de polpa celulósica, há oportunidade para ampliar a aplicação de enzimas,
o que também justifica esta tese, a qual tem por objetivo prospectar o
cenário atual, visualizar oportunidades futuras por meio de conhecimentos
e experiências existentes, bem como de recomendações de novos
desenvolvimentos.
É sabido que enzimas apresentam vantagens em relação aos
processos químicos. Reações bioquímicas apresentam uma menor energia
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
61
de ativação, em geral, necessitam de menor tempo de reação e menor
agressividade sobre a polpa celulósica. Quando aplicadas de forma
adequada, as enzimas permitem redução de custos, aumento do valor
agregado com a geração de novas fibras com características
diferenciadas. São consideradas ambientalmente corretas, uma vez que
são biocatalisadores.
Este aspecto citado anteriormente fica ainda mais destacado ao
considerar que a indústria de polpa celulósica é caracterizada por terem
tecnologias relativamente acessíveis, elevada intensidade em capital, forte
demanda sócio-ambiental e mercado regulado por preço, mas também
muito exigente quanto à qualidade do produto (BRACELPA e ANFPC, 1994-
1996 e LOPES, 1995). Nota-se a necessidade de avaliar e introduzir
inovações tecnológicas neste setor. Diante desta descrição, as enzimas
podem apresentar um fator de elevada competitividade para a produção
de polpa celulósica.
Neste contexto, as principais oportunidades de aplicação de enzimas
na produção de polpa celulósica estão, principalmente, na promoção do
aumento da clivagem e remoção da lignina, visando tanto o aumento do
rendimento do processo produtivo, quanto à redução de custos do
branqueamento. Outra oportunidade está na diferenciação da qualidade
das fibras para a produção de papéis com mais alto valor agregado.
É importante esclarecer que a inserção de enzimas, tanto na
fabricação de papel quanto de polpa celulósica não tem por visão
substituir os processos vigentes, mas sim, atuam como um processo
alternativo, que associado aos processos atuais, possa contribuir na
geração de valor.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
62
2.3.2. Produção de Energia
Primeiramente, é importante destacar que o setor de polpa
celulósica e papel tem, há anos, desenvolvido e aplicado tecnologias de
conversão da madeira, lignina, cascas e resíduos da madeira (serragem,
finos, pedaços de madeira) em vapor e em energia elétrica.
A lignina é o principal componente extraído na digestão da madeira.
A lignina extraída segue o fluxo de processo denominado de licor preto
(figura 2.8) e é queimada em caldeiras de recuperação. Tem por objetivo
recuperar os insumos químicos usados na digestão da madeira e gerar
vapor, cujo excedente passa por turbinas e é transformado em energia.
Na indústria moderna de polpa celulósica o vapor e a energia são gerados,
principalmente, a partir da queima do licor preto, conforme ilustrado na
figura 2.10. Em geral, uma parte da geração de energia é obtida a partir
do aproveitamento de biomassas residuais, tais como madeira, serragem,
cavacos e cascas das árvores que são queimadas em caldeiras de força.
A figura 2.10 mostra uma mudança expressiva da matriz energética
praticada por esta indústria entre o final da década de 70 até 2010. A
principal mudança foi o aumento do uso de licor preto do processo e
redução do uso de óleo combustível.
Desta forma, cabe ressaltar que esta indústria tem praticado há
anos o conceito de biorrefinarias, em que uma das definições (NREL,
2007) é o sistema tecnológico que integra processos de conversão de
biomassa e equipamentos para a produção de energia, combustíveis e
produtos químicos a partir de biomassa.
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
63
Figura 2.10 – Evolução da diferentes fontes de produção de energia do
setor de polpa celulósica. Fonte: BRACELPA (2012).
Com as descrições apresentadas, a indústria de polpa celulósica usa
a madeira, a lignina, contida no licor preto, casca e outros resíduos de
madeira para a geração de polpa celulósica e energia elétrica.
2.4. Considerações Gerais:
O modelo de negócio estabelecido para o setor de papel e polpa
celulósica tem colocado o Brasil em posição de destaque no cenário
mundial.
Os investimentos em pesquisas e tecnologias têm sido aplicados na
produção de florestas com custos competitivos, qualidade e
sustentabilidade. Ocorrem também no desenvolvimento de processos de
fabricação de polpa celulósica, principalmente de eucalipto, e na
Capítulo 2 – O Setor de Celulose e Papel
64
diferenciação da sua qualidade para atender as principais demandas de
clientes. Neste aspecto, insere-se o objetivo desta tese: prospectar os
conhecimentos e desafios para ampliar a inserção da tecnologia
enzimática no setor.
O sistema florestal brasileiro definiu um modelo inovador para
plantio da cultura do eucalipto (como exemplo principal). Graças ao
contínuo nível de investimentos em pesquisas e tecnologias, a
produtividade florestal continua aumentando, ao mesmo tempo em que
muitos estudos também foram realizados para ampliar os entendimentos
sobre a sustentabilidade sócio-ambiental dos plantios.
Tem sido também freqüente o nível de investimentos em tecnologias
de fábricas modernas, com um dos menores custos mundiais, máximo
aproveitamento dos recursos naturais e mínimo impacto ambiental.
O processo é verticalizado, indo desde a floresta até a entrega nos
diferentes locais de produção de papel. Tecnologias e inovações de
logística florestal e de exportação da polpa celulósica contribuem de forma
significativa para a competitividade do setor.
A produção de toda a energia necessária para os processos
produtivos (em alguns casos, com venda do excedente para as
concessionárias de energia) é realizada com praticamente 100% a partir
de combustíveis renováveis: queima dos resíduos orgânicos
(principalmente lignina) provenientes do processo de cozimento na
produção de polpa celulósica e queima de biomassa, em caldeiras de
força.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
65
Capítulo 3
Enzimas de Interesse para o Setor de
Polpa Celulósica e Papel
As enzimas são biocatalisadores que participam, de forma eficaz, em
diferentes tipos de reações. Comparativamente aos catalisadores
sintéticos, agem em concentrações muito baixas, em condições brandas
de temperatura e pH e minimizam a energia de ativação necessária para
uma dada reação (PEREIRA JR., 2007).
As enzimas apresentam um elevado potencial para reduzir custo de
fabricação, melhorar a qualidade, e de criar novos produtos de mais alto
valor agregado para a indústria de polpa celulósica e papel, com
minimização de impactos ambientais (YIN, 1998, KANEALY e JEFFRIES,
2003, BAJPAI, 2012). O uso de enzimas em processos industriais não é
novo e foi, primeiramente, empregado em detergentes (JENSEN, 2005).
3.1. Classificação de Enzimas:
A nomenclatura das enzimas foi definida por uma comissão
especializada, a Enzyme Committee (EC), que pertence à União
Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (NC-IUBMB, 2012). Cada
enzima recebe então uma nomenclatura no formato EC X.Y.W.Z por esta
razão. A Comissão de Nomenclatura da IUBMB (Nomenclature Committee
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
66
of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology, NC-
IUBMB) é a responsável atual, em geral, pela nomenclatura de moléculas
e processos relacionados à Bioquímica (e à Biologia Molecular).
De acordo o NC-IUBMB (2012) há diferentes classes de enzimas.
Cada uma das classes divide-se, por sua vez, em sub-classes, também
numeradas. As sub-classes definem em que tipo de grupo as enzimas
atuam. Por exemplo, um determinado grupo de enzimas pode pertencer à
subclasse EC 2.1, que engloba "enzimas que transferem grupos contendo
um carbono". As sub-classes dividem-se ainda em sub-sub-classes;
continuando com o mesmo exemplo, existe a classe EC 2.1.1, que engloba
as metiltransferases, ou seja, enzimas que transferem um grupo metila.
Finalmente, cada enzima recebe um quarto dígito específico à
reação que catalisa; por exemplo, a enzima histamina N-metiltransferase
tem o número EC 2.1.1.8 e catalisa especificamente a transferência de um
grupo metil para a histamina.
Além do número E.C., cada enzima possui um nome sistemático
próprio, constituído pelos nomes dos substratos e da classe em que
atuam. Usando o exemplo anterior da histamina N-metiltransferase (nome
comum), esta enzima tem como nome sistemático S-adenosil-L-
metionina:histamina N-tele-metiltransferase, indicando que a S-adenosil-
L-metionina é o grupo doador, a histamina o aceitador, o grupo
transferido é o metil e a enzima é uma transferase.
Os nomes comuns de enzimas são usados de forma mais freqüente
que os sistemáticos para simplificação da escrita, em especial quando não
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
67
existe possibilidade de confusão com outras enzimas (não existem, por
exemplo, outras metiltransferases de histamina).
Outras informações descritivas das enzimas, com foco nas enzimas
de uso industriais, podem ser também obtidas no relatório preparado por
Aberer et al. (2002). Polaina e MacCabe (2007) também são fontes de
descrição das principais enzimas para o setor de polpa celulósica e papel.
Especificamente sobre as celulases, um maior detalhamento foi
recentemente resumido por Maeda (2010).
3.2. Mercado Mundial de Enzimas de Interesse:
Tanto o Market Research News (2011), quanto o BCC Research Inc
(2012) reportam os consumos e as perspectivas para o crescimento do
uso de enzimas industriais. As estimativas do Market Research News
(2011), indicam um crescimento de 6% entre 2011 e 2015, enquanto que
as projeções do BCC Research Inc (2012) são de um crescimento de
aproximadamente 11% entre 2011 e 2016. As principais enzimas
industriais e suas aplicações são exemplificadas na figura 3.1.
Para a indústria de polpa celulósica e papel, os maiores mercados
consumidores são aqueles onde é também mais alto o consumo de papel,
com destaque para a América do Norte, Ásia e Europa. Quanto ao
consumo na produção de polpa celulósica, o maior destaque é para a
América do Norte. Dados do BCC RESEARCH INC (2004, 2011 e 2012) e
ETEPS-AISBEL (2005) indicam que o setor de polpa celulósica e papel
corresponde a 4 a 6% do volume total de aplicação de enzimas
industriais.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
68
Figura 3.1 - Principais aplicações industriais de enzimas. Fonte: Pereira
Jr. (2007).
É importante destacar que o grande “breakthrough” em enzimas
ocorreu com a introdução de proteases, de Bacillus, em 1959
(SHRINIVAS, 2008). Esta mesma referência cita que o mercado mundial
de enzimas industriais, em 2008, foi de aproximadamente US$ 2 bilhões.
Deste total, detergentes representou 37%, a indústria têxtil 12%, amido
11%, setor de panificação 8% e alimentação animal 6%. Estes segmentos
representam 75% do uso de enzimas industriais.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
69
3.3. Enzimas de Interesse para o Setor de Polpa
Celulósica e Papel:
Um levantamento de artigos científicos (DEMUNER, 2011) revelou
que, no setor de polpa celulósica e papel, o foco dos estudos é a aplicação
das enzimas, com 50% das publicações, seguido da tecnologia de
produção das mesmas, com 38% das publicações. Notou-se também que
há um número inferior de pesquisas básicas (ciência) sobre enzimas, com
apenas 12% do número de publicações. Esta mesma revisão revelou que
o foco maior consiste de enzimas para o branqueamento, com 41% do
total de artigos científicos publicada.
Por outro lado, a prospecção realizada por Demuner et at. (2011)
quantificou, a partir da base de patentes Derwent, uma importância
significativa das celulases, xilanases, lacases, lipases e amilases para o
setor de polpa celulósica e papel, com 32%, 29%, 15%, 8% e 6%,
respectivamente, do número de patentes prospectadas. Embora a análise
de correlações não tenha sido significativas para os usos de lipases e
amilases, ressalta-se a importância desta enzima para a fabricação papel.
Enzimas têm sido usadas na indústria de polpa celulósica e papel. As
principais aplicações reportadas incluem a modificação de amido com o
uso de amilases; no controle de depósitos microbiológicos, também
chamados de “slimes14” e no controle de contaminantes (também
14 São formações de depósitos orgânicos. Crescimento de microorganismos em sistemas
de máquinas de celulose e papel.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
70
denominados de “pitch15”) são aplicadas lipases e proteases; na remoção
de tinta, nos processos de reciclagem de papel, são usadas celulases; na
limpeza e remoção de grupos cromóforos, respectivamente, são usadas
lipases e lacases; no aumento da drenagem são usadas celulases; e na
melhoria do branqueamento são aplicadas xilanases; enquanto que no
tratamento de efluentes, são usadas lacases (KANEALY e JEFFRIES, 2003
e GUTIÉRREZ, 2009, BAJPAI, 1999; BEG, 2001; YEE, 1997, 1998;
MCDONOUGH, 1995; VIIKARI, 1986ª, 1994b; DENCE, 1996; IRIE, 1988 e
1989; GUTIÉRREZ, 2009; KIRK, 1996; WONG, 1999; JACOBS, 1998).
Em resumo, as enzimas mais importantes para o setor de polpa
celulósica e papel, do ponto de vista do interesse científico, são as
xilanases, celulases lacases, lipases e amilases. A seguir são descritas,
com mais detalhes, cada uma destas enzimas, dada a relevância para o
setor. Serão também incluídas uma descrição das enzimas mais
importantes para a biossíntese da lignina em plantas, dada a importância
de produção de árvores superiores para o setor.
3.3.1. Xilanases:
As hemiceluloses, a celulose e a lignina são os três principais
constituintes da madeira. As hemiceluloses consistem de vários
constituintes, dentre eles as xilanas (característico das madeiras do tipo
15 São contaminantes que ocorrem na fabricação de celulose e papel. São decorrentes de constituintes orgânicos da madeira (principalmente resinas) que têm enorme facilidade de acumular em rolos, filtros, prensas, feltros de máquinas, válvulas, levando a sérios
entupimentos e problemas de produções.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
71
“hardwood16”, como por exemplo, o eucalipto) e as mananas
(característico das madeiras do tipo “softwood17”). Xilanas são moléculas
complexas, composta de β 1-4-ligando outras moléculas de xilose, com
ramificações contendo arabinose e 4-O-glucurônico (ver estrutura na
figura 3.2).
Com base na estrutura primária do domínio catalítico, as
hemicelulases são classificadas pela Comissão de Enzimas (Enzyme
Commission – E.C.) como 3.2.1.x, onde o valor x varia com o tipo de
hemicelulases. Dois tipos principais de hemicelulases são descritos: as
xilanases (E.C. 3.2.1.8) e as mananases (endo-β-mananase – E.C.
3.2.1.78). Esta diferenciação faz-se necessária uma vez que nas madeiras
(e polpas celulósicas) do tipo “hardwood” predominam o β-1,4-xilano na
estrutura das hemiceluloses, enquanto que nas madeiras (e polpas
celulósicas) de “softwood” predominam o componente 1,4-β-D-manana na
estrutura das hemiceluloses.
Cabe ainda complementar que na madeira existem ligações entre a
lignina e as hemiceluloses, conhecidas como “Lignin-Carbohydrates
Complexes – LCC”. As ligações entre a lignina e as hemiceluloses são
principalmente entre a lignina e as xilanas (ERICKSON, 1993).
Há informações de que uma grande quantidade de insumos
oxidantes do primeiro estágio de branqueamento (até 30%) é necessária
para remover os complexos entre a lignina e os carboidratos que estão na
superfície das fibras (YANG e ERICKSSON, 1992 e SENIOR e HAMILTON,
16 Madeira classificada como “Angiospermas”. Também referida como madeira de fibras curtas ou folhosas.
17 Madeira classificada como “Gimnospermas”. Também referida como madeira de fibras
longas.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
72
1992). Por outro lado, a aplicação de enzimas antes da aplicação de
insumos oxidantes de branqueamento hidrolisa, seletivamente, os
complexos LCC e podem reduzir, significativamente, a quantidade de
oxidantes necessária no primeiro estágio de branqueamento (PAICE e
JURASEK, 1984, JEFFRIES e LINS, 1990 e SENIOR at al, 1988).
Atualmente, após revisões da classificação, temos as endo-1,4-β-
xilanases (E.C. 3.2.1.8), as endo-1,3-β-xilanases (E.C. 3.2.1.32) e as
celobiohidrolases (E.C. 3.2.1.91) (COLLINS et al., 2005).
As xilanases são uma classe de enzimas que degradam o
polissacarídeo linear β-1,4-xilano em xilose (HIGHLEY, 1997),
decompondo assim a hemicelulose, um dos principais componentes das
paredes celulares das plantas. As xilanases são enzimas do tipo 1,4- β-D-
xilana xilohidrolase, que catalisam a hidrólise de xilanas (POLIZELI, 2005
e HART, 2011b). Por outro lado, mananases são enzimas do tipo beta
mananase: 1,4-β-D-manana mananahidrolase, que catalisam a hidrólise
das ligações da β-1,4 mananoosídicas existentes nas β-1,4 manana,
glucomanana e galactoglucomananas (KANSOH, 2004).
A figura 3.2 ilustra as principais xilanases que participam da
hidrólise das xilanas (PEREIRA JR, 2007). É importante destacar que na
fabricação de polpa celulósica o objetivo é obter uma hidrólise seletiva de
componentes das hemiceluloses, tendo em vista a manutenção do
máximo rendimento do processo e preservação da qualidade da polpa
celulósica, levando ao aumento da facilidade de clivagem da lignina por
agentes químicos do branqueamento.
O mecanismo pelo qual as xilanases atuam na melhoria do
branqueamento tem sido motivo de vários estudos (VIIKARI, 1994 e
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
73
DENCE, 1996). A hipótese mais conhecida é que as xilanases melhoram a
extração da lignina, com atuações nas ligações do complexo existente
entre a lignina e carboidratos (xilanas associadas à lignina), rompendo e
removendo xilanas redepositadas sobre a superfície das fibras (PAICE,
1992, VIIKARI, 1994; GLIESE, 1998), fenômeno este conhecido no
processo de fabricação de polpa celulósica, conforme ilustrado na figura
3.3. Com a hidrólise desta camada de hemiceluloses (xilanas)
redepositadas sobre as fibras com hemicelulases (mais freqüentemente
xilanases) a lignina fica mais facilmente acessível para ataques químicos,
resultando na sua clivagem e na redução do tamanho desta
macromolécula (PAICE, 1992, ERICKSON, 1993, VIIKARI, 1994).
Figura 3.2 - Participação de xilanases na hidrólise de xilanas. Fonte:
Pereira Jr. (2007).
Algumas importantes verificações confirmam a ação das xilanases:
a) Maiti, 1997 e Suurnakki, 1997 com estudos sobre modificação das
fibras mostram que as xilanases alteram o número e distribuição de
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
74
poros, facilitando o acesso dos insumos químicos de branqueamento para
agir sobre a lignina b) De Jong (1997) cita que os resultados do
tratamento com xilanases sugerem que estas atuam hidrolisando ligações
de complexos do tipo lignina-carboidrato, formadas durante a redeposição
de lignina e xilanas sobre a superfície das fibras; c) Mais recentemente,
Shatolov (2007) apresenta uma hipótese mais ampla, citando que as
xilanases removem os fragmentos de xilanas associadas com estruturas
de lignina e ácidos hexanurônicos, aumentando a deslignificação e a
alvura; d) É interessante ainda notar que Skals (2008) cita que as
xilanases hidrolisam xilanas e abrem a estrutura das hemiceluloses das
fibras, facilitando a lavagem da lignina das fibras, melhorando o
branqueamento.
Figura 3.3 - Hipótese para explicar a ação de xilanases na melhoria do
branqueamento. Fonte: Pereira Jr. (2007), adaptado de Duran (2004).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
75
Assim as xilanases se destacam por serem aplicadas,
industrialmente, como agente para facilitar o branqueamento da polpa
celulósica. O objetivo principal é a redução de custos (redução do
consumo de insumos químicos de branqueamento). O objetivo secundário
é a redução carga de componentes para o tratamento de efluentes
(BAJPAI e BAJPAI, 1992 e BAJPAI, 2012). Segundo alguns pesquisadores,
estas têm contribuído para a redução de custos (CALL, 1992,
MCDONOUGH, 1995), sem interferir no processo existente. Permitem
ainda aumentar o nível de produção (YEE, 1997). As revisões de Koponen
(1991), Polizeli et al. (2005) e de Bajpai (2004, 2006 e 2012) destacam
os ganhos obtidos com o uso de xilanases no branqueamento da polpa
celulósica.
O maior potencial verificado da aplicação de enzimas foi obtido em
estudo realizado por Viikari et al. (1986). Estes autores descobriram que o
tratamento de polpa celulósica Kraft com xilanases reduzia a carga de
insumos químicos no branqueamento para atingir uma determinada
alvura. Em decorrência dos resultados laboratoriais bem sucedidos, os
testes industriais ocorreram logo em seguida e confirmaram os resultados
obtidos em laboratório.
No entanto, é bem conhecido que a primeira geração comercial de
xilanases para aplicação nos processos industriais de fabricação de polpa
celulósica não foram bem sucedidas. O primeiro aspecto negativo
verificado pelos fabricantes de polpa celulósica foi que as xilanases da
primeira geração comercial reduziam o rendimento do processo e a
resistência das fibras para a fabricação de papel (PAICE, 1992, VIIKARI,
1994, SUBRAMANYAN, 2000, BEG, 2001, TECHAPUN, 2003, POLIZELI,
2005). Estes autores citam que as primeiras formulações de xilanases
continham a presença de uma quantidade considerável de celulases, que
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
76
passou a justificar o impacto negativo citado sobre o rendimento e a
qualidade das fibras.
Definiu-se, então, a necessidade do desenvolvimento e produção de
xilanases livres de celulases (BEG, 2001). Desta forma, surgiu a segunda
geração de xilanases. Os produtores de enzimas foram eficazes e logo
colocaram no mercado xilanases livres (ou praticamente livres) de
celulases. Algumas revisões destacam este avanço (PAICE, 1992, VIIKARI,
1994, SUBRAMANYAN, 2000, BEG, 2001, TECHAPUN, 2003, POLIZELI,
2005).
No entanto, um novo desafio apareceu: a necessidade de
compatibilizar as condições ótimas de reação da enzima com as condições
de produção de polpa celulósica (BEG, (2001). Enquanto que o processo
de produção de polpa celulósica requer altas temperaturas e pH alcalino
até o início do branqueamento e pH alcalino intercalado com pH ácido (e
vice e versa) no branqueamento, as xilanases da primeira e da segunda
gerações eram efetivas apenas em temperaturas entre 35 e 60ºC e pH 5 a
6.
As revisões dos desenvolvimentos citados anteriormente destacaram
inúmeras alternativas de preparações enzimáticas, nestas faixas de
temperatura e pH citadas. Mas, por outro lado, quase não existiam
xilanases para as faixas de temperatura e pH mais elevados. Portanto,
para a sua aplicação eficaz o resfriamento e a neutralização do processo
são necessários, o que, em geral, inviabiliza a aplicação. Definiu-se,
então, a necessidade de desenvolver xilanases estáveis em altas
temperaturas e mais resistentes às condições alcalinas.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
77
Neste ponto é importante ressaltar que os avanços ocorridos na
engenharia genética foram importantes para superar estes desafios
citados na produção de novas enzimas. A tecnologia do DNA recombinante
e equipamentos de alto desempenho, tais como a robótica e o high
throughput screening18, como exemplos, contribuíram de forma
significativa para aumentar a chance e a velocidade de obter
microorganismos geneticamente modificados.
Técnicas modernas como engenharia de proteínas para identificação
de sítios residuais ativos por meio de modificações químicas, cristalografia
de raios-X e mutagêneses de sítio direcionado foram utilizados desde
então (KULKARNI et al., 1999). Vários microorganismos (SUNNA, 1997)
têm sido pesquisados. Os mais interessantes, no entanto, são os
termofílicos (NAKAMURA, 1994; HORIKOSHI, 1996; DIMITROV, 1997;
BERGQUIST, 1999, 2001 e 2002; BAUER, 1998; MAHESHWARI, 2000;
BRUINS, 2001; JIANG et al., 2006; ZHANG, 2008; STEPHENS, 2009;
SHRINIVAS et al., 2010; DUTT, 2011; MISHRA e THAKUR, 2011; NAGAR et
al., 2011; PRAKASH, et al., 2012).
Após 1992, várias publicações sobre o desenvolvimento e o uso de
xilanases no branqueamento foram feitas (HEAN, 1994; VICUNA, 1995;
VEHMAANPERAE, 1996; RONCERO, 1996; KULKARNI, 1996; CHISTOV,
1996, 1997 e 1998; MAXIMO, 1998; KHANONGNUCH, 1999;
BARAZNENOK, 1999; ZHENG, 2000; MADLALA, 2001; BEG, 2001;
ANTONOPOULOS, 2001; RAGHUKUMAR, 2004; BAJPAI, 2004; LI, 2005).
Com as melhorias realizadas na produção de xilanases, estas publicações
revelam o potencial das mesmas, com efeitos positivos sobre: a) redução
18 São técnicas automatizadas de triagem biológica em alta escala (FERREIRA et al.,
2011)
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
78
do teor de lignina (de até 3 pontos de número kappa19, o que significa
atualmente ao redor de 30%, o que é significativo). Christov (1996) cita a
redução de 60% da lignina, o que é expressivo; b) aumento da alvura
final de até 3 pontos, o que significa, por exemplo, passar de 87 para
90% de alvura, o que pode significar uma redução significativa de
insumos de branqueamento. No pré-branqueamento, Christov (1996) cita
a redução do consumo de cloro ativo (em geral na forma de dióxido de
cloro) de até 30%.
Estes avanços apresentados nas diferentes gerações de xilanases,
bem como o aumento do entendimento sobre a ação das xilanases são
muito positivos. Diante deste cenário, pode-se então visualizar o aumento
da aplicação de xilanases no setor de polpa celulósica e papel.
Outro dado importante é que desde a primeira aplicação, em 1986,
aproximadamente 100 testes industriais foram realizados até 1994
(VIIKARI, 1994) e desde então (início da década de 90) as xilanases são
utilizadas comercialmente na Escandinávia, EUA, Canadá e em outras
partes do mundo.
Mas nota-se também que, mais recentemente, continuam os
desenvolvimentos de enzimas mais resistentes às condições de
temperaturas e pHs mais elevados (SALEEM et al., 2012) e pelo
entendimento dos impactos da aplicação industrial (HART, 2005 e 2011 e
FILLAT et al., 2012). A razão por esta nova fase de pesquisas poderá ser
entendida com as descrições dadas a seguir.
19 Medida do residual de lignina na celulose, obtido por meio de digestão oxidativa com permanganato de potássio em meio ácido, conforme norma Tappi T 236 om-99.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
79
Nos Estados Unidos, atualmente, pelos menos 12 fábricas (em um
universo de 450 fábricas) usam enzimas no processo de branqueamento
(HART, 2011). São, no entanto, fábricas pequenas, várias delas
relacionadas ao uso de fibras recicladas. Estas fábricas possuem, em
geral, sistema com baixo nível de recirculação de filtrados e apenas
algumas fábricas usam a tecnologia de deslignificação com oxigênio, de tal
forma que a carga de dióxido de cloro é bastante elevada no primeiro
estágio de branqueamento. Com esta configuração, os benefícios das
enzimas precisam também ser demonstrados com aplicações em fábricas
modernas de produção de polpa celulósica.
Ao contrário da América do Norte, na América do Sul, onde as
fábricas de polpa celulósica estão entre as mais modernas do mundo, não
há, atualmente, aplicação industrial de enzimas (HART, 2011). Este
mesmo autor cita que pelo menos 4 testes industriais foram realizados e
que todos eles, no entanto, não foram bem sucedidos. As fábricas de
polpa celulósica na América do Sul caracterizam-se por adotar a
tecnologia de deslignificação com oxigênio, estágio ácido para a remoção
de ácidos hexanurônicos e um sistema de fechamento de circuitos de
filtrados diferenciado do modelo norte americano, o que pode justificar a
diferença de desempenho das xilanases.
Uma diferença marcante entre as fábricas é que, na América do Sul,
o filtrado do estágio enzimático retorna, em um sistema contracorrente,
passando para o estágio de deslignificação com oxigênio, pelo digestor e,
finalmente, para os sistemas de evaporação e recuperação, para ser
queimado na caldeira de recuperação. Desta forma, a liberação de xilanas
(para madeiras de eucalipto) decorrente da aplicação de xilanases
contribui para aumentar a quantidade de matéria orgânica (TOC e COD)
no filtrado do estágio enzimático. O acúmulo de matéria orgânica nos
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
80
filtrados que retornam em contracorrente afeta negativamente a operação
e a eficiência da deslignificação com oxigênio. Este impacto contribui para
aumentar o número kappa e a quantidade de dióxido de cloro usada no
primeiro estágio de branqueamento ao invés de reduzi-los, limitado o uso
de xilanases nas fábricas da América do Sul (HART, 2011).
3.3.2. Celulases
As celulases referem-se ao grupo de enzimas que agem,
conjuntamente, na hidrólise da cadeira de celulose (EMERT et al.,1974 e
WHITAKER, 1971). São classificadas pela Comissão de Enzimas (Enzyme
Commission – E.C.) como 3.2.1.x, onde o valor x varia com o tipo de
celulases. São descritas como 1,4-(1,3;1,4)-β-D-Glucana-4-
glucanohidrolases, que são de alta importância para o setor de polpa
celulósica e papel e biorrefinarias (HENRISSAT, 1991, CLAEYSSENS, 1992
e LYND, 2002).
De acordo com a descrição revisada por Kuhad (2011) celulases
consistem de pelo menos 3 grupos de enzimas: endo-(1,4)-β-D-
glucanases (E.C. 3.2.1.4), exo-(1,4)-β-D-glucanases (E.C. 3.2.1.91) e β-
glucosidases (E.C. 3.2.1.21). As exo-glucanases (CBH) atuam nas regiões
terminais da cadeia de celulose e liberam a β-celobiose como produto
final; endoglucanases (EG) atacam, de forma aleatória, as ligações
internas das ligações O-glicosídicas, resultando em uma cadeia de glucose
de diferentes tamanhos e as β-glicosidases que agem de forma específica
sobre o dissacarídeo β-celobiose e produzem a glucose.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
81
As celulases têm sido utilizadas, principalmente, na reciclagem de
papel usado. Neste caso, os objetivos mais importantes são para a
liberação e redução de partículas de tintas20 e melhoria da drenagem.
Mais recentemente, as celulases vêm demonstrando potencial para reduzir
a energia de refino21 e para modificar as características das fibras.
As celulases, tanto as exo quanto as endo-glucanases, agem,
principalmente, na superfície das fibras (PARK et al., 2007), alterando
grupos funcionais e a morfologia. Liberação de fibrilas e alteração da
relação da conformação das estruturas cristalina e amorfa do arranjo
celular também têm sido verificadas (PARK et al., 2007).
Outras aplicações destacadas para as celulases são para o aumento
da resistência e na melhoria da drenagem da polpa celulósica (PARK e
PARK, 2001; JACKSON et al., 1993; PARK et al.; 2007; YAMADA et
al.,2005; MANSFIELD e DICKSON, 2001; LUMME et al.,1999), embora
existam algumas discordâncias que celulases aumentam a resistência da
polpa celulósica (WALLACE, 2006; SAWADA et al. (2007; GARCIA et al.,
2002; MANSFIELD et al., 1997). O aumento da resistência da polpa
celulósica (e papel) é obtido com o uso de cargas adequadas de celulases
(varia para cada tipo de polpa celulósica) para aumentar o número das
ligações entre as fibras. A elevação do aumento das ligações entre as
fibras é decorrente, principalmente, da aumento do número de fibrilas e
de grupos funcionais (hidroxilas e grupos carboxílicos) proporcionado com
20 Remoção de partículas de tintas é uma etapa de processo durante a reciclagem de papéis que passaram por impressão, especialmente quando a polpa obtida da reciclagem é usada na produção de papéis brancos (ou de cores claras).
21 O refino é uma etapa de processo na fabricação de diversos tipos de papéis. Consiste de um tratamento mecânico, que requer o uso de uma considerável quantidade de energia e tem por objetivo promover o desenvolvimento de propriedades do papel
(exemplo resistência mecânica).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
82
a ação das celulases (COVARRUBIAS et al., 2009 e LONSKY et al., 2003).
A redução da energia de refino é, portanto, justificado pelo aumento da
resistência da polpa celulósica com a aplicação de celulases. Por outro
lado, o aumento da drenagem da suspensão fibrosa é resultante,
principalmente, da redução de partículas de pequenos tamanhos,
denominadas finos. Adicionalmente, alguns autores verificaram que
combinações de enzimas (como por exemplos misturas de celulases com
xilanases) melhoraram a drenagem com manutenção da resistência da
polpa celulósica (KIM et al.,2006), enquanto que Okssanen et al. (2000)
mostrou que aumenta a drenagem mas reduz a resistência da polpa
celulósica.
A figura 3.4 ilustra, de forma resumida, as principais ações das
celulases sobre a cadeia de celulose, enquanto que a figura 3.5 apresenta
um esquema um mais elucidativo das diferentes ações das celulases
(CASTRO e PEREIRA JR, 2010). É importante destacar que na produção de
polpa celulósica o objetivo é preservar ao máximo a resistência da polpa
celulósica, o que é obtido, com um tratamento suave com celulases, na
superfície das fibras. Consquentemente, as condições de aplicação de
celulases precisam ser ajustadas para cada tipo de substrato, com o
acompanhamento da resistência das fibras e da polpa celulósica.
As figuras 3.6 e 3.7 exemplificam estruturas e formas de atuações
das celulases. No entanto, novos conhecimentos estão sendo gerados, a
exemplo dos estudos com o objetivo de se obter um melhor entendimento
da ação das celulases na hidrólise de biomassas, incluindo resíduos de
plantas e da agricultura, capim elefante e árvores de poplar (ORNL,
2009).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
83
Figura 3.4 - Ação de celulases na hidrólise da cadeia de celulose. Fonte:
Pereira Jr. (2007).
Na figura 3.6 a estrutura contém um ligador peptídico com 26
aminoácidos e o domínio catalítico. O domínio catalítico do CBH I contém
10 subsítios ativos do tipo túnel, no qual a celobiose é liberada como um
produto final da reação (Polaina e Maccabe, 2007).
Na figura 3.7 Esta família de CBMs é reconhecida por conter
domínios pequenos todos com 3 resíduos de "tyr" colocados em
aproximadamente configuração colinear na superfície de interação com a
celulose (POLAINA e MACCABE, 2007).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
84
Figura 3.5 - Atuação de diferentes tipos de celulases na hidrólise da
cadeia de celulose. Fonte: Castro e Pereira Jr. (2010).
Figura 3.6 - Estrutura proposta para a CBH I do Trichoderma reesei
mostrando a “cellulose binding domain” (CBM). Fonte: Polaina e Maccabe
(2007).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
85
Figura 3.7 - Um tipo de CBM I de T. resei interagindo com uma face
planar da celulose. Fonte: Polaina e Maccabe (2007).
3.3.3. Lacases e outras enzimas oxidativas (LiPs e
MnPs):
As lacases são enzimas classificadas como E.C. 1.10.3.x, onde o x
varia com o tipo de lacases. As lacases classificadas como E.C. 1.10.3.2
são fenóis oxidases que catalisam a oxidação de vários compostos
fenólicos com a concomitante oxidação do O2 para H2O (CORDI e DURAN,
2001). São envolvidas na oxidação e clivagem da lignina, catalisando a
oxidação de polifenóis com oxigênio como aceptor final de elétrons,
conforme ilustrado nas figuras 3.8 e 3.9.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
86
Figura 3.8 - Ilustração da ação de lacases na clivagem da lignina. Fonte:
Pereira Jr (2007, adaptado de Duran (2004).
Figura 3.9 - Ciclo catalítico de lacases. Fonte: Reproduzido de Ferraz
(2004).
Os principais tipos de enzimas deste grupo (enzimas oxidativas)
são: Lacases (Lacs), manganês peroxidases (MnPs) e lignina peroxidases
(LiPs). Seu exato papel na oxidação das estruturas moleculares da lignina
ainda não está bem elucidado (PEREIRA JR, 2007). As lignases (lignina
peroxidases e manganês peroxidases) foram descobertas na década de 80
e desde então foram extensivamente discutidas porque são moléculas
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
87
grandes demais para penetrar na parede secundária e na lamela média
das fibras (CALL e MÜCKE, 1997).
As enzimas oxidativas que encontram aplicação no tratamento de
fibras contendo lignina são aquelas usualmente produzidas por
microrganismos capazes de degradar os lignocelulósicos na natureza.
Entre esses microorganismos, os fungos são os principais decompositores
e dentro do grupo de fungos envolvidos, existe uma classe especializada
que é capaz de degradar lignina. Esses fungos são comumente
denominados de fungos de podridão branca, pois a madeira degradada
por eles apresenta uma coloração esbranquiçada e, principalmente, uma
elevada capacidade de absorção de água, além de romper facilmente no
sentido das fibras.
As enzimas oxidativas secretadas pelos fungos que degradam lignina
podem ser agrupadas em enzimas que dependem de peróxido de
hidrogênio (peroxidases) e as que não dependem de peróxido (lacases).
As principais peroxidases são lignina peroxidases (LiP) e manganês
peroxidases (MnP). Ambas são comumente produzidas por fungos de
decomposição branca. Alguns destes, como os dos gêneros Bjerkandera e
Pleurotus, secretam ainda um terceiro tipo de peroxidase que oxida tanto
substratos da MnP (fenóis e Mn2+) quanto da LiP (álcool veratrílico). Esta
tem sido denominada de peroxidase versátil -VPs (MARTINEZ, 2002).
Na figura 3.9 o PhOH representa um substrato fenólico. A
estequiometria do ciclo envolve 4 Cu2+ (normalmente ligados a uma única
proteína ou a 2 cadeias protéicas acopladas), 4 substratos fenólicos, 4
prótons e 1 molécula de O2 (FERRAZ, 2004).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
88
As peroxidases envolvidas na degradação de lignina são
relativamente novas, ou seja, foram purificadas e caracterizadas pela
primeira vez no início da década de 80. A LiP foi inicialmente descrita em
1983 (GLENN et al., 1983; TIEN e KIRK, 1983) e a MnP foi descrita em
1984 (KUWAHARA et al., 1984). As lacases são conhecidas há mais tempo
e guardam semelhanças em termos de atividade oxidativa com as
tirosinases intracelulares comumente encontradas em vegetais.
A secreção das enzimas oxidativas já foi descrita para vários fungos,
dos quais se pode destacar Phanerochaete chrysosporium e em menor
grau de detalhamento outras espécies como Trametes versicolor,
Ceriporiopsis subvermispora, Phebila radiata, Phebia (ou Merulius)
tremellosus, Phebia subserialis, Phanerochaete sordida e Bjerkandera
audusta (KUHAD et al., 1997; FERRAZ, 2004). P. chrysosporium teve seu
genoma seqüenciado em 2004 (MARTINEZ et al., 2004) e vários estudos
da proteômica dessa espécie estão surgindo nos últimos anos (por
exemplo, WYMELENBERG et al., 2006). Isso é bastante relevante, pois a
expressão de genes dessa espécie em outros organismos abre um amplo
leque de possibilidades de produção em grande escala dessas enzimas
para fins comerciais. A expressão das enzimas oxidativas em vegetais foi
descrita em 2006 (CLOUGH et al., 2006).
