Economia Circular Aplicada a Resíduos de Bananeira para a Obtenção de Produtos Naturais e Energia Renovável
A Revista Eletrônica PesquisABC possui o seguinte registro ISSN: 2675-1461
Camila Campos Ferraz a *, Carolina Castro de Sousa a , Lorrayne Lucas Mendes b , Marília Rodrigues Serra a, Bruno Guzzo da Silva c, Priscila Carvalho Veggi b , Juliana Martin do Prado a **
a Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Universidade Federal do ABC
b Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de São Paulo
c Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC
Resumo: Partindo da crescente necessidade de encontrar soluções sustentáveis para o desenvolvimento humano e visando contribuir com o reaproveitamento de resíduos para a produção de produtos de valor agregado, este trabalho em parceria com a Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP) aplicou o conceito de economia circular a uma biorrefinaria movida a resíduos agroindustriais, para a obtenção de produtos naturais e energia renovável. A banana é uma das frutas mais consumidas no Brasil, gerando grande quantidade de resíduos durante a sua produção. A inflorescência, coração ou umbigo da bananeira foi escolhido por possuir diversos compostos de interesse comercial. Estes compostos bioativos podem apresentar ações benéficas à saúde, tais como as atividades antioxidante, antimicrobiana e antidiabética, além de ser usado na medicina popular como xarope para tosse. Os resultados mostraram que de uma tonelada de coração de bananeira podem ser produzidos 11,4 kg de extratos bioativos e 947 MJ de energia, gerando apenas 5,9 kg de resíduo final. A redução de 99,4% na quantidade de resíduos atende ao conceito de biorrefinaria em economia circular, promovendo sustentabilidade e o uso consciente dos recursos naturais.
Palavras-chave: biorrefinaria; economia circular; inflorescência de bananeira; produtos naturais; resíduos agroindustriais; sustentabilidade.
Abstract
Meeting the need to find sustainable solutions for human development and aiming to contribute to the reuse of residues for the production of added value products, this work, developed in collaboration with the Federal University of São Paulo (UNIFESP), applied the concept of circular economy to a biorefinery fed agro industrial residues to obtain natural products and renewable energy. Banana is one of the most consumed fruits in Brazil, generating large amounts of residue during its production. The inflorescence, also known as the heart of the banana tree, was selected because it contains several commercially attractive compounds with health benefits, as antioxidant, antimicrobial and antidiabetic properties, and also because it is popularly used as a homemade cough syrup. The results showed that besides 947 MJ of energy, 11.4 kg of natural extracts can be obtained from 1 ton of banana inflorescence, with only 5.9 kg of final residue. Being a great example of a circular economy, this work reduced the volume of residues in 99.4% in the whole process, promoting sustainability and the responsible use of natural resources.
Keywords: agroindustrial residues; banana inflorescence; biorefinery; circular economy; natural products; sustainability
*https://www.webofscience.com/wos/author/record/KCY-7532-2024
**http://www.researcherid.com/rid/I-7017-2013
No ano de 2015 a Organização das Nações Unidas (ONU) implementou os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), formando 17 metas com o objetivo de guiar a humanidade para um futuro sustentável, buscando erradicar a pobreza, proteger o meio ambiente e o clima e garantir que as pessoas, em todos os lugares, possam desfrutar de paz e prosperidade. (1)
Para atingir os ODS, múltiplas abordagens vêm sendo desenvolvidas pela comunidade acadêmica. No presente trabalho, foram aplicados os conceitos de sustentabilidade, economia circular e biorrefinaria. A sustentabilidade está relacionada ao uso consciente dos recursos naturais, visando o bem-estar tanto da geração atual quanto das futuras gerações, e tem o objetivo de harmonizar o desenvolvimento econômico e a conservação ambiental. Já a economia circular traz o conceito do máximo aproveitamento de cada recurso, reutilizando e reciclando os resíduos gerados em seu processamento, com a meta de atingir “resíduo zero”, ou o mais próximo possível disso. Por fim, a biorrefinaria foca no uso de recursos renováveis como matérias-primas dos processos industriais, obtendo múltiplos produtos a partir de uma mesma biomassa. Todos esses conceitos foram utilizados na concepção da biorrefinaria movida a resíduos de bananeira.
