Technoeconomic assessment of bacterial nanocellulose production from second generation sugars derived via the OxiOrganosolv pretreatment process
Este estudo avalia a viabilidade técnico-econômica da produção de nanocelulose bacteriana a partir de açúcares derivados de florestas via pré-tratamento OxiOrganosolv, identificando que minimizar o investimento fixo de capital em biorreatores e otimizar os custos de matéria-prima e secagem são críticos para alcançar a viabilidade econômica.
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No mundo dos materiais, existe uma busca constante por substâncias que sejam fortes, flexíveis e gentis com o planeta. Um desses materiais é a nanocelulose bacteriana, uma substância criada não por plantas, mas por bactérias minúsculas que tecem açúcar em fibras incrivelmente finas. Diferente da celulose encontrada na madeira ou no algodão, que vem acompanhada de uma mistura de outras partes vegetais como a lignina, esta versão bacteriana é pura. Ela forma uma folha semelhante a um gel que é composta majoritariamente por água, mas que possui uma força notável e pode ser moldada em filmes, tubos ou suportes para uso médico. Por ser biodegradável e não tóxica, cientistas e engenheiros estão ansiosos para encontrar maneiras de produzi-la de forma suficientemente barata para substituir plásticos em embalagens ou para utilizá-la em curativos avançados. O desafio sempre foi que fabricar este material é lento e caro, muitas vezes exigindo açúcares puros e vastas quantidades de energia para remover a água do produto final.
Uma equipe de pesquisadores na Grécia abordou recentemente a questão de se este material poderia ser tornado economicamente viável usando um tipo específico de açúcar residual derivado de sobras florestais. Eles focaram em um processo que primeiro remove as partes lenhosas e inúteis do material vegetal usando oxigênio e calor, deixando para trás uma polpa limpa que pode ser transformada em açúcar. Eles então fizeram uma pergunta direta, porém difícil: se usarmos este açúcar de segunda geração para alimentar as bactérias, quanto custaria realmente para produzir o produto final? Para encontrar a resposta, eles construíram um modelo detalhado de uma fábrica que poderia produzir cem toneladas de nanocelulose bacteriana seca todos os anos. Eles não apenas adivinharam; eles calcularam o custo de cada peça de equipamento, cada gota de água e cada hora de eletricidade necessária para operar a planta, desde o momento em que o açúcar chega até o momento em que as folhas secas são embaladas.
Os pesquisadores projetaram um layout de fábrica que depende de grandes bandejas rasas onde as bactérias crescem em um ambiente silencioso e imóvel. Isso é necessário porque as bactérias precisam respirar ar para criar suas fibras, e agitar a mistura quebraria as folhas delicadas que elas formam. O processo envolve um ciclo longo de cerca de oito dias para cada lote, durante o qual as bactérias consomem o açúcar e constroem uma camada espessa de nanocelulose na superfície do líquido. Uma vez concluído o crescimento, as folhas são colhidas, lavadas com uma solução de limpeza suave para remover as bactérias e, em seguida, secas. A equipe modelou dois resultados diferentes para o produto final: um onde o material é seco até estar majoritariamente sólido com uma pequena quantidade de umidade, e outro que é vendido como um gel úmido que é quase inteiramente água.
Quando rodaram os números, os resultados foram claros, mas exigentes. Para tornar o projeto financeiramente viável, a empresa precisaria vender o material seco por cerca de duzentos e três euros por quilograma, ou o gel úmido por pouco mais de dois euros por quilograma. Esses preços são altos, mas refletem a realidade da tecnologia atual. O maior fator de custo não foi o açúcar ou a eletricidade, mas o próprio maquinário. Os pesquisadores descobriram que o equipamento necessário para cultivar as bactérias, especificamente os tanques de sementes e os grandes reatores de bandeja, representava quase oitenta por cento do custo total para construir a fábrica. Este investimento pesado é necessário porque as bactérias crescem lentamente, o que significa que a fábrica precisa de um vasto número de reatores operando simultaneamente para produzir uma quantidade decente de produto em um ano.
O estudo também destacou que o custo de alimentar as bactérias é um fator importante. A solução de açúcar requer nutrientes caros, particularmente um ingrediente rico em proteínas chamado peptona, que compõe uma parte significativa do orçamento operacional diário. Além disso, o processo gera um grande volume de águas residuais que devem ser tratadas cuidadosamente, adicionando outra camada de custo e complexidade. Os pesquisadores observaram que a etapa de secagem, embora consuma muita energia, é um fardo financeiro menor do que os custos de equipamento, mas permanece crítica porque a forma como o material é seco altera suas propriedades físicas. Se o material for seco de forma muito agressiva, ele perde as qualidades únicas que o tornam valioso para aplicações de alto padrão.
Apesar do preço elevado, a análise sugere que o projeto poderia ser lucrativo ao longo de uma vida útil de trinta anos, desde que o mercado valorize as propriedades únicas do material o suficiente para pagar o prêmio. Os pesquisadores concluíram que o caminho para tornar este material mais barato reside na engenharia de reatores melhores e menos caros e na busca de formas de encurtar os longos ciclos de fermentação. Eles também enfatizaram que melhorar a eficiência do processo de secagem e encontrar maneiras mais baratas de tratar as águas residuais são passos essenciais. Embora o modelo atual mostre que a nanocelulose bacteriana é um produto de alto custo, o estudo fornece um roteiro claro de onde as melhorias são necessárias para aproximá-la do preço dos materiais cotidianos. O trabalho confirma que, embora a tecnologia seja sólida, a economia é atualmente apertada, dependendo da qualidade superior do material para justificar seu custo em nichos de mercado como medicina e embalagens avançadas.
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