Em termos gerais, as enzimas oxidativas do complexo lignolítico
podem ser ordenadas segundo suas capacidades oxidativas: LiPs > MnPs
> Lacases (KIRK e CULLEN, 1998).
As LiPs são capazes de abstrair elétrons de estruturas aromáticas
não fenólicas, dando origem a radicais cátion. As MnPs são dependentes
de Mn2+ e podem abstrair elétrons somente de estruturas fenólicas. Estas
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
89
duas enzimas são heme-proteínas e, portanto, apresentam um ciclo
catalítico semelhante às peroxidases de origem vegetal, como a “Horse
Hardish Peroxidase” (HRP). Nos dois casos, a enzima é ativada pela
oxidação por H2O2, levando a formação do composto I (CI) que é um oxo-
complexo deficiente em 2 elétrons. A redução do CI até a enzima nativa
pode dar-se por um doador de 2 elétrons como o iodeto ou, como ocorre
durante a degradação de lignina, por meio de duas etapas de abstração
de 1 elétron de cada vez. No caso das LiPs, a redução de CI a CII e
também de CII a C0 pode ocorrer por meio da oxidação de substratos não
fenólicos levando a formação de radicais do tipo cátion.
As MnPs dependem de Mn2+ para a redução de CII a C0. O
composto I pode ser reduzido a composto II à custa da oxidação de uma
estrutura fenólica ou de Mn2+. Por outro lado, o Mn3+ formado é bastante
reativo e normalmente é estabilizado por quelantes produzidos pelo
próprio fungo, como o ácido oxálico. O complexo Mn3+-oxalato, por sua
vez, pode ser reduzido à custa da oxidação de outra estrutura fenólica.
As lacases atuam diretamente sobre estruturas fenólicas por meio
da oxidação dos fenóis pela abstração de 1 elétron mediada pela redução
de Cu2+ a Cu1+, que por sua vez, reduz O2 a H2O, permitindo que a
enzima atue de forma cíclica (Figura 20). Mais recentemente, tem sido
demonstrado que as lacases podem, inclusive, clivar estruturas
aromáticas não fenólicas por meio de mediadores como o ABTS: [ácido
2,2'-azinobis-(3-etilbenzotiazolino-6)-sulfônico]. Nesse caso, a enzima é
capaz de oxidar alguns mediadores que possuem potenciais de ionização
mais elevados que o próprio potencial de oxidação das lacases em um
mecanismo ainda não claramente definido (ROCHEFORT et al., 2004).
Esses mediadores podem então oxidar estruturas não fenólicas da lignina.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
90
A clivagem de lignina a CO2 e H2O depende de um efetivo processo
de despolimerização dessa macromolécula que dê origem a compostos de
baixa massa molar susceptíveis ao metabolismo intracelular dos fungos.
Vários estudos desenvolvidos, principalmente com P. chrysosporium e T.
versicolor (ambos são produtores de LiPs), levam a conclusão de pelo
menos três modos principais de degradação da lignina (KIRK e CULLEN,
1998):
clivagem oxidativa de cadeias laterais envolvendo os carbonos e
ß, levando à formação de ácidos carboxílicos.
clivagem de ligações ß-aril-éter e conseqüente modificação das
cadeias laterais.
degradação de núcleos aromáticos por meio da abertura oxidativa
dos anéis.
Dados obtidos com uma diversidade maior de fungos de
decomposição branca colocam em dúvida se o processo de degradação de
lignina pode ser generalizado entre as diferentes espécies de fungos.
Existem descritos vários fungos eficientes em degradar lignina, mas que
não produzem lignina peroxidase (LiP-deficientes), como C. subvermipora,
Dichomitus squalens, Panus tigrinus, Rigidoporus lignosus e Picnoporus
cinnabarinus (KUHAD et al., 1997). Este aspecto lançou a dúvida de como
esses organismos degradam a lignina, uma vez que as enzimas
extracelulares produzidas por eles (MnPs e lacases) não podem abstrair
elétrons de estruturas não fenólicas da lignina. Nesses casos, a
degradação de lignina seria intermediada por compostos de baixa massa
molar. Conforme mencionado anteriormente, as lacases associadas a
mediadores como o ABTS: [ácido 2,2'-azinobis-(3-etilbenzotiazolino-6)-
sulfônico] podem degradar estruturas não fenólicas da lignina. Essas
mesmas estruturas podem ser degradadas por MnPs desde que na
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
91
presença de ácidos graxos insaturados, via peroxidação de lipídeos
(SREBOTNIK et al., 1997; KAPICH et al., 1999). A reação foi iniciada por
Mn3+ oriundo da ação de MnPs. Esta rota é usada para explicar reações de
degradação de modelos não fenólicos de lignina.
Srebotnik e Boisson (2005) demonstraram, de forma inequívoca,
que também lacases podem iniciar reações de peroxidação de lipídeos
desde que na presença de mediadores como o ácido 4-hidroxi-benzóico
(AHB) ou lignina sintética do tipo Dihydropyrimidinase (DHP). A
peroxidação de ácido linoléico foi ainda incrementada quando o meio
reacional continha Mn2+. Os autores demonstraram que os radicais
fenoxila gerados no AHB podem oxidar Mn2+ a Mn3+ e esse inicia a
peroxidação do ácido linoléico como já descrito para as reações
catalisadas por MnP. A presença de um mediador fenólico foi determinante
para a eficácia da reação, visto que reações que continham mediadores
não fenólicos como o ácido 4-metoxi-benzóico, uma lignina sintética
exaustivamente metilada ou mesmo somente lacases, não induziram a
peroxidação de ácido linoléico.
O biobranqueamento com lacases está baseado na capacidade
dessas enzimas em oxidar alguns mediadores que, por sua vez, atuam
como agentes oxidantes da lignina residual presente em polpas celulósicas
químicas de baixo número kappa. A lignina oxidada é então removida por
um processo de extração alcalina.
O uso de lacases no branqueamento teve origem em estudos
conduzidos inicialmente no “Pulp and Paper Research Institute of Canada”
(Paprican). Experimentos precursores foram realizados com o tratamento
de uma suspensão de lignina com lacases na presença de um mediador
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
92
apropriado, tal como o ABTS: [ácido 2,2'-azinobis-(3-etilbenzotiazolino-6)-
sulfônico]. Sob essas condições, a lignina sofria despolimerização
significativa, enquanto que na ausência do mediador a lignina
repolimerizava, de acordo com revisão de Rochefort et al. (2004).
Nestes estudos, o mediador inicialmente utilizado, ABTS, é um
composto nitrogenado freqüentemente utilizado em ensaios de
determinação da atividade de lacase in vitro. No entanto, trata-se de um
composto tóxico e de custo incompatível com os processos de
branqueamento de polpa celulósica.
Estudos iniciais focaram na avaliação de mediadores alternativos,
que aliassem eficiência na degradação de lignina e baixo custo, além de
nível mínimo de toxicidade. Nestes estudos surgiu o HBT
(hidroxibenzotriazol), que se mostrou bastante eficiente para os processos
de deslignificação, embora apresentasse custo elevado.
Em uma revisão publicada por Call e colaboradores (1997), foi
sintetizada a vasta literatura disponível até aquela data sobre o tema
lacases/mediadores e mostraram uma série de resultados referentes à
otimização do biobranqueamento com lacase/HBT. Call e Muncke (1997)
observaram que o nível de deslignificação, avaliado a partir da diminuição
de número kappa da polpa celulósica, pode atingir 57% com uma única
etapa de tratamento com lacases. Os dados mostram ainda que o efeito
de deslignificação pode efetivamente ser atribuído à ação enzimática, visto
que os controles correspondentes não provocam deslignificação
significativa.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
93
Um trabalho conduzido em 2006 avaliou o uso do sistema
Lacase/mediador em polpas celulósicas de Eucalyptus globulus (IBARRA et
al., 2006). Esse estudo foi desenvolvido em escala piloto no qual se
avaliou, além da eficiência do tratamento com lacases, também o melhor
ponto de introdução do tratamento com a enzima numa linha de
branqueamento total chlorine Free (TCF).
Outros estudos mais recentes continuam mostrando o potencial da
aplicação do sistema lacases/mediadores para o aumento da eficiência de
deslignificação, além de perseguirem a procura de novos mediadores tão
eficientes quanto ao HBT (ANDREU e VIDAL, 2011; BURNET et al., 2011;
SHIKHA, 2012; FILLAT et al., 2011 e 2012).
O branqueamento com MnPs tem sido menos mencionado na
literatura especializada do que o branqueamento com o sistema
lacase/mediador. Essencialmente, isso está vinculado à maior dificuldade
de produção de MnPs, pois em geral essa enzima é secretada durante o
metabolismo secundário dos fungos, enquanto as lacases podem ser
secretadas durante o crescimento. Isso implica em grandes diferenças de
produtividade das enzimas que pode ser até 1000 vezes maior para as
lacases (KIRK e CULLEN, 1998).
No entanto, o seqüenciamento recente do genoma de P.
chrysosporium (MARTINEZ et al., 2004) e os estudos de clonagem dos
genes responsáveis pela produção de MnPs em outros organismos
certamente alterará esse cenário nos próximos anos.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
94
O branqueamento direto com MnPs surgiu de alguns estudos
precursores realizados por um grupo Japonês liderado por Kondo et al.
(1994a). Nesses estudos precursores, o fungo P. sordida foi cultivado num
sistema que permitia separar o micélio fúngico do meio de cultura por
meio de um sistema de membranas semipermeáveis. Com esse sistema,
foi possível demonstrar que o meio cultivado possui atividade
deslignificante sobre uma polpa celulósica kraft, independentemente do
contato com a hifa fúngica. A avaliação desses meios fermentados indicou
que a principal enzima oxidativa presente era MnP.
Em um estudo posterior Kondo et al., 1994b avaliaram o
branqueamento com MnPs purificadas. Em condições otimizadas, o
branqueamento de uma polpa celulósica kraft de madeira de folhosas com
kappa inicial de 17 e alvura de 31,8% proporcionou uma polpa celulósica
com kappa 11 e alvura de 44% após uma etapa MnPs seguida de extração
alcalina. Essa mesma seqüência repetida diversas vezes resultou em uma
preparação de polpas celulósicas com elevada alvura, atingindo 70,3%
após 4 etapas e 75,5% após 6 etapas de branqueamento. Os resultados
iniciais mostraram-se animadores. Mas as condições experimentais usadas
no branqueamento com a enzima demandaram cargas elevadas de
enzima (100 UI/g de polpa celulósica) e a adição de “co-fatores” como
"tween" 80 (surfactante que contém ácidos graxos insaturados), MnSO4,
além da adição lenta de H2O2 durante a reação catalisada pela enzima (10
mM de O2 adicionado a 3 ml/h) e um tempo prolongado de reação (24h).
A realização do branqueamento com MnP na ausência do surfactante
(Tween 80) foi menos eficaz (somente 4% de incremento na alvura, de
31,8% para 35,5%) e isso foi atribuído inicialmente a ação estabilizadora
do surfactante sobre a atividade enzimática. De fato, com base nos
estudos mais recentes sobre o mecanismo de ação da MnP, se sabe que
os ácidos graxos insaturados do surfactante permitem a ocorrência de
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
95
reações de peroxidação de lipídeos que ao gerar radicais organoperoxila
levam a efetiva degradação da lignina.
Estudos mais recentes sobre o branqueamento com MnPs avaliaram
a influência do tipo de ácido graxo como promotor da reação de
deslignificação, além de avaliar a importância da presença de ácidos
orgânicos quelantes de Manganês e também da possibilidade do uso de
promotores da reação do tipo tiol - cisteína, por exemplo (BERMEK et al.,
2002). Esse trabalho foi realizado com polpa celulósica kraft de madeira
de folhosas com um número kappa inicial de 14,2 e alvura de 35% ISO. O
branqueamento com MnP sempre foi seguido de uma etapa de extração
alcalina. A simples incubação da polpa celulósica em tampão por 24 h
seguida de uma extração alcalina reduziu o kappa para 8,5 e elevou a
alvura para 39,3% (resultado caracteristicamente obtido com polpas
celulósicas mal lavadas). A adição de MnP, 1 mM de H2O2, Tween 80 e
MnSO4 proporcionou a efetiva deslignificação da polpa celulósica (kappa
final de 5,6 e alvura de 47,2%) confirmado os trabalhos anteriores do
grupo Japonês. A adição de derivados do tipo tiol ou de ácidos orgânicos,
como oxálico, não alteraram significativamente o efeito deslignificante. No
entanto, quando Tween 80 foi substituído por ácidos graxos puros com 1,
2 e 3 insaturações (ácidos oléico, linoléico e linolênico, respectivamente) a
deslignificação foi ainda mais efetiva nos experimentos com ácido linoléico
e linolênico. Ácido graxos com maior número de insaturações não
melhoraram os resultados.
Esses dados dos estudos citados anteriormente mostraram
claramente que o branqueamento efetivo com MnPs é bastante
potencializado com a presença de ácidos graxos com no mínimo duas
insaturações, a fim de promover reações de peroxidação de lipídeos que
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
96
geram radicais organoperoxila que por sua vez atuam degradando
estruturas não fenólicas de lignina.
Ehara et al. (2000) também obtiveram resultados semelhantes aos
descritos anteriormente e ainda estenderam o estudo de branqueamento
ao uso de lipoxigenases como iniciadoras das reações de peroxidação de
lipídeos contidos no Tween 80. Nesse caso também foi observado efeito
de branqueamento, o que confirmou a relevância da geração de radicais
organoperoxila como iniciadores das reações de deslignificação.
Mais recentemente, Vicentim e Ferraz (2007), Carvalho et al. (2009)
e Ferraz et al. (2008) investiram no entendimento da ação das manganês
peroxidases na degradação da lignina.
As enzimas lignina peroxidases têm sido muito menos avaliadas em
estudos de biobranqueamento de polpas celulósicas kraft do que as
lacases e as MnPs. Isso se deve, entre outros motivos, ao fato de as
enzimas LiPs serem produzidas por poucos microrganismos e serem
secretadas somente em condições de cultivo bastante especiais,
principalmente em decorrência da limitação de carbono ou nitrogênio nos
meios de cultura (KIRK e CULLEN, 1998).
Outro resultado fundamental nos estudos de biobranqueamento que
levaram ao menor uso experimental de LiPs em seqüência de
branqueamento enzimático está relacionado ao artigo chave publicado
pelo grupo canadense do Paprican em 1992 (ARCHIBALD, 1992). Nesse
estudo, o efeito de biobranqueamento causado pelo cultivo direto de T.
versicolor sobre polpa celulósica kraft foi avaliado sob várias condições.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
97
Quando a secreção de LiPs pelo fungo foi totalmente inibida pela adição de
íons metavanadato, a ação branqueadora do fungo permaneceu, indicando
que essa enzima teria um papel irrelevante no processo de
biobranqueamento.
Estudos posteriores envolvendo o biobranqueamento com LiPs, em
geral, utilizaram caldos de cultivo onde LiPs não eram as únicas enzimas
presentes, o que dificultou muito o discernimento de quais eram
efetivamente os agentes envolvidos. Um trabalho de Fang et al. (1999)
avaliou o branqueamento de polpa celulósica kraft de eucalipto com uma
mistura que continha LiPs e MnPs produzidas por P. chrysosporium. O
branqueamento enzimático foi conduzido com um caldo de cultivo que
proporcionou as seguintes relações enzima/polpa celulósica: LiP = 1 UI/g
e MnP 0,25 UI/g. O tratamento foi ainda combinado em alguns casos com
a adição de uma terceira enzima, a celobiose-desidrogenase (CDH)
produzida por Schizophyllum commune. O biobranqueamento foi ainda
seguido de uma etapa de tratamento com peróxido alcalino. A ação das
ligninases foi útil para reduzir o kappa das polpas celulósicas e elevar a
alvura. Quando o tratamento foi combinado com CDH, o efeito foi ainda
mais favorável, reduzindo o kappa inicial de 9,8 para 6,0-6,1.
Outro estudo de branqueamento de polpas celulósicas kraft de
eucalipto com uma mistura de peroxidases e xilanases foi publicado por
Antonopoulus et al. (2001). Nesse caso as enzimas utilizadas foram
produzidas por uma bactéria, Streptomyces albus. As peroxidases
produzidas por Streptomyces diferem das LiPs e das MnPs produzidas por
fungos, mas a característica das enzimas é essencialmente a de uma
peroxidase independente de Mn2+. Os resultados mostraram que há uma
ação sinérgica das peroxidases com as xilanases. O tratamento enzimático
realizado na ausência de H2O2 corresponde à ação somente das xilanases,
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
98
enquanto que o tratamento na presença de peróxido inclui a importância
das peroxidases. O tratamento completo permitiu uma redução de 2,8
pontos no kappa da polpa celulósica em estudo. Vale ressaltar que esse
estudo é um dos poucos em que o tratamento com as enzimas foi feito em
meio não ácido (pH 7,6) que embora não tenha proporcionado a máxima
atividade das peroxidases, permitiu um balanço adequado entre as
atividades da peroxidase e da xilanase.
Entretanto, vale ressaltar que a geração de enzimas oxidativas
continua na fase de pesquisa, sem ainda aplicação industrial. A
necessidade de uso de lacases associada a um mediador apresenta custo
e impactos ambientais muito elevados distancia a sua aplicação industrial.
Recentes revisões mostram que os esforços estão concentrados na
procura de microorganismos capazes de produzir elevadas quantidades de
enzimas (principalmente do tipo lignina peroxidase), o que ainda é um
gargalo tecnológico. Os microorganismos naturalmente ocorrentes
secretam mínimas quantidades, o que impede o uso comercial.
Outros fatores limitantes do uso das enzimas oxidativas citadas
acima são, também, as faixas de temperatura e pH de máxima atividade e
estabilidade. Em geral, temperaturas são na faixa de 40 a 50ºC e pH não
superior ao neutro. Conforme já citado anteriormente, limita
consideravelmente a aplicação industrial no setor de polpa celulósica e
papel. Há vários estudos recentes mostrando que está aumentando o
esforço, principalmente via engenharia genética, no sentido de aumentar
a quantidade excretada de enzima, bem como aumentar a temperatura de
aplicação (termoestabilidade).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
99
3.3.4. Lipases:
As lipases são classificadas como E.C. 3.1.1.x, onde o x corresponde
ao tipo de lipases. Para o setor de polpa celulósica e papel, as lipases mais
importantes são as que catalisam a hidrólise de triacilgliceróis (EC
3.1.1.3), conforme mostrado na figura 3.10 (VOLPATO, 2007,
MESSAOUDI et al., 2010 e GUTIERREZ et al., 2009).
Figura 3.10 – Ilustração da hidrólise de triacilgliceróis por lipases. Fonte:
Messaoudi et al. (2010).
Destacadamente, as lipases apresentam relevância em dois
segmentos: na produção de polpas celulósicas de alto rendimento,
normalmente denominados de processos mecânicos, quimomecânicos ou
termoquimomecânicos e também onde o uso de fibras recicladas é
elevado.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
100
Na fabricação de polpa celulósica e papel os estudos sobre lipases
datam da década de 50, ainda quando dominava o uso de pasta celulósica
do tipo “softwood”. É bem sabido que estas pastas contêm um elevado
teor de materiais denominados extrativos e/ou resinas, característicos das
gimnospermas, as quais são conhecidas também como madeiras
resinosas.
Desta forma, justifica-se o uso de lipases para amenizar o teor de
compostos denominados extrativos22, provenientes da madeira. O uso de
lipases na fabricação de polpa celulósica e papel foi iniciado no Japão, com
lipases produzidas da Candida cylindracea. Estudos e melhorias
complementares resultaram na remoção de até 95% do teor de
triglicerídeos da pasta mecânica de Pinus (MARQUES, 2010). Este autor
cita ainda que, ao longo dos anos, várias fábricas de polpa celulósica e
papel japonesas e chinesas passaram a usar lipases no controle de pitch.
De fato as aplicações industriais ocorreram na década de 60. A Jujo
Paper (no Japão) foi pioneira no uso de lipases no controle de “pitch”,
uma vez que estas enzimas podem hidrolisar o triglicerídeo em glicerol e
ácido graxo livre e, portanto, serem facilmente lavados e removidos da
polpa celulósica ou dos processos de produção (EK et al., 2009). Da
mesma forma, na fábrica de papel reciclado, localizada em Nanping, no
Japão, lipases têm sido aplicadas com sucesso (EK et al., 2009).
22 Extrativos são definidos como constituintes químicos que são extraídos da madeira através de vários tipos
de solventes neutros (EK et al., 2009). Os mais importantes para a indústria de polpa e papel são os extrativos
lipofílicos, comumente chamados de resinas da madeira, que são gorduras, ácidos graxos, álcoois graxos e seus
ésters com ácidos graxos (EK et al., 2009). Além destes, os triglicerídeos não polares (MIRZA et al., 2006)
também causam problemas de “pitch”. Na produção de pasta mecânica os triglicerídeos têm sido identificados
como os principais causadores de “pitch”(ULBER e SELL, 2006).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
101
As lipases têm ações eficazes sobre a clivagem dos extrativos.
Dados de literatura (SHARYO, 1993; BAJPAI, 1992; SUURNAKKI, 1997;
KENEALY, 2003; LUISA, 1996; KO; 2010; XAVIER, 2007 e ACHLE, 2007)
indicam a eficácia das lipases na remoção dos extrativos em até 90%.
Barros et al. (2010), Gutierrez et al. (2009), Leduc et al. (2011) e Singh
(2012) também destacaram a importância do uso de lipases no setor.
Outro problema muito comum em sistemas de produção de papel é
o crescimento de microorganismos, com criação de depósitos,
principalmente no sistema úmido da máquina de papel. Por muitos anos
este problema foi controlado com a aplicação de insumos químicos
(biocidas), principalmente, e também com a aplicação de insumos para
realizar um procedimento denominado de “boil-out”. Entretanto, os dois
tratamentos resultam em problemas, principalmente para o sistema de
tratamento de efluentes. A partir da necessidade de se conseguir
alternativas viáveis, estudos com lipases demonstraram-se muito
atrativos e são aplicados atualmente, com sucesso.
Mais recentemente, as lipases têm sido modificadas através de
técnicas de engenharia genética e é possível encontrar enzimas com alta
atividade em temperaturas de 80 a 90ºC (EK et al., 2009).
3.3.5. Amilases
As amilases são classificadas como E.C. 3.2.1.x, onde o x varia com
o tipo de amilase. A classe das -amilases (E.C. 3.2.1.1: -1,4-glucano-4-
glucanohidrolases) pertence à família das endo-amilases. Estas enzimas
catalisam a hidrólise das ligações -D-(1-4) glicosídicas do amido em
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
102
produtos de baixo peso molecular. Esta hidrólise resulta na redução da
viscosidade, tornando-a uma classe de enzimas amplamente usada em
diferentes setores incluindo o de polpa celulósica e papel (STELL et al.,
2012, KAUL e VYAS, 2012) e também revisado por Souza e Magalhães
(2010), sendo uma das mais antigas das enzimas industriais (GUPTA,
2003). Há indicações que esta classe de enzima corresponda a 25% do
mercado global de enzimas industriais (RAJAGOPALAN e KRISHNAN, 2008 e
RAO e SATYANARAYANA, 2007).
Esta classe de enzima é muito importante para o setor de polpa
celulósica e papel. Talvez a que tem uso mais antigo. As primeiras
patentes disponíveis datam de 1938. É importante lembrar que no setor
de polpa celulósica e papel, as amilases são mais comumente
denominadas de enzimas para a conversão ou modificação do amido,
produto este amplamente usado na preparação de aditivos para o
revestimento e também na colagem superficial da folha de papel.
Na revisão feita por Keneady e Jeffries (2003) e Bajpai (2012) é
também citado que a aplicação de amilases ao processo melhora a
drenagem e, conseqüentemente, a produção da máquina de papel
(aumento de 6,8% verificado por Lascaris et al. (1997)) e é ainda
benéfico no controle de depósitos orgânicos denominados de slimes.
3.3.6. Principais Enzimas da Rota de Biossíntese da
Lignina:
A lignina, juntamente com a celulose e as hemiceluloses, é um
componente importante da constituição química das árvores (e materiais
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
103
lignocelulósicos). A lignina corresponde a cerca de 20 a 35% do peso seco
da madeira e assume papel importante na estrutura da parede celular. A
lignina pode ser modificada por meio da engenharia genética, ou por outra
técnica que confira modificações sobre as atividades enzimáticas
específicas.
Estudiosos classificam as ligninas de gimnospermas formadas pela
desidrogenação dos álcoois coniferílico e sinapílico, enquanto que as
ligninas de gramíneas são formadas pela desidrogenação dos álcoois
coniferílico, sinapílico e cumarilílico (Glasser et al. 1980).
A lignificação é um processo bioquímico que abrange a biossíntese
de monolignóis, seu transporte e sua a polimerização na parede celular.
De um modo geral a complexidade estrutural das ligninas depende das
ligações formadas entre as unidades constitucionais (C6C3) durante o
processo de polimerização (MICIC et al., 2002). Para formar os
precursores terminais (ésteres de ácidos fenilpropanóides), sucessivas
oxidações e metilações são descritas (CHOINOWSKI et al.,1999).
De uma maneira geral, a taxa de cozimento (e de deslignificação)
durante a produção de polpa celulósica é diretamente proporcional ao teor
de siringil presente na madeira. Quanto maior o teor de siringil, maior é a
taxa (facilidade) de remoção da lignina (CHIANG et al., 1988 e KONDO et
al., 1988). Kondo et al., (1988) demonstraram que estruturas do tipo
mono e principalmente di-siringil clivaram 3 a 15 vezes mais rapidamente
do que seus homólogos correspondentes a guaiacil. A lignina do tipo
siringil, formada pelo álcool sinapílico, torna a molécula de lignina mais
linear e menos condensada, portanto, com menor ligação com os
polissacarídeos (JUNG e DEETZ, 1993).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
104
A biossíntese de monômeros da lignina é uma parte da rota
metabólica do fenilpropano. Dada a sua importância para a produção de
polpa celulósica, cabe ressaltar também que a polimerização da lignina
ocorre, de forma covalente, com as hemiceluloses. Ou seja, este fato
aumenta o desafio durante a fabricação da polpa celulósica, uma vez que
o objetivo é sempre remover o máximo de lignina com a manutenção do
máximo rendimento de carboidratos (BOUDET, 2003).
A estrutura química dos diferentes monolignóis, como por exemplo,
o ácido p-coumárico, ácido ferúlico e ácido sinápico, diferem tipicamente
em número e posição das metoxilas no anel aromático (BOERJARN et al.,
2003). Por exemplo, a metoxila originária da S-adenosilmetionina (SAM) é
um importante substrato de várias reações catalisadas por enzimas da
rota do fenilpropanóide. Ela é sintetizada a partir da metionina pela ação
de um ou mais isoformas e atua como um cofator em muitos processos da
lignificação das plantas, tais como o metilação do DNA e do etileno,
biossíntese da biotina e da poliamina (RAVANEL et al., 1998).
Outro entendimento relevante para este tema está associado às
enzimas principais das rotas da biossíntese da lignina, uma vez que este é
o tema principal desta tese. Com o foco em plantas modificadas
geneticamente, em relação ao teor ou a composição da lignina alterada
serão resumidas as principais enzimas para a biossíntese da lignina e não
mais sobre enzimas para a deslignificação, o branqueamento e outros
usos na fabricação de polpa celulósica e papel.
Na biossíntese da lignina, a fenilalamina é deaminada para produzir
o ácido cinâmico, o qual é então hidroxilado e metilado para produzir
diferentes ácidos substituídos no anel aromático. A coenzima-A-tioésteres
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
105
dos ácidos (p)-coumárico, ferúlico e sinápico é então produzida pela ação
da hidroxicinamato CoA ligase. Estes compostos são subseqüentemente
reduzidos pela ação da cinamil-CoA redutase (CCR) para cinamaldeidos,
que finalmente são convertidas para cinamil álcoois pela ação da cinamil
álcool dehidrogenase (CAD). Estas duas últimas reações são específicas
para a síntese da lignina (BOUDET, 2003). As principais enzimas
envolvidas na síntese da lignina são: PAL: fenilalamina amônialiase, 4CL:
4-hidroxicinamato-CoA ligase, C4H: cinamato hidroxilase, C3H: coumarato
hidroxilase, OMT: Ometiltransferase, F5H: ferulato hidroxilase, CCR:
cinamoil-CoA redutase, CAD: álcool cinamílico desidrogenase, e catecol-O-
metil transferase (COMT) que regulam as reações da etapa que antecede
a polimerização da lignina (ABREU at al, 2003 e ENDT et al., 2000).
Em função da sua importância, os estudos objetivam a manipulação
do metabolismo vegetal, alterando a expressão de genes chaves que
controlam qualitativamente e quantitativamente a lignina produzida.
Trabalhos com álamo, Arabidopsis e alfafa têm mostrado essas
possibilidades. Essas espécies são tidas como modelos de estudo, devido
ao conhecimento de seus genomas (LOPES e SOUZA, 2010). Estes
estudos buscam oportunidades no atendimento das diferentes
necessidades (VANHOLME, et al., 2008), no caso específico desta tese, o
aumento da facilidade de cozimento, deslignificação e branqueamento da
polpa celulósica.
Nesta tese, descreveu-se também quais são as enzimas mais
importantes da rota da biossíntese da lignina. Alguns destas rotas são
apresentados nas figuras 3.11 e 3.12. A proposta da figura 3.11 foi
inicialmente apresentada Boudet et al. (1996), depois SPANGENBERG et
al. (2001) e, mais recentemente, por Campbell and Sederoff (2006).
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
106
Nota-se que é apresentado um conjunto de várias enzimas da rota de
biossíntese da lignina.
Figura 3.11 - Rota de biossíntese da lignina. Fonte: modificada a partir
de Boudet et al.(1996), Spangenberg et al. (2001) e Campbell and
Sederoff (2006).
Na figura 3.11 as descrições das enzimas são: PAL=fenilalanina
amonialiase; TAL=tirosina amônialiase; C4H=cinamato 4-hidroxilase;
C3H=4-hidroxicinamato 3-hidroxilase; COMT=ácido caféico 3-O-
metiltransferase; F5H=ferulato 5-hidroxilase; 4CL=4-coumarato:CoA
ligase; CCoA-3H=coumaroil-coenzima A 3-hidroxilase; CCoA-OMT=cafeiol-
coenzima A O-metiltransferase; CCR=cinamoil-CoA redutase e
CAD=cinamil álcool dehidrogenase.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
107
Neste mesmo tempo, Chiang et al. (2002) apresentou o modelo
similar ao da figura 3.11, mas tende a focar em suas pesquisas, naquela
época, na alteração da rota de biossíntese da lignina de plantas por meio
da 4-coumarato Co-enzima A ligase (4CL).
Em uma visão mais recente, apresentada na figura 3.12, Jung et al.
(2012) procura ilustrar as competições existentes entre as principais
enzimas da rota de biossíntese da lignina de plantas. Trata-se de uma
abordagem interessante, uma vez que procura trazer para os
pesquisadores uma melhor realidade da complexidade para a manipulação
da rota de biossíntese. Na figura 3.12 é ilustrado o fluxo relativo de
carbono entre as várias rotas de competição, as quais são indicadas pelo
tamanho das setas. As enzimas envolvidas são: fenilalamina liase (PAL),
cinamato 4-hidroxilase (C4H), 4-coumaril liase (4CL), hidroxicinamoil CoA-
“shikimate”/quinato transferase (HCT), coumarato 3-hidroxiliase (C3H),
cafeiol-CoA-3-O-metiltransferase (CCoAOMT), cinamoil CoA redutase
(CCR), ferulato 5-hidroxilase (F5H), ácido caféico-3-O-metiltransferase
(COMT) e cinamil álcool dehidrogenase (CAD).
Outros modelos interessantes são apresentados por Ralph et al.
(1998), Dixon et al. (2001), Novaes et al. (2010). Mais recentemente
novos protocolos de medição de proteínas, a nível proteômico, estão
sendo desenvolvidos (SHUFORD et al.,2012). Estes autores citam que os
protocolos foram baseados na clivagem de isótopos de proteínas diluídas
por espectroscopia de massa (PC-IDMS) para a determinação de todas as
enzimas primárias envolvidas na biossíntese dos monolignóis e de
peroxidases responsáveis pela sua polimerização para formar a lignina em
um modelo de árvore de Populus trichocarpa.
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
108
Figura 3.12 - Rota genérica da biossíntese de monômero (monoligninol)
de lignina, ilustrando o fluxo relativo de carbono entre as rotas de
competição. Fonte: Jung et al. (2012).
3.4. Considerações Gerais:
Por serem biocatalisadores, as enzimas são importantes alternativas
para incrementar o nível de inovações do setor de polpa celulósica e
papel, o qual já tem tradição no uso de enzimas para diferentes
aplicações. O levantamento de informações realizado neste capítulo da
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
109
tese permitiu identificar as principais enzimas de relevância para o setor
de polpa celulósica e papel, bem como as suas principais aplicações.
As xilanases são industrialmente aplicadas na produção de polpa
celulósica, com o objetivo de facilitar o branqueamento e reduzir custos de
produção. Embora sejam efetivamente aplicadas em produções regulares
de algumas fábricas de produção de polpa celulósica, principalmente na
América do Norte e Europa, não há, até o presente momento, aplicações
industriais destas enzimas na América do Sul (cujas razões foram
apresentadas ao longo da descrição deste capítulo). É ainda clara a
necessidade de produção de xilanases mais eficazes para a hidrólise de
biomassas lignocelulósicas para a produção de pentoses, como fonte para
a produção de diferentes produtos.
As celulases têm sido aplicadas na produção de polpas celulósicas a
partir de papéis reciclados, com o objetivo de aumentar a resistência das
fibras; melhorar a drenagem da suspensão fibrosa e aumentar a eficiência
na remoção de tintas durante a reciclagem de papel. Celulases são usadas
ainda como tratamentos de refino da polpa celulósica, com o objetivo
principal de reduzir o consumo de energia e/ou para modificar as
características (exemplo a resistência) das fibras e do papel. Mais
recentemente, outros focos de pesquisas têm sido no desenvolvimento de
celulases (especialmente preparados de celulases) para a hidrólise de
biomassas lignocelulósicas para a produção de açúcares, como um dos
blocos de construção para a produção de diferentes finalidades de
produtos, em um setor diferente de polpa celulósica e papel.
As lacases têm sido testadas na reciclagem do papel com o objetivo
de aumentar a alvura. Estas têm sido também testadas, de forma
Capítulo 3 – Enzimas de Interesse para o Setor de Celulose e Papel
110
indireta, na produção de polpas celulósicas mecânicas, com o objetivo de
reduzir a quantidade de energia do processo. Muitas pesquisas e testes
têm sido conduzidos sobre o uso destas enzimas na deslignificação da
polpa celulósica, embora ainda não haja aplicação industrial. Por outro
lado, existem aplicações em sistemas de tratamentos de efluentes, com o
objetivo principal de reduzir a quantidade de matéria orgânica (e por
conseqüência a demanda química de oxigênio).
As lipases têm sido aplicadas no controle de extrativos (formações
de “pitch”) e no controle de depósitos orgânicos em sistemas de máquinas
(também denominados de “slime”). Lipases são também usadas na
fabricação de polpas celulósicas mecânicas, com o objetivo de reduzir a
quantidade de extrativos.
As amilases são usadas, principalmente, na modificação de amido
para a formulação de agente de colagem e de revestimento da folha de
papel, bem como na produção de fibras recicladas.
São várias as enzimas da rota de biossíntese da lignina. Alguns
genes que codificam para estas enzimas são de fundamental importância
para a manipulação do teor e da qualidade da lignina. Esta importância já
era relevante para a produção de polpa celulósica e, mais recentemente,
o assunto ganhou ainda maior relevância com o interesse do uso de
biomassas lignocelulósicas para a produção de bioprodutos, no contexto
do conceito de biorrefinarias. Como exemplos, a lignina torna-se um
constituinte para a produção de energia, mas vem sendo pesquisada
também e principalmente para a produção de fibra de carbono, compostos
aromáticos.
Capítulo 4 – Metodologias
111
Capítulo 4
Metodologias
4.1. Prospecção Tecnológica
4.1.1. Visão Geral
Como primeira etapa, realizou-se uma prospecção genérica, cujos
principais objetivos foram: entender quais são as principais enzimas para
o setor; as principais aplicações; os principais produtores de enzimas; os
principais países produtores de tecnologias de produção de enzimas para
a indústria de polpa celulósica e papel; identificar se os investimentos
estavam sendo realizados por empresas privadas ou públicas, bem como
os principais objetivos dos avanços tecnológicos na produção de enzimas.
Nesta fase inicial foram realizadas buscas de patentes em duas
bases:
1. Na base da Derwent Innovations, devido: a) livre acesso como
estudante da UFRJ via portal CAPES; b) é uma base ampla. Ela tem
uma cobertura de 14,3 milhões de invenções básicas de 40 países, com
cobertura desde 1963; c) ambiente amigável, facilitando a análise
inicial das patentes e preparação de banco para tratamento adequado
das informações com o software comercial denominado VantagePoint®.
Capítulo 4 – Metodologias
112
2. A base do órgão americano de patentes (USPTO), uma vez que foi
verificado que os resultados da busca na Derwent indicaram que a
maioria das patentes era depositada no escritório americano.
As estratégias das buscas e de análises das patentes foram
conforme descrito a seguir.
Usou-se a classificação internacional de patentes (IPC- International
Patent Classification) ou Classificação Internacional de Patentes (CIP) para
o tema enzimas. A IPC foi estabelecida pelo tratado de Strasburg em 1971
e disponibiliza um sistema hierárquico, com símbolos de linguagem
independente, para a classificação internacional de patentes e modelos de
utilidades de acordo com diferentes áreas de tecnologia para a qual ela
pertence.
No site da IPC, obteve-se o código (geral) de enzimas. Neste caso é
a seção C (Chemistry; Metalurgy). Em seguida, chegou-se a classe C12,
que corresponde a Biochemistry; Beer; Spirits; Wine; Vinegar;
Microbiology; Enzymology; Mutation or Genetic Engineering. Prosseguiu-
se até a subclasse C12N, que corresponde a Microorganisms or Enzymes:
compostions thereof.
Neste ponto verificou-se que um maior aprofundamento levaria às
sub-classes, que são inúmeras, o que focaria em assuntos muitos
específicos, o que não é o caso deste estudo, o qual visa prospectar
enzimas como um todo para o setor de polpa celulósica e papel, em uma
Capítulo 4 – Metodologias
113
fase preliminar. Para tal, existe a definição de fazer o truncamento23 com
“*”. Desta forma, a busca foi definida como C12N*.
A classificação internacional de patentes foi associada às palavras
chave "pulp and paper" (no título e resumo dos documentos de patentes),
para focar no segmento de polpa celulósica e papel. Portanto, a busca foi
efetuada da seguinte forma: IP=(C12N*) and TS=(Enzyme and (Pulp or
Paper). Neste caso, o ‘IP’ nesta base corresponde ao International Patent
Classification (IPC), enquanto que o ‘TS’ corresponde a termos do tópico,
em buscas no título e no resumo de cada documento. Obtiveram-se
documentos para todo o período da base da Derwent (desde 1963) até
31/07/10. Exemplo ilustrativo na figura 4.1.