O Brasil está entre os maiores produtores e exportadores de produtos agropecuários do mundo (2), sendo que esse setor representou 24% do PIB do País em 2023 (3). A produção intensiva de alimentos, apesar de ser necessária para a alimentação da população brasileira e mundial, além de sua importância econômica, está associada a prejuízos ambientais devido à alteração do uso da terra. Dos preocupantes 41,46 bilhões de toneladas de dióxido de carbono (CO2), o mais importante gás de efeito estufa, que foram emitidos mundialmente para atmosfera em 2022, mais de 10% foram devidos a mudanças no uso da terra. No Brasil, do total de 1,62 bilhões de toneladas de CO2 emitidas em 2022, quase 70% foram associadas a esse tipo de mudança (4).
Associados aos problemas ambientais causados pelo uso intensivo da terra para agropecuária, soma-se o volume de resíduos agroindustriais gerados, que variam com cada tipo de cultura. Esses resíduos, muitas vezes, são deixados no campo, porém não garantindo ou sendo necessários à recomposição do solo nas mesmas proporções em que são gerados. Alguns outros usos comuns são a alimentação animal ou a queima em caldeiras para a geração de energia térmica. Por fim, uma parte é simplesmente descartada em aterros sanitários. No entanto, muitos desses resíduos possuem em suas composições, além de macronutrientes como proteínas, carboidratos e gorduras, compostos bioativos com diferentes funções, como corantes e vitaminas naturais, atividades antioxidante e antimicrobiana, dentre outras, de interesse das indústrias de alimentos, cosmética e farmacêutica, por exemplo (5). Dessa maneira, visando atender a Política Nacional de Resíduos Sólidos e o Plano Nacional de Resíduos Sólidos (6-8), é necessário encontrar opções mais sustentáveis para a gestão desse tipo de resíduo.
Uma alternativa é a aplicação de processos sequenciais, no contexto de biorrefinaria, a fim de separar os componentes de alto valor agregado ainda presentes no resíduo agroindustrial, daqueles com menor valor agregado, dessa maneira diminuindo o volume de resíduos finais, produzindo novos produtos de interesse de diferentes setores industriais, e com retorno econômico. Para a sustentabilidade do processo, preconiza-se o uso de tecnologias ambientalmente corretas e a geração do mínimo de resíduos possível, compatível com o conceito de economia circular.
A banana é uma das frutas mais consumidas pelo brasileiro, por seu importante valor nutricional e fácil aquisição. Em 2023 foram produzidas quase 7 milhões de toneladas dessa fruta, o que posiciona o Brasil como o quinto maior produtor mundial de bananas (2, 9). No entanto, uma problemática de seu cultivo e consumo é a grande quantidade de resíduos gerados, em média, 4 toneladas para cada tonelada de fruta. Dentre os principais resíduos está a inflorescência, popularmente conhecida como coração ou umbigo da bananeira (Figura 1). Para cada tonelada de fruta, são gerados em torno de 100 kg de inflorescência.
Figura 1. Bananeira e sua inflorescência com as respectivas partes (ráquis, flores e brácteas).
Este resíduo é usado na medicina popular para tratar doenças respiratórias como tosse e bronquite. Os seus benefícios à saúde estão ligados à presença de fitoesteróis, compostos fenólicos, flavonoides, antocianinas, alcaloides, saponinas, glicosídeos, taninos, aldeídos, terpenos, álcoois alifáticos de cadeia longa, ácidos graxos e vitaminas, além de polissacarídeos e proteínas. Os extratos da inflorescência de bananeira apresentam propriedades antidiabética, antioxidante, antimicrobiana, anti-inflamatória, imunomoduladora, anticancerígena, anti-obesidade, anti-protozoária, larvicida, trombolítica, cardioprotetora e galactopoiética (estimula a produção de leite materno) (10-18).
