Valor acrescentado sem resíduos: investigadores concebem uma biorefinaria inovadora

A biomassa, ou seja, as matérias-primas biológicas cultivadas, é um grande tesouro. Comemo-la, alimentamo-la, queimamo-la ou utilizamo-la. O que sobra é tradicionalmente compostado, depositado em aterros ou incinerado. No entanto, cada resíduo não utilizado tem um potencial. Uma forma de utilizar este potencial é através de biorrefinarias inteligentes e integradas. Ao contrário das biorrefinarias convencionais, em que as empresas químicas, por exemplo, extraem um bioquímico específico de uma fonte biológica específica, estas combinam vários processos de conversão.

O potencial das biorrefinarias inteligentes é imenso

O Dr. Nader Marzban é investigador no Instituto Leibniz de Engenharia Agrícola e Bioeconomia (ATB) e autor principal do documento concetual "Smart Integrated Biorefineries in Bioeconomy: A Concept Toward Zero-Waste, Emission Reduction, and Self-Sufficient Energy Production". Descreve-o da seguinte forma: "Existem muitas tecnologias de conversão que produzem materiais valiosos a partir da biomassa. Estas incluem a fermentação microbiana, como a digestão anaeróbica, e a pirólise. A fermentação anaeróbia, por exemplo, produz biogás, sendo que o resíduo de fermentação remanescente ainda contém compostos orgânicos valiosos. Em vez de o utilizarmos como fertilizante, como é tradicionalmente o caso, podemos converter este digerido em substâncias húmicas artificiais através da humificação hidrotérmica. Quando introduzidas no solo, estas substâncias estabilizam a diversidade bacteriana e melhoram a saúde do solo. Outra abordagem promissora é a combinação da fermentação anaeróbia com a pirólise, ou seja, a carbonização. Neste caso, o biochar actua como um catalisador e aumenta a eficiência da produção de biogás. Ao mesmo tempo, o biochar é enriquecido com nutrientes. Pode assim manter os nutrientes disponíveis no solo durante muito tempo e - dependendo das condições do processo - armazenar carbono durante mais de um século.

Outro exemplo é a fermentação. Se for adicionado biochar, os inibidores de fermentação são decompostos, o que aumenta significativamente o rendimento em etanol e ácido lático. Além disso, o bio-calor e a eletricidade gerados durante a pirólise podem ser utilizados para a fermentação, o que reduz a dependência de fontes de energia externas. As emissões de CO₂ da pirólise podem ser capturadas e usadas para cultivar algas, que por sua vez servem como uma fonte alternativa de proteína."

O potencial das biorrefinarias inteligentes é imenso, mas também o é o número de optimizações possíveis. Processos industriais como a digestão anaeróbia, a fermentação, a pirólise, a carbonização e a humificação têm parâmetros ajustáveis e podem ser combinados de várias formas. Em vez de dependerem de um único tipo de biomassa, os investigadores trabalham com 90 matérias-primas diferentes que variam regional e sazonalmente. A definição de objectivos-chave e de parâmetros ajustáveis para cada processo resulta em milhões de cenários potenciais.

O Dr. Marzban salienta: "Investigar experimentalmente todos estes cenários seria extremamente dispendioso e moroso. Mas o tempo é um luxo de que não dispomos. A nossa economia continua a ser fortemente dependente dos combustíveis fósseis. Já estamos a ver os efeitos negativos. É por isso que nos baseamos em simulações baseadas em IA para identificar as abordagens mais eficientes. Como cientistas de processos, procedemos passo a passo e optimizamos inicialmente os subsistemas, que depois ligamos gradualmente para os combinar num todo maior".