Com esta metodologia, gerou-se uma base de dados com 1210
documentos ou pedidos de patentes e foram tratados conforme descrito
em 4.1.3. Após eliminação de duplicidades e de documentos que não
pertenciam ao universo desejado sobre enzimas para o setor de polpa
celulósica e papel, obteve-se um banco com 602 documentos.
As buscas na base USPTO foram feitas da seguinte forma:
Adotou-se a estratégia de uso da classificação internacional, para o
período entre 1963 a 31/07/10 (mesmo período usado na Derwent),
conforme ilustrado na figura 4.2. Foram obtidos 1499 documentos. Os
documentos de interesse foram extraídos com o auxílio do
23 Neste caso, truncar significa omitir parte de uma palavra (ou termo) visando obter derivações da mesma (do mesmo) através do uso de um artifício do tipo “*” ou “$”. Trata-se de prática comumente usada em buscas de documentos. Por exemplo ao invés do uso de enzyme apenas na busca, pode-se usar enzy* para obter tanto o plural
(enzymes), quanto terminações do tipo enzymatic e enzimatically.
Capítulo 4 – Metodologias
114
www.pattools.com/uspto_search_results.html e transferidos para o Excel
(conforme figura 4.3.). Após as exclusões de duplicidades e análise dos
documentos obteve-se um total de 642 documentos de interesse.
Figura 4.1 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte: Elaboração própria.
Os resultados das buscas de patentes foram também
complementados com informações contidas em artigos científicos. A busca
de periódicos e revisões sobre enzimas para o setor foi feita na base de
dados da Web of Knowledge, também disponível por meio do portal
CAPES. Esta foi realizada para todo o período disponível até 31/12/2010.
As palavras chave "Enzyme and Pulp and Paper" foram usadas. As buscas
da literatura técnica sobre o assunto objetivaram, principalmente, avaliar
a evolução do interesse científico dos principais tópicos de interesse sobre
a produção e aplicação de enzimas no setor de polpa celulósica e papel.
Capítulo 4 – Metodologias
115
Figura 4.2 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte: Elaboração própria.
Figura 4.3 - Exemplo ilustrativo de extração de documentos na base
USPTO. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 4 – Metodologias
116
4.1.2. Prospecções Específicas
A análise dos documentos obtidos na prospecção preliminar deste
estudo (capítulo 4.1.1) permitiu identificar as principais áreas foco de
aplicação ou potenciais de aplicação de enzimas no setor que são:
1. Rotas de biossíntese da lignina. Esta área de enzimas foi incluída em
função da importância do tema para o setor, na produção de madeira
com menor teor de lignina e/ou com qualidade da lignina.
2. Desconstrução/hidrólise de materiais lignocelulósicos
3. Processo de biopolpação;
4. Descascamento da madeira;
5. Deslignificação da polpa celulósica;
6. Branqueamento da polpa celulósica;
7. Enzimas termoestáveis;
8. Enzimas mais resistentes a ambientes alcalinos;
9. Tratamento de efluentes;
10. Modificação de amido na produção de aditivos para a fabricação de
papel;
11. Refino (biorefino) da polpa celulósica na fabricação de papel;
12. Modificação da qualidade da polpa celulósica e do papel;
13. Aumento da drenagem da polpa celulósica e da suspensão fibrosa na
fabricação de papel;
14. Controle de depósitos orgânicos em sistemas de máquinas de papel
(“slimes” e biofilmes);
15. Controle de “pitch”;
16. Redução do arrancamento de vasos da superfície da folha de papel;
17. Produção de polpa celulósica reciclada.
Pode ser notado que a ordem de 1 a 17 vai da floresta, passando
pela produção de polpa celulósica indo até ao final da produção de papel.
Capítulo 4 – Metodologias
117
Para cada um destes 17 temas foram realizadas buscas nos
seguintes escritórios patentes: Europeu (EPO), japonês (JPO), chinês
(SIPO), americano (USPTO) e brasileiro (INPI). Após a exclusão de
duplicidades e de documentos que não correspondiam efetivamente ao
tema foco da análise, obteve-se uma única base de dados, a qual
consolidou documentos das diferentes bases usadas.
No escritório europeu, as buscas foram feitas no site
http://worldwide.espacenet.com/?locale=en_EP. Em seguida, procedeu-se
ao “open Espacenet at the EPO”, seguido de “advanced search”,
escolhendo-se a base para busca: “worldwide, EP ou WIPO”. As buscas
foram feitas em cada uma destas três bases, para efeito de comparações
de resultados. A figura 4.4 ilustra um exemplo. Foi considerado todo o
período de dados disponíveis na base EPO (desde 1836 até 18/03/2012).
Nesta base adotaram-se abreviações truncadas das palavras chave para
garantir um maior número de recuperação de documentos. Neste caso,
Enzym* and Pulp* and Paper*, que também podem significar,
respectivamente: Enzymatic; Pulping; Papermaking, bem como plurais
das palavras originais.
No escritório americano as buscas foram feitas no site
http://www.uspto.gov/patents/process/search/index.jsp, também
adotando-se a estratégia de palavras chave e do truncamento das
mesmas, para o período de 1976 até 18/03/2012, na alternativa “full-
text”. Obs.: na base USPTO use-se “$” ao invés de “*” para o
truncamento. Um exemplo ilustrativo de busca na base UPSTO é
apresentado na figura 4.5.
Capítulo 4 – Metodologias
118
Figura 4.4 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte: Elaboração própria.
Figura 4.5 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte: elaboração própria.
Capítulo 4 – Metodologias
119
A tabela 4.1 sumariza os termos adotados nas buscas na base do
USPTO para cada uma das 17 áreas citadas.
Tabela 4.1 – Termos da busca para as 17 áreas de aplicação de enzimas.
Fonte: elaboração própria.
Nº Área
Área Aplicação Enzima Termos da busca (exemplo para a USPTO)
1 Biopolpação abst/(biopulping) and apd/12/13/1976->3/18/2012
2 Descascamento da madeira
abst/(debarking and enzym$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
3 Branqueamento abst/(pulp$ and bleach$ and enzym$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
4 Deslignificação abst/(pulp$ and delignif$ and enzym$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
5 Enzimas termoestáveis abst/(enzym$ and (thermostability or thermostable) and pulp$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
6 Enzimas Alcalinas abst/(enzym$ and (alkalitolerant or alkali-tolerant or alkali-resistant) and pulp$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
7 Enzimas tratamento efluentes
abst/(enzym$ and effluent and pulp$ and paper$ and apd/12/13/1976->3/18/2012
8 Enzimas para polpa celulósica reciclada
abst/(deink$ and enzym$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
9 Enzimas para controle de "pitch"
abst/(pitch and enzym$ and pulp$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
10 Enzimas para controle de "slime"
abst/(enzym$ and slime and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
11 Enzimas para modificação amido
abst/(starch and enzym$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
12 Enzimas para refino da polpa celulósica
abst/(pulp and refin$ and enzym$ and energy$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
13 Enzimas para drenagem abst/(drainage and enzym$ and pulp$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
14 Enzimas para modificação da polpa celulósica
abst/(enzy$ and fiber and modifi$ and pulp$ and paper$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
15 Enzimas para controle arrancamento vasos
abst/(vessel and picking and pulp$ and enzym$) and apd//12/13/1976->3/18/2012
16 Enzimas para hidrólise de lignocelulósicos
abst/(enzym$ and lignocellul$) and apd/12/13/1976->3/18/2012
17 Enzimas da biosíntese da lignina
abst/(lignin and transgenic and enzyme) and apd/12/13/1976->3/18/2012
Capítulo 4 – Metodologias
120
As buscas de documentos na base de patente japonesa (JPO) foram
feitas usando: www.jpo.go.jp e em seguida acesse Industrial Property
Digital Library (IPDL) em http://www.ipdl.inpit.go.jp/homepg_e.ipdl e
depois busca em PAJ: http://www19.ipdl.inpit.go.jp/PA1/cgi-
bin/PA1INIT?1351951196620. Buscaram-se documentos desde 1920 até
18/03/2012. Adotou-se aqui, também, a estratégia de busca por palavras
chave (já citadas anteriormente), mas sem o mecanismo de truncamento.
Um exemplo é apresentado na figura 4.6. Ao obter a resposta do número
de documentos (no exemplo da figura 4.6 são 39), fez-se a extração das
informações no termo index indication. O resumo aparece em inglês, mas
nos casos de maior interesse, foram extraídos os documento em japonês,
acessando-os na barra denominada Please click here for details of Stored
Data Information of [DETAIL], [JAPANESE], and [LEGAL STATUS]. Nesta
base concentrou-se na leitura dos resumos e para alguns documentos
chave foi realizada a tradução via web de partes de maior interesse (por
exemplo reivindicações).
Na base de dados chinesa procederam-se as buscas no site
http://english.sipo.gov.cn/index.html e neste no link patent search. No
espaço F.Abstract usou-se a principal palavra chave (no exemplo
ilustrativo da figura 4.7, usou-se “lignocellulosic”. Note que 646
documentos citam a palavra “lignocellulosic” no “abstract”. Combinando
agora estes documentos com a palavra “enzyme” obtêm-se 62
documentos. Ao abrir cada um dos documentos, neste mesmo site e no
final da página, encontra-se a palavra “machine translation”. Neste “link”
é possível obter a tradução do documento.
Na base do INPI foi também realizadas as buscas com a estratégia
de palavras chave, em português.
Capítulo 4 – Metodologias
121
Figura 4.6 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte: elaboração própria.
Figura 4.7 - Exemplo ilustrativo da busca de documentos de patentes.
Fonte:elaboração própria.
Capítulo 4 – Metodologias
122
4.1.3. Tratamento dos Dados
Os 1210 documentos obtidos inicialmente na prospecção geral (item
4.1.1) foram extraídos da base Derwent com o uso do software
VantagePoint®, Versão 5.0, de 2007, o qual é um software comercial que
permite o tratamento bibliométrico, realização de clusters e correlações
para facilitar a análise de tendências e tomada de decisão.
Foi realizado o entendimento do conteúdo do estado da arte e do
foco principal das reivindicações dos documentos, com o objetivo de se
conhecer as principais tendências tecnológicas. A análise crítica, por meio
de leitura individual, permitiu classificar os documentos de interesse para
o setor de polpa celulósica e papel. Nos casos onde ficaram dúvidas, os
documentos passaram por uma leitura complementar para decisão sobre o
interesse.
Os critérios de exclusões de documentos de patentes do banco
original foram: a) fora do contexto do estudo para o setor de polpa
celulósica e papel; e b) duplicidades dos documentos de patentes.
Com as exclusões obteve-se um banco com 602 patentes. Realizou-
se uma análise detalhada destes documentos de patentes. Procurou-se
conhecer quais são os principais indicadores de liderança por parte dos
depositantes sobre as possibilidades de inovações sobre enzimas para o
setor de polpa celulósica e papel. Buscou-se identificar a origem das
inovações, por empresas privadas ou institutos de
pesquisas/universidades, principais países de prioridade, ou seja, data do
primeiro depósito, países de prioridade, ano da publicação, principais
Capítulo 4 – Metodologias
123
enzimas descritas, dentre outras, foram recuperadas. Esta análise
permitiu a produção da matriz de informações da tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Matriz de informações obtidas dos documentos de patentes.
Fonte: elaboração própria.
Capítulo 4 – Metodologias
124
O Excel, com a ferramenta localizar, foi utilizado como forma de
validação dos termos principais de interesse. Estas informações da tabela
4.2 foram analisadas com o uso do software VantagePoint®, versão 5.0,
de 2007, o qual é muito útil no tratamento de informações não numéricas,
como é o caso dos documentos de patentes. Todas as possibilidades de
correlações cruzadas e agrupamentos (“clusters”) entre os itens principais
da tabela 4.2 foram processadas e interpretadas. Alguns exemplos de
correlações e “clusters” são: tipo de enzima com aplicação; tipo de enzima
com foco da invenção; tipo de enzima com tecnologia, etc.
Nas prospecções específicas para cada uma das 17 áreas citadas no
capítulo 4.1.2 e para cada uma das bases de documentos usadas, os
documentos foram extraídos e analisados, primeiramente, quanto a
ausência de duplicidades. Em seguida, por meio do uso do Excel, com a
ferramenta localizar, com as palavras enzimas, polpa celulósica ou papel,
certificou-se dos documentos de interesse, com a exclusão dos demais.
Desta forma, produziu-se uma base única consolidada
Os documentos, para um dos 17 itens de interesse, foram extraídos
(em geral por meio do uso da base Espacenet, USPTO, freepatentsonline
ou Google). Uma análise crítica detalhada destes documentos foi
realizada. Focou-se a leitura no estado da arte, principais resultados dos
exemplos e reivindicações. Esta análise resultou em um sumário que é
apresentado no capítulo 5. Adicionalmente, fez-se uma leitura
complementar de artigos científicos, com foco principal nos primeiros
artigos a descrever o assunto em pauta, revisões e artigos recentes. O
objetivo neste caso foi obter as principais tendências e as principais
lacunas tecnológicas.
Capítulo 4 – Metodologias
125
Obtenção dos agrupamentos e correlações: utilizou-se a ferramenta
do VantagePoint®. As figuras 4.8 a 4.10 ilustram o banco de dados sendo
preparado neste software, para a realização das análises de interesse.
Figura 4.8 – Preparação de banco de dados sobre enzimas. Fonte:
elaboração própria.
Capítulo 4 – Metodologias
126
Para facilitar o entendimento, na hora da interpretação dos
resultados, é importante citar que este software possui uma escala de
correlação que vai de 0 a 1. Dependendo da intensidade do tracejado,
maior é o grau do relacionamento. Desta forma, as linhas mais grossas
(relacionamento forte) demonstram maior grau de relacionamento,
enquanto a linha tracejada (relacionamento fraco) indica menor grau de
relacionamento. Por outro lado, as circunferências indicam a freqüência
(número de vezes) em que as palavras (da análise desejada) são
utilizadas. Portanto, quanto maior a circunferência, maior o número de
freqüência.
Figura 4.9 - Extração de informações sobre enzimas de interesse no
VantagePoint® para obtenção de correlações cruzadas. Fonte: elaboração
própria.
Capítulo 4 – Metodologias
127
Figura 4.10 - Obtenção de correlações cruzadas no VantagePoint®.
Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
128
Capítulo 5
Resultados e Discussão
5.1. Prospecção geral sobre enzimas para o setor de
polpa celulósica e papel:
Em uma primeira etapa realizou-se uma prospecção de natureza
geral para obter subsídios para ampliar a busca em aspectos mais focados
de interesse para o setor de polpa celulósica e papel. Lembrando que a
visão é obter tendências tecnológicas sobre a aplicação de enzimas no
setor. Focou-se na análise das patentes porque estas representam um
conjunto de informação tecnológica relevante (ANTUNES et al., 2008): a)
descreve a informação tecnológica mais recente em relação ao estado da
arte; b) permite o conhecimento de potenciais inovações imediatamente e
a partir da descrição original do invento; e c) contém 71% de toda a
tecnologia divulgada no mundo (ARAÚJO, 1984 e CABRAL, 1999).
5.1.1. Evolução do número de documentos publicados sobre
enzimas (foco no setor de polpa celulósica e papel, em nível
mundial)
O foco da análise da tese foi sobre o conteúdo dos documentos das
patentes. Mesmo assim, foi também realizada uma análise da evolução de
artigos científicos. A figura 5.1 mostra uma evolução consistente do
número de documentos publicados sobre enzimas para o setor de polpa
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
129
celulósica e papel. Nota-se que o número de publicações entre 2006 a
2010 aumentou 48% em relação ao período 2001 a 2005. Esta tendência
demonstra que o interesse sobre este assunto é crescente. Portanto, as
pesquisas sobre enzimas, para o setor de polpa celulósica e papel,
continuam atrativas.
Figura 5.1 - Número de documentos publicados sobre enzimas para o
setor de polpa celulósica e papel. Fonte: elaboração própria.
Os resultados da base da Web of Science, no período analisado,
mostraram que as principais áreas de interesse de estudos foram:
Biotechnology & Applied Microbiology (com 30,7% das publicações);
Chemistry (com 26,5% das publicações); Material Science (com 25,8%
das publicações); Biochemistry & Molecular Biology (com 7,8% das
publicações); e outros com 9%.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
130
5.1.2. Evolução do número de patentes sobre enzimas no setor de
polpa celulósica e papel
É importante registrar o elevado incremento do potencial inovativo
(intensidade tecnológica) sobre enzimas para o setor de polpa celulósica e
papel, que embora recente (iniciado em 1976), tem crescido de forma
consistente. As duas bases analisadas resultaram em um número similar
de documentos (602 na Derwent e 642 na USPTO), mostrando a
consistência dos resultados. As tendências observadas nas figuras 5.2
(base da Derwent) e 5.3 (base USPTO).
Figura 5.2 – Evolução do número de patentes. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
131
As figuras 5.2 e 5.3 revelam que houve uma elevação no número
de patentes até por volta do ano 2000, indicando uma mais alta
intensidade estudos neste período. Depois houve estabilização do número
de documentos. Em média, foram publicados em torno de 32 documentos,
anualmente, entre 1997 a 2008, na base da Derwent e 28 na USPTO. O
período entre 2009 e 2010 foi desconsiderado uma vez que os
documentos encontravam-se ainda em fase de sigilo.
Figura 5.3 – Evolução do número de patentes. Fonte: elaboração própria.
5.1.3. Principais Empresas Detentoras de patentes
Primeiramente, é interessante notar na figura 5.4 que apenas uma
empresa de polpa celulósica e papel, a Oji Paper, com sede no Japão, com
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
132
operações também no Brasil, possui um número considerável de 19
patentes, revelando o interesse e investimento dedicado ao
desenvolvimento de tecnologia própria.
Figura 5.4 – Principais empresas detentoras de patentes. Fonte:
elaboração própria.
Outro fator interessante é que há uma enorme concentração do
desenvolvimento em enzimas para o setor de polpa celulósica e papel em
poucas empresas de biotecnologia (figura 5.4). A dominância fica por
conta da NovoNordisk e da Novozymes. Tomando-se como referência a
Novozymes, dados publicados por Linton et al. (2009), acrescidos dos
dados do Annual Report 2009 (NOVOZYMES, 2010), demonstram que a
esta empresa tem aumentando de forma consistente suas vendas e os
investimentos e R&D em enzimas para este setor.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
133
5.1.4. Empresas detentoras de patentes: Setor Privado versus
Instituições Públicas
Na figura 5.5 é relevante notar que as empresas privadas
contribuíram com cinco vezes mais patentes do que as universidades e
instituições públicas.
Figura 5.5 - Empresas privadas versus públicas. Fonte: elaboração
própria.
Os resultados da figura 5.5 evidenciaram que o desenvolvimento de
enzimas, para este setor e de forma geral, é focado nas empresas de
biotecnologia. Empresas estas produtoras de enzimas. Os resultados revelaram
também que existem algumas empresas de polpa celulósica e papel pesquisando
suas próprias enzimas (como exemplo a Oji Paper e Cellulose Du Pin, dentre
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
134
outras). Por outro lado, verificou-se que o crescimento do número de publicações
cientificas (figura 5.1) é praticamente todo obtido em empresas universidades e
institutos de pesquisas.
5.1.5. Países de prioridade de patentes sobre enzimas para o setor
A figura 5.6 mostra que os Estados Unidos lideram o número de
prioridades de patentes sobre enzimas para o setor de polpa celulósica e
papel. Isto faz sentido pelo fato deste país ser o maior produtor e
consumidor mundial de polpa celulósica e papel. Além deste fato, as
empresas líderes em desenvolvimento de enzimas também estão
localizadas nos Estados Unidos. No caso da Novozymes, que possui sede
na Dinamarca, tem forte presença e desenvolvimento biotecnológico e
produção nos Estados Unidos. Várias das suas patentes receberam
prioridade nos Estados Unidos e não na Dinamarca. Nota-se que em
segundo lugar vem o Japão, na frente da Dinamarca. Logo em seguida
vem a China e depois vários países da Europa, com um número
considerável de patentes. Nesta base, o Brasil aparece com apenas uma
patente, da Universidade Estadual de Campinas, a qual descreve um
processo para tratamento de efluente de polpa celulósica.
5.1.6. Análise do Conteúdo dos depósitos de patentes de interesse
A partir de uma estratégia de busca focada na classificação
internacional de patentes, associadas ao uso de palavras-chave no título e
no resumo foi obtido um total de 1210 documentos, a partir da base
Derwent. Após análise do conteúdo dos mesmos para certificar-se que
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
135
conteúdo de cada documento era específico para o setor, bem como após
exclusão de redundâncias, obteve-se um banco de 602 documentos.
Figura 5.6 - Países de prioridade de patentes. Fonte: elaboração própria.
Uma análise detalhada do conteúdo destes 602 documentos foi
realizada visando obter o entendimento sobre alguns aspectos específicos
do potencial de inovação apresentado. As principais pré-definições foram:
os tipos de enzima em desenvolvimento; os principais objetivos da
produção de enzimas; e as principais técnicas biotecnológicas usadas na
obtenção da novidade.
Uma lista de palavras chave (apresentada na tabela 4.1 - ver
capítulo 4) foi usada na obtenção destas respostas. Com base nesta lista e
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
136
uso do software VantagePoint® foram obtidos o número de dados para
cada uma das informações da matriz desejada na análise, a partir das 602
patentes. As palavras chave foram localizadas no título e no resumo de
cada documento. Com este levantamento, foram geradas correlações
cruzadas e os agrupamentos clusters de interesse, com o uso do
VantagePoint®
Os agrupamentos e correlações entre as principais enzimas com
aplicações em papel ou polpa celulósica são apresentados na figura 5.7.
Por meio das palavras-chave definidas na tabela 4.1. Nesta figura é
evidenciado que as principais enzimas estudadas para o setor de polpa
celulósica e papel são celulases, lipases, xilanases e lacases. Indica
também que as celulases e as lipases têm foco de aplicação destacado
para o setor de papel, enquanto que as xilanases e as lacases destinam-
se, principalmente, à produção de polpa celulósica (conhecidamente
visando a melhoria do branqueamento e da deslignificação,
respectivamente). Ainda na figura 5.7 é possível observar um forte grau
de relacionamento entre xilanases e lacases (linha grossa, com correlação
0,75), bem como entre celulases e lipases.
A explicação para as correlações obtidas na figura 5.7 é que
xilanases e lacases são enzimas comuns para a produção de polpa
celulósica, enquanto que celulases e lipases são comumente usadas na
fabricação de papel. Observa-se também um relacionamento fraco entre
lacases e celulases. Outra interpretação importante é que existe uma alta
freqüência entre as enzimas xilanases e celulases. Uma freqüência um
pouco menor para as lacases e muito baixa para as lipases, como pode
ser notado pelo diâmetro das circunferências.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
137
Figura 5.7 - Correlações entre enzimas e produção de polpa celulósica e
papel. Fonte: elaboração própria.
Outras enzimas presentes nas patentes (figura 5.8) não
apresentaram correlações suficientes nesta análise e não foram
agrupadas.
A figura 5.9 ilustra as principais enzimas agrupadas e
correlacionadas com as principais técnicas biotecnológicas de produção
das mesmas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
138
Figura 5.8 - Enzimas mais importantes. Fonte: elaboração própria.
Os resultados da figura 5.9 demonstram que as enzimas são
engenheiradas por meio da aplicação das principais ferramentas
disponíveis a partir do final da década de 70 (Kuhad and Singh (2007),
com a descoberta das ferramentas do DNA recombinante, da reação em
cadeia da polimerase (PCR) e da aplicação de mutagêneses para obter
indivíduos mutantes. Este resultado está de acordo com a descrição de
Shances e Demain (2011) de que mais de 50% de todo o mercado de
enzimas é de enzimas recombinantes. Também suporta o reconhecimento
de que a produção comercial de xilanases em larga escala foi facilitada
com o advento da engenharia genética (AHMED et al., 2009; SARVESHNI,
2007). Adicionalmente, Kuhad and Singh (2007) afirmam que a
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
139
descoberta da tecnologia do DNA recombinante ao final da década de 70
foi um marco para o desenvolvimento de tecnologias baseadas na
degradação de biomassa lignocelulósica com microorganismos e enzimas.
Figura 5.9 - Principais técnicas biotecnológicas aplicadas na produção de
enzimas para o setor. Fonte: elaboração própria.
A figura 5.9 revela que as celulases apresentam a mais alta
freqüência (diâmetro da circunferência), seguida das xilanases. As lacases
e lipases apresentam uma baixa freqüência, indicando uma menor
intensidade de aplicação da engenharia genética nas suas produções. Mas
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
140
nota-se que existe um forte grau de relacionamento entre todas as
enzimas (linha grossa, com correlação 0,75). A explicação é que as
mesmas técnicas biotecnológicas são aplicadas no desenvolvimento das 4
enzimas, embora em graus diferentes de intensidade.
A figura 5.10 ilustra os agrupamentos e as correlações entre as
enzimas e os principais objetivos de aplicação ou melhoria de cada
enzima. Nota-se que as celulases e xilanases apresentam as mais altas
freqüências, embora apresentam uma baixa correlação entre os objetivos
específicos de cada enzima. Observa-se também que existem dois grupos
de enzimas: 1. celulases, xilanases e lipases. 2. lacases. Esta separação
está associada ao fato dos diferentes objetivos de aplicação das lacases.
Neste sentido, as celulases têm sido aplicadas, principalmente, na
modificação das características das fibras, no aumento da drenagem e
redução de energia de refino. A termoestabilidade e a tolerância a pH
alcalino têm sido motivos de desenvolvimento destas enzimas,
principalmente na aplicação na remoção de tinta na reciclagem de papel.
Seguindo as celulases, as xilanases apresentam o segundo maior
agrupamento e as principais correlações sobre a aplicação são para o
branqueamento e aumento da deslignificação. A busca de enzimas
termoestáveis, tolerantes ao ambiente alcalino e com elevada atividade
são também objetivos de desenvolvimento das xilanases.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
141
Figura 5.10 - Correlações entre enzimas e suas principais aplicações.
Fonte: elaboração própria.
As lipases apresentam aplicação destacada no controle de
contaminantes, tanto de pitch quanto dos depósitos orgânicos que se
formam em diferentes posições durante a fabricação de papel.
Finalmente, as lacases têm sido desenvolvidas para aumentar a
deslignificação e para facilitar o branqueamento da polpa celulósica. Tem
sido estudada e aplicada também no tratamento de efluentes e na
remoção de cor, esta principalmente durante a reciclagem de papel.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
142
Outra forma de avaliar os principais objetivos para os quais as
enzimas são produzidas é ilustrado na figura 5.11, agora
independentemente do tipo de enzima. Na figura 5.11, a partir da base
com 602 depósitos de patentes, verifica-se que o branqueamento, a
deslignificação e a modificação das fibras são os principais objetivos da
aplicação de enzimas. Entre eles nota-se o interesse por enzimas
termoestáveis e com maior tolerância ao pH alcalino, as quais são cruciais
para uma ampliação da aplicação de enzimas na produção de polpa
celulósica. É importante destacar que esta análise foi a base para a
realização do próximo passo da prospecção, que será descrita a seguir.
Figura 5.11 - Visão geral dos principais objetivos na produção e
aplicação das enzimas analisadas na base com 602 patentes. Fonte:
elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
143
5.2. Prospecção sobre a aplicação de enzimas para
diferentes áreas importantes do setor de polpa celulósica
e papel
A partir da prospecção citada no item anterior, onde foram
analisados 602 documentos de patentes, obteve-se a visão geral dos
principais objetivos de produção e de aplicação das enzimas, para as
diversas áreas do setor de polpa celulósica e papel. Com base nas
informações da figura 5.11, decidiu-se aprofundar a prospecção de
tendências tecnológicas em documentos de patentes específicas para cada
um destas áreas.
Nesta etapa, algumas novas áreas foram adicionadas, face ao
conhecimento e experiência própria do autor desta tese sobre o setor de
polpa celulósica e papel. Adicionalmente, decidiu-se incorporar na análise
a busca de patentes sobre enzimas para a hidrólise de materiais
lignocelulósicos, uma vez que a biomassa a partir de árvores,
principalmente, tem uma grande interface com o setor de polpa celulósica
e papel.
Da mesma forma, o item citado na figura 5.11 como obter plantas
modificadas, decidiu focar na prospecção de enzimas das rotas de
biossíntese da lignina, uma vez que esta macromolécula é de elevada
importância para o setor e também para a interface com a visão futura
incorporado ao conceito moderno de biorrefinarias. Enfim, foram 17 áreas
de interesse listadas e prospectadas, conforme apresentadas na tabela 4.1
(ver metodologias no capítulo 4).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
144
As buscas de patentes, nas diferentes bases de dados, citadas na
tabela 4.1, foram executadas com estratégia de busca focada em palavras
chave que pudesse trazer as patentes sobre enzimas específicas para a
área do setor de polpa celulósica e papel, conforme apresentado na tabela
4.1 (ver metodologias, capítulo 4). Após a eliminação de duplicidades e
análise das patentes específicas sobre cada área, gerou-se a base de
patentes denominada de base consolidada (tabela 5.1).
Os resultados apresentados na tabela 5.1 mostram diferentes
números de documentos para cada uma das áreas analisados. Os temas
de maior relevância do ponto de vista de número de documentos são,
respectivamente: enzimas das rotas de biossíntese da lignina, enzimas
para o branqueamento, enzimas para a hidrólise de materiais
lignocelulósicos, enzimas para a modificação do amido. Por outro lado,
alguns tópicos apresentam uma baixa relevância sob o ponto de vista de
patenteamento, com destaque para enzimas para o descascamento da
madeira e tratamento de efluentes. Juntando modificações das
características das fibras, drenagem e refino nota-se que, juntamente, são
relevantes. A seguir será discutida a análise crítica realizada das
tendências tecnológicas e desafios para cada uma destas áreas
prospectadas.
5.2.1. Enzimas relacionadas à biossíntese da lignina:
5.2.1.1. Definição do tema
O foco principal deste levantamento é obter informações
tecnológicas sobre enzimas relacionadas à biossíntese da lignina. Há
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
145
alguns anos estão sendo realizadas pesquisas sobre transformações
genéticas de árvores quanto às modificações do teor e ou das
características químicas da lignina. Este tópico é relevante uma vez que,
em árvores, a lignina corresponde com, aproximadamente, 20 a 35% do
peso seco da madeira e assume papel importante na estrutura da parede
celular, juntamente com a celulose e hemiceluloses. Ela pode ser
modificada por meio da engenharia genética, ou por outra técnica que
confira modificações sobre as atividades enzimáticas.
Além de exercer um papel importante na condução vascular do
xilema, por meio da redução da permeabilidade da parede celular à água,
a lignina é responsável pela rigidez da parede celular da madeira. Ela
também age como um agente de ligação entre as células. Garante assim a
resistência e durabilidade da madeira. Na produção de polpa celulósica
kraft e papel a lignina recebe atenção especial, pois na transformação das
árvores em polpa celulósica (que é a matéria prima para a fabricação de
papel), a lignina precisa ser clivada e removida quase que na sua
totalidade para produzir uma polpa celulósica com a qualidade desejada. A
sua remoção ocorre a partir da aplicação de várias operações unitárias.
Como vantagem, a lignina extraída é utilizada na geração de energia e
vapor para suprir as necessidades do processo de produção de polpa
celulósica.
Mais recentemente, em função dos aumentos do preço do petróleo e
da necessidade de aumentar o uso de materiais renováveis, a lignina vem
recebendo atenção especial na produção de vários tipos de produtos
químicos, à base de aromáticos. Processos estes inseridos ou não em um
contexto da definição do conceito de biorrefinarias.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
146
Tabela 5.1 – Número de documentos de patentes sobre diferentes temas do setor de polpa celulósica e papel. Fonte:
elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
147
Em outro aspecto, na produção de biocombustíveis a partir de
materiais lignocelulósicos, onde o objetivo é transformar a biomassa com
um máximo de aproveitamento dos açúcares fermentáveis, a lignina
precisa ser removida, em um processo denominado de pré-tratamento. No
entanto, dependendo das condições do pré-tratamento, alguns compostos
degradados da lignina podem aparecer como inibidores em processos
subseqüentes.
Alguns produtos resultantes do pré-tratamento impactam o
rendimento do processo de hidrólise química ou enzimática e mesmo a
fermentação posterior dos açúcares liberados. Neste contexto, os estudos
buscam a manipulação do metabolismo vegetal, alterando a expressão de
genes chaves que contribuem para o controle qualitativo e quantitativo da
lignina produzida. Estudo em álamo, Arabidopsis e alfafa mostram essas
possibilidades. Estas espécies são modelos de estudo, pois os seus
genomas são conhecidos (LOPES e SOUZA, 2010).
5.2.1.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas para modificação das fibras
A prospecção realizada indicou um número considerável de patentes
confirmando o interesse na modificação do teor e/ou das características
da lignina, conforme indicado na figura 5.12. Nota-se uma tendência
elevada de proteção dos métodos relacionados até 2002, com até 57
documentos/ano. Nota-se uma redução do número de documentos e
estabilização a partir de 2003, com um número anual de documentos ao
redor de 20, para um tópico de elevada complexidade e desafio.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
148
Figura 5.12 - Proteção das tecnologias de modificação da lignina de
plantas. Fonte: elaboração própria.
A figura 5.13 demonstra que algumas empresas e institutos de
biotecnologia lideram o número de patentes nesta área de
desenvolvimento. Algumas universidades aparecem, mas com um número
limitado de patentes.
Entre os países de prioridade, os Estados Unidos lideram com larga
diferença da Alemanha (figura 5.14). É interessante notar também que a
China situa-se em segundo lugar.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
149
Figura 5.13 - Principais detentores de patentes relacionadas à
modificação da lignina. Fonte: elaboração própria.
O resumo dos aspectos relevantes sobre a análise dos documentos
de patentes é apresentado na tabela 5.2. Vale ressaltar que este assunto
é relativamente novo e as primeiras patentes específicas datam de 1988.
Mas o assunto teve uma evolução rápida, com muitos estudos realizados.
Nesta tabela nota-se que o foco principal está no uso de diferentes
genes, considerados relevantes para alterar o teor ou a qualidade
da lignina. Revela também que existem duas principais críticas ao foco
inicialmente dado nestas pesquisas, que são: o foco tem sido na inserção
genética no início da rota de biossíntese da lignina; a maioria dos genes
usados são de plantas modelos (álamo, Arabidopsis e alfafa).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
150
Figura 5.14 - Países de prioridade de patentes sobre modificação da
lignina. Fonte: elaboração própria.
5.2.1.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
Outro aspecto de interesse nesta tese é conhecer os resultados
obtidos com as transformações genéticas realizadas. Muitas patentes
resumidas na tabela 5.2 revelam o potencial de alteração da lignina em
plantas transformadas. De maneira geral, os métodos já testados
apresentaram sucesso na redução da síntese da lignina. Horvath et al.
(2010) e Bradley et al. (2007) avaliaram 50 árvores de aspen com 2,5
anos de idade. Estes autores reportaram um menor teor de lignina, maior
teor de siringil e maior módulo de elasticidade. Chiang (2006) também
quantificou alterações significativas com inibição da enzima do gene 4CL
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
151
para aspen transgênico, enquanto que Ha et al. (2012) mediram efeitos
significativos na química de plantas de tabaco transformadas com uma
construção do tipo antisenso do gene denominado Pm4CL1.
Juan et al. (2011) reportaram medidas da expressão de várias
enzimas em 100 genótipos de Eucalyptus globulus, com resultados muito
interessantes de correlações entre a abundância de F5H transcrita com o
teor de lignina (R²=0,81), com o teor de siringil (R²=0,83) e com o
rendimento em polpa celulósica (R²=0,81). Baucher et al. (2003) e Pilate
(2002) também mediram uma melhor resposta na deslignificação com o
uso de plantas modificadas geneticamente para menor teor de lignina. Por
outro lado, Prashant et al., 2011 e Khan, 2012) citam que a redução do
teor de lignina em plantas apresenta efeitos negativos sobre o fenótipo,
sendo que para árvores os principais resultados foram observados para o
gênero Populus (ANTEROLA e LEWIS, 2002, KOEHLER e TELEWSKI, 2005,
KITIN et al., 2010, LAYTON et al., 2010, STUDER et al., 2011, LI et al.
2011).
Chen e Dixon, 2007 estudaram a produção de etanol para a alfafa
transgênica para a regulação de 6 enzimas da rota de biossíntese da
lignina. Mostraram que algumas plantas transgênicas apresentaram o
dobro de açúcares que as plantas não transformadas. Desta forma, estes
autores visualizam que a modificação da lignina pode permitir que o pré-
tratamento ácido não seja necessário e, portanto, facilitar o processo
bioconsolidado. Fu et al. (2011) destacam a importância da modificação
genética do capim elefante, com a produção de plantas normais e que
permitem redução da intensidade dos tratamentos térmico-químicos
(≤180ºC) e enzimáticos, além da formação de menor quantidade de
material recalcitrante. A quantidade de celulases foi reduzida em 300 a
400% usando sacarificação e fermentação simultânea com levedura.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
152
Embora o progresso das pesquisas venha avançando
significativamente, existe ainda uma necessidade de maior velocidade na
área de regulação. No Brasil, um desafio é obter a aprovação e liberação
para plantios comerciais (ANDRADE, 2009). Basta comparar os números
de processos liberados pela Comissão Técnica Nacional de Biossegurança
(CTNBio, 2012) inferiores a 10 em contraste com Malone (2012) que cita
que mais de 700 testes com árvores geneticamente modificadas têm sido
conduzidos no mundo, mas que florestas comerciais geneticamente
modificadas são realidade apenas na China (para plantas de Poplars).
Existem aprovações recentes para testes, em campo, de eucalipto nos
EUA, de Poplar na Bélgica e de Pinus na Nova Zelândia.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
153
Tabela 5.2 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas da rota de biossíntese da lignina.
Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Schuch e Knight (1988, CA2005597) Redução do teor ou lignina de qualidade modificada. Gene endógeno. Um destes genes é o que codifica a cinamil álcool dehidrogenase (CAD). Gene isolado
de tabaco, milho, alfafa e eucalipto. Inserção com orientação do tipo antisenso.
Shewmaker e Kridl (1986, US5107065) Inibição da expressão do gene selvagem da planta.
Dixon e Ni (1993, WO9423044) Método e reagente para reduzir o teor de lignina. Incorporação de um gene do tipo antisenso para o ácido caféico 3-O-metiltransferase no genoma da alfafa.
Boudet e Inze (1991, WO9305159) Uma enzima é selecionada do grupo de cinamil álcool dehidrogenase (CAD), cinamil:CoA redutase (CCR) e catecol-O-metil transferase (CONT).
Walter (1992, WO9324638) Uso de gene promotor da enzima álcool cinamil dehidrogenase (CAD).
Chapple (1995, US6489538), Gene que codifica a enzima ferulato-5-hidroxilase (F5H) para o aumento do teor de siringil.