Dessa maneira, o extrato da inflorescência de bananeira poderia ser usado como aditivo natural na indústria de alimentos, como em produtos cárneos, lanches e sobremesas. Além disso, seu alto teor de proteína possibilita o seu uso em produtos baseados em plantas, atendendo aos mercados vegetariano e vegano. Ademais, os extratos poderiam ser usados como precursores de produtos farmacêuticos, devido à longa lista de atividades biológicas associadas a eles. São relatadas na literatura até aplicações para melhorar a performance de células solares orgânicas (15-17, 19). Por outro lado, esse resíduo não tem sido explorado comercialmente, devido à limitação de pesquisas e aplicações de seus possíveis produtos, sendo seu destino mais comum a alimentação animal ou o descarte.
Buscando o reaproveitamento da inflorescência, no contexto de economia circular, o resíduo foi submetido à extração por diferentes métodos para a obtenção dos compostos bioativos, ou seja, que possuem as atividades benéficas à saúde reportadas na literatura científica. Na primeira parte do projeto, a inflorescência foi submetida à extração por diferentes tecnologias e utilizando vários solventes considerados ambientalmente corretos. Para isso, as inflorescências foram secas e moídas, o que é necessário para preparar a matéria-prima para o processo de extração.
Foram utilizadas técnicas convencionais de extração, tais como a destilação por arraste a vapor e a extração utilizando solventes orgânicos, pelo método Soxhlet. Estas técnicas convencionais foram comparadas à moderna técnica de extração utilizando CO2 supercrítico como solvente. No método Soxhlet (Figura 2), em que o solvente permanece em sua temperatura de ebulição durante toda a extração, diferentes solventes foram avaliados: água, etanol, 2-metiltetraidrofurano (um outro solvente de baixa toxicidade derivado da cana-de-açúcar) e o convencional, porém tóxico, hexano. Já na extração supercrítica (Figura 3), o CO2 é mantido a alta pressão (100 a 350 atm, isto é, unidades de pressão atmosférica) e temperatura amena (35 a 60 °C), apresentando comportamento intermediário entre líquidos e gases, o que favorece o seu uso em processos de extração limpos. Ao final do processo, quando a pressão é diminuída, o CO2 é facilmente separado do extrato, voltando a ser gasoso.
Figura 2. Sistema Soxhlet utilizado na extração com solventes orgânicos.
Figura 3. Equipamento multipropósito de processos em alta pressão utilizado para extração com CO2 supercrítico.
Dentre os métodos de extração avaliados, o Soxhlet com água apresentou o maior rendimento, em torno de 24%, enquanto os demais solventes orgânicos obtiveram resultados na faixa dos 10%. Já os extratos obtidos por CO2 apresentaram rendimento na faixa de 1 a 3%, e a destilação por arraste a vapor, de apenas 0,01%. Todos os extratos apresentaram atividade antioxidante e a presença de compostos fenólicos, um dos grupos responsáveis por essa bioatividade. Esses extratos antioxidantes são de interesse das indústrias de alimentos, farmacêutica e cosmética. A próxima etapa do trabalho de extração, atualmente em andamento no laboratório, é analisar a composição química de cada extrato, para avaliar a seletividade de cada método e solvente utilizados em relação aos compostos de interesse, ou seja, aqueles que possuem atividades biológicas associadas.
Na sequência do trabalho, o resíduo resultante do processo de extração foi submetido à avaliação de seu potencial energético. Foram analisados o poder calorífico e a composição elementar. O poder calorífico superior (PCS) é o calor liberado durante a combustão por unidade de massa do combustível, no caso, o resíduo da inflorescência após a extração de compostos bioativos. A partir do PCS determinado experimentalmente, ainda foi possível calcular o poder calorífico inferior (PCI), ou seja, o mínimo de energia que pode ser obtida no processo de combustão. Os valores de poder calorífico obtidos foram de 15,1 MJ/kg (mega Joules por quilograma) para o superior e 13,9 MJ/kg para o inferior, o que é equivalente a outras biomassas conhecidas, como o bagaço de cana. Os teores de carbono e hidrogênio (39,6% e 4,9%, respectivamente), também indicaram seu potencial como combustível. Essa energia pode ser aproveitada em outras etapas do processamento da biorrefinaria, como por exemplo, na secagem da inflorescência antes do processo de extração. Alternativamente, será estudado o potencial desse resíduo para outras rotas de aproveitamento energético, como a produção de etanol de segunda geração, a fim de determinar qual é a rota mais economicamente vantajosa e sustentável.