Uma bioeconomia sustentável sem resíduos e dentro dos limites do planeta

A experiência industrial global e os vastos resultados da investigação - incluindo os do ATB - fornecem uma base de dados rica para o desenvolvimento futuro dos processos de conversão de biomassa existentes. As tecnologias-chave neste domínio são a tecnologia de sensores que mede diretamente nos processos e ajuda a compreender melhor as interações produto-processo, bem como a inteligência artificial, os gémeos digitais e as técnicas avançadas de modelização. Através da utilização de dados, capacidades de processamento e algoritmos, podem ser desenvolvidas biorrefinarias inteligentes e integradas que são adaptáveis e escaláveis e podem lidar com milhares, se não milhões, de cenários.

A Prof.ª Dr.ª Barbara Sturm, Diretora Científica do ATB e principal autora do artigo, explica: "As biorrefinarias inteligentes e integradas podem ser desenvolvidas utilizando redes e diálogos entre diferentes sistemas modelados e depois validadas na realidade. Este processo de validação permite identificar lacunas e descobrir oportunidades ocultas, que podem ser abordadas através da reutilização de tecnologias e sistemas existentes ou da introdução de soluções inovadoras, como as substâncias húmicas artificiais. Nesta abordagem sistémica, cada componente da biorrefinaria procura ativamente ligações com outras e forma redes maiores e integradas. O sistema simularia continuamente os passos seguintes para encontrar a melhor forma de atingir os objectivos estabelecidos. Isto irá melhorar a sustentabilidade e a circularidade dos modelos bioeconómicos, criar emprego e apoiar os decisores políticos. A nossa visão é avançar para uma economia de base biológica mais resiliente, eficiente e preparada para o futuro através desta integração sistémica."

A abordagem integrada poderá permitir-nos criar uma bioeconomia verdadeiramente sustentável que não reconheça os resíduos e se mantenha dentro dos limites do planeta. Aumenta a rendibilidade e a competitividade, o que é urgentemente necessário tendo em conta os custos mais baixos dos produtos de origem fóssil. No entanto, o apoio governamental e as intervenções políticas são cruciais para facilitar e acelerar a transição para as tecnologias verdes. A longo prazo, as biorrefinarias inteligentes e integradas serão, sem dúvida, mais rentáveis do que os sistemas centrados num único processo. Reduzirão também a necessidade de importar matérias-primas, aumentando assim a resiliência dos nossos sistemas económicos.

Tempo para a implementação

Com o documento concetual, a equipa ATB deu o primeiro passo em conjunto com parceiros da Universidade de Potsdam e da Universidade Técnica de Berlim. Seguem-se agora a validação e a implementação. Em março deste ano, a ATB iniciará a construção de uma biorefinaria para fins de investigação em Groß Kreutz, Brandenburg. Esta complementará as unidades-piloto e instalações-piloto existentes nas instalações de Potsdam e o laboratório de campo para a agricultura digital em Marquardt. Como parte do Centro de Inovação Leibniz para a Bioeconomia Sustentável (InnoHof®), está a ser criada uma instalação que não só reunirá a investigação e a prática de uma forma co-criativa, mas também demonstrará a viabilidade de tais conceitos.

Além disso, o ATB está em vias de se candidatar a uma extensão do instituto, a fim de integrar estas abordagens sistémicas de forma ainda mais consistente na sua investigação. Numa nomeação conjunta com a Universidade de Osnabrück, o ATB está atualmente a preencher uma vaga de professor de ciência de sistemas na bioeconomia. O Prof. Sturm sublinha: "Temos de pensar em inovações sistémicas, técnicas, sociais e económicas em conjunto. Só se compreendermos um sistema como um todo é que seremos capazes de otimizar os subsistemas de forma a que sirvam efetivamente a sustentabilidade. Com o nosso conceito, intensificaremos ainda mais a investigação interdisciplinar em bioeconomia com decisores políticos, líderes da indústria e o sector alimentar e nutricional, com o objetivo de aumentar a resiliência do nosso sistema económico, tornando a nossa economia mais sustentável e apoiando a soberania tecnológica da Alemanha e da Europa".