Chapple (1996, WO9803535) Aumento da produção de siringil da lignina. Enzimas PAL, C4H, OMT, F5I, 4CL, CCR, CAD, F5H, lacase e enzimas com identidade às descritas aqui.
Bloksberg e Havukkala (1996, US5850020) Modificação do teor de lignina de plantas a partir da incorporação de uma ou mais seqüência do DNA isolado, nesta invenção, ao genoma da planta.
Chiang e Carraway (1996, US6252135), Produção de lignina do tipo siringil em Gimnospermas.
Chiang e Tsai (1997, US6831208) Caracterização do gene da enzima 4CL de Populus sp, visando a alteração da lignina.
Ye (1998, US6441272) Redução ou composição alterada da lignina. Age na redução da atividade das enzimas cafeoil CoA O-metiltransferase e ou ácido caféico O-
metiltransferase.
Ellis e Chapple (1999, WO0046382) Modificação da composição da lignina por meio da expressão do gene F5H.
Spangenberg e Lidgett (2000,
US2005091707)
Modificação da lignina em plantas. Seqüência que codificam as enzimas 4CL, CCR, CAD. Elementos regulatórios e promotores de genes para o OMT, 4CL,
CCR ou CAD.
Dixon e Guo (2001, US2004049802) Redução do teor ou composição diferenciada da lignina. Construções de DNA que codifica a enzima cafeoil CoA 3-O-metiltransferase ou esta enzima de
Medicago sativa ou um fragmento em orientação do tipo senso ou anti-senso.
Papes e Arruda (2004, WO2006017920) Inserção de um gene que codifica a enzima ativa denominada S-adenosilmetionina descarboxilase (SAMdc).
Forster e Hottmann (2004, US2006101535) Redução ou modelagem o teor de lignina. Gene do grupo do 4CL, C3H, CCR, C4H ou CCoAOMT.
Carter e Steffens (2005, US2006260011) Controle da expressão de enzimas da rota de biossíntese da lignina. envolve o uso de um vetor duplo de RNAi para reduzir ou suprimir a regulação dos genes das enzimas CAD e COMT.
Sticklen (2007 WO2008118385) Uma ou mais enzimas podendo ser do grupo consistindo da PAL, C4H, C3H, COMT, AIdOMT, F5H, CAld5H, 4CL, CCR, CCoA-3H, CCoA-OMT, CAD e lacase.
Shoseyov et al. (2007, WO2008120194) Enzima que resulta em plantas com parede celular mais solúvel quando tratadas em condições alcalinas ou ácidas. As enzimas podem ser a glutamina-frutose-6-fosfato transaminase (GFAT), quitina deacetilase, celobiose dehidrogenase (CDH). Os promotores podem ser 35S, 4CL ou células.
Hertzbeg et al. (2008, WO2010062240) Alteração das características e menor teor de lignina, que resultem em aumento da sacarificação para a produção de biocombustíveis.
Wilkerson et al. (2010, WO2012012741) Ácidos nucléicos que codificam a feruloil-CoA:monolignol transferase e a feruloil-CoA:monolignol, a qual é capaz de incorporar (catalisar) o monolignol ferulato, que incluem, por exemplo, o p-coumaril ferulato, coniferil ferulato e o sinapil ferulato em lignina de plantas (para o gênero Populus).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
154
5.2.2. Enzimas para a desconstrução/hidrólise enzimática de
materiais lignocelulósicos
5.2.2.1.Definição do tema
Muitos estudos vêm sendo conduzidos visando o desenvolvimento
tecnológico, bem como a implantação das novas tecnologias, não somente
para a produção de etanol, mas também para outros diferentes produtos,
a partir de biomassas lignocelulósicas. Vários benefícios da conversão
tecnológica destas biomassas por meio de rotas biológicas ou químicas
para a produção de combustíveis e químicos foram sumarizados por
Pereira Jr. (2010). No mundo o etanol combustível é produzido de
diferentes fontes, tais como amido da mandioca ou milho, sacarose da
cana-de-açúcar e de beterraba. No entanto, estudos para a produção de
etanol a partir de materiais lignocelulósicos, de resíduos da agricultura,
gramas, resíduos florestais, etc. são relativamente recentes. Também são
recentes as tecnologias de hidrólise para a produção de açúcares a partir
de materiais lignocelulósicos para a geração de blocos de construção, os
quais se destinam à produção de diferentes produtos químicos, em uma
fase subseqüente.
Na produção de etanol, cabe ressaltar que o primeiro passo na
conversão de biomassas lignocelulósicas em etanol ou outros produtos
envolve a desconstrução dos materiais para liberar os monômeros de
açúcar, para posterior fermentação etanólica. Em geral, é realizada uma
etapa denominada de pré-tratamento cujo objetivo principal tem sido a
desconstrução de materiais lignocelulósicos, para então ter a fração
celulósica hidrolisada enzimaticamente.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
155
5.2.2.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento de patentes confirma o elevado interesse pelo
desenvolvimento e pela proteção das tecnologias para a
desconstrução/hidrólise enzimática de biomassa lignocelulósica (figura
5.15) principalmente a partir de 2007. Esta tendência pode ser justificada,
principalmente, pela crise energética mundial, com aumento significativo
do preço do barril de petróleo no mercado mundial. No Brasil houve
aumento significativo dos investimentos (desembolsos de
aproximadamente R$ 3,5 bilhões em 2007), o que foi responsável pela
criação do Departamento de Biocombustíveis (MILANEZ, FILHO e ROSA,
2008). Outros fatores são a produção de automóveis com motores
flexíveis (podendo usar tanto gasolina quanto etanol) e certificações
internacionais, gerando padronização e confiança no produto e co-geração
de energia elétrica (NEVES e CONEJERO, 2007; LIMA et al., 2007).
Na figura 5.16 verifica-se que a Iogen, empresa canadense
produtora de enzimas, apresenta-se como a principal detentora de
patentes neste campo. A Iogen é seguida por: Oji Paper, empresa
japonesa, fabricante de polpa celulósica e papel, o Instituto Francês de
Petróleo (IFP), a Novo Nordisk, o Centro de Inovação Tecnológico dos
EUA, e, em seguida, pela Dyadic e DSM, que são outras duas empresas
produtoras de enzimas. Diferentemente da Iogen, as demais empresas
produtoras de enzimas (a exemplo da Novozymes, Genencor e Verenium),
embora estejam focadas no desenvolvimento de enzimas para uso em
materiais lignocelulósicos, aparecem com um número muito pequeno de
patentes. É provável, portanto, que estas empresas possuem outra
estratégia em relação à da Iogen ou os documentos encontram-se em
período de sigilo.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
156
Figura 5.15 - Patentes sobre enzimas para desconstrução/hidrólise de
biomassas lignocelulósicas. Fonte: elaboração própria.
Em termos de países, os Estados Unidos lideram com mais do que o
dobro do número de patentes em relação ao segundo e o terceiro
colocado no ranking: o Japão e o Canadá (figura 5.17). Esta posição dos
EUA está de acordo com Antunes (2010) em uma prospecção realizada
sobre produtos derivados de biomassa.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
157
Figura 5.16 – Principais detentores das patentes sobre enzimas para a
desconstrução/hidrólise de biomassas lignocelulósicas. Fonte: elaboração
própria.
Figura 5.17 – Principais países de prioridade das patentes sobre enzimas
para a desconstrução/hidrólise de biomassas lignocelulósicos. Fonte:
elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
158
O Brasil merece destaque, com quatro patentes da Petrobras e uma
do Centro de Tecnologia Canavieira (CTC). Das patentes da Petrobras
duas são focadas no processo de produção de etanol de segunda geração
(2G), especialmente a partir do bagaço de cana, e duas na produção de
enzimas (celulases) para esta finalidade, principalmente. Cabe destacar a
forte parceria entre o LADEBIO, da UFRJ/EQ, com a Petrobras no
desenvolvimento de etanol 2G, associada ao conceito de biorrefinaria. A
patente do CTC é específica para o pré-tratamento com explosão a vapor.
Um tratamento com explosão a vapor de baixa severidade é também
descrito por Di Risio et al. (2012).
5.2.2.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
O resumo apresentado na tabela 5.3 mostra as principais tendências
e desafios sobre a produção de enzimas para a desconstrução/hidrólise de
materiais lignocelulósicos. A análise revela as diferentes alternativas e
tendências tecnológicas de pré-tratamentos. Verifica-se uma corrida
para minimizar os impactos nocivos da formação de compostos
recalcitrantes (inibidores) da ação enzimática e da etapa de
fermentação. Também são concentrados os esforços para a
produção de enzimas mais eficazes e com menor custo de
produção. Outra rota verificada é a modificação genética de
leveduras para aumentar, principalmente, a conversão da D-xilose e L-
arabinose. Neste contexto, Madhavan et al. (2012), Moon e Liu (2012)
também desenvolveram estruturas recombinantes para tornar a S.
cerevisiae mais tolerante aos inibidores. A produção de bioprodutos é
destacada nas patentes e revisada por Abdel-Rahman et al. (2011)
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
159
Atualmente é conhecido que um dos principais problemas do
processo de hidrólise enzimática é a quantidade de enzima requerida e,
portanto, o custo do processo de produção de etanol (AGRAWAL et al.,
2011). Em geral, o custo das celulases podem equivaler até 50% o da
hidrólise (TOLAN et al., 2006, US2009209009). Nguyen e Saddler (1991)
concluíram que os principais componentes de preço do etanol são o custo
da madeira e das enzimas, além da eficiência da hidrólise da celulose, o
rendimento em etanol proveniente da xilose, eficiência do processo de
fermentação e o preço de venda da lignina. Klein-Marcuschamer et al.
(2012) verificaram que o custo de fabricação de enzima é mais alto do
que os dados publicados na literatura. Eles citam que a contribuição das
enzimas para a produção de etanol, a partir da conversão de resíduos da
planta de milho, foi de US$ 0,68/galão de etanol se os açúcares na
biomassa forem convertidos ao máximo rendimento teórico e de US$
1,47/galão se os rendimentos forem baseados no valores dos rendimentos
da sacarificação e da fermentação (reportados na literatura).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
160
Tabela 5.3 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a desconstrução/hidrólise de
materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
GB2000822 (1978, sem inventor
disponível na base)
Desconstrução dos constituintes químicos da biomassa. A lignina pode ser separada via extração com solventes. A biomassa é submetida à
pressão mínima de 500psi (185 a 240ºC) e tempo 60 segundos. O material passa por uma extrusora, à pressão atmosférica, onde o material sobre fortes deformações e passa por choques mecânicos para romper as ligações entre lignina, hemiceluloses e celulose.
Kim et al. (2008, KR20090093905) Pré-tratamento da biomassa lignocelulósica, no qual é usada uma enzima manganês peroxidase.
Traeff et al. (1998, US6410302) Primeiros trabalhos para a produção de levedura geneticamente modificada.
Ho et al. (1993, US5789210) Leveduras geneticamente modificadas capazes de fermentar simultaneamente xilose e glucose.
Ho et al. (1997, US7527927) Leveduras estáveis e capazes de fermentar simultaneamente xilose e glucose.
Ishibashi et al. (1980, US4451567 Pré-tratamento alcalino suave e tratamento com ozônio, com um mínimo consumo de energia.
Nojiri et al. (2006, JP2008092910) Digestão alcalina. Biomassa usada como fonte de carbono para o cultivo de bactéria para a produção de enzimas. Fermentação com bactéria.
Sant’anna et al. (2006, PI0605017-4)
Processo enzimático. Etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar. Uma ou mais lavagens do bagaço com uma solução alcalina, seguida de
lavagem com água ácida (pH 6 a 7), para então separar a fração sólida da aquosa. Em seguida, hidrólise da fase sólida com a adição de micronutrientes e enzimas celulolíticas (30 a 50ºC e 8 a 32 horas). A hidrólise enzimática é simultânea a uma rápida fermentação alcoólica. A
conversão em etanol é obtida com o uso de uma levedura não modificada geneticamente (30 e 39ºC, por um tempo inferior a 32 horas).
Ching e Day (2007, WO2008095098) Pré-tratamento alcalino. Tanto a soda quanto a lignina e outros possíveis compostos inibidores da sacarificação com celulases são removidas.
Ropars e Aymard (2009, WO2010130888)
Produção de etanol e ou de outros solventes. Pré-tratamento alcalino em alta temperatura e ajuste de pH.
Eisenstein (1981, EP0060467) Pré-tratamento microbiológico com fungos decompositores da madeira para a extração da celulose. Lacases e lignina peroxidases
principalmente.
Warzywoda et al. (1983, US4762788) Descrevem a produção de enzimas celulolíticas para hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos.
Vehmaanpera et al. (2005,
TW200801195) Método de produção de açúcares fermentáveis na produção de etanol de segunda geração. As enzimas geneticamente modificadas.
Pourquie e Warzywoda (1990, EP0448430)
Produção de enzima do T. reseei para hidrolisar açúcares. Pelo menos uma fração de açúcares solúveis seja de pentoses.
Ballerini et al. (2005, CA2535246) Produção de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas.
Prade e Squina (2009,
US2012040410) Produção de hemicelulases termoestáveis: endo-xilanases, laminarases, mananases, arabinases e arabinofuranosidases.
Prade e Wang (2008, US2011183381) Produção de celulases termoestáveis. Dentre as enzimas recombinantes: beta-glucanases, endo-glucanases e exo-celulases.
Lavigne et al. (2008, CN101970652) Produção de celulases (da família 6) variante que apresenta uma baixa inibição pela glucose.
Los Alrik et al. (2010, WO2011098577)
Polinucleotídicos heterólogos, obtidos do grupo de celulases polinucleotídicas codidifcadas, hemicelulases e pectinases. As células hospedeiras (fungo filamentoso) são capazes de produzir pelo menos quatro enzimas diferentes do grupo das celulases, hemicelulases e pectinases.
De Castro et al. (2008, BRPI0805560-2)
Produção de enzimas de Peniucillium funiculosum. O fungo cresce entre 4 a 7 dias. Usa-se um processo simultâneo de sacarificação e fermentação, ou um processo de sacarificação com co-fermentação, ou processo simultâneo de sacarificação e co-fermentação.
Sillers et al. (2010, WO2011140386) Produção de enzimas a partir de microorganismos termofílicos e mesofílicos recombinantes. O objetivo é converter acetato para o acetil-CoA e deste para etanol, no qual uma ou mais enzimas nativas e/ou heterólogas é ativada, superregulada ou subregulada.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
161
Tabela 5.3 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a
desconstrução/hidrólise de materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Pappan et al. (2010, WO2011160050) Redução da resistência da biomassa para reduzir materiais inibidores. Citam o isolamento de um ácido nucléico que codifica pelo menos um polipeptídio com atividade enzimática selecionada do grupo consistindo de várias enzimas ou associações destas.
Visser et al. (2010, WO2012027374) Produção de várias enzimas. Uma composição com múltiplas enzimas. Pré-tratamento da biomassa com Organosolv, dentre outros. Temperatura 121ºC/15 minutos.
Steffens et al. (2010, WO2012033926) Hidrólise com xilanases (pH 6 a 12 a 95ºC), carga de xilanase de 0,01 a 1000 unidades, durante 6 a 24 horas. Para o pré-tratamento são
citados vários processos, como exemplos tratamento alcalino:amônia, CO2, SO2, solvente orgânico, ozônio, ácido diluído.
Marchal e Ropars (1985, EP0217687) Produção de acetona e butanol. Neste, o material lignocelulósico é submetido a um pré-tratamento com vapor, seguido de hidrólise enzimática e fermentação butil-acetona na presença de íons cálcio ou magnésio para remover inibidores presentes no material hidrolisado.
Amidon et al. (2004, US2007079944) Biodigestão e/ou extração com água antes da digestão. A biomassa poderá também ser submetida a uma produção de polpa celulósica mecânica e branqueada na presença de enzimas. O extrato aquoso, onde é incluída uma etapa de extração com água, é separada em ácido
acético e açúcares provenientes das hemiceluloses.
Hatfield (1986, US5266487) Equipamento para o tratamento de materiais lignocelulósicos com etapa de conversão enzimática (uso de oxidase) de álcool para aldeído e
peróxido de hidrogênio. Inclui ainda um fermentador para o crescimento de leveduras (uma delas é a P. pastoris).
Munk (1995, WO9717492) Tratamentos de materiais lignocelulósicos e polissacarídeos fenólicos com enzimas do grupo das oxidases e peroxidases capazes de
oxidarem grupos fenólicos. O polissacarídeo fenólico é do tipo amido fenólico ou amido catiônico fenólico.
Pedersen et al. (1996, US6187136) Tratamento de materiais lignocelulósicos para que se tornem mais carregados positiva ou negativamente, mas que a substância fenólica não seja do tipo polissacarídeo fenólico conforme descrito por Munk (1995, WO9717492).
Somleva et al. (2008, US2009271889) Produção de polihidroxibutirato (PHB).
Shaw e Rajgarhia (2009, CA2754470) Produção de meta-acrilato, em um sistema de bioprocesso consolidado (CBP). São ainda descritos algumas expressões heterólogas de uma ou mais enzimas de organismos mesofílicos ou termofílicos, tais como Thermoanaerobacterium saccharolyticum e Clostridium thermocellutn.
Peter (2009, AU2010224767)
Produção do ácido xilônico a partir da xilose com o uso de uma linhagem recombinante de fungo, que é modificado geneticamente para
expressar o gene da enzima xilose dehidrogenase. Esta enzima é capaz de converter xilose em xilonolactona, a qual é espontaneamente ou
enzimaticamente hidrolisada para ácido xilônico.
Dottori et al. (2009, US2010313882) Pré-tratamento continuo para a produção de uma fração concentrada de celulose, que é sensível à hidrólise enzimática. Esta fração é
convertida a etanol. A fração líquida e da fase vapor é fracionada para obter compostos da hidrólise e degradação das hemiceluloses.
Ropars et al. (2009, WO2010130889)
Produção de etanol de 2ª geração, contendo também uma produção in-situ de furfural. Consiste das seguintes etapas: tratamento
alcalino da biomassa, seguida de ajuste de pH, hidrólise enzimática do substrato pretratado e fermentação alcoólica. O furfural é obtido a partir de uma etapa de conversão ácida da fração líquida.
Mcbride et al. (2009, WO2011022651) Conversão da biomassa em propanol, álcool ou poliol, a partir de um sistema de bioprocesso consolidado (CBP). Produções de
microorganismos recombinantes, os quais expressam uma ou mais enzimas nativas e/ou enzimas heterólogas.
Nguyen (1997, US5888806) Desenho de um bioreator para a hidrólise enzimática e fermentação de materiais lignocelulósicos pré-tratados.
Pourquie e Castelli (1996, FR2608625) Reutilização da enzima. O resíduo, pelo menos parte dele, é usado em outro tratamento.
Foody et al. (2000, WO0224882) e
Borden (2009, BMX2011011565) Recuperação e a reutilização da enzima na produção de etanol.
Vijay e Tolan (2004, CN1964767) e Foody
et al. (2004, US2010003733) Recuperação de sais inorgânicos para serem usados, por exemplo, como fertilizante.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
162
Tabela 5.3 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para
desconstrução/hidrólise de materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Foody (2004, WO2006034591), Hidrólise das hemiceluloses para xilose e, então, para aumentar a susceptibilidade da celulose para ser hidrolisada com o uso de celulases.
Watanabe (2005, JP2007097585) Conversão de materiais lignocelulósicos em açúcares a partir de um tratamento onde a planta é transformada em pó e serragem e este material é
tratado diretamente com enzimas, com adição de farelo de trigo, farinha de arroz, um surfactante e um sal de magnésio.
Vlasenko et al. (2004,
US2009215128) Hidrólise com enzimas celulolíticas na presença de um surfactante.
Tolan et al. (2006, US2009209009) Aumento da eficiência da hidrólise enzimática. Consiste do uso de celulases, uma ou mais beta-glucosidases e agentes ligantes entre a ß-
glucosidases e as fibras, contidas em uma suspensão aquosa, onde um destes agentes é um ligante do domínio da celulose.
Duck et al. (2002, US2007218530) Utilização de misturas de enzimas, onde uma enzima auxiliar é uma endo-xilanase, para atuar em conjunto com celulases na liberação de até 20% dos açúcares.
Magnuson et al. (2006, WO2008008793)
Uso de misturas de enzimas para aumentar a eficiência. Uso de enzimas glucoamilases, ß-glucosidases e α-arabionofuranosidases e outras.
Hill et al. (2006, EP2076594) Uso de misturas de celulases:celobiohidrolases (CBHI e CBH2) e endoglucanases (EGI e EG2), sendo a proporção de celobiohidrolases maior que 55% até 85%.
Jordan et al. (2006, WO2008045977) Diferentemente de Hill et al. é um método de produção de xilose por meio do uso de beta- D-xilosidase em pH entre 4,5 a 7,7.
Felby et al. (2004, US2008182323) Pré-tratamento a 110 a 250ºC e em seguida é hidrolisado enzimaticamente em um sistema de mistura em queda livre que permite uma degradação mecânica da biomassa. Esta é liquefeita e sacarificada em um tempo de 2 a 24 horas.
Shiyuan et al. (2008, CN101250567) Hidrólise com o uso de xilanases, celulases e beta-glucosidases, onde a hidrólise é realizada de forma sincronizada.
Berlin et al. (2007, CN101784668) Método de realizar, de forma simultânea, a hidrólise enzimática e a fermentação.
Larsen e Joergensen (2008,
US2010291650) Método de adição de polietileno glicol (PEG) ou surfactante para melhorar a performance da hidrólise enzimática com celulases.
Scott et al. (2007, MX2010002180) Mistura de enzimas acessórias para aumentar a hidrólise da biomassa lignocelulósica pré-tratrada. Estas enzimas são endo-glucanases e
uma enzima para a expansão das parede celular, denominada de “swollenin” e uma enzima codificada como CipI.
Gomes et al. (2010, WO2012021950)
Produção de correntes de elevada concentração de açúcares fermentáveis. Estes materiais são submetidos à hidrólise ácida e enzimática.
A fração hemicelulósica é, primeiramente, hidrolisada com a aplicação de ácido sulfúrico diluído. Ao material sólido resultante desta hidrólise ácida é aplicado um processo de sacarificação simultânea ou seqüencial à fermentação alcoólica rápida. São usadas enzimas com destacada atividade
beta-glucosidases (30 a 60ºC e pH entre 3,5 a 6,5).
Arena e Allenza (1988, EP0344371) Combinação de hidrólise ácida e enzimática para hidrolisar os açúcares da casca dos grãos de milho. Hidrólise ácida a 80 a 110ºC. Hidrólise
ácida a 35 a 80ºC. Adicionalmente, descreve que um tratamento inicial com uma em meio alcalino diluído, seguido de uma hidrólise enzimática.
Buchert e Viikari (1991, WO9307332)
Tratamento de materiais lignocelulósicos, preferencialmente polpa celulósica, com hemicelulases, celulases e lignases para hidrolisar cada
polímero correspondente, de tal forma que os contra íons dos grupos carboxílicos são modificados previamente ao tratamento enzimático para facilitar o mesmo.
Nguyen (2006, US2008057555) Conversão de biomassa em etanol ou metanol, butanodiol, propanodiol, hidrocarbonos, etc.
Xiaoqi e Yanhua (2007, CN101143881)
Separação de lignina, hemiceluloses, celulose e ácidos fenólicos de biomassa lignocelulósica. As hemiceluloses e ácidos fenólicos são
extraídos em água quente, em condições desejadas de pH e temperatura, enquanto que a deslignificação é realizada com o uso de solvente
orgânico ou extração alcalina em alta temperatura.
Kumagai et al. (2009,
WO2011027389) Método de extração da lignina com solvente orgânico (etanol).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
163
Tabela 5.3 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a
desconstrução/hidrólise de materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Levi (2007, WO2008115893) Separação da lignina de materiais lignocelulósicos com tratamentos com ozônio, oxigênio ou álcali, de tal forma que a os carboidratos possam ser hidrolisados com aplicações de celulases, xilanases e amilases e misturas delas.
Cirakovic e Diner (2008, WO2010080489) e Cirakovic
(2008, CA2743052)
Tratamento da biomassa com ozônio. Enquanto que o primeiro documento descreve um tratamento aquoso com amônia, seguido de tratamento com
ozônio em temperaturas de até 50ºC, a segunda patente detalha o uso do processo organosolv, em condições alcalinas em altas temperaturas.
Dale et al. (2006,
MX2008013981)
Tratamento da biomassa com hidróxido de amônia com ou sem a adição de amônia anidra. Ao final, a amônia é removida (com o uso de vapor) e é
recirculada.
Foody e Tolan (2009,
CA2747823)
Pré-tratamento da biomassa lignocelulósica com solução ácida, seguida de uma fonte de cálcio (carbonato de cálcio) para o ajuste do pH entre 3 a 9,
para em seguida a hidrólise com celulases, que é realizada em condição neutra.
Retsina e Pylkkanen (2009, WO2011044378)
Processo de biorrefinaria para fracionar materiais lignocelulósicos em celulose, hemicelulose e lignina por meio de pré-tratamento com uma mistura de álcool, dióxido de enxofre e água. Enzimas e microorganismos (e opcionalmente o íon-bissulfito) são usados para converter produtos intermediários
em álcool e derivados de lignina.
Mosier et al. (2009,
WO2011047039)
Conversão de biomassa para etanol. Aplicação de um ácido decarboxílico (tipo o ácido maléico) e uma mimetização enzimática. Uma hidrólise
seletiva das hemiceluloses pode ser obtida a partir do controle da hidrólise com o ácido maléico. O ácido dicarboxílico pode ser recuperado e reciclado para o início do processo.
Ladisch et al. (2010, WO2012016189)
Liquefação de biomassa com o uso de ácido dicarboxílico (ácido maléico, ácido succínico e ácido oxálico):60 minutos e 100ºC. Hidrólise com celulases. É importante citar que na fração dos componentes liquefeitos, a mistura neutralizada deve conter fenóis, furfural e 5-hidroximetilfurfural.
Tolan e Foody (2010, WO2011097711)
Pré-tratamento com ácido em pH 2 a 3,5. A fração resultante é hidrolisada enzimaticamente, com celulases e beta-glucosidase, em pH inferior a 4.
Baba et al. (2010,
WO2011142432)
Produção de açúcares. Descrição de equipamento para aumentar a quantidade de açúcares produzidos. O pré-tratamento consiste em misturar
a biomassa em uma solução aquosa contendo amônia. O pH da fração contendo carboidratos é ajustado com ácido sulfúrico.
Ishikawa et al. (2010,
WO2012029842)
Sacarificação enzimática de substrato pré-tratado. Neste é adicionado um eletrólito de um sal solúvel em água e celulases. A sacarificação é
realizada até que a matéria prima tenha uma condutividade elétrica ajustada para 5 a 25 mS/cm.
Bobleter et al. (1988, AT391493) Processo para melhorar a sacarificação da fração de celulose. Consiste de uma extração das hemiceluloses (150 a 200ºC), seguida de um
tratamento posterior em temperaturas de 200 a 250ºC na fração de lignina.
Brady et al. (2008,
US2011114876) Processo de pré-tratamento térmico da biomassa lignocelulósica para a produção de bio-óleo.
Inoue e Noguchi (2007,
JP2009022239)
Método de produção de açúcares (xilose e glucose) com uma hidrólise ácida hidrotérmica. O material é submetido a uma hidrólise ácida, água em
uma atmosfera de nitrogênio, sob calor (373 a 453ºK) e pressão de 0,1 a 5 MPa.
Fallavollita (2007,
US2008032344)
Hidrólise ácida hidrotérmica para a produção de açúcares e lignina. Os carboidratos sofrem hidrólise enzimática e são co-fermentados. Obtenção de
uma mistura de biomassa com água na qual é aplicada 40 a 220ºC, durante 2 minutos a 24 horas, em pH de aproximadamente 9.
De Queiroz e Stradi-Granados
(2008, WO2009102609)
Pré-tratamento da biomassa com lavagem com água e também com solução de hidróxido de amônia em temperaturas superiores a 120ªC
(preferencialmente entre 160 a 220ºC) com o objetivo de remover inibidores para a etapa de sacarificação.
Audel et al. (2008, PI0802153) Tratamento com explosão a vapor (110 a 240ºC). Podendo ter catalisadores. Opcionalmente, um pré-tratamento com hemicelulases. A hidrólise enzimática pode ser feita com celulases e/ou misturas desta com beta-glucosidases, enquanto que a fermentação é feita com Saccharomices cerevisae
ou Zymomonas mobilis.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
164
Tabela 5.3 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a
desconstrução/hidrólise de materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Dottori et al. (2009, US2010269990)
Separação dos componentes da biomassa para produzir uma fração pura e reativa de celulose. Pré-tratamento com vapor, contendo ou não uma catálise ácida, seguida de prensagem para a remoção das hemiceluloses e algumas impurezas. Extração com um solvente, com ou sem uma catálise
ácida para remover a lignina.
Philippidis et al. (1993,
WO9429475)
Conversão de material lignocelulósico em etanol. O material lignocelulósico pode ser tratado quimicamente, enzimaticamente, fisicamente ou
mecanicamente para a produção de uma fração rica em glucose, para ser fermentada em temperaturas de 20 a 50ºC e pH de 3 a 7.
Ballesteros et al. (2000,
US2002164730)
Produção de etanol. A fermentação (72 horas a 42ºC) com uma bactéria tolerante a calor (Kluyveromyces marxianus CECT 10875), obtida a partir
de mutagênesis química da linhagem DER-26 de Kluyveromyces marxianus.
Ingram e Wood (1997,
US2003054500)
Método para reduzir o custo da hidrólise enzimática. Tratamento com ultrasom, o qual reduz o consumo de celulases entre um terço. Neste
processo são usados microorganismos geneticamente engenheirados, do tipo Escherichia coli CO11 e Klebsiella oxytoca P2, misturados com celulases.
Yang e Wyman (2003, US2004185542)
Os estudos buscam o aumento da eficiência da hidrólise enzimática. Mistura da biomassa com água ácida para produzir uma fração sólida.
Aquecimento e remoção das hemiceluloses. Na fração sólida é adicionada albumina. Em seguida a fração sólida é hidrolisada para a produção de carboidrato
Wyman e Kumar (2008, US2011201084)
Redução de inibidores da hidrólise com celulases. Tratamento da biomassa com xilanases e ß-xilanases para remover os xilooligossacarídeos. É conhecido que xilobiose e compostos xilooligômeros de mais alto peso molecular inibem a hidrólise enzimática. O pré-tratamento é com amônia.
Dottori et al. (2009,
US2010263814) Remoção de inibidores da sacarificação e uso o teor de xilose com um dos indicadores do grau de inibição.
Chen et al. (2009,
TW201114775)
Aparelho para pré-tratamento de biomassa, no qual ocorre fluxo com alívio de pressão no processo de explosão a vapor, com o objetivo de aumentar
a eficiência da remoção de mono e oligossacarídeos, evitando a sua degeneração quando realizada em elevadas temperaturas.
Phillips et al. (2008,
US2012036768) Método de espessamento da biomassa lignocelulósica para o aumento da ação enzimática.
Cirakovic (2008, CA2744254) Tratamento da biomassa onde a lignina é seletivamente tratada com extração e oxidação com uma solução aquosa contendo um solvente e pelo
menos um sal de Mn (III) para acelerar a produção de carboidratos sacarificáveis.
Larsen e Jeppesen (2010, WO2011125056)
Método para processar biomassa lignocelulósica. Hidrólise inicial hidrotérmica com uma carga elevada (>15 FPU/g) de celulases, seguida de ciclos subseqüentes de hidrólise onde a atividade das celulases é recuperada.
Stuart e Latimer (1992, US5498766)
Tratamento mecânico de biomassa para facilitar a sua hidrólise. Partículas de biomassa em água são submetidas a elevadas forças de cisalhamento.
Sakaki et al. (2004, JP2006136263)
Tratamento da biomassa com água quente, em condições pressurizadas, seguido de uma moagem mecânica.
Kratochvil et al. (2005, CZ300865)
Produção de glucose, etanol, furfural, furana, lignina, ácido acético e ácido fórmico a partir de materiais lignocelulósicos.
Ahring e Munck (2004,
MX2007003430)
Combinação de hidrólise térmica (140ºC a 200ºC), oxidação a úmido (pressão acima da saturação, mantido até 30 minutos, em temperaturas entre 160-200ºC, com a adição de oxigênio ou peróxido de hidrogênio, sob pressão de 15 a 20 bar) e uma explosão também a úmido pressão de 5 a 35
bar para a pressão atmosférica.
Yu et al. (2010, WO2011082600) Homogeneização de suspensão partículas de biomassa e água, em alta pressão, para obter diâmetro entre 10 a 40 µm. A suspensão aquosa é tamponada com ácido acético e acetato de sódio e então são adicionadas celulases, beta-glucosidases e xilanases.
Lee et al. (2010, US2012036765)
Tratamentos mecânicos, térmicos e químicos de biomassa para atuarem na desorganização da estrutura cristalina da parede celular das plantas e, com isto, aumentar a acessibilidade enzimática. A biomassa é tratada em nanomisturador em velocidade de turbina (10 a 50 m/s).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
165
Outros pesquisadores também entendem que o custo das enzimas
continua alto (BEESON et al., 2011, XIAO et al., 2011, HARRISON et al.,
2011, PHILLIPS et al., 2011). Pereira Jr. (2010) também destacou a
necessidade de desenvolver processos mais viáveis, incluindo o uso de
microorganismos geneticamente modificados e processos otimizados para
fermentação eficiente de C5 e C6. Mosier et al. (2012) também citam a
necessidade de processos mais eficazes e de entendimentos para a
redução de compostos recalcitrantes como fatores chave para a redução
do custo. Por outro lado, Almarsdottir et al.(2012), Jordan et al.(2012)
dizem que estes aspectos vêm sendo estudados e os desafios superados.
Por exemplo, El-Bondkly et al. (2012) obtiveram elevada excreção de
celulases a partir de microorganismos recombinantes e Brunecky et al.
(2012) mencionam que a desconstrução eficiente da biomassa
lignocelulósica é uma das principais barreiras para a produção comercial
de biocombustíveis. Song et al. (2012) relatam que a lignina é uma das
maiores barreiras.
Bose et al. (2012) conseguiram resultados interessantes com a
realização de um experimento com diferentes concentrações iônicas e
outras condições do pré-tratamento. As principais vantagens foram o
aumento da estabilidade e da atividade das celulases aplicadas. Jeon et al.
(2012) citam que o Clostridium cellulovorans produz um complexo
eficiente de enzimas para na degradação de biomassas lignocelulósicas.
Murthy e Naidu (2012) avaliaram a produção de xilanase a partir de
Penicillium sp. Estudos brasileiros recentes na produção de enzimas foram
apresentados por Maeda (2010) e Delabona et al. (2012). Wang et al.
(2012) também citam a existência atual de preparados enzimáticos mais
eficientes.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
166
No caso da geração de etanol de segunda geração a partir do
bagaço da cana-de-açúcar, um estudo de viabilidade elaborado por Rossel
et al. (2011) mostra que poderá competir favoravelmente com a geração
de bioeletricidade quando os resíduos forem usados e quando enzimas de
baixo custo e tecnologias melhoradas estiverem disponíveis
comercialmente. Chandel et al. (2012) também citam a importância do
aproveitamento dos resíduos do bagaço e da palha da cana.
Outro desafio importante está relacionado com o fato de muitas
plataformas para a conversão de materiais lignocelulósicos estarem
baseados no desenvolvimento de bactérias termofílicas, celulolíticas e
sacarolíticas (CHANG e YAO, 2011). Embora existam muitas vantagens, o
principal desafio é minimizar os problemas destas bactérias termofílicos:
elas exibem baixa tolerância à presença de etanol e a outros inibidores
presentes na biomassa tratada. Esta é uma das principais barreiras à
implementação industrial. É necessário, portanto, melhorar as
propriedades deste tipo de microorganismo, juntamente com otimizações
do processo (CHANG e YAO, 2011).
Ainda dentre os fatores que contribuem para aumentar a demanda
de enzima, mas um dos mais significativos é a presença compostos que
reduzem a reação das celulases e/ou de microorganismos na etapa
subseqüente de fermentação. Por exemplo, a glucose liberada durante o
processo inibe principalmente a beta-glucosidases (ALFANI et al., 1990). A
celobiose produzida durante a hidrólise é um forte inibidor das celulases
(TOLAN et al., 2006). Outros inibidores são produzidos incluindo produtos
de degradação de açúcares, tais como o furfural e o hidroxil-metil furfural,
ácidos orgânicos (a exemplo do ácido acético) e compostos fenólicos
solúveis derivados da lignina.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
167
Outros fatores críticos ocorrem também na etapa de fermentação,
como por exemplo no sistema de sacarificação simultâneo à fermentação
(SSF), o microorganismos remove a glucose do sistema pela fermentação
para etanol e isto reduz a inibição das celulases. No entanto, a
desvantagem deste processo é que as celulases são inibidas pela presença
do etanol. Diante destes problemas, muitos estudos têm sido
desenvolvidos e várias patentes detalham diferentes processos e métodos
com o objetivo de minimizar estes problemas e o custo da hidrólise
enzimática. Adav et al. (2012) também cita que hidrólise enzimática
continua sendo um dos principais gargalos para a conversão de biomassas
lignolíticas em biocombustíveis.
Jordan et al. (2011) abordaram os mecanismos enzimáticos, por
meio de uma enzima redutora de aldeídos, produzida pela S. cerevisiae,
como uma alternativa para minimizar os efeitos inibidores. Estes
pesquisadores também realizaram diversas mutagêneses, de sítio
direcionado, em Selenomonas ruminantium Trp145, para reduzir a sua
alta afinidade por D-glucose and D-xylose, o que pode impedir a sua
performance como agente de catálise na sacarificação de biomassa
lignocelulósica. Morais et al. (2011) também estudaram mecanismos de
reduzir os efeitos inibidores por meio de um redesenho do sistema
celulosoma da bactéria Thermobifida fusca. Outra tentativa de minimizar a
inibição causada pelo furfural foi desenvolvida por Li et al. (2011).
Consiste no uso da álcool dehidrogenase (produzida pelo Cupriavidus
necator JMP134).
Com relação aos pré-tratamentos, embora não haja ainda um
consenso geral, Banerjee et al. (2012) descrevem o tratamento com
peróxido de hidrogênio em meio alcalino como sendo um dos mais
efetivos em custos para uma implementação em larga escala. Rezende et
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
168
al. (2011) abordam o pré-tratamento do bagaço de cana, com avaliações
das modificações morfológicas e químicas em função de pré-tratamentos
com ácido diluído, seguido de aumento da concentração de soda.
Outro estudo sobre a composição dos tecidos após o pré-tratamento
e também depois da hidrólise enzimática, com um entendimento do
seqüenciamento da ação enzimática foi realizado por Zeng et al. (2012).
Concluiu que este tipo de entendimento poderá reduzir a carga de enzima.
Em relação ao pré-tratamento com microorganismos, Tisma et al. (2012)
verificaram que a presença de CaCO3 em papéis reciclados facilita a
distribuição de micélios livres e, portanto, a produção de lacase em cultivo
submerso do Trametes versicolor MZKI G-99. Wigstrom et al. (2012)
apresentam um método para facilitar a análise e identificação de
microorganismos para a conversão de biomassas lignocelulósicas.