Com os resultados encontrados na pesquisa, após o processo sequencial de extração e combustão, a partir de uma tonelada de inflorescências de bananeira colhidas no campo, restariam apenas 5,9 kg de resíduos, compostos majoritariamente por cinzas, ou seja, minerais. Dessa maneira, a biorrefinaria movida a resíduos de bananeira é uma alternativa tecnicamente viável para a obtenção de, no mínimo, dois produtos: 11,4 kg de extratos naturais e 947 MJ de energia, a partir de cada tonelada de matéria-prima (Figura 4). A sua fonte renovável de matéria-prima já é um resíduo, e com o aproveitamento de 99,4% do que recebe, a biorrefinaria atende ao conceito de economia circular. Além disso, os processos ambientalmente corretos aplicados na etapa de extração agregam ao seu conceito de sustentabilidade.
Figura 4. Proposta de biorrefinaria movida a resíduos da bananeira
Dos aproximadamente 7 milhões de toneladas de banana produzidas anualmente no Brasil, em torno de 14% são cultivados no estado de São Paulo, o que geraria quase 100 mil toneladas de inflorescências de bananeira. O setor agroindustrial poderia tirar proveito desse resíduo, a fim de elevá-lo à categoria de subproduto e oferecer a partir dessa matéria-prima amplamente disponível novos produtos naturais de valor agregado às indústrias alimentícia e farmacêutica, além de aproveitar seu potencial de produção de energia renovável na própria biorrefinaria ou para comercialização. A oferta de energia de biomassa permite aumentar a porcentagem de energias renováveis que compõem a matriz energética brasileira, sem modificações no uso da terra. Além disso, o uso de tecnologias ambientalmente corretas nos processos da biorrefinaria promove o mínimo impacto ambiental dessas operações, enquanto diminui a geração de resíduos sólidos.
Cada biorrefinaria é um desafio tecnológico único, devido às particularidades de cada matéria-prima, de cada processo e também dos diferentes produtos que podem ser obtidos. Por isso, futuramente serão avaliados outros resíduos agroindustriais como matérias-primas da biorrefinaria. Além disso, a fabricação de outros produtos será investigada, além dos extratos naturais e energia térmica, tais como fibras e polímeros naturais, biocombustíveis e outros bioprodutos de alto valor agregado. Numa etapa posterior será feita a avaliação econômica e de impacto ambiental da abordagem sugerida. O foco do grupo de pesquisa é viabilizar tecnicamente os conceitos de economia circular, em biorrefinarias, aplicados à realidade brasileira, de forma a contribuir com a preservação do meio ambiente e o desenvolvimento econômico do país.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Sr. Adauir Rodrigues Castro pela doação das inflorescências de bananeira. Também agradecem ao Conselho Nacional de Conhecimento Científico e Tecnológico (CNPq) (23006.012521/2023-50) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) (2022/15890-0; 2021/07575-2) que financiou as bolsas de iniciação científica das alunas envolvidas neste projeto.
Referências bibliográficas
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6. BRASIL. Lei nº 12.305, de 2 de agosto de 2010. Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos; altera a Lei nº 9.605, de 12 de fevereiro de 1998; e dá outras providências. Diário Oficial da União, Poder Executivo, Brasília, Página 3, Seção 1, 03 de agosto de 2010.
7. BRASIL. Decreto nº 10.936, de 12 de janeiro de 2022. Regulamenta a Lei nº 12.305, de 2 de agosto de 2010, que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos. Diário Oficial da União, Poder Executivo, Brasília, Página 2, Seção 1, 12 de janeiro de 2022.
8. BRASIL. Decreto nº 11.043, de 13 de abril de 2022. Aprova o Plano Nacional de Resíduos Sólidos. Diário Oficial da União, Poder Executivo, Brasília, Página 2, Seção 1, 14 de abril de 2022.
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