A produção de lacases é descrita por Piscitelli et al. (2011), como
uma das formas de transformar ou de desconstruir a fração recalcitrante e
heterogênea de lignina da biomassa. Moreno et al. (2012) também cita o
uso de lacase como uma estratégia para aumentar a eficiência do
processo de produção de biocombustíveis a partir de biomassa.
5.2.3. Enzimas e microorganismos para a biopolpação de materiais
lignocelulósicos
5.2.3.1. Definição do tema
Biopolpação é o termo técnico dado ao tratamento da biomassa
(madeiras e cavacos) com a inoculação de microorganismos que
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
169
degradam lignina antes da produção de polpa celulósica (KANG et al,
2007, SCOTT et al. 2002, ROSS et al., 2003). O principal objetivo é a
degradação e extração da lignina. Desde 1975, a biopolpação ganhou
interesse científico. O interesse aumentou a partir do momento em que se
verificou que alguns fungos, especialmente o da podridão branca,
conseguem degradar e modificar a lignina da madeira. O primeiro estudo,
na década de 50, por Lawson e Still (1957), sobre deslignificação da
madeira com fungo da podridão branca, foi realizado pela empresa “West
Virginia Pulp and Paper" (atualmente Westvaco). Na década de 70, o
“Swedish Pulp and Paper Institute” (STFI), por meio de Ander e Eriksson
(1975), demonstrou que o tratamento da madeira com fungos resultou
em ganhos significativos de energia no processo de polpação mecânica.
Mas foram as universidades de Wisconsin e de Minnessota, e um consórcio
de 22 empresas de polpa celulósica e papel, além de outras empresas
aliadas, que demonstraram a viabilidade técnica e econômica da
biopolpação, em conjunto com o refino mecânico (AKHTAR, et al., 1992,
BLANCHETTE, 1984, MEYRS, 1988, LEATHAM, 1989 e 1990), além de 4
patentes concedidas para a Wisconsin Alumni Research Foundation:
US5055159, 1990, US5460697, 1992, WO9605362, 1994,
WO1998002612, 1996. Uma evolução do processo foi resumido por
Kallioinen et al. (2003).
5.2.3.2. Evolução do número de patentes e detentores das enzimas
O levantamento de patentes indica uma baixa atratividade para a
continuidade dos desenvolvimentos sobre biopolpação (figura 5.18). Há
ainda gargalos tecnológicos importantes para suplantar a aplicação de
microorganismos e/ou de enzimas neste tipo de processo. Mais
recentemente, os principais esforços têm sido para entender os
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
170
mecanismos de ação das enzimas sobre a degradação e remoção da
lignina, conforme será descrito no final desta seção.
Figura 5.18 – Evolução do número de patentes sobre biopolpação. Fonte:
elaboração própria.
A figura 5.19 mostra um número relativamente pequeno de
empresas e instituições interessadas no desenvolvimento do processo de
biopolpação. Destaque para a empresa Yuen Foong Yu, focada na
produção de papel, com larga participação também no mercado chinês. É
seguida pelo grupo de pesquisadores da Universidade de Wisconsin, que é
um grupo reconhecido no desenvolvimento da biopolpação. O Brasil
também se destaca tecnicamente com o grupo da Universidade de São
Paulo, unidade de Lorena, liderado pelo professor André Ferraz. Em 2008
foi conduzido um estudo de doutorado, no qual gerou a patente da
empresa Melhoramentos Papéis (Pavan, 2008).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
171
Figura 5.19 – Detentores de patentes sobre biopolpação. Fonte:
elaboração própria.
5.2.3.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
Os principais focos tecnológicos descritos nos documentos de
patentes sobre biopolpação são apresentados na tabela 5.4. Nota-se que a
biopolpação iniciou-se com a produção de polpa celulósica onde qualquer
material lignocelulósico é tratado com microorganismos capazes de
produzir enzimas para a clivagem da lignina. A motivação principal
é a redução de energia na produção de polpa celulósica mecânica,
termomecânica ou quimotermomecânica. No início, foram usados
fungos da podridão branca, tanto linhagens naturalmente ocorrentes,
quanto mutantes, com o objetivo de minimizar a presença de celulases e,
conseqüentemente, a degradação da polpa celulósica (ERIKSSON et al.,
1973, US3962033). Nos anos seguintes, outros estudos prosseguiram na
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
172
procura de microorganismos mais eficientes na clivagem da lignina. Nota-
se que a Universidade de Wisconsin teve grandes contribuições no
desenvolvimento desta tecnologia e demonstraram que otimizações do
processo de biopolpação permitiram uma redução significativa (25-50%)
da energia de refino (BLANCHETTE et al. (1990, US5055159).
Nota-se também que o Brasil é referência técnica no
desenvolvimento da biopolpação. Mais recentemente verifica-se uma
importante contribuição de Pavan (2008, BRPI0801220-2). É apresentado
um avanço significativo na direção de demonstrar a viabilidade do
processo de biopolpação de eucalipto para a produção de polpas
celulósicas termomecânicas (TMP) e quimotermomecânicas (CTMP). A
avaliação de cavacos biotratados com Ceriporiopsis subvermispora, em
uma planta piloto de 50 toneladas, demonstrou economia de energia
equivalente aos ganhos observados em escala laboratorial: reduções de
energia de 18% e 27% para os processos TMP e CTMP, respectivamente.
Este estudo é certamente um avanço importante, mas segundo Carvalho
et al. (2009) e Ferraz (2007 e 2008) é, ainda, necessário obter um melhor
entendimento dos mecanismos envolvidos neste tipo de tratamento.
Adicionalmente, Ferraz (2010) cita a necessidade da construção de uma
planta de demonstração ou mesmo de uma planta industrial para verificar
como um processo biológico se comportaria dentro do contexto da
indústria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
173
Tabela 5.4 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas e microorganismos para a biopolpação
de materiais lignocelulósicos. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Kojima et al. (1986, JP63091077)
Madeira e água, na relação de 1:1, são introduzidos em um meio de cultura. Esterilizado a uma temperatura de 121ºC/30 minutos. Suspensão de esporos (Phanerochaete chrysosporium e Basidiomycets) é esterilizada em uma solução de cloreto de sódio. Aí o sistema,
pressurizado, é ajustado para 45ºC e a injeção de cloreto de sódio que suspende os esporos é descarregada e o meio de cultura é ajustado a
37ºC. A cultura é mantida nesta condição para que haja a inoculação, germinação e multiplicação em uma semana e dois dias.
Blanchette et al. (1990, US5055159)
Processo de produção de polpa celulósica biomecânica com Ceriporiopsis subvermispora. Os cavacos permanecem em estado estacionário
durante a incubação com o fungo. Houve economia considerável de energia de refino (25-50%). O papel desta polpa celulósica apresentou mais alta resistência.
Akhtar et al. (1992, US5460697)
Tratamento de cavacos com fungos. Cavacos tratados com sais de sulfito para inibir o crescimento de microorganismos selvagens. Inoculação com uma cultura de fungo da podridão branca. Os cavacos são transformados em polpa celulósica. Infelizmente, o processo nunca ganhou
aceitação comercial e não tem sido largamente usado. Uma dificuldade reportada que poderia justificar esta baixa aceitação é o papel é menos resistente.
Akhtar (1994, WO9605362) Os cavacos são inoculados com inóculos de fungo da podridão branca e um nutriente a base de milhocina (fonte de nitrogênio), melaço e extrato de levedura. Os cavacos incubados são então transformados em polpa celulósica.
Pere et al. (1993, US5865949) Uso de enzimas totalmente distintas daquelas produzidas, por exemplo, pelos fungos da podridão branca, para decompor a lignina.
Celobiohidrolases, endo-beta-glucanases e mananases.
Akhtar et al. (1996, WO1998002612) Tratamento biológico da madeira Phebia subserialis. Verificou-se que, diferentemente de outros fungos de podridão branca, o P. subserialis
coloniza os cavacos mas não cria uma massa aérea superficial de hifas sobre os cavacos interferindo no processo de controle e de fluxo de ar.
Baecker et al. (1995, US5851351). Aproveitamento de uma situação real para alguns produtores de polpa celulósica, na qual os cavacos de madeira são transportados, em longas distâncias, em porão de navios. Biopolpação dos cavacos. Microorganismos são aplicados antes ou durante o carregamento dos navios.
Os microorganismos incubam e crescem durante o período de transporte dos cavacos até a fábrica.
Bajpai et al. (1998, EP1070174)
Biopolpação da madeira de eucalipto. Os cavacos são inoculados com fungos da podridão branca. Realizado cozimento químico (processo
Kraft). Como resultados foram verificados um menor consumo de químicos e menor tempo no cozimento, de energia e polpa celulósica mais resistente.
Bajpai et al. (1998, US6613192) Produção de polpa celulósica kraft de cavacos de eucalipto. O processo consiste em inocular os cavacos com fungo da podridão branca, permitindo que haja fermentação dos mesmos para que haja a propagação do fungo por meio dos cavacos e também que haja modificação da
lignina.
Akhtar et al. (1997, WO 9842914) Biopolpação em escala comercial. Biosupressão para evitar contaminação. Inoculação de cavacos eucalipto com o fungo, seguido de um
tempo necessário de incubação para que o fundo degrade ou modifique a lignina.
Akhtar et al. (2001, US7008505) Polpação biomecânica de eucalipto. Cultura de fungo Ceriporiopsis subvermispora, seguida de polpação mecânica. Permitiu ganhos significativos de energia na polpação mecânica e a polpa celulósica produzida apresentou ganhos consideráveis de resistência.
Pavan (2008, BRPI0801220-2)
Demonstração da viabilidade do processo de biopolpação de eucalipto para a produção de polpas celulósicas termomecânicas (TMP) e
quimotermomecânicas (CTMP). A avaliação de cavacos de eucalipto biotratados com C. subvermispora em uma planta piloto de 50
toneladas demonstrou economia de energia equivalente aos ganhos observados em escala laboratorial. Reduções de energia de 18% e 27% foram obtidas para os processos TMP e CTMP, respectivamente.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
174
5.2.4. Enzimas para o descascamento da madeira
5.2.4.1. Definição do tema
O processo de produção de polpa celulósica é realizado, na sua
quase totalidade, a partir de madeira descascada. A casca da madeira
apresenta baixa densidade e características químicas bem diferentes da
madeira: em geral com elevada quantidade de extrativos e materiais
inorgânicos. Estes aspectos, além de resultar em baixo rendimento do
processo, comparativamente ao processamento da madeira descascada,
podem também apresentar alguns problemas na produção de polpa
celulósica, tais como aumento de extrativos, de contaminantes (“pitch”),
além do mais alto custo de produção (BAROTH, 2007).
Atualmente, na produção de polpa celulósica, há dois processos
principais de descascamento das toras de madeira: tambores e sistema
descascadores acoplado ao equipamento que realiza a colheita das
árvores. No primeiro caso, em geral, é comum usar a casca em caldeiras
de força para a geração de energia, enquanto que no segundo tipo de
descascamento é mais comum a manutenção da casca extraída das toras
no campo, como forma de repor matéria orgânica para o solo.
5.2.4.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
Foram encontradas poucas referências sobre descascamento com
enzimas. Um único documento de patente foi encontrado.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
175
5.2.4.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
A patente CA2033141, descrita por Viikari et al.(1990), detalha um
método de tratamento das toras de madeira com uma solução de
enzimas, seguido de um descascamento mecânico das toras. Esta
descrição parte do princípio que as enzimas agem sobre os componentes
químicos existentes na região cambial da madeira, uma camada situada
entre a madeira e a casca. Cabe destacar que o câmbio consiste de células
vivas que promovem crescimento contínuo da árvore. Segundo Viikari et
al. (1990), o câmbio é constituído principalmente por pectinas, que por
sua vez são constituídas por ácidos galacturônicos, ramnose, arabinose e
galactose, além de hemiceluloses, celulose e proteínas. Assim, o princípio
chave do descascamento com enzimas, de acordo com o detalhamento
desta patente, é que as enzimas promovem o enfraquecimento das
ligações entre a madeira e a casca e, portanto, favorecendo o
descascamento mecânico posterior e, como conseqüência, reduz tempo e
consumo de energia na operação.
A formulação proposta por Viikari et al. (1990) é constituída de uma
solução de poligalacturonase, pectina liase, xilanase e endo-glucanase ou
misturas entre elas, podendo ser em pH 2 a 8 (mais comum ao redor de
5), durante uma hora a 3 dias (em geral de 2 a 6 horas), em
temperaturas de 5 a 80ºC (mais freqüente entre 20 a 40ºC).
Outras descrições de descascamento da madeira com enzimas foram
feitas por Bajpai (1999), Wong e Saddler (1992) e Rato et al. (1993 e
1996). Estes últimos autores descrevem a constituição química presente
na região cambial da madeira de “Spruce”, bem como a eficiência de
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
176
tratamentos enzimáticos na solubilização dos mesmos. O tratamento
enzimático seguido de descascamento mecânico, em escala laboratorial,
reduziu até 80% o consumo de energia da operação.
5.2.5. Enzimas para a deslignificação da polpa celulósica
5.2.5.1. Definição do tema
Como parte do processo de produção de polpa celulósica, o processo
mais efetivo da clivagem da lignina ocorre no reator denominado digestor
(figura 2.8, no capítulo 2). Neste reator ocorre a clivagem da estrutura e
permite a remoção da maior parte da lignina da madeira. Por exemplo,
uma madeira que, originalmente, contém, aproximadamente, 30% de
lignina, sai deste reator (digestor), após processo convencional de
cozimento e lavagem correspondente e de acordo com a prática corrente
da indústria moderna, com aproximadamente 2,7 a 3% de lignina, para
madeiras do tipo “hardwood”. Teor este que é medido com uma
metodologia denominada de número kappa. Estes teores de lignina
citados (2,7 a 3%) correspondem a valores número kappa na faixa de 18
a 20 (madeiras de “hardwood”). Esta lignina residual, embora
aparentemente, em pequena quantidade, confere cor escura à polpa
celulósica e precisa ser removida, quase que na totalidade, para que a
polpa celulósica apresente, ao final do processo, um nível adequado de
alvura. Como exemplo, após o cozimento a alvura que é de
aproximadamente 40% ISO, ao final do processo, polpa celulósica
branqueada, apresenta alvura de 88 a 90% ISO.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
177
A deslignificação com oxigênio é uma tecnologia padrão
(COLODETTE et al., 2007), mais comum atualmente para iniciar a remoção
desta lignina residual após o cozimento em fábricas modernas,
especialmente da América do Sul e algumas da Europa. Na América do
Norte e na Ásia, em geral, apenas algumas fábricas adotaram o processo
de deslignificação com oxigênio. Trata-se de um processo relativamente
pouco dispendioso, com o uso de oxigênio gasoso, em meio alcalino (pH
ao redor de 11, ajustado com o uso de licor negro oxidado) e
temperaturas altas (90 a 100ºC). Este processo resulta na remoção de 45
a 50% da lignina residual citada (DANIELEWICZ e SLUSARSKA, 2006)., mas
não tem ação sobre remoção de ácidos hexanurônicos (o qual também
contribui, nesta fase, para o nível de kappa quantificado).
5.2.5.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento e análise das patentes confirmam o interesse sobre
as enzimas oxidativas, a partir do início até a metade da década de 90
(figura 5.20). Atualmente o interesse está reduzido, uma vez que não
houve aplicação industrial destas enzimas e os desafios são grandes,
conforme citados anteriormente.
Na figura 5.21 nota-se que dentre as empresas com maior número
de patentes para enzimas para deslignificação estão a Mitsubishi Paper e
Oji Paper, ambas Japonesas e produtoras de polpa celulósica e papel. Em
terceiro e quarto lugar encontram-se duas empresas produtoras de
enzimas e ao mesmo tempo alguns institutos de pesquisas e
universidades.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
178
Na figura 5.22 são ilustrados os países de prioridades das patentes
nesta área da produção de polpa celulósica e verifica-se que o Japão,
Estados Unidos e Canadá apresentam o maior número de prioridades.
Cabe destacar a Mitishubishi Paper e a Oji Paper, que são empresas
japonesas produtoras de polpa celulósica, seguida principalmente da
canadense Iogen, a qual investiu na tecnologia de deslignificação, e do
Instituto de Pesquisas no Canadá (Paprican), o qual investiu no
desenvolvimento de lacases.
Figura 5.20 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
deslignificação da polpa celulósica. Fonte: elaboração própria.
5.2.5.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
Na tabela 5.5 é apresentado um resumo da análise das principais
patentes sobre enzimas para a deslignificação da polpa celulósica. Nota-se
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
179
que a partir da década de 90, principalmente, foram patenteados
processos de produção de lacases e manganês peroxidases, mas o
foco concentrou-se em lacases apenas. São observados avanços
no sentido de produzir lacases economicamente viáveis, visando a
produção em larga escala, bem como produtos mais resistentes
aos níveis mais altos de temperatura e pH. É importante citar que as
lacases são mais efetivas em meio ácido. Existem poucas lacases capazes
de resistir ao meio alcalino. Alguns exemplos são a lacase produzida de
Rhus vernificera, que tem pH ótimo 9 e a de Melanocarpus albomyces que
age em pH neutro (KEROVUO, 2006).
Figura 5.21 - Empresas e instituições detentoras de patentes sobre
enzimas para a deslignificação da polpa celulósica. Fonte: elaboração
própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
180
Estudos mais recentes continuam desenvolvendo lacases mais
adaptadas às condições de produção de polpa celulósica (SHANKAR e
SHIKHA, 2012) e um dos focos tem sido a avaliação de mediadores
naturais (FILLAT et al., 2011 e 2012 e ANDREU e VIDAL, 2011). Por outro
lado, Carvalho et al. (2009) e Ferraz (2007 e 2008) descrevem a
necessidade de concentrar esforços no entendimento da estrutura,
composição e os mecanismos da deslignificação da biodegradação.
Figura 5.22 – Principais países detentores de patentes sobre enzimas
para a deslignificação da polpa celulósica. Fonte: elaboração própria.
Mas os avanços mostrados na tabela 5.5 não são suficientes para
uma aplicação mais ampla. A tabela 5.6 mostra que os níveis de pH e
temperatura recomendados são distantes da necessidade. Martínez (2011)
cita que existem pesquisas sobre lacases e peroxidases, enquanto que
Kunamneni (2007) destaca que a principal limitação da aplicação de
lacase é a dificuldade de produção em grandes volumes e alta atividade.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
181
Tabela 5.5 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a deslignificação da polpa
celulósica. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Koide et al. (1986, JP62220190),
Paice e Boubonnais (2003,
US5691193), Tolan e Popovici (2000, CA2349429), Harazono et
al. (2000, JP069881), Xiao (2006,
CN1952111), Paloheimo (2004, FI118339), Kerovuo (2006,
WO2008027501), Lin e Wei
(2009, CN101880632) e
Processo de deslignificação por meio da aplicação de enzimas oxidativas. A análise destas
patentes revela a aplicação tanto das manganês peroxidases quanto das lacases.
Xiao (2006, CN1952111), Kerovuo
(2006, WO2008027501), Lin e
Wai (2009, CN101880632)
Durante a análise de patentes, notou-se que, a partir de 2006, vem sendo desenvolvidas enzimas oxidativas, especialmente as lacases. Xiao (2006) descreve que os principais objetivos são
reduzir o ciclo de produção da enzima, eliminar o uso de compostos aromáticos tóxicos,
tornando efetivo para produzir a enzima em larga escala e de produzir lacases mais resistentes às temperaturas mais altas.
Kerovuo (2006, WO2008027501)
Outra tendência é o desenvolvimento de lacases que possam ser aplicadas em meio alcalino.
Neste ponto, é importante citar que as lacases são mais efetivas em meio ácido. Existem poucas
lacases capazes de resistir ao meio alcalino. Alguns exemplos são a lacase produzida de Rhus vernificera, a qual tem pH ótimo 9 e a de Melanocarpus albomyces que age em pH neutro.
Yongchang et al. (2011, CN102061290).
Nesta invenção foram realizadas múltiplas metagêneses de sítio direcionado com o objetivo de
produção de lacases termoestáveis. Realizaram-se ainda reduções de “códons” raros no gene,
diminuendo o conteúdo da base guanina-citosina (GC) e minimização da formação da estrutura de ácidos nucléicos aumentando o nível de expressão do gene em E. coli, em até 317 vezes,
comparativamente ao gene natural.
Mengxuan et al. (2010, CN101857859)
Procedimentos para a produção de lignina peroxidases mais resistente às faixas mais elevadas de temperatura e pH.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
182
Tabela 5.6 – Resumo das principais enzimas oxidativas comerciais para a
catálise da lignina. Fonte: PERE (2010).
5.2.6. Enzimas para o branqueamento da polpa celulósica
5.2.6.1. Definição do tema
Conforme descrito no capítulo 2, o branqueamento é uma das mais
importantes etapas do processo de produção de polpa celulósica.
Branqueamento é um termo técnico que significa um processo para
remover a lignina residual da polpa celulósica para aumentar a alvura, a
limpeza e outras propriedades desejadas, com preservação adequada da
resistência da polpa celulósica, rendimento dos carboidratos e aspectos
ambientais especificados (DENCE E REEVE, 1996). Muitos estudos têm
sido dedicados a esta área e há um bom nível de patenteamento e
também de pesquisas com o objetivo de ampliar a aplicação de xilanases
nesta etapa. A aplicação atual de xilanases é prática comum em alguns
produtores de polpa celulósica da América do Norte e Europa,
principalmente. Não há ainda aplicações de xilanases no branqueamento
da polpa celulósica produzida no Brasil.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
183
5.2.6.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento de patentes específicas sobre enzimas para o
branqueamento da polpa celulósica nas diferentes bases de dados (figura
5.23) mostra que o branqueamento, relativamente a outros tópicos da
fabricação de polpa celulósica, apresenta mais alto número de patentes.
Destaca-se, portanto, o grande interesse no desenvolvimento, proteção e
aplicação de enzimas nesta área.
Na figura 5.23 nota-se um aumento rápido do número de patentes
desde o início da década de 70 até a metade da década de 90. Nesta fase
duas motivações justificam este aumento: 1) o início do aumento de
escala da tecnologia, com a realização de vários testes industriais, que em
geral, passaram da fase laboratorial diretamente para a escala industrial;
2) início do desenvolvimento de xilanases livre de celulases, com mais alta
atividade, termoestabilidade e mais resistentes às condições alcalinas.
Nota-se também na figura 5.23 que da metade da década de 90 até
o início da década de 2000 houve uma queda no interesse do
desenvolvimento de enzimas para branqueamento da polpa celulósica.
Esta tendência parece estar associada ao desenvolvimento de enzimas
oxidativas e, mais recentemente, com o foco voltado para o
desenvolvimento de enzimas para hidrolisar biomassas lignocelulósicas.
A figura 5.24 apresenta as principais empresas detentoras das
patentes para a produção de enzimas (as xilanases) para o
branqueamento da polpa celulósica. A figura 5.24 revela um fato
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
184
interessante: a Oji Paper, empresa japonesa, que produz polpa celulósica
e papel, apresenta o mais alto número de patentes. Adicionalmente, ela
também é citada como a única que tem produção de enzimas “on-site”
para as suas necessidades (uso cativo). Mas é curioso que não é mérito
único da Oji Paper, pois a Mitsubishi e a Jujo paper, outras duas empresas
japonesas, também se destacam com um número considerável de
patentes. Em seguida vêm um instituto e uma empresa produtora de
polpa celulósica e papel na China. Dentre as empresas produtoras de
enzimas, destaca-se a Iogen, empresa canadense, com o maior número
de patentes para esta aplicação.
Figura 5.23 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
branqueamento. Fonte: elaboração própria.
O Japão se destaca novamente com o maior número de prioridades
de patentes sobre o branqueamento da polpa celulósica (figura 5.25),
decorrente do interesse das empresas apresentadas na figura 5.24. Na
área destacam-se também os Estados Unidos, a China, a Finlândia e o
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
185
Canadá. A China é de certa forma surpresa, mas há que se destacar que
ela se tornou o maior fabricante de papel do mundo (tabela 2.1).
Figura 5.24 - Empresas detentoras de patentes sobre branqueamento.
Fonte: elaboração própria.
5.2.6.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
Uma análise detalhada das patentes permitiu obter as principais
tendências ao longo dos últimos 20 anos de aplicação de enzimas no
branqueamento da polpa celulósica. Na tabela 5.7 são apresentados os
principais aspectos relevantes e não há dúvidas que as xilanases foram
o foco dos desenvolvimentos. A análise demonstra um avanço
significativo no desenvolvimento e aplicação das xilanases.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
186
Engenharia das enzimas para torná-las livres de celulases, diversidade
de microorganismos testados e de condições experimentais de
branqueamento avaliados. Nota-se a corrida atrás de novas técnicas
biotecnológicas para a produção de xilanases engenheiradas
termoestáveis (e livres de celulases). Diferenças nas características
das xilanases de fungos e bactérias foram revisadas por Wong et
al.(1988) e patenteadas por Arbeloa et al. (1991, US5618386) para a
produção de xilanases provenientes de bactérias Streptomyces
viridosporus e De BUYL et al. (1993, US6423523), a partir de Bacillus sp.
Figura 5.25 – Principais países de prioridades de patentes sobre
branqueamento. Fonte: elaboração própria.
Em 1987 Mondue et al. obtiveram um microorganismo recombinante
do gênero Streptomyces e produziram xilanases substancialmente livre de
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
187
celulases. Logo em seguida, Paice et al. (1988) utilizaram xilanases livres
de celulases, produzida a partir de um clone de E. coli. No início da década
de 90 a principal tendência observada foi a combinação do uso de
xilanases com o estágio de deslignificação com oxigênio (Du MANOIR e
DUBELSTEN, 1994). Na tabela 5.7 nota-se ainda que a técnica de
mutagênese de sítio direcionado foi usada para a produção de proteínas
mais estáveis, obtida pela introdução de ligações disulfeto (CAMPBELL et
al., 1993) e GOMES et al.,2007).
Com estes avanços reportados na tabela 5.7, um resumo das
diferentes xilanases comerciais para o setor de polpa celulósica e papel e
as faixas de pH e temperatura recomendadas pelos produtores das
enzimas é apresentado na tabela 5.8 (PERE, 2010). Nota-se uma faixa
bastante restrita de pH, prevalecendo de 6 a 8, enquanto que para
temperatura a faixa é mais ampla, mas são poucos os exemplos que
superam a faixa 75 a 85ºC.
Uma análise das publicações de artigos científicos (figura 5.26)
indica que boa parte está relacionada com o desenvolvimento de enzimas
mais termoestáveis.
Embora muito pouco divulgado na literatura, pois as informações
ficam reservadas aos fabricantes de enzimas, foi possível identificar por
meio de poucas referências um número aproximado de fábricas que já
incorporaram o uso de xilanases em suas atividades industriais, no
branqueamento da polpa celulósica.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
188
Tabela 5.7 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para o branqueamento da polpa
celulósica. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes Du Manoir (1989, US5179021), Bernier et al. (1988,
US5116746), Casimir-Schenkel et al. (1990, US5407827), Campbell et al. (1993, US5405769), Dahlberg et al. (1991,
US5395765), Jeffries et al. (1992, US5369024), Anker et al. (1990, US5457045), Rosenberg e Shoham (1990, US5434071),
Jeffries (1992, US5498534), Tolan e Foody (1991, US5591304), Troughton et al. (1993, US5645686), Sung et al. (1996,
US5866408), Jeffries et al. (1992, US5834301), Brzezinski et al. (1994, US5871730) e Hyatt et al. (1996, US6057438)
A lista de patentes compreendem um período entre o final da década de 80 até a metade da década de 90. Portanto,
são as primeiras patentes específicas para branqueamento da polpa celulósica e também as primeiras com xilanases
engenheiradas para mínima presença de celulases e para atividades mais elevadas em faixas de temperaturas mais altas.
Du Manoir e Dubelsten (1994, EP0386888) Associação de estágio de oxigenação ao tratamento com xilanase substancialmente (mas não totalmente) livre de celulases. Redução do kappa de até 23%), mantendo propriedades de resistência da polpa celulósica aceitáveis.
Wizani et al. (1990, DE4017522) Os autores foram uns dos primeiros a citar a necessidade de obtenção de xilanases livre de celulases. Obtenção por
processo de separação e purificação. pH ótimo 6 a 7,5, a 45 a 65ºC e tempo de reação 15minutos.
Jeffries e Foody (1991, CA2167946) Xilanase, cujo nome comercial é PulpzymeTM HA, preparada a partir de linhagem de T. reseei. Esta foi a primeira
xilanase comercial para biobranqueamento (DHIMAN, 2008).
Arbeloa et al. (1991, US5618386) Produção de xilanases provenientes de bactérias Streptomyces viridosporus.
De Buyl et al. (1993, US6423523) Produção de xilanases a partir de Bacillus sp.
Matsuhashi (1998, JP11279968) Xilanases derivadas do gênero Trichoderma em altas temperaturas. Cita que a xilanase apresenta temperatura ótima
55 a 85ºC e pH ótimo entre 5 a 9, em tempos de reação que variaram de 15 a 180 minutos.
Wizani et al. (1990, DE4017522) Xilanases livres de celulases. É importante ainda citar que nesta época o pH ótimo buscado era ao redor de 6 a 7,5,
a estabilidade térmica de 45 a 65ºC e temperatura ótima 65ºC, para tipo pH 4,8 e tempo de reação 15min.
Fukunaga et al. (1994, JP8224081) Obtenção de duas xilanases de Bacillus sp 2113 (FERM BP-5264), resistentes a temperaturas mais altas: até 90ºC.
Nakamura (1997, JP11107181) Aplicação de enzima após o estágio de deslignificação com oxigênio. Estágio enzimático (xilanase) com temperatura elevada para até 90ºC e a reação ocorre em meio ácido (pH 2 a 4), durante até 20 minutos.
Tolan et al. (2001, WO02057541) e Tolan et al. (2001,
WO2003048449)
O documento WO02057541 descreve a aplicação de xilanases em branqueamento convencional. O documento WO2003048449, associa o uso de xilanases a uma seqüência de branqueamento não convencional, com o uso de
perácidos. Uso de xilanases mutantes de T. reseei , mais termoestáveis (até 63ºC) e pH 7,5.
Steer et al. (2003, US7960148) e Richardson et al. (2007,
MX2009008129) Produção de xilanases que apresentam atividade e estabilidade elevada em faixas mais altas de temperatura.
Foody et al. (1998, CA2319074) Aumento de COD com uso de hemicellulases. O mesmo acontece para lignina, uma vez que as hemicelulases liberam
açúcares solúveis e outros componentes (exemplo lignina), que contribuem para o aumento do COD.
Yin et al. (2009, WO2012015452) Aumento de COD (20 a 50%) com o uso industrial de xilanases.
Izumi et al. (1999, JP2001055679), Iwasaki et al. (2002,
JP2004169243) e Xiaomin e Yiqin (2009, CN101597871) Aumento de COD com o uso de xilanases. Descrevem técnicas de purificação do filtrado deste estágio.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
189
Tabela 5.8 – Resumo das principais xilanases comerciais disponíveis para
aplicação no branqueamento. Fonte: PERE (2010).
Em 2002, na América do Norte, vinte unidades industriais usavam
xilanases. Destas, 8 para produção de polpa celulósica a partir de madeira
“hardwood” e 12 para “softwood” (BURGET et al., 2002). Importante citar
que em 2002 foi registrado um volume de polpa celulósica de mercado
tratado com xilanase de 4200 toneladas/dia, no Canadá e de polpa
celulósica em fábricas integradas de 6900 toneladas/dia, nos EUA. Tolan
et al. (1996), em 1994, do total de polpa celulósica kraft branqueada do
Canadá, 8% era tratada com xilanase em 1994 (o equivale à
aproximadamente 830.000 toneladas). Nos Estados Unidos, atualmente,
pelos menos 12 fábricas usam enzimas no processo de branqueamento
(HART, 2011).
A análise das tendências tecnológicas ao longo destes anos revela
que no início do desenvolvimento das xilanases para branqueamento
buscou-se passar o mais rapidamente da fase de produção de xilanases,
realizações de testes laboratoriais e industriais, sem grande preocupação
com a especificidade das xilanases. Esta abordagem não foi bem sucedida
pois a presença de celulases prejudicou o rendimento do processo, a
geração de matéria orgânica dissolvida em excesso, com impactos
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
190
negativos sobre o processo e o tratamento de efluentes. Impactos
negativos também foram observados sobre a resistência da polpa
celulósica.
Figura 5.26 - Número de artigos científicos publicados sobre
branqueamento da polpa celulósica. Fonte: elaboração própria.
Paice e Zhang (2005) citam que o volume tratado com xilanases
corresponde à aproximadamente 10% de toda a cellulose kraft (em 2012
são, aproximadamente, 13 milhões de toneladas). Em 2011 a Iogen
publica que suas xilanases já trataram mais de 10 milhões de toneladas
de polpa celulósica, até 2011.
Enquanto que na América do Norte, a Iogen lidera o Mercado de
xilanase para o branqueamento, globalmente outros produtores de
enzimas neste mercado são a AB Enzymes, Diversa, Novozymes,
Verenium, dentre outros. No Japão, em Yonago, a Oji Paper produz a sua
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
191
própria xilanase para uso no branqueamento de uma fábrica que produz
polpa celulósica de “hardwood”, com capacidade de 1300 toneladas/dia
(OECD, 2001, Paice e Zhang, 2005 e Bajpai, 2012).
Silmo (2010) cita que, na Europa, existem 50 fábricas de produção
de polpa celulósica usando enzimas e outras 30 estavam em fase de
testes. Achle (2007) mostra que as aplicações são lideradas pelas
hemicelulases. Talvez o sucesso tivesse sido maior se o aumento de
escala do uso de xilanases não tivesse sido aplicadas diretamente da
escala laboratorial para industrial. Neste sentido, Oliveira (2004) reforça a
necessidade de produção de xilanases com mais alta especificidade ao
substrato, onde apenas quando a enzima ideal encontra o substrato ideal,
as reações bioquímicas podem ocorrer de forma eficaz. O impacto
negativo sobre o rendimento de produção de polpa celulósica “hardwood”
com xilanases é ainda um desafio a ser vencido (Hart, 2005).
5.2.7. Enzimas termoestáveis para o setor de polpa celulósica e
papel
5.2.7.1. Definição do tema
Conforme descrito no capítulo 3 e também no capítulo 5, uma
aplicação plena de enzimas na produção de polpa celulósica depende
fundamentalmente da disponibilidade de enzimas que sejam resistentes
às faixas de temperaturas altas (80 a 90ºC). Logo no início do
desenvolvimento de enzimas para uso na produção de polpa celulósica as
enzimas apresentavam máxima atividade em temperaturas de até 60ºC e
isto não atendeu às necessidades da indústria. Foi necessário desenvolver
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
192
enzimas termoestáveis em faixas mais elevadas de temperatura para
permitir um aumento da aplicação industrial.
5.2.7.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
A figura 5.27 ilustra o número de patentes sobre enzimas
termoestáveis e indica que o maior interesse ocorreu ao longo da década
de 90. Este período coincide, em maior grau, com o desenvolvimento das
xilanases termoestáveis. Por volta da metade da década de 90 coincidiu
com a necessidade de produção de enzimas oxidativas termoestáveis,
especialmente as lacases e manganês peroxidases.
A figura 5.28 ilustra que o principal detentor de patentes é o Canada
National Research Council. Esta instituição é seguida por produtores de
enzimas, mas outros institutos de pesquisas e universidades também
aparecem, revelando que se trata de um desafio bastante complexo para
ser atingido. O Canadá e os Estados Unidos lideram o número de
prioridade de patentes (figura 5.29).
O número de artigos científicos publicado sobre este tema cresceu
significativamente ao longo dos últimos anos (até março de 2012, dados
não apresentados), indicando que continua o interesse científico neste tipo
de desenvolvimento. Esta tendência decorre do fato dos produtores de
enzimas terem percebido que a produção de enzimas com alta atividade,
especificidade e com características de aplicação nas condições de menor
perturbação dos arranjos industriais instalados (mínimo investimento) é
fator chave de aumento da aplicação de enzimas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
193
Figura 5.27 – Evolução do número de patentes sobre enzimas
termoestáveis. Fonte: elaboração própria.
Figura 5.28 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas
rmoestáveis. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
194
Figura 5.29 - Países de prioridade de patentes sobre enzimas
termoestáveis. Fonte: elaboração própria.
5.2.7.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
A análise de patentes realizada (tabela 5.9) demonstrou que o
desenvolvimento de enzimas resistentes a níveis mais altos de
temperatura (adequadas para serem aplicados na produção de polpa
celulósica) avançou bastante. Nota-se uma evolução na procura de novas
técnicas e melhoramento de microorganismos, visando a produção de
xilanases ativas e estáveis em mais altos níveis de temperatura.
Enquanto que as primeiras patentes eram para xilanases com
temperatura ótimas ao redor de 50ºC (US5407827, CASIMIR-SCHENKEL
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
195
et al., 1990, US5116746, BERNIER et al., 1988) a patente US5405769
(CAMPBELL, 1995) descreve a construção de mutantes com a produção de
xilanases termoestáveis de baixa massa molecular (20396 Daltons) a
partir de Bacillus circulans. Cita ainda que a termoestabilidade foi
aumentada por meio do uso da técnica de metagêneses de sítio
direcionado. A termoestabilidade foi conferida pela presença de pontes
disulfeto não-nativo e seleção de mutações com terminais N.
Shah et al. (2000) mostraram que xilanases produzidas a partir do
Thermotoga maritime podem ser aplicadas na região da etapa de
deslignificação (antes do branqueamento), em pH 10 e temperatura 90ºC.
Outros estudos também demonstram a resistência de xilanases em níveis
mais altos de temperatura (US5395765, DAHLBERG et al., 1991). Arase et
al. (1993) publicaram aumento da termoestabilidade de xilanases de
Bacillus pumilus, a partir de mutações randômicas, mais especificamente
mutações químicas de genes, mas o aumento de termoestabilidade foi
pequeno.
A esta altura é importante mencionar que entre as xilanases
naturalmente ocorrentes, xilanases termoestáveis têm sido isoladas a
partir de alguns poucos microorganismos específicos, tais como o
Caldocellum saccharolyticum, Thermatoga maritima e Thermatoga sp.
"strain" FjSS3-B.1, os quais crescem em temperaturas 80° a 100°C
(LUTHI et al. 1990; WINTERHALTER et al. 1995; SIMPSON et al. 1991).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
196
Tabela 5.9 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas termoestáveis para o setor de polpa
celulósica e papel. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Campbell (1995, US5405769)
Construção de mutantes com a produção de xilanases termoestáveis de baixo peso molecular (20396 Daltons) a partir de Bacillus circulans. Cita ainda que a termoestabilidade foi aumentada por meio do uso da técnica de metagêneses de sítio direcionado. A termoestabilidade foi conferida pela presença de pontes disulfeto não-nativo e seleção de mutações com terminais N.
Fagerstroem et al. (1995,
WO9722691) Produção de novas xilanases termoestáveis de Chaetomium thermophilum.
Sung et al. (1996, US5866408)
Modificações na família 11 (das xilanases) para o Trichoderma reseei (e outros microorganismos). Detalha condições de processo com a aplicação destas enzimas, visando principalmente avaliar a sua capacidade para resistir às condições de pH mais elevados. Estes autores associam que as xilanases apresentam desempenho superior quanto à termoestabilidade e tolerância à condição mais alcalina porque a modificação foi obtida a partir de alterações estruturais nos aminoácidos. A patente US 5916795 (FUKUNAGA et al., 1997) também aborda a produção de xilanases termoestáveis a partir de Bacillus sp.
Dahlberg et al. (1991, US5395765)
Demonstram a resistência de xilanases a mais alta temperatura.
Yu et al. (1987, US4966850) Xilanases termoestáveis de Thermoascus aurantiacus. Estas enzimas não são membro da família G, também denominada de família 11, o que foi o objeto desta patente. Mas apresentaram atividade ótima a 75ºC, com meia vida a 70ºC e 60ºC, durante 90 minutos e 4 dias, respectivamente.
Tolan et al. (2001,
WO02057541)
Xilanases, produzidas a partir de mutantes de T. reseei (modificados a partir de DNA recombinante), são mais termoestáveis e também mais tolerantes às condições alcalinas, até 63ºC e até pH7,5, respectivamente. Adicionalmente, apresentam reduzida ou nenhuma atividade celulolítica.
Nobuyuki et al. (1995, JP8224081) e Nakamura (1997, JP11107181)
Informações que mostram que os japoneses avançaram no desenvolvimento de xilanases mais termoestáveis. Estas patentes descrevem produções de xilanases capazes de resistir a temperaturas altas. Como exemplo, a JP8224081 descreve a produção de duas xilanases, uma capaz de resistir de 50 a 80ºC e a outra de 60 a 90ºC, em
pH ótimo de 5 a 8.
Steer at al. (2003, US7960148) e Weiner et al. (2006, US8043839)
Produção de xilanases com o uso de técnicas robustas de seleção e purificação de proteínas. As patentes descrevem a produção de xilanases que apresentam atividade e estabilidade elevada em faixas mais altas de temperatura (até 85ºC).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
197
Tabela 5.9 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas termoestáveis para o
setor de polpa celulósica e papel. Fonte: elaboração própria a partir de dados da base consolidada citada na tabela 5.1.
Maupin-Furlow et al. (2009,
WO2010129940)
Produção de polipeptídios contendo lacases a partir de Haloferax volcanii, com mais alta atividade do
que as lacases originais. No entanto, a atividade alta ocorre temperaturas relativamente baixas
(até 45ºC).
Yongchang et al. (2011, CN102061290).
Nesta invenção foram realizadas múltiplas metagêneses de sítio direcionado com o objetivo de produção de lacases termoestáveis.
Oliver et al.(2006,
US2008064064) Produção de mananases com mais alta termoestabilidade.
Bo et al. (2005, WO2006104448)
Produção de xilanases termoestáveis ( 70ºC) de Bacillus halodurans S7
Jones et al.
(2000,US2004033580) Descrições de lipases e pululanases termoestáveis a partir de bactéria do gênero Thermopallium.
Mantyla et al. (1994, US2001024815)
Documento detalha a produção de xilanases termoestáveis (50 a 80ºC).
Fagerstroem et al. (1995,
WO9722691) Produção de xilanases termoestáveis (60 a 80ºC), obtidas de Chaetomium thermophilum.
Groenbert et al. (1995,
US6083733) Produção de xilanases termoestáveis (80ºC), obtidas de bactérias termofílicas anaeróbicas.
Bodie et al. (1994,
US5437992) Descrevem a produção de 5 xilanases termoestáveis (até 70ºC) de Microtetraspora flexuosa.
CASIMIR-SCHENKEL et al.
(1990, US5407827) Xilanases termoestáveis (até 70ºC) de Thermomonospora fusca.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
198
A crítica feita na época em que estes estudos citados no parágrafo
anterior foram realizados é que todos os extratos obtidos são de alta
massa molecular, alguns não pertencentes à família 11 e apresentam
atividade xilanolítica e celulolítica. Talvez isto explique porque os
resultados de elevada estabilidade de xilanases de Thermatoga maritima
não tenham progredido para produção comercial. Adicionalmente, outro
desafio associado é a atividade. Em geral, xilanases que resistem à
extrema alta temperatura apresentam baixa atividade (SUNG, et al.,
1996).
Outra tendência importante no resumo da tabela 5.9 é que os
japoneses avançaram no desenvolvimento de xilanases mais
termoestáveis, capazes de resistir até 90ºC, em pH ótimo de 5 a 8.
Um outro aspecto verificado é que parece não haver um consenso
entre os pesquisadores sobre a termoestabilidade de xilanases. Enquanto
Taibi et al. (2012), Zhang et al. (2011) e Mishra et al.(2011) reportam
avanços significativos, outros estudos indicam que este é um desafio
relativamente difícil de ser atingido, uma vez que os resultados
apresentados indicam temperatura máxima das xilanases ao redor de
70ºC (BRZEZINSKI, 1994, CASIMIR-SCHENKEL, 1994, SALEEM et al.
2012, PRAKASH et al., 2012, FAWZI, 2011, EBRAHIMI, 2011, SHRINIVAS,
2010). Mesmo com expressão heteróloga Ghaffar et al. (2011) mostra que
xilanases recombinantes apresentaram temperatura ótima de 70ºC, em
pH 5,5 a 8,5. Um estudo sobre mananases indicou uma temperatura ainda
mias baixa, ao redor de 60ºC, com pH ao redor de 5 (CHANDRA et al.,
2011), temperatura esta similar aos estudos anteriores para xilanases
(HUNG et al., 2011, SHARMA et al., 2010).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
199
Steer at al. (2003) e Weiner et al. (2006) descrevem a produção de
xilanases que apresentam atividade e estabilidade elevada em faixas de
temperatura de até 85ºC, a partir da utilização de técnicas robustas de
seleção e purificação de proteínas. No entanto, o uso deste tipo de
xilanase passou a apresentar alguns problemas de geração excessiva de
matéria orgânica dissolvida, redução do rendimento e de resistência da
polpa celulósica, especialmente em testes industriais realizados em polpas
celulósicas de eucalipto (Hart, 2011).
Na tabela 5.9 nota-se que embora o foco maior seja para a
produção de xilanases termoestáveis, há estudos para aumentar a
termoestabilidade de lacases (D'SOUZA-TICLO et al., 2009, LITTHAUER et
al., 2007, CARVALHO et al., 2008 e CAMARERO et al. (2012).
5.2.8. Enzimas tolerantes às condições alcalinas
5.2.8.1. Definição do tema
É importante contextualizar mais uma vez que diante do
conhecimento de que o processo de fabricação de polpa celulósica para os
locais de aplicação de enzimas do tipo xilanases, lacases e peroxidases
apresentam meio alcalino (9 a 10) e em temperaturas de 80 a 90ºC, a
continuidade dos desenvolvimentos de alternativas para a produção de
enzimas apropriadas é de grande interesse para o setor. É, portanto,
conhecido que o sucesso da aplicação de enzimas na produção de polpa
celulósica, seja na deslignificação ou no branqueamento, depende não
apenas de enzimas seletivas, de alta atividade, especificidade ao substrato
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
200
(polpa celulósica) e resistentes a níveis mais altos de pH e de
temperatura.
5.2.8.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
A figura 5.30 ilustra que na década de 90 houve investimento,
mesmo que pequeno, na produção de enzimas mais tolerantes às
condições alcalinas. Conforme descrito anteriormente, estes
desenvolvimentos, na sua grande maioria, em conjunto com os estudos
para a produção de enzimas termoestáveis.
Figura 5.30 – Evolução do número de patentes sobre enzimas alcalinas.
Fonte: elaboração própria.
Mas a figura 5.30 mostra que o esforço foi descontinuado. Embora
as buscas tenham sido até 2012, existem documentos disponíveis nas
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
201
bases de dados até 2003 apenas. Uma possível razão é a dificuldade
inerente de encontrar microorganismos que conseguem ao mesmo tempo
combinar características de tolerância em pH alcalinos, em altas
temperaturas e com altos níveis de atividade necessários para produção e
comercialização em larga escala. Na figura 5.31 é possível notar que as
empresas produtoras de enzimas são as principais interessadas no
desenvolvimento de enzimas alcalinas.
Figura 5.31 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas alcalinas.
Fonte: elaboração própria.
5.2.8.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
A análise das principais patentes (tabela 5.10) demonstra uma
tendência para o desenvolvimento de enzimas (xilanases e
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
202
celulases) mais resistentes a valores mais altos de pH. Um dos
focos foi o desenvolvimento de microorganismos mutantes
(HORIKOSHI, 1999). Verificam-se tentativa de desenvolvimento
conjugado da termoestabilidade e da resistência ao ambiente
alcalino. Como perspectiva, é descrito o interesse científico que ocorreu a
partir da redescoberta de bactérias alcalifílicas.
Um fato curioso é notar que a patente US6140095 (WILLIANS et al.,
1993) descreve o tratamento da polpa celulósica com xilanase em pH de
10 a 12 e em temperatura de 80ºC. Não foi encontrada uma justificativa
porque este tipo de alternativa não teve continuidade de
desenvolvimento. Além disto, outras citações descrevem a produção de
xilanases produzidas a partir de bactérias (MATHRANI et al., 1991,
EP0511933, SHOHAM et al., 1992) e ZAMOST, ELM, 1990, WO9118976 e
DEBLOIS e WIEGEL, 1992).
Várias outros pesquisadores também estudaram a possibilidade de
produção de xilanases mais resistentes às condições alcalinas e também
mais termoestáveis, a maioria a partir de Bacillus (AKIBA et al., 1988,
GUPTA et al., 1992, HAMAMOTO et al.,1987, GIBBS et al., 2010, HONDA
et al., 1985, ZHANG et al., 2008, CORDEIRO et al., 2002, SA-PEREIRA et
al., 2002 e SEPAHY et al., 2011).
Outras tentativas interessantes na direção de produção de xilanases
resistentes a pH alcalinos foram desenvolvidas por Dutta et al. (2007),
Techapun et al. (2003), Damiano et al. (2003), Bocchini et al. (2003),
Dhillon et al. (2000), Dhillon e Khanna (2000), Souza et al. (1997),
Blanco et al. (1995), Lal et al. (2011), Chengye et al. (2010) e Wang et
al. (2010).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
203
Tabela 5.10 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas resistentes às condições alcalinas.
Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Willians et al. (1993, US6140095) Tratamento da polpa celulósica com xilanases em pH de 10 a 12 e em temperatura de 80ºC.
Mathrani et al. (1991, EP0511933) e (Zamost e Elm, (1990, WO9118976)
Produção de xilanases a partir de bactérias: pH 6 a 8 obtido com Dictyoglomus thermophilum e pH 9 com B. stearothermophilus.
Bodie et al. (1994, US5437992) e Bodie et al. (1994, US5683911)
Produção de xilanases para agirem em meios alcalinos, a partir de Microtetraspora flexuosa. Citam ainda que estas xilanases além de apresentarem atividade ótima em condições alcalinas elas são termoestáveis. A patente US5437992 focou na linhagem ATCC 35864.
Williams et al. (1993, US6140095)
Produção de xilanases resistente a pH 9 (e temperatura 70ºC). Esta patente está relacionada com o isolamento de microorganismos (gênero Bacillus) de amostras de solo e água coletadas em ambientes de lagos alcalinos do Kenia (no leste da África).
Osten e Shuelein (1994, US5912157), Emalfarb et al. (1996, US5811381), Shuelein et al. (1994, US6071735), Lange et al. (1994, US5972872) e Emalfarb et al. (1996, US6015707)
Produção de enzimas celulases, com atividades a pH alcalino. Osten e Schuelein (1994, US5912157) descrevem a produção de enzimas a partir de linhagens de Myceliophthora thermophila e suas variantes. Schuelein et al. (1994, US6071735) descrevem a construção de DNA para obter as enzimas, enquanto que Lange et al. (1994, US5972872) descrevem a produção de enzimas a partir de fungos selecionados de Basidiomycetous famílias Coprinaceae e Bolbitiaceae. Emalfarb et al. (1996, US6015707) e Emalfarb et al. (1996, US5811381 descrevem a produção de enzimas a partir de Chrysosporium lucknowense.
Fagerstroem et al. (1995, WO9722691)
Produção de xilanases termoestáveis de Chaetomium thermophilum, que resiste mais de 70% da atividade original em pH alcalino (pH 7-10).
Dahlberg et al. (1991, US5395765)
Demonstração da resistência de xilanases de Rhodothermus marinus em níveis mais altos de temperatura (ótima entre 80 a 100ºC), com manutenção de mais de 50% da atividade relativa em pH 5 a 10 após 4 horas a 65ºC.
Tolan et al. (2001, WO02057541) Xilanases, produzidas a partir de mutantes de T. reseei, são mais termoestáveis e também mais tolerantes às condições alcalinas, até 63ºC e até pH7,5, respectivamente. Adicionalmente, apresentam reduzida ou nenhuma atividade celulolítica.
Nobuyuki et al. (1995, JP8224081) e Nakamura (1997, JP11107181)
Informações que mostram que os japoneses avançaram nos estudos de xilanases mais termoestáveis. Estas patentes descrevem produções de xilanases capazes de resistir a temperaturas altas (até 90ºC) e com pH ótimo de 5 a 8.
Steer at al. (2003, US7960148) e Weiner et al. (2006, US8043839)
Produção de xilanases e celulases capazes de resistirem às condições alcalinas. Como exemplo, glucanases que mantêm atividade em faixa de pH de 6,5 a 10,5.
Maupin-Furlow et al. (2009, WO2010129940)
Produção de polipeptídios contendo lacases a partir de Haloferax volcanii, com mais alta atividade do que as lacases originais, tanto em condições ácidas quanto alcalinas (pH 6 a 10).
Chuanhuai e Kai (2009, CN101691699)
O documento cita o uso de xilanases, celulases e pectinases em pH 6 a 11 e temperatura 45 a 75ºC.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
204
De acordo com Annamalai et al. (2009) os resultados obtidos
indicam a possibilidade de ampliar a produção em larga escala. Mas
Dhiman (2008) destaca a necessidade de aprofundar no conhecimento de
aspectos moleculares de xilanases e em clonagem de vetores de
expressões desejadas para que sejam de alta atividade e mais estáveis
em faixas mais amplas de pH e também de temperatura. Nestes aspectos
o uso de técnicas mais avançadas possíveis e disponíveis é necessário. Por
outro lado, continua a necessidade de ajustes no processo de produção de
polpa celulósica (foco em temperatura e pH adequados para uma ação
mais efetiva das enzimas) no sentido de permitir a ampliação da inserção
da tecnologia enzimática.
5.2.9. Enzimas para o tratamento de efluentes
5.2.9.1. Definição do tema
O tratamento de efluentes dos processos de produção de polpa
celulósica e papel é uma importante etapa e tem requerido muitos
estudos. Nas últimas duas décadas a indústria mundial, especialmente
com forte influência dos países escandinavos e canadenses, revisou os
possíveis impactos e consolidou novas e modernas tecnologias de
tratamento de efluentes. O setor brasileiro de polpa celulósica cresceu
juntamente com estas mudanças e figura, atualmente, entre os sistemas
mais modernos e rígidos de tratamento e controle dos efluentes do setor
mundial.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
205
5.2.9.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
A prospecção de patentes e o levantamento de literatura científica
confirmam o baixo interesse no desenvolvimento de tecnologias
enzimáticas para o tratamento de efluentes, o que está em linha com
Gomes et al. (2012). No Brasil são destacadas duas patentes da
UNICAMP, que serão comentadas a seguir.
5.2.9.3. Análise dos documentos de patentes (complementada com
informações de artigos científicos)
A patente brasileira PI0002329-9, depositada em 30 de maio de
2000 (CABELLERO et al., 2000), descreve um processo para tratamento
de efluentes da indústria de polpa celulósica Kraft por meio de um sistema
enzima-mediador do tipo Lacases-hidroxamatos. O valor máximo
atingido de diminuição de fenóis na ausência de mediadores foi de 23%. O
1-hidroxibenzotriazol (HBT) não apresentou efeito significativo em
efluentes kraft. Dos mediadores estudados os hidroxamatos foram os mais
eficientes no tratamento do efluente kraft. Entre os hidroxamatos o ácido
acetohidroxâmico (AHA), foi o mais eficiente na degradação de fenóis
(70%) e no carbono orgânico total (73%) e não apresentou degradação
significativa pela lacase.
A patente brasileira PI9702823 -1, depositada em 3 de
setembro de 1997 (ZAMORA et al., 1997) descreve a imobilização de
peroxidase de rabanete (HRP VI) em vitrocerâmica porosa à base de
lítio, titânio e óxido de titânio, bem como a sua aplicação na descoloração
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
206
de efluente da indústria de polpa celulósica e papel. Como principal
resultado, obteve-se redução da cor de 30 a 40% do efluente para
tratamento enzimático de 4 horas. Rasmussen et al. (1990,
JP2001057894) descrevem a preparação de celulases e cita as suas
possíveis aplicações na melhoria das características do efluente da
indústria de polpa e papel. No entanto, não há nenhum descritivo de uso /
resultados e nem mesmo reivindicação de método ou processo específico.
Garver Jr. (1997, WO9840721) descreve um método para controlar
as características do efluente do processo de produção de polpa celulósica,
para o qual são utilizados vários insumos químicos para a deslignificação e
para o branqueamento, incluindo enzimas do tipo ligninase, xilanase,
mananase, lacase e peroxidase. Portanto, não trata do uso de enzimas
para melhorar as características do efluente.
Mais recentemente encontram-se algumas publicações científicas
sobre o tratamento de efluentes com enzimas. Yadav e Chaudhry (2012)
descrevem o uso da biopolpação, combinado ou não com branqueamento
com xilanase, para obter um efluente com menor carga poluente. Fillat et
al. (2012) e Hart (2012) concluíram que o branqueamento com xilanase
aumentou a carga orgânica para o tratamento de efluentes.
5.2.10. Enzimas para Modificação de Amido
5.2.10.1. Definição do tema
A utilização de aditivos de colagem superficial da folha de papel e
também para o seu revestimento é prática necessária na produção de
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
207
papéis do tipo escrita e impressão de alta qualidade. A colagem da folha
de papel com amido modificado melhora as características da superfície e
também a resistência do papel (LIN et al., 2008). É um segmento de
papel que continua crescendo, principalmente o de produção de revistas
especializadas, principalmente na Europa e nos Estados Unidos, onde a
demanda por propagandas é crescente. Esta é uma prática antiga da
fabricação de papel, que há anos verificou-se a importância e a
necessidade de hidrolisar o amido enzimaticamente para obter a qualidade
desejada do aditivo. É bem conhecido que o amido é constituído de
amilose e amilopectina. A amilose é um polímero formado por cadeias
lineares, constituído somente por ligações do tipo alfa-1,4-glucosídica. Por
outro lado, a amilopectina é constituída por ligações do tipo alfa-1,4-
glucosídica e ligações alfa-1,6-glucosídicas. As amilases são capazes de
hidrolisar as ligações do tipo alfa-1,4-glucosídica, tanto na amilose quanto
na amilopectina, convertendo o amido em uma substância de baixo peso
molecular. Assim, a viscosidade pode ser controlada por meio da hidrólise
enzimática. Por outro lado, quando enzimas capazes de hidrolisar as
ligações alfa-1,6-glucosídicas da amilopectina são usadas em conjunto
com alfa-amilases, as cadeias ramificadas da amilopectina são
hidrolisadas. Desta forma, o teor de amilose aumenta significativamente
elevando a fluidez da suspensão (ASAYAMA et al., 1993, JP6306794).
5.2.10.2. Evolução do número de patentes e os detentores das
enzimas
O levantamento de patentes indicou que o uso de enzima para a
modificação do amido para uso na fabricação de papel é antigo e que o
interesse aumentou a partir da metade da década de 90 (figura 5.32). A
necessidade de manter o mercado de produção de tintas e de
impressoras, associada ao crescimento da produção (e consumo) de papel
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
208
para escrever e imprimir no mercado chinês parecem ser as principais
razões para este aumento do interesse observado na figura 5.32.
Na figura 5.33 são apresentados os principais detentores dos
documentos de patentes destas enzimas. Nota-se a presença da Oji Paper
e da Honshu, que são empresas japonesas produtora de polpa celulósica e
papel. As produtoras de enzimas (Buckman, Novo Nordisk, Iogen e
Novozymes) aparecem após à Pioneer, empresa americana produtora de
amido e de tecnologia relacionada à produção de sementes, e a Sanyo
Chemical, uma empresa japonesa que também produz amido.
Na figura 5.34 observa-se que o Japão lidera os depósitos de
prioridade de patentes, seguido pelos Estados Unidos e Grã-Bretanha.
5.2.10.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
As informações da análise crítica das patentes apresentadas na
tabela 5.11 mostram que o foco principal é sobre amilases. Revela que
a técnica de fabricação de papel com o uso de amido hidrolisado
enzimaticamente é antiga. A patente GB511026 (STEIN HALL MFG CO
(1938, 1938) é uma das primeiras a descrever um método demonstrando
que o revestimento de superfícies com adesivos à base de amido,
quando umedecidos com uma substância de aumento de viscosidade,
podendo ser um aluminato ou borato, desenvolve rapidamente
propriedades adesivas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
209
Figura 5.32 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
modificação de amido. Fonte: elaboração própria.
Figura 5.33 - Principais empresas das patentes sobre enzimas para a
modificação de amido. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
210
Figura 5.34 – Princiapis países de prioridade de patentes sobre enzimas
para modificação de amido. Fonte: elaboração própria.
As principais informações na análise de patentes revelam que os
avanços tecnológicos relevantes ocorreram na melhoria das
propriedades das amilases, desenvolvimento de equipamentos e
novas técnicas de hidrólise do amido, bem como para a formulação
dos aditivos de colagem e revestimento da superfície da folha de papel
(tabela 5.11). Mas recentemente, é possível verificar uma tendência de
uso do amido modificado para alterar a resistência e outras
propriedades do papel, associado à tendência de redução da gramatura
do papel (LI et al., 2012).
Uma revisão sobre a produção de nanopartículas de amido
apresenta os avanços, os potenciais e as perspectivas desta nova área
para a utilização de enzimas (CORRE et al., 2010). Um estudo recente
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
211
mostra as principais vantagens da aplicação de nanopartículas de amido
na fabricação de papel são o alto teor de sólidos (até 70%, comparado
com o máximo de 44% para o amido convencional modificado), menor
energia de secagem do papel, aumento da qualidade superficial da folha
de papel e menor custo de produção (BACKER et al., 2012).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
212
Tabela 5.11 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a modificação do amido. Fonte:
elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Stein Hall MFG CO (1938, GB511026) Uma das primeiras patentes a descrever um método demonstrando o revestimento de superfícies com adesivos à base de amido.
Vanderbilt CO R T (1938, GB532044)
Modificação enzimática do amido para uso como agente de revestimento e/ou colagem da superfície de papel laminado. Nesta época
demonstrou as vantagens de usar uma parte do amido não tratado com uma proporção de amido gelatinizado por meio de modificação
enzimática. A temperatura é mantida acima da temperatura de gelatinização, mas que não desnatura as amilases e depois esta é aumentada até 195ºF para desnaturar a amilase. Álcali ou sais de bórax é adicionado para aumentar o espessamento, além de formaldeído ou outro agente
preservativo é também adicionado.
Stein Hall MFG CO (1939, GB532605) e Rohm & Haas (1939, GB543433)
Melhorias na formulação de adesivos. A modificação do amido é feita tanto quimicamente quanto enzimaticamente (amilases). Dois
tratamentos químicos citados são a cloração do amido e sua plastificação e estabilização com produtos do tipo uréia, tiuréia, acetato de sódio, dentre outros.
Corn Prod Refining CO (1942,
GB579374) Método modificação do amido com diástases.
Eric et al. (1943, GB576659) Processo para modificar o amido ou a dextrina por meio de água quente para hidratar o material e em seguida esta hidratação é removida com a
aplicação de ácido sulfúrico quente ou com enzima (exemplo das malte diástases) ou com água quente por algum tempo.
Vanderbilt Co R T (1945, GB606029)
Mudança marcante de processo é notada. A preparação de pigmentos para uso na fabricação de papel foi descrita com o uso de carbonato
de sódio (usado até hoje) e tetraborato de sódio. Os precipitados destes sais são separados. Um tratamento com cloreto de cálcio e amido modificado com amilases é descrito para a formulação do pigmento para uso em revestimento de papel.
Mead Corp. (1948, GB676867)
Um novo salto nos desenvolvimentos. Descrição de um método de melhoria do aditivo de revestimento do papel e também de um aparelho para a sua aplicação, cujo princípio básico continua até os dias atuais. O amido é modificado com amilases e as características do papel,
especialmente lisura da superfície foi aumentada significativamente em função do desenvolvimento do método de aplicação do aditivo de
revestimento do papel.
Cons Water Power & Paper Company
(1958, GB873682) Novo processo de aplicação de aditivo de revestimento do papel: ocorre após a calandragem, com amido modificado enzimaticamente.
Escher Wyss GMBH (1961, GB995660) Novo avanço é verificado na produção de um aditivo para o revestimento do papel. Um equipamento para a gelatinização contínua do amido (no estado natural ou modificado enzimaticamente ou mesmo produtos derivados de amido).
Mead Corp (1963, GB1026444)
Preparação de adesivo à base de amido. O amido é parcialmente hidrolisado com amilases em seguida é submetido à elevada força de
cisalhamento, com a injeção de vapor, em condições atmosféricas. A pasta de baixa viscosidade e alta concentração de sólidos é misturada com caulim.
Nakashima et al. (1978, JP55089306),
Nakada et al. (1982, JP58175691) e Nakazato (1987, JP1162895)
Preparação de um aditivo de baixa viscosidade. Modificação do amido com amilases. A patente JP55089306 consiste de uma mistura de polivinil álcool ligado a um amido modificado, que após tratamento alcalino e aquecimento a 150ºC apresenta baixa viscosidade. A patente JP58175691
também usa amido modificado, mas em mistura com amilases com caulim. A patente JP1162895 descreve o uso de amido modificado
enzimaticamente e acetilado (com 0,1 a 0,2% de grau de substituição) e uso de baixa concentração de amido (8 a 15%, base peso).
Asayama et al. (1993, JP6306794),
Bruinenberg et al. (1994, EP0690170)
Preparação de um aditivo de baixa viscosidade (praticamente líquido), por meio do uso de amilases em conjunto com pululanases (estas
hidrolisam as cadeias ramificadas do amido).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
213
Tabela 5.11 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a modificação
do amido. Fonte: elaboração própria.
Nakamura (1987, JP1156595) Método de formulação de aditivo para revestimento de papel usando amido modificado com amilases em mistura com carbonato de cálcio.
Bozich Jr. (1987, US4921795) Método de formulação do aditivo de revestimento do papel em alta concentração (40-45% sólidos). São usadas alfa-amilases e a
glucoamilases resistentes a elevados níveis de temperaturas.
Yamazaki (1982, JP59024770) Preparação de agente para soltar a folha de papel ao final da sua formação. O aditivo é preparado com o uso de amido modificado com
amilases, em conjunto com um acelerador enzimático e um surfactante.A formulação é composta por amido, amilase, etileno glicol e água.
Stange et al. (1987, US4940514),
Okada e Wada (1996, JP10120703) e Amada e Baba (1997, JP11107188)
Produção de papel e papel cartão com alta resistência, obtida com o uso de amido hidrolisado com amilases. A primeira patente incorpora um
polímero catiônico, enquanto que a segunda incorpora também eterificação e oxidação em solvente alcoólico em temperaturas de 100 a 150ºC sob pressão. A terceira patente além do amido catiônico adiciona também uma carboximetilcelulose.
Mulin (2011, CN102190982) Produção de papel cartão de alta resistência mecânica por meio do uso de amido hidrolisado enzimaticamente, contendo também bórax,
em meio alcalino, mantido a temperatura entre 10 a 35ºC.
Fukuda et al. (1993, JP6248246)
Método de formulação de aditivo para colagem e revestimento do papel a partir do controle do uso de amido desnaturado e gelatinizado por
tratamento enzimático ou termo-químico, na qual a solução preparada é controlada a pH maior ou igual 5. Entretanto, quando o amido é modificado com o método de acetilação o pH é controlado entre 5 a 8.
Van e Aehle (1994, WO9535382) Produção de amilases, a partir do B. licheniformis com características diferenciadas: alta atividade e termoestabilidade, tornando-a mais
facilmente aplicável em condições mais ácidas ou mais alcalinas.
Houghton et al. (2000, EP1184413),
Berckmans e Roux (2004, US2007240839)
Conversão do amido por meio do uso de alfa-amilases, terminando a reação de hidrólise com o aquecimento da suspensão em conjunto com
perborato de sódio, com a vantagem de alta estabilidade da viscosidade. Na segunda patente a formulação do aditivo é por meio de uma mistura de amido com perborato de sódio, diferentemente da patente anterior que descreve a interrupção da reação enzimática com perborato.
Fisch (2002, DE10251599) Equipamento para a preparação de aditivo para a fabricação de papel. O equipamento permite o tratamento térmico do amido com vapor,
possui um reator com região circular, consistindo de estator e rotor para formar uma zona cônica de reação para a hidrólise enzimática do mesmo.
Tsai et al. (2004, WO2006057063), Sato et al. (2003, JP2005068587)
Modificação de diferentes tipos de amido com amilases, bem como uma receita de produção de papel (com exemplo o do tipo “inkjet”), para garantir uma alta densidade e qualidade de impressão.
Yongqing (2009, CN101509211),
Liansheng et al. (2009, CN101649576)
Procedimentos longos de preparação de um aditivo de revestimento do papel, contendo pelo menos 6 diferentes estágios. Dentre eles, o
cozimento do amido, a hidrólise enzimática, a desidratação e a secagem do amido hidrolisado, tratamento com um cátion, resfriamento e ajuste de pH e secagem do aditivo. Na segunda patente citada a hidrólise enzimática é feita com diástases, em um estágio anterior à digestão do
amido. Neste caso, o principal objetivo é obter uma colagem estável visando manter a estabilidade da velocidade da máquina de papel.
Jackson e Puddiphatt (2009,
TW200949048)
Formulação de um agente de colagem do papel, com o uso de um agente alvejante, um sal de magnésio (o qual consiste de 0,1 a 15 partes
presentes no alvejante ótico) e um amido natural, hidrolisado enzimaticamente ou quimicamente.
Liangwen et al. (2009, CN101649582) e Otsu et al. (2009, JP2010270273)
Métodos de preparação de cola de amido para uso na fabricação de papel. A primeira patente reivindica o uso de 0,003% a 0,015% of alfa-amilases para hidrolisar amido com concentração de 20 a 30% (em peso), enquanto que a segunda patente citada reivindica principalmente o
ajuste de pH entre 5 a 7 para a reação enzimática, seguida de um cozimento com vapor.
Shengbing e Zhaoqing (2010, CN102127191)
Preparação de agente de colagem superficial do papel por meio de diferentes estágios, dentre eles hidrólise enzimática, eterificação do
amido para torná-lo cationizado, adição de agente iniciador de oxidação, diferentes tipos de monômeros, agente de transferência de cadeia, monômero catiônico, monômero emulsificante, monômero de ligações cruzadas e monômero funcional para fixar as ligações desejadas de
copolimerização.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
214
5.2.11. Enzimas para refino da polpa celulósica
5.2.11.1. Definição do tema
Com poucas exceções, a produção de papel requer uma alteração
mecânica das fibras para permitir o desenvolvimento de propriedades de
interesse do papel, tais como a sua resistência. O refino é um processo
dispendioso em energia e, conseqüentemente, é uma operação cara. O
uso de enzimas é visualizado como uma alternativa para modificar as
fibras e desta forma resultar em um tratamento mecânico de refino mais
suave e menos intensivo em energia mecânica (LUMIAINEN, 2000).
5.2.11.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento de patentes indicou um baixo interesse em enzimas
para o refino da polpa celulósica e papel, conforme ilustrado na figura
5.35, com o depósito de uma a duas patentes por ano, cujo foco principal
está na redução de energia na produção de polpa celulósica mecânica. O
levantamento de artigos científicos na Web of Science também mostrou
um número pequeno de publicações, confirmando a baixo interesse neste
tipo de aplicação (dados não apresentados). A figura 5.36 mostra que a
empresa Enzo Gustzeit, com sede em Helsinki, FI, juntamente com a
Nalco e a Novo Nordisk apresentam um maior número de patentes.
Mesmo assim, estas 3 juntas somam 9 patentes apenas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
215
Figura 5.35 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
refino da polpa celulósica e papel. Fonte: elaboração própria.
Figura 5.36 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para o
refino da polpa celulósica e papel. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
216
5.2.11.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
A análise crítica dos documentos de patentes (tabela 5.12) mostra
que as reivindicações cobrem principalmente o uso de celulases, com
foco na redução da energia de refino e no aumento da resistência
do papel. Xilanases e lacases são também consideradas. Cobrem
vários tipos de experimentos (enzimas, cargas de enzimas, temperaturas
e faixas de pH). Mostra que o tratamento enzimático tende a
preceder o refino da polpa celulósica. Kontat et al. (1984,
FR2557894) descrevem uma das primeiras patentes sobre o refino
enzimático e erificaram a necessária de alta carga de xilanases.
Laothanachareon et al. (2011) produziram um preparado de
enzimas (contendo xilanases, endo-glucanases, beta-glucanases e
celobiohidrolases), as quais contribuíram para reduzir de 8,5 a 14,8% a
energia de refino. Maximino et al. (2011) também avaliou o uso de
misturas de celulases e hemicelulase no refino de polpa celulósica a partir
de papel cartão reciclado e concluiu que houve um ganho considerável de
drenagem sem afetar negativamente a resistência a tração. Refino
enzimático de polpa celulósica “softwood” com celulases apresentou bom
desenvolvimento da resistência do papel, mas foi verificado que,
dependendo da carga de celulases, ocorre redução do comprimento da
fibra e da resistência ao rasgo (LECOURT et al., 2010). Estes autores
apresentaram efeitos positivos de outras duas celulases na economia de
refino (até 20%), para atingir uma determinada resistência. Zhang et al.
(2010) conseguiram uma redução de até 33% da energia de refino de
polpa celulósica “softwood” não branqueada, com o uso de celulases.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
217
Tabela 5.12 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para o refino da polpa celulósica.
Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Kontat et al. (1984, FR2557894)
Esta é uma das primeiras patentes sobre um processo de refino enzimático para melhorar as propriedades da polpa celulósica e com isto reduzir a quantidade de energia de refino. Mas neste processo foi descrito que eram necessárias grandes quantidades de xilanases para atingir os resultados desejados. Além disto, ficou claro que as xilanases adotadas não era livre de celulases.
Botterill (2006, WO2008087337) Tratamento da polpa celulósica com celulases (0,05 a 0,1g celulases/kg de polpa celulósica, durante 5 a 45 minutos), antes do refino. Refino realizado em temperatura de 80ºC, com a melhoria das propriedades desejadas no papel, sem prejudicar a drenagem.
Jiachuan et al. (2007, CN101130936)
Método para reduzir a energia de refino da polpa celulósica. O processo consiste da adição de um ou dois tipos de enzimas (xilanases e/ou xilanases e lacases em pH entre 5 a 8, em temperatura típica da região de preparação da massa para a fabricação de papel (entre 25 a 60ºC), com reação durante 30 a 90 minutos. Tratamento enzimático realizado antes refino da polpa celulósica.
Ankerfors et al. (2006, US2009221812)
Método de produção de polpa microfibrilada por meio de um tratamento de refino seguido de um tratamento enzimático, com hemicelulases, celulases ou mistura entre elas. Reivindica também o tratamento enzimático prévio ao refino da polpa celulósica.
Tolan et al. (2005, CA2541229) Produção de pasta polpa celulósica mecânica. Estágio de refino dos cavacos seguido de uso de xilanases para remover de 0,5 a 5 kg de xilose por tonelada de polpa celulósica. Aplicação de 0,05 a 10 unidades de xilanases/g de polpa celulósica, em pH entre 3 a 11 com 35 a 90ºC. Após o tratamento enzimático é descrita a realização de um refino com um baixo consumo de energia.
Scott et al. (2004, WO2005103370)
Tratamento enzimático. Produção de polpa celulósica mecânica. Tratamento enzimático realizado com lacases e/ou MnPs para reduzir a quantidade de energia de refino. Da mesma forma, Peng et al. (2002, US2005241785), também descreve a produção de polpa celulósica mecânica com tratamento enzimático (previamente ao refino) para reduzir energia de refino. Neste caso específico são aplicadas pectinases.
Hansen e Nielsen (1992, US6207009)
Tratamento de pasta mecânica com enzimas fenol oxidativas (do grupo das lacases ou catecol oxidases), aplicadas após o refino, para aumentar a resistência do papel ou papelão. As enzimas são aplicadas em pH 4 a 10 e temperatura entre 90ºC.
Cooper (1994, US5770012) Tratamento enzimático previamente ao refino, com uma mistura de xilanases e celulases (de 0,05 a 1% base peso seco), para modificar os elementos de vasos para que eles sejam reduzidos em partículas durante o tratamento de refino.
Mariya et al. (1989, JP3174079) Produção de polpa celulósica mecânica com a aplicação de celulases, hemicelulases, estereases, pectinases e misturas entre elas, em temperatura entre 40 e 75ºC e pH entre 4 a 8. Tem por finalidade a redução da energia de refino.
Kido et al. (1992, JP5222688) Melhoria da estabilidade dimensional do papel produzido com o uso de celulases na produção da polpa celulósica.
Laothanachareon et al. (2011) Descreve um coquetel de enzimas: xilanases, endo-glucanases, beta-glucanases e celobiohidrolases. Reduziram de 8,5 a 14,8% a energia de refino de polpa celulósica reciclada de papel corrugado, com manutenção das propriedades desejadas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
218
Bajpai et al. (2006) reportaram uma redução de energia de refino
com enzimas da ordem de 18 a 45%, com manutenção da resistência do
papel. Ganho similar foi também verificado por Cadena et al. (2010). Gil
et al. (2010) verificaram o efeito da aplicação de celulases na redução do
comprimento das fibras e no aumento da dificuldade de drenagem em
polpa celulósica de Eucalyptus globulus. Por outro lado, estes autores
reportam que o tratamento não alterou a resistência da polpa celulósica.
Finalmente, Kumar et al. (2012) e Bajpai (2012) descrevem os mais
recentes resultados sobre refino enzimático. O primeiro detalha diferentes
condições e tratamentos com celulases com o objetivo de modificar as
fibras, reduzir energia de refino e melhorar a drenagem. A partir de testes
industriais, em diferentes plantas, concluíram que cada fábrica (suas
condições) precisa ser avaliada para determinar a viabilidade da aplicação
de celulases. Por outro lado, Bajpai (2012) apresenta uma revisão
mostrando o potencial da aplicação de enzimas para reduzir energia de
refino e modificar as propriedades do papel.
5.2.12. Enzimas para modificação de fibras
5.2.12.1. Definição do tema
Algumas enzimas podem realizar modificações tanto na superfície
quanto na estrutura das fibras e com isto alterar a morfologia e as
propriedades de resistência da polpa celulósica e do papel.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
219
5.2.12.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas para modificação das fibras
A figura 5.37 mostra que o interesse na proteção do
desenvolvimento de enzimas para modificação das propriedades das fibras
é baixo, tendo depositadas de 1 a 2 patentes por ano. Na figura 5.38
nota-se que o interesse está voltado para as empresas produtoras de
polpa celulósica e papel mais do que as produtoras de enzimas. O
levantamento de publicações científicas (dados não apresentados) mostra
um interesse médio com 13 publicações em 2011 e 9 em 2012 (não sendo
possível comparar com o número de patentes uma vez que estas
encontram-se dentro do período de sigilo e análises). Há, portanto, uma
boa perspectiva sobre este tema e o interesse científico sobre o tema
deverá contribuir para novos avanços sobre o tema.
Figura 5.37 – Evolução do número de patentes sobre modificação de
fibras com enzimas. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
220
Figura 5.38 - Detentores de patentes sobre modificação de fibras com
enzimas. Fonte: elaboração própria.
5.2.12.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
A análise apresentada na tabela 5.13 revela que o principal
objetivo almejado com tratamentos enzimáticos é o aumento da
resistência mecânica da polpa celulósica. Para tal, nota-se que foram
desenvolvidas, testadas e patenteadas alguns tipos de enzimas, mas o
foco maior está no uso de celulases. Misturas destas com xilanases
e também lacases são consideradas. Modificações na estrutura
cristalina da celulose e busca por mais alta estabilidade do papel são
também apresentadas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
221
Demuner e Mambrim (2010, WO2011044646) descrevem
tratamentos enzimáticos da polpa celulósica com celulases, xilanases e
misturas entre elas para modificar características da polpa celulósica que
afetam diferentemente a sua resistência e drenagem. Os tratamentos são
associados à presença de um estágio ácido, podendo ser antes ou depois,
no início, meio ou após o branqueamento da polpa celulósica. Diferentes
efeitos sobre as características da polpa celulósica foram obtidos
dependendo das condições de aplicação das enzimas.
A modificação das fibras com celulases, com exceções, aumenta a
resistência da polpa celulósica e/ou reduz a energia de refino (CADEMA et
al., 2010, TANG et al., 2012 LIU e HU, 2012, SUCHY et al., 2009),
dependendo das condições de aplicação. Algumas exceções são descritas
por Mansfield et al. (2002), os quais concluíram que endo-glucanases
afetam negativamente a resistência da polpa celulósica. Cao e Tan (2002)
citam que as endo-glucanases alteram o grau de polimerização e a
estrutura cristalina da celulose. Garcia et al. (2002) reportam que polpas
celulósicas que receberam secagem aumentaram a resistência quando
tratadas com celulases, enquanto que o oposto se verifica para polpas
celulósicas que não receberam secagem, indicando uma maior efetividade
do tratamento neste último caso. Estes resultados confirmam a
necessidade de maiores entendimentos sobre a ação das celulases sobre
as alterações tanto na superfície quanto as ações na estrutura da fibra
como um todo.
Xilanases também são eficientes na modificação das fibras.
Blomstedt et al. (2010) verificaram a eficácia de xilanases no aumento da
capacidade de remoção de água, com 15% no tempo de secagem para
atingir 95% de sólidos no papel. Li et al. (2010) e Luo et al. (2011)
concluíram que xilanases alteram a superfície das fibras. Redução do
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
222
comprimento das fibras foram verificadas por Park et al. (2007). Aumento
do potencial zeta, do bulk, melhoria do refino foram feitas por Du et al.
(2011). Zhou et al. (2007) citam que as enzimas endo-transglicosilases
são capazes de introduzir várias funcionalidades químicas às fibras.
Modificações das fibras com lacases são reportadas por Ravalason et al.
(2012) e Cen et al. (2012).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
223
Tabela 5.13 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a modificação das fibras. Fonte:
elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes Contat et al. (1984, FR2557894) Modificação das propriedades do papel por meio do refino enzimático (xilanases). Observação: nesta fase, não eram livres de celulases).
Jiyannkuroodo et al. (1990,
JP6041891)
Preparação de enzimas do tipo celulases, hemicelulases ou quaisquer outras enzimas que tenham afinidade com as fibras. Podem ser de Trichoderma viride, Aspergillus niger, Humicola insolens, Cellulomonas sp.. Um dos usos potenciais da enzima é na melhoria da drenagem do
papel.
Kido et al. (1992, JP5222688), Kaneko
e Nakagawa (1992, JP6287898), Igarashi et al. (1995, JP8302588)
Processo de produção de polpa celulósica, contento um estágio de tratamento com celulases com respostas positivas na melhoria da
estabilidade dimensional do papel. Ganho similar na estabilidade dimensional foi também verificado na produção de papel cartão laminado, a partir de uma polpa celulósica que sofreu tratamento enzimático no branqueamento, conforme descrito por Kaneko e Nakagawa (1992). Ainda
para a produção de papel cartão, Igarashi et al. (1995) descrevem a aplicação de celulases para modificar as características das fibras para melhorar características do papel cartão laminado (exemplos: estabilidade dimensional e empenamento) para uso em sistema de isolamento
térmico.
Wakai e Ohira (1994, JP7279078) Papel com excelente formação e alta resistência foi obtido a partir de uma polpa celulósica tratada com celulases.
Pere et al. (1993, US5865949)
Uso de enzimas totalmente distintas daquelas produzidas, por exemplo, pelos fungos da podridão branca, para decompor a lignina. Nesta patente
são usadas enzimas com atividade celobiohidrolases, endo-beta-glucanases e também mananases. Neste caso, estas enzimas são efetivas para modificar parte da estrutura cristalina da celulose, mas com baixa atividade de endo-β-glucanases comparada com a atividade da
celobiohidrolases, de tal forma que é evitada uma degradação excessiva da cadeia de celulose.
Yamada e Baba (1997, JP11012979) e Yamada e Baba (1997, JP11107188),
Tsai et al. (2004, WO2006057063)
Modificação de amido para aumentar a resistência do papel durante o processo de secagem. Enquanto que a primeira patente citada faz um
tratamento mais simples (modificação do amido com alfa-amilases), a segunda obtém o aumento da resistência do papel com combinações de processos, do tipo uso de amido catiônico e adição de carboximetilcelulose. Tsai et al. também descrevem a modificação da superfície da
folha de papel por meio do uso de amido enzimaticamente modificado de diferentes fontes, de tal forma que vários tipos de problemas comuns
em papéis copiativos são minimizados, conferindo-o uma melhor qualidade de impressão.
Serger et al. (1997, US6146494) Tratamento enzimático da polpa celulósica para modificar as fibras e obter uma menor resistência zero span (exemplo 15%) com celulases.
Lonsky e Negri (2001, WO03021033) Uso de celulases no tratamento da polpa celulósica para a produção de papéis mais resistentes.
Ampulski (2005, US2007074832) Processo para produzir estruturas densificadas de papel a partir de tratamentos da polpa celulósica com celulases. Valores de densidade de
até 1,6 vezes superior foram obtidos do que as folhas de papel produzidas com polpa celulósica não tratada.
Lund e Felby (1999, US6610172) e
Qin (2005, CN1786339) Tratamento da polpa celulósica com lacases (com mediador) para melhorar a resistência a úmido do papel.
Xianghuai (2010, CN102086611)
Uso de dois componentes que alteram a superfície das fibras e melhora significativamente a drenagem da suspensão para a formação
da folha de papel. Um dos componentes é uma proteína sem atividade catalítica, do tipo fibronectina, e uma proteína com atividade catalítica, do tipo uma enzima modificada. A fibronectina tem por finalidade aumentar a afinidade da superfície das fibras, enquanto
que a enzima altera a superfície das fibras. As enzimas citadas nesta descrição são também diversas, como lacases, manganês peroxidases, endo-glucanases, beta-glucanases, celobiohidrolases, celulases (do tipo “binding domain”) e amilases. Mas a
reivindicação é focada nas celulases do tipo “binding domain”.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
224
Tabela 5.13 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a modificação
das fibras. Fonte: elaboração própria a partir de dados da base consolidada citada na tabela 5.1.
Qinghua et al. (2010,
CN102080346)
Método de obtenção de celulose nanocristalina, por meio de um tratamento ácido ou enzimático, para ser aplicada como agente para aumentar a resistência do papel. Outro aspecto relevante da patente é a cationização da nanocelulose para ser aplicada como agente para aumentar a
resistência das ligações entre as fibras e, conseqüentemente, aumentar a resistência do papel.
Lonsky e Negri (2001,
WO03021033)
Tratamento enzimático em fibras de polpa celulósica para aumentar o número de grupos aldeídos. Estes grupos tornam-se sítios para ligações
com os grupos hidroxilas das fibras, quando estas são transformadas em uma folha de papel seca, aumentando, assim, a sua resistência mecânica. Um dos métodos revelados consiste no tratamento das fibras com uma ou mais enzimas hidrolíticas, opcionalmente, na presença de
tensoativos, outras enzimas não celulolíticas ou reagentes químicos não hidrolíticos onde os grupos aldeídos são formados na ou próximo da superfície das fibras. O tratamento enzimático é realizado antes do refino e/ou mistura suplementar de outros aditivos químicos, característicos da
fabricação de papel. A água branca, contendo enzimas hidrolíticas, é coletada e reciclada para aumentar a efetividade do tratamento.
Lund e Felby (1999, WO0068500)
Processo de fabricação de papel com mais alta resistência a úmido, por meio de um tratamento das fibras com enzimas do tipo fenol-
oxidativas. Após o tratamento enzimático, as fibras são refinadas e então são misturadas com os aditivos normalmente usados/necessários para a fabricação do papel.
Ampulski e Kavalew (2005,
WO2007039867)
Estruturas fibrosas diferencialmente densificadas, métodos para produção das mesmas e processos para tratamento das fibras foram utilizados
nestas estruturas fibras diferenciadas. O tratamento das fibras foi realizado somente com celulases.
Uchida e Fukunaga (2000,
JP2001303469)
Processos de branqueamento de polpa celulósica usando estágio ácido e tratamentos com xilanases para reduzir consumo de químicos durante a
etapa de branqueamento das fibras e também para permitir a coleta e separação de compostos do tipo xilo-oligossacarídeos do filtrado gerado.
Matsuhashi (2002, JP2004060117) Branqueamento de polpa celulósica, em que um tratamento enzimático é aplicado após a etapa de branqueamento com dióxido de cloro da polpa
celulósica.
Whitmire e Maiti (1997, WO9844189)
Métodos para tratar as fibras de polpa celulósica visando à remoção de cor (grupos cromóforos) por meio da aplicação de celulases, em pH entre 3
e 7, e xilanases, em pH entre 5,5 a 9. O objetivo da aplicação de celulases é abrir poros na parede celular das fibras para aumentar o desempenho das xilanases para remover cromóforos. Outro tratamento de preparação das fibras (aumento do inchamento, e, portanto dos poros) é
feito com amina de baixo peso molecular (ex. metil-amina). carboxílicos das fibras, na direção de alterar a resistência e a drenagem/secagem.
Seville (2001, US7144716) Método para a imobilização de enzimas por meio da aplicação desta em pH na faixa de 5,0 a 6,9. Os resultados obtidos descrevem apenas a manutenção ou queda da atividade das enzimas em função da imobilização ou não, quando submetidas em diferentes forças de cisalhamento
(agitação).
Demuner e Mambrim (2010, WO2011044646)
Tratamentos enzimáticos da polpa celulósica, com celulases, xilanases e misturas entre elas para modificar características da polpa
celulósica que afetam diferentemente a sua resistência e drenagem. Os tratamentos são associados à presença de um estágio ácido, podendo ser antes ou depois, no início, meio ou após o branqueamento da polpa celulósica. Diferentes efeitos sobre as características da polpa
celulósica foram obtidos dependendo das condições de aplicação das enzimas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
225
5.2.13. Enzimas para a melhoria da drenagem da polpa celulósica
e do papel
5.2.13.1. Definição do tema
Drenagem é um termo que define a capacidade que uma suspensão
fibrosa possui para drenar a água quando uma folha de papel é formada.
Uma folha de papel é formada a partir de uma suspensão contendo ao
redor de 99% de água e 1% de polpa celulósica. Após a formação da folha
de papel a quantidade de água é reduzida para em torno de 75 a 80%.
Em seguida, antes de entrar na região de secagem da folha (remoção de
água por evaporação) o teor de água deve estar em torno de 35 a 45%. A
folha final de papel contém, em geral, ao redor de 4 a 6% de água.
Portanto, quanto maior for a capacidade de drenagem de uma suspensão
fibrosa, menor tende a ser o seu custo de secagem (GESS, 1983 -
US4613406).
5.2.13.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
A figura 5.39 ilustra a existência de um pequeno número de
patentes. A principal visão de uso ocorreu com o desenvolvimento de
enzimas alcalinas. A Novo Nordisk lidera o número de patentes, seguida
por algumas empresas produtoras de polpa celulósica e papel (figura
5.40).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
226
Figura 5.39 – Evolução do número de documentos de patentes sobre
drenagem. Fonte: elaboração própria.
Figura 5.40 - Detentoras de patentes sobre drenagem. Fonte: elaboração
própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
227
5.2.13.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
O resumo apresentado na tabela 5.14 demonstra que os principais
investimentos realizados ocorreu sobre celulases para a melhoria da
drenagem da polpa celulósica, mas amilases também são usadas.
Outro foco foi na melhoria da drenagem de polpas celulósicas provientes
de papéis reciclados. Além da melhoria da drenagem, Loosvelt, 2009 e
Kumar et al. (2012) apresentam ganhos significativos na redução de
energia de refino e ganhos em outras propriedades chave, tais
como aumento da resistência à tração com a aplicações industriais de
celulases.
5.2.14. Enzimas para o controle de depósitos (“Slime”)
5.2.14.1. Definição do tema
De acordo com Hatanaka (1994, US5702605) e Hernandez-Mena e
Friend (1993, US5238572), “slime” é uma substância do tipo lodo viscoso,
composto predominantemente de componentes celular de
microorganismos e produtos dos seus metabolismos, tanto suspenso em
água quanto depositado nas paredes de tubulações de água e tanques,
que podem causar vários problemas durante a fabricação de papel, tais
como: cheiro desagradável, entupimentos de tubulações, furos e
rompimento da folha de papel, redução da capacidade de troca térmica
em trocadores de calor, dentro outros. Tanto os biocidas, quanto enzimas
e ou combinações destes têm por finalidade inibir a proliferação de
bactérias, fungos e algas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
228
Tabela 5.14 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para a melhoria da drenagem da
polpa celulósica. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Fuentes e Robert (1986, US4923565) Celulases (com uma fração de hemicelulases) são aplicadas para melhorar a drenagem e também para melhor algumas propriedades de
resistência do papel. O pH deve ser de 3 a 7. O agente auxiliar de drenagem parece ser uma acrilamida (SARKAR E COSPER, 1994, US5423946).
Fuentes et al. (1989, US5116474) Preparação de enzimas, contendo celulases ou hemicelulases a partir do fungo Humicola insolens e da bactéria Cellulomonas para melhorar a
drenagem do papel. Uso de pH entre 7 a 9 e temperatura de 20 a 60ºC.
Baret et al. (1990, US5364501) Produção de fibras recicladas, do tipo “deinked paper” (DIP), com tratamento enzimático (celulases) em uma faixa de pH de 6 a 9,5. Foi obtida melhoria de 13% na drenagem, além da melhor remoção de partículas de tinta.
Jiyannkuroodo et al. (1990,
JP6041891)
Preparação de enzimas (celulases, hemicelulases ou enzimas que tenham afinidade para os componentes das fibras) para melhorar a
drenagem do papel. Enzimas de microorganismos tais como Trichoderma viride, Aspergillus niger, Humicola insolens, Cellulomonas sp..
Sarkar e Cosper (1991, US5169497)
Uso de celulases e polímero catiônico para melhorar a drenagem. Consiste na adição de pelo menos 0,05% (base peso seco de polpa
celulósica) de celulases para reagirem por 20 minutos pelo menos a 20ºC e em seguida é adicionado um polímero catiônico, composto principalmente de acrilamida.
Schuelein et al. (1994, EP1995303) Produção de endo-glucanases, com atividade em pH alcalino (7 a 11), a partir de DNA recombinante, para a melhoria da drenagem.
Lange et al. (1994, US5972872) Preparação de endo-glucanases, com ação meio alcalino (pH 7 a 11) para melhoria da drenagem. Tal enzima é obtida de fungos, selecionados
de Basidiomycetous (famílias Coprinaceae e Bolbitiaceae).
Osten e Schuelein (1994, US5912157) Produção de celulases de Myceliophthora thermophila, que apresenta atividade na faixa de pH 4 a 10.
Nielsen (1994, CA2201871) Produção de endo-glucanases que apresenta atividade em condições alcalinas (pH 8,5 a 10). Ela é obtida a partir de um fungo Acremonium.
Schuelein et al. (1994, EP1632557) Produção de celulases com alterações na seqüência de aminoácidos que apresentam atividade em na faixa de pH alcalino.
Lascaris (1996, CA2251191), com os
descritivos encontrados em WO9738164 (1997)
Uso de alfa-amilases para hidrolisar amido, em temperatura de 40 a 90ºC e pH 6 a 9. Ganho na velocidade da máquina de papel de
aproximadamente 5%. Em relação ao controle (insumo auxiliar de drenagem), houve um ganho de drenagem de 32%.
Ryu et al. (1998, EP0967320) Reciclagem de papéis usando floculação e um tratamento enzimático seletivo para degradar os finos. Uso de um coquetel de enzimas: celulases e hemicelulases, obtidas do Trichoderma longibrachiatum. Alfa-amilases, obtida de Bacillus licheniformis, para decompor amido.
Ow et al. (1999, JP2001003286) Uso de amilases, produzida a partir do Bacillus licheniformis ou Bacillus subtillus, ou a mistura dos microorganismos para hidrolisar amido e, desta forma, melhorar a drenagem e aumentar a produtividade da máquina de papel.
Nakane et al. (2000, US2004043400) Produção de celulases não truncadas para o ‘binding domain’, a partir de Zygomycetes.
Ban et al. (2010, WO2011130503)
Uso de coagulante catiônico com enzimas para melhorar a drenagem do papel. Podem ser celulases, hemicelulases, pectinases, beta-
glucanases, amilases, glucosidases, galactosidases, lipases, proteases, lacases, ou ainda qualquer combinação delas. Temperaturas de 30 a 60ºC.
Ryu et al. (2005, WO2007018368) Uso específico de estereases (lipases e cutinases).
Xianghuai (2010, CN102086611)
Uso de dois componentes que alteram a superfície das fibras e melhora significativamente a drenagem da suspensão para a formação da folha de papel. Um dos componentes é uma proteína sem atividade catalítica, do tipo fibronectina, e uma proteína com atividade catalítica, do tipo
uma enzima modificada. Lacases, manganês peroxidases, endo-glucanases, beta-glucanases, celobiohidrolases, celulases (do tipo “binding domain”) e amilases. Mas a reivindicação é focada nas celulases do tipo “binding domain”.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
229
Embora existam alguns produtos químicos que inibam o crescimento
de microorganismos nestes sistemas, vários deles são considerados
tóxicos e têm uso limitado. Foi por isto que o desenvolvimento de enzimas
ganhou atenção, pois estas, além de serem específicas, são atóxicas.
5.2.14.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento de patentes sobre este assunto indica a presença de
um número pequeno, mas importante, de patentes. Nota-se que apenas
em 1989 houve um número mais alto de depósitos de documentos (figura
5.41) e nota-se também que após 2002 as buscas não detectaram
documentos depositados. A figura 5.42 mostra que a Nalco apresenta o
maior número de patentes sobre o tema.
Figura 5.41 – Evolução do número de patentes sobre controle de “slime”
com enzimas. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
230
Figura 5.42 - Empresas detentoras de patentes sobre controle de “slime”
com enzimas. Fonte: elaboração própria.
5.2.14.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
O resumo da análise crítica das patentes (tabela 5.15) mostra que
as principais patentes foram focadas em diferentes tipos de enzimas,
dentre elas celulases, xilanases e amilases. Observa-se a aplicação
tanto em tratamentos isolado quanto na mistura de enzimas com
aplicação de biocidas. Nota-se ainda que as mistura de enzimas com
biocidas são, em geral, tratamentos bastante complexos. Hatanaka (1994,
US5702605) descreve o tratamento de “slime” com enzima obtida a partir
de uma bactéria do gênero Cellulomonas. Raettoe et al. (1999,
WO0123534) também descrevem que é composto por fibras e
polissacarídeos, cujo tratamento é eficaz com o uso de endo-β-1,2-
galactanases.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
231
Avanços importantes são descritos por Tiam et al. (2007), Torres et
al. (2008), Denner et al. (2006), Verhoef et al. (2003), que são
decorrentes de: a) isolamento de microorganismos (Sphingomonas -
"strain" 264) a partir de um biofilme de um sistema de máquina de papel;
b) isolamento de linhagens pigmentadas de bactéria (Rubellimicrobium
thermophilum); e c) hibridação por fluorescência “in situ” e citometria de
fluxo. Estas são tidas como ferramentas para avaliar e controlar a
formação de depósitos por enterobactéria em sistemas de máquinas de
papel, que são altamente resistentes a alta concentrações de biocidas.
Outros estudos que contribuíram para um melhor entendimento da
formação de biofilmes e da ação de microorganismos isolados em
sistemas de máquina de papel são descritos por Ratto et al.(2001),
Klhare (2000) e Van Haute (1999).
5.2.15. Enzimas para o controle de “pitch”
5.2.15.1. Definição do tema
“Pitch” é um termo técnico que significa, de forma resumida, a
presença de contaminações derivadas, principalmente, de compostos
orgânicos, podendo também estarem associados a componentes
inorgânicos na produção de polpa celulósica, fibras recicladas e de papel.
Estes compostos decorrem da presença de resinas naturais e outros tipos
de materiais extraíveis da madeira e das fibras, de acordo com
procedimentos padronizados e denominados de extrativos (BACK e ALLEN,
2000).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
232
Tabela 5.15 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para o controle de depósitos
(“slimes”). Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Hatanaka (1994, US5702605)
Tratamento de "slime" com enzima obtida a partir de uma bactéria do gênero Cellulomonas.
Raettoe et al. (1999,
WO0123534)
Uso de endo-β-1,2-galactanases apresentas eficácia no controle de "slime" composto por
fibras e polissacarídeos.
Hatcher et al. (1972,
US3773623)
Uso de hidrolases para decompor polissacarídeos do tipo levanas, cuja cadeia principal é
composta de resíduos de β-2,6-fructofuranoses.
Pedersen et al. (1983,
US4684469)
Tratamento com uma composição binária, consistindo de uma substância biocida e uma enzima
decompositora de polissacarídeos, a qual inclui hidrolases, dextrinas e amilases.
Wang (2002, US7520960)
Uso de agente de dispersão com o objetivo de minimizar a adesão de microorganismos com
insumos da produção de papel.Uso de microorganismo benéfico, o Streptmhyces bikiniensis.
O crescimento deste microorganismo é antagônico ao crescimento dos microorganismos que causam o “slime”.
Wiatr (1989, US5071765) A dispersão e o controle do “slime” são feitos pela adição de um sistema de enzima composto
por beta-glucanases, alfa-amilases e proteases.
Christensen e Zivtins,
(1976, US4055467) Uso de pentosanases-hexosanases, cujo nome comercial da enzima é Rhozyme HP-150.
Pedersen et al. (1983,
US4684469)
Uso de um biocida, composto de vários insumos químicos, e enzimas capazes de degradar
polissacarídeos, incluindo amilases, um capaz de hidrolisar levanas e outra capaz de hidrolisar
dextranas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
233
Uma vez que estes componentes químicos não são totalmente
clivados e solubilizados durante os processamentos da madeira e da polpa
celulósica, eles podem acumular, dependendo das condições de
processamento, especialmente variações bruscas de pH e de temperatura.
Nestas condições, os componentes orgânicos, denominados extrativos,
podem deixar o estado coloidal causando depósitos (acúmulos) em
equipamentos do processo (tanques, rolos, vestimentas, etc.).
Como conseqüência, dependendo das condições de processo, os
extrativos podem contaminar a polpa celulósica e o papel, bem como
limitar a performance dos equipamentos, podendo levar a necessidade de
realizar interrupções do processo para limpezas.
“Pitch” pode ser também associado com a presença de componentes
inorgânicos e outras formulações químicas adicionadas durante a
fabricação de polpa celulósica e, principalmente, de papel (exemplos:
agentes de colagem, revestimentos, anti-espumantes, etc.). Xu e Carey
(2006, US2008169073) complementam que “pitch” geralmente contém
também associações com talco, carbonato de cálcio, caulim, dióxido de
titânio, etc, freqüentemente usados na fabricação de papel. Além do
termo “pitch”, “stickies24” aparecem como um problema, especialmente,
em processos de reciclagem de papéis usados ou mesmo na fabricação de
papel com o uso de fibras recicladas.
Xu e Carey (2006, US2008169073) definem “stickies” como sendo
depósitos orgânicos que, em geral, contém os mesmos compostos
24 São contaminantes da fabricação de papel, constituído principalmente por graxas,
adesivos e tintas. Em greal, eles são decorrentes do uso de fibras recicladas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
234
orgânicos encontrados em partículas e depósitos de “pitch”, mas
diferentemente de “pitch”, contêm adesivos, graxas, tintas, etc, típicos do
processamento de papéis usados (reciclagem). Portanto, são problemas
que requerem a definição de diferentes processos de prevenção e
controle, conforme será descrito a seguir.
5.2.15.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
A prospecção realizada mostra um baixo número de patentes sobre
este assunto (figura 5.43). As patentes são concentradas principalmente
nas empresas produtoras de enzimas, com algumas empresas produtoras
de polpa celulósica e papel (figura 5.44).
Figura 5.43 – Evolução do número de patentes sobre controle de “pitch”.
Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
235
Figura 5.44 - Empresas detentoras de patentes sobre controle de “pitch”.
Fonte: elaboração própria.
5.2.15.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
A análise crítica das patentes apresentadas na tabela 5.16 revela
que, no início, buscou-se a aplicação de fungos e enzimas capazes de
reduzir o teor de compostos químicos denominados “extrativos”
da madeira. Mas, em seguida, as principais patentes focaram no uso de
lipases. Estas são aplicadas de forma isolada ou em misturas com
agentes catiônicos para o controle de “pitch”. Mais recentemente foi
também verificada a eficácia do uso de lacases no controle de “pitch”.
Misturas de diferentes enzimas são também observadas (tabela 5.16).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
236
Tabela 5.16 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para o controle de “pitch”. Fonte:
elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Ueno et al. (1988, JP2080686) e Irie et al. (1988, JP02160997)
Prevenção da contaminação por "pitch". Ueno et al. (1988) propõe uma prevenção por meio de tratamento com fungos específicos ou enzimas dos mesmos. A segunda patente descreve a hidrólise dos extrativos com o uso de enzimas hidrolíticas na suspensão fibrosa e/ou no sistema de
água branca.
Gerischer et al. (2001, WO02081816) Tratamento de cavacos com fungos para reduzir a quantidade de extrativos da madeira para a fabricação de polpa celulósica.
Want et al. (2005, WO2007035481)
Tratamento de cavacos ou serragem de madeira de serrarias com o uso de enzimas do tipo lipases, esterases, pectinases, celulases, lacases,
hemicelulases e suas combinações e as mesmas podem ainda conter um agente de ativação da superfície para aumentar a eficácia na redução dos extrativos.
Malmgren et al. (1990, SE503797), Jiang et al. (2001, US2006160166) e
Wang et al. (2009, US2010269989)
Tratamento com lipases para hidrolisar as resinas presentes na polpa celulósica. A última patente cita que a formulação da lipases pode conter um ou mais aditivos (por exemplo, um dispersante) para aumentar a ação sobre a hidrólise dos componentes orgânicos.
Matsukura et al. (1991, EP0568599),
Minning et al. (2001, US2006229223)
Aplicação de lipases termoestáveis capazes de suportar temperaturas superiores a 70ºC, permitindo uma redução de até 80% de
triglicerídeos. A última patente citada detalha a aplicação de lipases capazes de suportar temperaturas entre 75 a 90ºC.
Sarkar e Finck (1992, US5256252),
Fujita et al. (1991, US5667634), Glover (2000, US6471826) e Pease et
al. (2002, US20040194903)
Combinação de lipases e polímeros catiônicos (ou aniônicos). Uma abordagem similar é descrita por Glover (2000) onde o tratamento é feito com
a combinação de estereases com um polímero catiônico. Um processo ainda mais complexo é descrito por Pease et al. (2002), o qual consiste da limpeza de feltros da máquina de papel com uma ou mais enzimas contendo um ou mais surfactantes e um ou mais dispersantes. Neste
documento é citado que as enzimas podem ser amilases, hemicelulases, celulases e lipases.
Xu e Carey (2006, US2008169073, correspondente à patente
MX2009004855)
Formulações de enzimas combinadas com um polímero não aniônico para a redução de depósitos de “pitch”. Cita vários tipos de enzimas:
amilases, celulases, cutinases, endoglucanases, esterases, hemicelulases, glucosidases, β-glucose oxidases, lacases, lipases, pectinases, peroxidases, proteases, pululanases e enzimas lipolíticas. Mas a preferência é para o uso de lipases em conjunto com um (ou
mais) polímero não aniônico do tipo polivinilacetato, contendo de 50 a 100% de hidrólise dos grupos acetatos e hidroxílicos.
Heldt-Hansen et al. (1991, US5616215)
Formulação de lipases com um sal de alumínio para controlar pitch (triglicerídeos).
Wang et al. (2009, US20100170646) Formulações de enzimas contendo metais ou polímeros catiônicos para aumentar a estabilidade da formulação. Dentro do grupo das estereases podem ser formuladas lipases, fósforolipases, carboxil-esterases, pectina-esterases e acetil esterases. Vários tipos de sais podem ser
usados.
Gutierrez-Suarez et al. (2005,
US20080210393), Buchert et al. (1999, WO0053843) e Wang et al.
(2006, US2007261806)
Sistemas lacases-mediadores capazes de eliminar até 100% dos compostos lipofílicos que causam depósitos de “pitch”. Por outro lado, Wang et al. (2006) exemplifica o uso de laccases, peroxidases, esterases e ou combinações destas e sistemas lacases-mediador pode
também conter um dispersante .
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
237
5.2.16. Enzimas para o controle de arrancamento de vasos
5.2.16.1. Definição do tema
Inicialmente, cabe explicar o que significa o termo arrancamento de
vasos. Vasos são elementos anatômicos típicos das madeiras de folhosas
(“hardwood”). Madeira de “hardwood” contém, de maneira geral, três
tipos de estruturas anatômicas: células denominadas de fibras, células
parenquimatosas e elementos de vasos. Estes elementos de vasos são
transportadores de água, sais minerais e, enfim, a seiva bruta e também
a elaborada ao longo de toda a árvore.
A polpa celulósica de madeiras de “hardwood” é usada na fabricação
de diferentes tipos de papéis. Alguns são desenhados especificamente
para a impressão de livros de revistas, principalmente porque confere a
estes papéis importantes características, tais como formação, opacidade,
rigidez e excelente impressão. Entretanto, dependendo de como o papel é
fabricado os elementos de vasos tendem a ficar na superfície da folha de
papel, livres de ligação com as fibras.
Nestas condições, durante a impressão, alguns elementos de vasos,
com baixa densidade e pequena área de contato, acabam se soltando da
folha de papel e causam acúmulos em equipamentos do sistema de
impressão. Com isto, no local do desprendimento de um elemento de vaso
a distribuição de tinta é heterogênea, transformando-se em um defeito de
impressão (SARI et al., 2012, FOELKEL, 2007, HEINTZE, 2007).
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
238
5.2.16.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
Tradicionalmente o uso de refino da polpa celulósica, em condições
específicas, associado à colagem superficial da folha de papel (o que é
prática comum na indústria) e ao revestimento da superfície da folha de
papel permitem um controle deste problema de arrancamento de vasos
(DEMUNER et al., 2005, RAKKOLAINEN et al., 2009, FOELKEL, 2007).
A análise realizada neste estudo mostra que o interesse no uso de
enzimas para controlar o arrancamento de vasos em papéis destinados à
impressão (figura 5.45) ocorreu entre a metade da década de 90 até 2002
apenas. A figura 5.46 ilustra que a Mitsubish Paper (uma fabricante de
polpa celulósica e papel japonesa) apresentou o maior interesse neste tipo
de proteção da propriedade industrial.
5.2.16.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
A tabela 5.17 apresenta o sumário da análise crítica das principais
patentes sobre o uso de enzimas para o controle do arrancamento de
vasos na fabricação de papel. É possível verificar que o foco está no uso
de celulases, xilanases ou misturas destas. São ainda apresentadas
algumas condições experimentais (cargas de enzimas, temperatura,
tempo de aplicação e faixas de pH), onde as respostas foram bem
sucedidas. Nota-se também que os japoneses foram os que mais
investiram no uso de enzimas para este tipo de controle.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
239
Figura 5.45 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para o
controle do arrancamento de vasos. Fonte: elaboração própria.
Figura 5.46 - Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para o
controle do arrancamento de vasos. Fonte: elaboração própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
240
Tabela 5.17 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes
sobre enzimas para o controle de arrancamento de vasos. Fonte:
elaboração própria.
Referência Bibliográfica
Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes
Cooper (1994, US5770012) e Cooper (1994, US5725732)
Processo para reduzir a o número de elementos de vasos arrancados por meio de um tratamento da polpa celulósica com uma mistura de celulases e xilanases. Carga de enzima de 0,05 a 1% (base peso de polpa celulósica), e pH 7 e 8, 29,4 a 62,8ºC, por 30 a 240 minutos. Redução de 0,4 para 0,08 elementos de vasos arrancados/cm²). Por outro lado, Cooper (1994, US5725732) descreve um tratamento de celulases e xilanases:cargas unitárias de 0,01 a 0,5 % (base peso seco de polpa celulósica), 37,8 a 65,6ºC, 30 a 180 minutos e pH de 7 a 8.
Nakamura (2002, JP2004149948)
Xilanases com atividades para degradar xilose de 5 a 15 vezes para uma vez a atividade para degradar glucose que permitem reduzir insumos do branqueamento e minimizar o número de vasos arrancados.
Matsuhashi (2002, JP060117)
Uso de celulases. Tratamento precedido de um estágio ácido. Matsuhashi (1998, JP11279968) apresenta um tratamento com xilanases em alta temperatura (50 a 100ºC) e alto pH (entre 5 a 11) para tratar polpa celulósica de eucalipto para melhorar o branqueamento e reduzir o número de vasos arrancados.
Nishino (1997, JP10266085).
Associação entre o branqueamento e tratamento enzimático. com uma enzima resistente às condições ácidas com o objetivo de melhorar o branqueamento e minimizar o número de vasos arrancados (polpa celulósica e eucalipto).
Nishino et al. (1995, JP9031880)
Uso de enzimas para melhorar a alvura, o refino e para reduzir o número de vasos. O método consiste de uma relação de atividade sobre a glucose em relação à xilose de 1/5 até 1/500 com o uso de uma mistura de celulases e xilanases, um agente quelante de sais de sódio, sal este do tipo poliaquileno poliamina poliacetato e um surfactante. As principais condições do tratamento enzimático são pH 3 a 9, temperatura 20 a 90ºC por um tempo de 30 a 180 minutos.
5.2.17. Enzimas para a produção de polpa celulósica a partir de
papel reciclado
5.2.17.1. Definição do tema
A reciclagem de papel passa por diferentes processos até a obtenção
de polpa celulósica em condições se formar o papel novamente. Dentre os
processos existem etapas de remoção de tinta (para papéis impressos),
remoção de amido (para papéis revestidos), limpeza, remoção de
partículas e substâncias indesejáveis, branqueamento para o caso de
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
241
papéis não branqueados, refino, dentre outros. Ao longo do tempo
verificou-se um nicho importante para a aplicação de enzimas para
diferentes finalidades. Dentre elas, as lipases para a remoção de
extrativos e pitch, principalmente; amilases para a hidrólise do amido;
celulases (especialmente as alcalinas) para a remoção de tinta, aumento
da drenagem e também no biorefino, lacases e xilanases para facilitarem
o aumento de alvura. Revisões recentes de Bajpai (2010 e 2012) indicam
o potencial do uso destas enzimas no processo de reciclagem do papel.
5.2.17.2. Evolução do número de patentes e principais detentores
das enzimas
O levantamento de patentes indicou um constante interesse dos
principais produtores de enzimas na proteção da propriedade industrial
(figura 5.47). A figura 5.48 mostra que a Novozymes, Dyadic, Novo
Nordisk e em seguida algumas empresas japonesas são as que detêm o
maior número de patentes para a produção destas enzimas. O
levantamento de artigos científicos também revela que o interesse em
pesquisas nesta área é relativamente baixo (apenas um artigo em 2012 e
três em 2011).
5.2.17.3. Análise dos documentos de patentes (complementada
com informações de artigos científicos)
O resumo da análise das patentes (tabela 5.18) demonstra o uso de
diferentes tipos de enzimas na reciclagem de papel, tais como celulases,
xilanases, lipases, dentre outras, bem como de misturas de enzimas. O
uso de enzimas combinado com surfactantes também é descrito. O
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
242
principal foco é a remoção eficaz de partículas de tinta, tendo como
objetivos secundários a melhoria da drenagem.
Figura 5.47 – Evolução do número de patentes sobre enzimas para a
produção de polpa celulósica a partir de papel reciclado. Fonte: elaboração
própria.
Ibarra et al. (2012) concluíram que celulases e xilanases são mais
eficientes na remoção de tinta, neste caso quando comparadas com
sistemas lacase/mediador. Adicionalmente, a adição de um surfactante
em conjunto com o tratamento com celulases aumenta a eficiência na
remoção de tinta. Malik et al. (2011) relata que o uso de celulases resolve
o problema de poluição inerente ao processo de reciclagem de papéis.
Leduc et al. (2011) também avaliou a eficácia do uso de lipase para a
remoção de tinta e de lacase para aumentar a alvura.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
243
Figura 5.48 – Empresas detentoras de patentes sobre enzimas para a
produção de polpa celulósica a partir de papel reciclado. Fonte: elaboração
própria.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
244
Tabela 5.18 – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para produção de polpa celulósica a
partir de papel reciclado. Fonte: elaboração própria.
Referência Bibliográfica Aspectos Relevantes Obtidos na Análise das Patentes Gen e Go (1989, JP3000882), relativa ao
documento KR19890006514 (1989)
Uma das primeiras patentes sobre a produção de fibras recicladas com o uso de enzimas. O papel reciclado é tratado com celulases ou
pectinases para ajudarem na remoção de tinta do papel usado.
Kaneko et al. (1993, JP6228895) Remoção eficiente de tinta de papéis reciclados. Uso de celulases em pH 3 a 6 para que a eficiência seja a máxima possível.
Baret et al. (1990, US5364501), Schuelein et al. (1994, US6071735),
Nakane et al. (2000, US2004043400) e Murashima et al. (2000, US2005143275)
Tratamento do papel reciclado em alto pH. Usam-se celulases alcalinas para remoção eficiente de tinta e melhoria da drenagem.
Schuelein et al. (1994), Nakane et al. (2000) e Murashima et al. (2000) também descrevem o aumento da eficiência na remoção de tinta e aumento da drenagem. Esta última patente especifica o uso de uma enzima do tipo endoglucanases.
Kaneko et al. (1993, JP6346390) e
Chuanhuai e Kai (2009, CN101691699)
Os estudos buscam o aumento da eficiência na remoção de tinta na produção de fibras recicladas. As celulases devem ser usada antes da adição de soda, em pH 3 e 6, sob pressão (200 a 2000atm) para prevenir contra hidrólise excessiva. Ainda mais complexo é o processo
descrito por Chuanhuai e Kai (2009) onde xilanases, celulases e pectinases são usadas em pH 6 a 11 e temperatura 45 a 75ºC.
Jiru e Geirii (1994, JP8226088) Métodos para a remoção de tinta de papéis reciclados partindo da aplicação de celulases, em pH 4 a 9, e um surfactante não aniônico.
Nakamura et al. (2000, US2005121156). Uso de celulases para aumentar a eficiência do processo de remoção de tinta.
Yaguchi e Yaesawa (1994, JP8120580) e Ohira e Yaesawa (1994, JP8127989)
Uso de cellulases ou xilanases, em pH entre 4,5 a 8,5, em conjunto com um surfactante. Em seguida, após a concentração da suspensão, é adicionado soda e silicato de sódio para separar a tinta das fibras, por meio de um processo de flotação ou lavagem. Na segunda patente
citada é utilizado também um quelante e peróxido de hidrogênio (para elevar a alvura da polpa celulósica obtida).
Park et al. (2006, KR20080009788) Tratamentos conjuntos de enzimas com surfactantes, tanto a base alcoólica e também à base de ácidos graxos.
Cai (2004, CN1664026) Descreve a eficácia do uso de uma mistura de celulases e xilanases, associada a um polímero denominado macrogol na produção fibras
recicladas a partir de papel jornal.
Osten e Schuelein (1994, US5912157),
Emalfarb et al. (1996, US6015707), Schuelein et al. (1994, EP1632557),
Emalfarb et al. (2006, US2011237485) e Gusakov et al. (2007, US2012036599).
Descrevem o potencial das celulases alcalinas no tratamento de fibras recicladas. Nota-se que estão sendo buscadas celulases alcalinas e
mais termoestáveis.
Sharyo et al. (1993, CA2177254) O uso de amilases é recomendado para reciclar papéis revestidos com uma base de amido. O tratamento deve ser feito antes, durante e depois da desintegração do papel usado e a separação de partículas de tinta é feita após este tratamento enzimático.
Langley et al. (1995, GB2304741) Papéis usados contendo tintas são tratados com celulases ou hemicelulases, dispersas em um líquido não aquoso.
Egawa et al. (1995, CA2184458) Processo ainda mais complexo do que os apresentados anteriormente. A remoção de tinta é obtida com a aplicação de enzimas (podendo ser
celulases, hemicelulases, lipases, amilases, xilanases ou proteases) e um composto orgânico complexo.
Kamishiro et al. (1995, JP9170186) Processo em que os papéis usados são tratados com celulases imobilizadas irreversivelmente solúvel em água. O papel reciclado é
macerado em uma mistura com celulases imobilizadas.
Waallberg et al. (1996, WO9732076)
A remoção de tinta é feita em pH mais baixo do que citado nas descrições anteriores. Adição de químicos compreendendo um agente ativo
de superfície para soltar as partículas de tinta do papel e um poliéster coletor e agregador de partículas de tinta durante o processo de flotação.
Capítulo 5 – Resultados e Discussão
245
Tabela 5.18 (continuação) – Resumo da análise dos principais documentos de patentes sobre enzimas para produção de
polpa celulósica a partir de papel reciclado. Fonte: elaboração própria.
Nishino et al. (1996, JP9241985) Tratamento de papéis usados com lipases associadas com tratamentos de desfibramento e ação mecânico em um equipamento “kneader”.
Call (1997, WO9901607), Qin et al. (2004, CN1563567), Xu (2005, CN1763305) e De Lasyssa e Elgarhy (2004, CA2523736)
Remoção de tinta com tratamentos de oxidação e/ou enzimáticos do papel reciclado. Lacases e peroxidases e
também outras enzimas (celulases, hemicelulases, xilanases, mananases, pectinases, lipases, etc) são citadas. Qin et al. (2004) descrevem o uso de lacases (a 70ºC). Xu (2005) detalha o uso de celulases ou xilanases e lacases, mais oxigênio e mediador. De Lasyssa e Elgarhy (2004) aplicam vários tipos de enzimas podendo ser celulases, amilases, hemicelulases, proteases, dentre outras e misturas delas e em uma segunda etapa uma enzima do grupo éster hidrolase e também um surfactante.
Haynes e Auger (2010, WO2011100530)
Eficácia do uso combinado de lipases com outras enzimas, podendo ser amilases, celulase ou xilanases e um surfactante não aniônico.
Lee e Lee (1998, KR20000014909)
Reciclagem de papel por meio de tratamento biomecânico, no qual são aplicadas forças de dispersão sobre as celulases
e também sobre o óxido de etileno e óxido de propileno. A força de remoção da tinta dos papéis reciclados ocorre, portanto, por meio da copolimerização da enzima com o POE (poli-orto-éster), alquil alil éter e o ácido anidrido maléico.
Franks (1998, WO0015899) e Nishibashi (2003, JP2005105156)
Remoção de tinta de papéis reciclados com o uso de amilases, celulases, hemicelulases, lipases, proteases, e xilanases, seguido de descoloração dos pigmentos do papel com lacases na presença de oxigênio e de um ou mais mediadores. Nishibashi (2003) detalha um processo de remoção de tinta com o uso de xilanases em pH de 4 a 12 e a 60ºC.
Lee e Lee (1998, KR20000018403) e Nishie et al. (2002,
JP2003286430)
Celulases obtidas a partir de Trichoderma viride e Aspergillus niger. Nishie et al. (2002) descrevem um processo que
causa mínima mudança no processo atual, mas é eficiente na remoção de tinta.
Yang et al. (1994, US6426200) Método de produção de fibras recicladas, especialmente a partir de papéis usados do tipo xerografia e impressão a laser, por meio de uma mistura de enzimas caracterizada pela alta taxa de atividade beta-glucosidases.
Franks e Page (2001, US2004016522)
Um processo diferente dos citados anteriormente. Usa-se enzima capaz de hidrolisar amido e uma pectateliase, em que o tratamento enzimático ocorre durante ou após a desintegração do papel usado, para então realizar a separação de partículas de tinta.
Ratnam et al. (2005, GB2441917)
Processo também distinto dos já citados anteriormente. É para remover cor do papel reciclado. Trata-se o papel
durante 72 horas em contato com enzimas extracelulares, produzidas por uma bactéria (Vibrio alginolyticus) ou células imobilizadas desta mesma bactéria.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
246
Capítulo 6
Tendências e Desafios
Este capítulo descreve os principais resultados de P&D obtidos na
análise crítica constante no capítulo 5, sobre as patentes e publicações
científicas.
6.1. Enzimas relacionadas à biossíntese da lignina:
São grandes os avanços já obtidos, após anos de pesquisas sobre
enzimas da rota de biossíntese da lignina. Vários genes foram testados
experimentalmente com sucesso na redução e/ou alteração da lignina.
Graças a estes avanços pode-se agora visualizar alguns objetivos a serem
aplicados na engenharia genética de plantas, buscando aplicações práticas
industriais.
Resultados obtidos para plantas, principalmente do gênero Populus,
confirmaram a possibilidade da manipulação da atividade enzimática
almejada. A redução ou aumento do teor de lignina ou aumento do teor
de estruturas do tipo siringil, bem como aumento da clivagem da lignina e
da sua solubilização durante a deslignificação e o branqueamento da polpa
celulósica já foram verificados, em escala ainda experimental.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
247
Por outro lado, há ainda críticas de que as alternativas de controle
da metilação da rota de biossíntese da lignina não têm sido totalmente
aceita na comunidade científica, em função da falta de evidência genética
da sua resposta.
Um dos problemas é que a grande maioria do conhecimento gerado
sobre a bioquímica da lignina é proveniente de estudos de modelos de
plantas, tais como a Arabidopsis, Tabaco e Poplar.
Outra crítica é que a maioria dos estudos de manipulação da rota de
biossíntese da lignina foi concentrada na fase inicial do processo de
biossíntese. Como há várias outras etapas posteriores, a resposta final é
incerta. Ou seja, o controle final do processo de transformação é incerto.
A engenharia genética é promissora para aumentar a efetividade da
clivagem e da extração da lignina durante o processo de produção de
polpa celulósica. Mas existem ainda alguns riscos potenciais associados
com estas técnicas. As principais são: aumento da susceptibilidade a
patógenos, alterações de fenótipos, atividades metabólicas indesejáveis,
dentre outras. Estes riscos potenciais precisam ser levados em
consideração antes da aplicação em larga escala. Existem dúvidas se
materiais genéticos transformados com menor teor de lignina ou com
lignina com qualidade diferenciada possam apresentar alterações no
crescimento e nas características estruturais da madeira, como por
exemplo, paredes celulares mais finas e redução da resistência da
madeira.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
248
O conhecimento atual sobre os blocos de lignificação é limitado à
biossíntese de blocos de construção para a lignina em angiospermas. É
enfatizada a necessidade de focar as pesquisas futuras sobre a biossíntese
da lignina na identificação de genes envolvidos no transporte e
polimerização de monolignol, bem como nos mecanismos que conectam a
bioquímica da lignina e o crescimento das plantas.
Biomassas transgênicas, que levem à formação de mínima
quantidade de recalcitrante, têm potencial para reduzir custos da etapa de
fermentação da produção de biocombustíveis, além de produzir uma
maior quantidade de açúcares fermentáveis por hectare plantado. Neste
caso permanece, portanto, um desafio que é a identificação dos genes
potenciais mais importantes envolvidos na regulação da lignina e suas
expressões para aumentar a eficiência do uso da biomassa em suas
diferentes aplicações potenciais.
Outro desafio é associado com os processos regulatórios associados
ao plantio e uso de árvores modificadas geneticamente para alterar o teor
ou a composição da lignina.
6.2. Enzimas para a desconstrução/hidrólise enzimática
de materiais lignocelulósicos
O assunto desconstrução/hidrólise enzimática apresenta um elevado
interesse de desenvolvimento tecnológico e da proteção da tecnologia. O
número de patentes cresceu significativamente a partir de 2007,
principalmente. A produção científica é, também, elevada. Assim,
acredita-se que esta concentração de esforços resultará em aplicações
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
249
tecnológicas dos tratamentos da biomassa lignocelulósica, da hidrólise
ácida e dos processos de transformação em bioprodutos de uma forma
ainda mais acelerada.
São muitas as tendências tecnológicas, uma vez que cada patente
apresenta as suas particularidades (são documentos únicos). No entanto,
é possível verificar que os esforços são concentrados, principalmente, em:
Estabelecer um pré-tratamento que minimize a presença de
produtos recalcitrantes à sacarificação;
Minimizar a presença de inibidores na etapa de fermentação;
Minimizar o custo das enzimas;
Aumento do entendimento da ação das enzimas;
Consolidar os valores da viabilidade dos processos, passando pelo
máximo aproveitamento da biomassa, incluindo também o
aproveitamento da lignina;
A tecnologia de hidrólise enzimática de biomassas lignocelulósicas já
avançou significativamente, mas existem ainda algumas questões que
precisam ser resolvidas. Dentre elas, o alto custo da produção de enzimas
tem sido um fator de muita atenção.
Embora existam relatos de que avanços têm sido obtidos na
produção de preparados enzimáticos mais eficientes, a produção de
enzimas mais eficazes para a produção de açúcares (tanto C6 quanto C5)
é ainda um desafio.
O aumento do entendimento da ação das diferentes enzimas sobre o
substrato está sendo estudado e, em breve, poderá contribuir de forma
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
250
mais assertiva sobre os mecanismos de ação, especificidade e,
conseqüentemente, em enzimas mais eficazes e com menor custo final de
produção. O entendimento sobre a desconstrução eficiente da biomassa e
sobre os recalcitrantes são fatores relevantes para a redução dos custos
de produção. A geração de microorganismos recombinantes, capazes de
chegar a um bioprocesso consolidado, também aparece como uma
necessidade importante para uma maior eficácia e sucesso da inserção
tecnológica. O máximo aproveitamento da biomassa lignocelulósica é
também fator chave para a viabilização tecnológica da produção de
bioprodutos.
6.3. Enzimas e microorganismos para a biopolpação de
materiais lignocelulósicos
A análise das patentes demonstrou que houve um grande progresso
no desenvolvimento da tecnologia de biopolpação, incluindo avaliações de
vários tipos de microorganismos, em diferentes condições e configurações
de processos. Os principais resultados, demonstrados em escala piloto,
apontam para a produção de polpas celulósicas CTMP e BCTMP com maior
resistência e com significativa redução do consumo de energia de refino.
Alguns fatores chave que ainda dificultam a adoção industrial da
tecnologia são: custos da inoculação de fungos e o tempo de cultura
(crescimento) do microorganismo na madeira (ou cavacos). Falta também
um melhor entendimento dos mecanismos pelos quais os
microorganismos agem na madeira e como a tecnologia poderia ser
aperfeiçoada. Esforços recentes focam no entendimento da estrutura,
composição e os mecanismos da biodegradação.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
251
6.4. Enzimas para o descascamento da madeira
É importante ressaltar a originalidade do conceito inicial de aplicação
de enzimas para atuar sobre os componentes químicos na região da
árvore que se situa entre a casca e a madeira. A aplicação resulta no
enfraquecimento das ligações entre a casca e madeira e,
conseqüentemente, facilita o descascamento mecânico das árvores. Mas a
tecnologia enzimática de descascamento da madeira não é uma realidade
industrial.
Este tipo de desenvolvimento tem apresentado baixo nível de
interesse, o que é justificado, principalmente, pelo elevado grau de
tecnologia atingido com o uso de equipamentos de descascamentos
mecânicos.
O descascamento mecânico durante o processo de colheita de
árvores é a principal prática moderna utilizada, principalmente, pelo setor
brasileiro de produção de florestas plantadas para a produção sustentável
de polpa celulósica. Apresenta o benefício da manutenção da casca no
campo (no solo), quando necessária ou desejável, para a reposição de
matéria orgânica, dentro de um conceito de sustentabilidade.
6.5. Enzimas para a deslignificação da polpa celulósica
As enzimas oxidativas (a exemplo das lacases) foram visualizadas
com potencial para serem aplicadas, principalmente, antes ou
imediatamente após da deslignificação com oxigênio na produção de polpa
celulósica. No entanto, alguns aspectos críticos para ação enzimática
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
252
nesta região do processo são o elevado pH (ao redor de 11) e alta
temperatura (90 a 100ºC).
Adicionalmente, a quantidade de matéria orgânica dissolvida (COD)
é também alta, o que dificulta a ação eficaz das enzimas. Nesta posição
do processo, as fábricas modernas adotam recirculação (em
contracorrente) dos filtrados provenientes de outros estágios
subseqüentes, para minimização de matéria orgânica para o tratamento
de efluentes.
Mesmo assim, as enzimas oxidativas ganharam forte atenção, uma
vez que existe um conhecimento acumulado sobre a ação de fungos da
podridão branca da madeira, os quais agem sobre a lignina, conforme
descrito no tópico sobre a biopolpação.
As principais tendências verificadas são a tentativa de produção de
lacases para resistir aos níveis mais elevados de temperatura e,
principalmente, da avaliação de mediadores naturais, como alternativas
para substituir, com similar ou superior eficácia, ao mediador HBT, o qual
além de apresentar custo muito elevado tem elevada toxicidade.
Portanto, diante dos resultados discutidos, fica evidente que as
enzimas oxidativas, com raras exceções, continuam em estágio de
desenvolvimento. Foi verificado também que as manganês peroxidases
não foram desenvolvidas.
As principais limitações para aplicações industriais de enzimas
oxidativas (tipo lacases) na deslignificação da polpa celulósica, em
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
253
processos de alto desempenho e com a relação custo/benefício positivo
são: dificuldades de produção em larga escala; faixas de pH e
temperatura ainda distantes da realidade industrial; e mediadores
expressivamente caros e às vezes com características tóxicas ou
mediadores naturais de baixa eficácia.
São ainda necessárias pesquisas incluindo a caracterização funcional
e estrutural visando à melhoria das enzimas oxidativas (ambas lacases e
peroxidases), por meio de métodos de biologia molecular e técnicas de
engenharia de proteína. A utilização de microorganismos recombinantes
ou a seleção de linhagens naturais hipersecretoras são também chave
para viabilizar a produção em larga escala.
6.6. Enzimas para o branqueamento da polpa celulósica
De fato, a análise das patentes revelou que houve um avanço
expressivo no desenvolvimento e produção de xilanases para a aplicação
no branqueamento da polpa celulósica.
As duas melhorias mais significativas foram a produção de xilanases
livres (ou quase totalmente) de celulases e a produção de xilanases
termoestáveis.
Estas melhorias, sem dúvidas, contribuíram para uma maior
efetividade e expansão da aplicação enzimática comercial no
branqueamento da polpa celulósica, especialmente em fábricas localizadas
no Canadá, Estados Unidos e Europa. Desta forma, no Canadá, um
volume expressivo de polpa celulósica kraft (aproximadamente 10 milhões
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
254
de toneladas) já foi produzido com o uso de xilanases. Existem,
aproximadamente, 50 fábricas na Europa e 20 na América do Norte
usando xilanases no branqueamento da polpa celulósica.
A análise dos documentos de patentes deixa evidente que as
xilanases comercialmente disponíveis ainda apresentam limitações para
uma aplicação plena de alto desempenho, decorrentes das faixas limitadas
de ação em pH próximo ao neutro e temperaturas superiores a 75ºC, com
raras exceções. Adicionalmente, a baixa seletividade resulta em aumento
expressivo de COD.
Xilanases mais resistentes aos níveis mais altos de temperaturas,
com elevada especificidade ao substrato e alta seletividade são requeridas
pela indústria de produção moderna de polpa celulósica. Mínimo acúmulo
de COD (decorrente da recirculação de filtrados do estágio enzimático) e
mínimo impacto no tratamento de efluentes, são fatores chave de sucesso
para aplicações de xilanases em fábricas modernas de polpa celulósica.
Cada processo industrial, com as suas peculiaridades, requer
xilanases especificamente avaliadas e formuladas para atender aos
critérios de sucesso, que passam por redução de custos de insumos,
manutenção ou diferenciação adequada da qualidade da polpa celulósica,
preservação do rendimento e manutenção ou redução da matéria orgânica
dissolvida.
Estes aspectos citados continuarão demandando investimentos em
novas pesquisas e testes de novas xilanases, para a ampliação da sua
inserção na fabricação de polpa celulósica.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
255
Um maior conhecimento sobre os mecanismos de ação das enzimas,
bem como a especificidade das mesmas em relação a cada substrato
continuam limitando a expansão da sua aplicação.
Estudos de viabilidade (principalmente econômica) são,
praticamente, inexistentes na literatura especializada.
6.7. Enzimas termoestáveis para o setor de polpa
celulósica e papel
A prospecção mostrou que existe um forte interesse científico e de
proteção da tecnologia de produção de enzimas termoestáveis.
Demonstrou também que o foco principal destes desenvolvimentos
ocorreu sobre as xilanases. Embora sejam poucas as opções, atualmente
é possível encontrar xilanases com elevada atividade em temperaturas de
75ºC. Poucos estudos foram realizados sobre a termoestabilidade das
lacases, principalmente porque os desafios neste caso foram focados,
principalmente, no entendimento das ações das mesmas e efetivamente
de mediadores naturais comparativamente aos sintéticos.
Os países que mais avançaram na produção, em larga escala, de
xilanases engenheiradas para a ausência de atividade celulolítica, com alta
atividade e termoestabilidade foram os EUA, Canadá e Japão.
Além das xilanases, poucos estudos foram dedicados à produção de
enzimas termoestáveis às demais enzimas de interesse para o setor de
polpa celulósica e papel. Algumas tentativas ocorreram sobre as lacases e
lipases.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
256
Outros dois fatores que precisam ser levados em consideração nesta
análise crítica é que a xilanase comercial de maior termoestabilidade
(níveis de até 80ºC), embora apresenta, ao mesmo tempo, alta atividade,
possui ação eficaz na formação de matéria orgânica (COD) e, portanto, na
redução do rendimento do processo e da resistência da polpa celulósica.
Adicionalmente, a análise dos documentos de patentes mostrou que
a ação das xilanases termoestáveis ocorre em pH próximo ao neutro,
enquanto que o desejável, na produção de polpa celulósica, é a aplicação
em níveis mais elevados de pH.
Para as enzimas oxidativas (a exemplo das lacases e manganês
peroxidases) são ainda necessários estudos mais dedicados na direção de
obter elevada atividade em faixas mais altas de temperatura e de pH.
Especificamente para as lacases, embora houve tentativas para substituir
o mediador HBT, a eficácia na presença de mediadores naturais é baixa,
limitando uma aplicação industrial viável.
As celulases, para uma maior abrangência de aplicação nos
processos de produção de polpa celulósica e de papel também carecem de
atividade em temperaturas mais altas do que as opções atualmente
disponíveis no mercado.
6.8. Enzimas tolerantes às condições alcalinas
Os resultados revelaram algum interesse científico na produção de
enzimas (xilanases e celulases) capazes de suportar condições alcalinas, o
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
257
que permitiu ampliar o potencial de produção em escala. A prospecção
mostrou que os estudos concentraram-se sobre as celulases.
A análise dos documentos de patentes mostra algum potencial de
produção de enzimas com pH variando de 4 a 9, mas em geral, elas
apresentam baixa atividade em níveis de pH acima de 6. Outro fator
limitante é que as poucas opções com ação em níveis de pH mais altos
agem em temperaturas, com raras exceções, inferiores a 70ºC.
Em geral, o nível de investimento aplicado não foi ainda suficiente
para a produção de enzimas com alta atividade em condições alcalinas e,
ao mesmo tempo, com resistência as temperaturas altas.
A prospecção mostra que foram adotadas técnicas modernas de
engenharia genética e de mutagêneses no desenvolvimento de enzimas
mais tolerantes às faixas mais altas de pH. No entanto, foi também
percebida a necessidade de ampliar o conhecimento sobre aspectos
moleculares para a produção de novas enzimas de alta atividade e mais
estáveis em faixas mais altas de pH e temperatura.
6.9. Enzimas para o tratamento de efluentes
A prospecção revela um baixo nível de patenteamento sobre
enzimas para o tratamento de efluentes da indústria de polpa celulósica e
papel.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
258
Destaca a iniciativa da UNICAMP, com o depósito de duas patentes
sobre a aplicação de enzimas no tratamento de efluentes a indústria de
polpa celulósica e papel.
Mais recentemente foi visualizada a perspectiva de uso de lacases,
principalmente porque apresentam um bom nível de remoção de cor e de
degradação de compostos fenólicos, embora o nível de aplicação é, ainda,
insipiente. Faltam, certamente, investimentos na produção de alternativas
de baixo custo para aplicação no tratamento de efluentes, com uma
relação de custo/benefício favorável.
6.10. Enzimas para Modificação de Amido
As amilases foram as primeiras aplicações da tecnologia enzimática
na fabricação de papel. A prospecção mostra que as primeiras patentes
datam da década de 30 e, atualmente, esta tecnologia de modificação do
amido, como aditivo para a produção de papel, é amplamente usada pelo
setor.
As informações obtidas mostraram também que as patentes mais
recentes sobre o tema são, principalmente, de empresas e instituições
japonesas e chinesas. Isto faz sentido uma vez que o consumo de papel
está crescendo continuamente na China e o Japão destaca-se com o
desenvolvimento e comercialização de tecnologia de impressão de papel,
para a qual a qualidade da superfície da folha de papel é fator chave de
sucesso.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
259
A prospecção revela também melhorias na produção de alfa-
amilases mais resistentes aos níveis mais altos de temperatura e com
mais alta atividade.
Outra tendência, ainda que inicial, é a formulação de nanopartículas
de amido modificado enzimaticamente. Os benefícios tanto em qualidade
quanto em redução de custos de fabricação parecem ser positivos.
6.11. Enzimas para refino da polpa celulósica
O refino enzimático é uma tecnologia que foi, principalmente,
estudada e avaliada com o objetivo de reduzir o consumo de energia do
processo de produção de polpas celulósicas mecânica, termomecânica e
quimotermomecânica. É sabido que estes processos são, em geral, de alto
custo, em função do elevado consumo de energia.
Por outro lado, estudos dedicados ao refino enzimático para o
desenvolvimento de propriedades chave da polpa celulósica química e do
papel (a exemplo da resistência mecânica) são relativamente recentes. Os
estudos concentraram sobre celulases, xilanases e misturas entre elas,
com um interesse também sobre lacases, todas aplicadas, em geral,
previamente ao refino. O setor carece ainda de um melhor entendimento
das condições, dos efeitos e da viabilidade de aplicação de enzimas no
refino.
Poucos dados industriais limitam a disponibilidade real de dados
sobre a economia de energia e/ou os ganhos das propriedades do papel.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
260
Estas lacunas limitam as conclusões sobre a relação custo/benefício da
tecnologia, bem como a ampliação da aplicação comercial de enzima.
6.12. Enzimas para modificação de fibras
A análise de patentes e de artigos científicos mostrou que este
tópico é relativamente novo e que existem vários tipos de enzimas e
possibilidades de aplicação, com diferentes oportunidades de ganhos. Os
estudos concentraram sobre celulases, xilanases e misturas delas.
As informações disponíveis indicam um forte potencial da aplicação
de enzimas para modificar as propriedades da polpa celulósica e do papel,
mas precisa ainda ser confirmado industrialmente. O assunto carece de
um maior aprofundamento dos estudos para consolidar o potencial da
aplicação de enzimas na modificação das características da polpa
celulósica. Não apenas estes ganhos, mas também as condições mais
adequadas, com impactos sobre o processo e os ganhos do tratamento.
Em uma visão de longo prazo, o potencial é ampliado uma vez que a
prospecção revela que este assunto está relacionado às aplicações de
enzimas para ao aumento da drenagem e do refino da polpa celulósica.
6.13. Enzimas para a melhoria da drenagem da polpa
celulósica e do papel
A prospecção revelou o desenvolvimento de enzimas eficazes para o
aumento da drenagem da polpa celulósica e papel. Estas são
principalmente celulases.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
261
A tendência de produção de enzimas para melhorar a drenagem
coincidiu com o desenvolvimento de celulases alcalinas bem como com a
necessidade de resolver problemas específicos da produção de polpa
celulósica a partir de papéis reciclados.
Uma análise mais global revela que existe uma tendência de
aumento do custo de energia, o que demanda polpas celulósicas e papéis
com mais alta capacidade de drenagem e secagem. Os resultados mais
recentes demonstram a eficácia da aplicação de enzimas na redução do
consumo de energia e na melhoria de propriedades chave da polpa
celulósica e do papel.
O desafio mais crítico é que cada fábrica em específico deve
determinar a viabilidade uma vez que os efeitos variam com as condições
e tipo de fibras usadas na fabricação de papel.
6.14. Enzimas para o controle de depósitos (“Slime”)
O levantamento das informações, a partir da análise de patentes,
mostra que houve um bom nível de desenvolvimento de enzimas
específicas para o controle de “slime”. Várias enzimas estão disponíveis
para aplicação industrial, a exemplo das celulases, xilanases e lipases.
Tratamentos destas combinados com biocidas foram também
prospectados. Os resultados mostram um alto desempenho da ação
enzimática, com minimização de impactos da aplicação de insumos
químicos, os quais tendem a ser menos eco-eficientes do que as enzimas.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
262
A análise de patentes mostrou também a existência de soluções
combinadas entre enzimas e insumos químicos, sendo algumas delas de
alta complexidade, limitando o entendimento da viabilidade e eficácia.
6.15. Enzimas para o controle de “pitch”
A prospecção revelou um nível considerável de desenvolvimento de
enzimas para o controle de “pitch”. Os estudos concentraram-se sobre
lipases. Certamente a análise precisa ser realizada na visão, mostrada por
esta prospecção, de que a produção de fibras a partir de papéis reciclados
foi um grande viabilizador do desenvolvimento destas enzimas, como
soluções viáveis para o controle de “pitch” e “stickies”.
Da mesma forma, outra tendência verificada é a aplicação de
enzimas para o controle de “pitch” na produção de polpa celulósica
mecânica, termomecânica e quimotermomecânica, as quais, em geral,
apresentam muitos problemas de “pitch”, em função das características
inerentes ao processo.
6.16. Enzimas para o controle de arrancamento de vasos
As descrições de patentes indicam um baixo interesse neste
assunto, tanto do ponto de vista de patenteamento quanto de publicações
de artigos científicos. Os estudos realizados foram sobre celulases,
xilanases e misturas entre elas.
Capítulo 6 – Tendências e Desafios
263
Como tendência geral, nota-se ainda que a indústria japonesa
esteve interessada entre a metade da década de 90 até o início da década
2000. Este tendência deve estar relacionada com o aumento da adição de
polpa celulósica do tipo “hardwood” na fabricação de papel, uma vez que o
Japão tornou-se um forte importador de polpa celulósica e de cavacos
para suprir a demanda do consumo de papel.
Em relação aos mercados dos outros continentes, as técnicas de
colagem superficial, revestimento e refino da polpa celulósica têm sido
prática comum ao longo destes anos, com elevada eficácia na prevenção
do arrancamento de elementos de vasos, limitando o uso de enzimas
específicas para esta finalidade.
6.17. Enzimas para a produção de polpa celulósica a
partir de papel reciclado
A reciclagem do papel é uma prática industrial comum no setor. Esta
área é forte demandadora de enzimas, para diferentes finalidades, dentre
elas a remoção de tinta, degradação de amido, aumento da drenagem,
aumento da alvura e limpeza da polpa celulósica produzida.
O interesse científico foi mais intenso na metade da década de 90 e
de lá para cá tem sido estável. Um número relativamente grande de
patentes foi depositado, com a descrição de diferentes objetivos de
aplicação enzimática. Dentre os processos de tratamento das fibras
recicladas, predomina a aplicação de lipases, principalmente para a
limpeza da polpa celulósica, e de celulases alcalinas, para a remoção de
tinta, aumento da drenagem e da resistência do papel.
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
264
Capítulo 7
Conclusões e Sugestões
Neste capítulo são apresentadas as conclusões consideradas mais
importantes, à luz dos resultados obtidos nesta prospecção: análise crítica
dos documentos de patentes sobre enzimas para aplicações em produções
de polpa celulósica e papel. São também descritas algumas sugestões
para futuros trabalhos e pesquisas, como alternativas para ampliar a
inserção da tecnologia enzimática no setor de polpa celulósica e papel,
frente aos resultados obtidos durante a realização desta tese.
7.1. As principais conclusões são:
É crescente o interesse científico sobre enzimas para a indústria de
celulose e papel, com aumento de 48% no número de publicações
científicas entre 2006 a 2010, em relação 2001 a 2005;
Existe um constante interesse dos principais detentores de patentes
na proteção da propriedade industrial para as diversas enzimas e
seus usos, com o depósito médio anual de 32 patentes entre 1997 a
2008;
As enzimas mais importantes para a fabricação de polpa celulósica e
papel são celulases, xilanases, lacases, lipases e amilases com 32%,
29%, 15%, 8% e 6%, respectivamente, do número de patentes
prospectadas;
Os EUA lideram o número de depósitos de patentes sobre enzimas
para o setor de polpa celulósica e papel, seguidos pelo Japão;
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
265
O domínio da produção de enzimas para o setor está concentrado
em empresas privadas, com 5 vezes mais patentes depositadas do
que o setor público.
Empresas japonesas, produtoras de polpas celulósicas e papel,
apresentam um elevado nível de desenvolvimento e de proteção da
tecnologia enzimática;
A Novozymes lidera o número de patentes depositadas sobre a
tecnologia enzimática para para o setor;
As novas gerações de enzimas são engenheiradas, graças ao avanço
de técnicas modernas de biotecnologia e biologia molecular, tais
como o desenvolvimento da tecnologia do DNA recombinante, ep-
PCR e metagêneses, principalmente;
As celulases e xilanases e receberam os maiores investimentos de
pesquisas (engenharia genética) nas suas produções;
As principais aplicações industriais de enzimas no setor são para o
branqueamento da polpa celulósica, modificação do amido, limpeza
da polpa celulósica e de sistemas de máquinas de papel;
O setor de polpa celulósica e papel brasileiro vem apresentando
avanços significativos ao longo das últimas décadas e apresenta um
ambiente propício para a inserção da tecnologia enzimática;
A inserção da tecnologia enzimática na produção de polpa celulósica
no mercado sul-americano depende de novos desenvolvimentos de
enzimas mais eficazes;
7.1.1. No tocante às xilanases:
Passaram por diferentes fases de desenvolvimento, com destaque
para: torná-las livres (ou quase livres) de celulases e com alta
termoestabilidade e algumas tentativas para torná-las tolerantes às
condições alcalinas;
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
266
Os patamares de temperatura e de tolerância às condições alcalinas
desenvolvidos não são suficientes para permitir a sua aplicação
industrial ampla;
A principal aplicação industrial é no branqueamento da polpa
celulósica, com, aproximadamente, 50 fábricas na Europa e 20 na
América do Norte;
As xilanases comerciais disponíveis com maior eficácia no
branqueamento resultam na formação de um nível elevado da
demanda química de oxigênio (DQO), limitando a aplicação
industrial plena em processos modernos, com circuitos fechados de
filtrados, na produção de polpa celulósica;
Não há xilanases alcalinas, comercialmente disponíveis, para
suportarem as faixas de pH desejáveis para a produção de polpa
celulósica;
A ampliação do uso industrial depende do desenvolvimento das
mesmas para torná-las com alta atividade e especificidade ao
substrato, em elevados níveis de temperatura e de pH.
7.1.2. Quanto às celulases:
As celulases são, principalmente, aplicadas na reciclagem de papel
com o objetivo de remover partículas de tinta, aumentar a
drenagem e também a resistência do papel;
As celulases apresentam elevado potencial de aplicação na
diferenciação da qualidade da polpa celulósica, na melhoria da
drenagem, redução da energia de refino na produção de papel mais
resistente;
Foram prospectadas tentativas de desenvolvimento das celulases
alcalinas, mas não o suficiente para aplicação nos níveis desejados
na produção de polpa celulósica.
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
267
7.1.3. Sobre as lacases (e outras enzimas oxidativas):
As lacases receberam forte interesse de desenvolvimento e de
proteção da propriedade intelectual, com vistas à aplicação na
clivagem da lignina, mas continua na fase de bancada;
Não há lacases, comercialmente disponíveis, para suportarem as
faixas de pH desejáveis para a produção de polpa celulósica;
Os principais fatores que limitam o uso das lacases são a baixa
eficácia de mediadores, baixos níveis de temperatura e pH e
pequena excreção de microorganismos para viabilizar a produção de
enzimas em larga escala;
As demais enzimas oxidativas (LiPs e MnPs) para a clivagem da
lignina não receberam nenhum desenvolvimento de destaque.
7.1.4. Sobre as amilases:
A modificação enzimática do amido é uma tecnologia consolidada,
com forte aplicação na formulação de aditivos de colagem e de
revestimento do papel.
7.1.5. Em relação às lipases:
A maior aplicação é no controle de contaminantes do tipo “pitch”,
“stickies” e de “slimes”.
7.1.6. Sobre as enzimas da rota de biossíntese da lignina:
Vários genes têm sido foco de estudos e de proteção intelectual para
modelar o teor e/ou a qualidade da lignina, com resultados
significativos em escala experimental;
O conhecimento sobre estas enzimas avançou significativamente,
mas a maioria foi gerado a partir de estudos em plantas, “modelos”,
tais como a Arabidopsis, Tabaco e Poplar;
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
268
Existem críticas de que as alternativas de controle da metilação da
rota biosintética da lignina não tem sido totalmente aceita na
comunidade científica, em função da falta de evidência genética da
sua resposta;
Estudos, em plantas “não modelo”, ainda encontram-se em
experimentos de campo e deverão trazer evidências sobre as
respostas das modificações genéticas introduzidas.
7.1.7. Com relação às enzimas para a desconstrução/hidrólise de
materiais lignocelulósicos:
Existe um elevado nível de desenvolvimento e da proteção da
propriedade intelectual das tecnologias de enzimas para a conversão
da biomassa lignocelulósica em bioprodutos;
Os esforços são concentrados e os fatores limitantes do
desenvolvimento tecnológico e de custos de enzimas para a
conversão de biomassa lignocelulósica devem ser superados em
breve;
7.2. Sugestões
Ampliar os estudos sobre a produção de enzimas capazes de
suportar a níveis mais elevados de temperatura e de pH, com alta
atividade e seletividade à polpa celulósica, com mínima geração de
matéria orgânica dissolvida e degradação da polpa celulósica;
Investir em estudos e na produção de mediadores eficazes e viáveis,
para alavancar a aplicação de lacases na deslignificação da polpa
celulósica (clivagem da lignina);
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões
269
Produzir microorganismos recombinantes e selecionar linhagens
naturais hipersecretoras para viabilizar a produção de enzimas
oxidativas (ex. lacases e manganês peroxidases) em larga escala;
Aumentar a disponibilidade de resultados industriais, para diferentes
enzimas e processos produtivos, sobre os principais objetivos
desejados e parâmetros de custos para permitir uma melhor visão
da viabilidade técnica-econômica da tecnologia enzimática;
Investir na aplicação dos principais conhecimentos obtidos sobre a
biossíntese da lignina em árvores comercialmente usadas, visando
validar as hipóteses estabelecidas, minimizar os riscos existentes e
permitir a ampliação da inserção tecnológica em escala comercial;
Focar estudos no desenvolvimento de tecnologias de pré-tratamento
com custos efetivos, com mínima geração de substâncias
recalcitrantes para um máximo aproveitamento da biomassa na
produção de bioprodutos;
Intensificar as pesquisas na produção de microorganismos
geneticamente modificados e de processos otimizados para a
fermentação eficiente de C5 e C6, no que tange ao aproveitamento
do materiais lignocelulósicos;
Aprofundar as pesquisas sobre o aumento do entendimento dos
mecanismos de ação das enzimas sobre diferentes substratos (polpa
celulósica, papel reciclado, biomassa lignocelulósica). Estes estudos
visam contribuir, de forma mais assertiva, sobre a especificidade e,
conseqüentemente, na produção de enzimas mais eficazes e com
menor custo de produção.
Capítulo 8 – Referências Bibliográficas
270
Referências Bibliográficas
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