Biorrefinarias de batata-doce : um modelo de economia circular

Abstract

Em 2030, estima-se que a população mundial terá alcançado o patamar de nove bilhões de pessoas, aumentando a quantidade de resíduos alimentares gerados. Cerca de 1,3 bilhões de toneladas de alimentos são desperdiçados por ano. A crescente demanda por proteção ambiental e o desejo de conservação de recursos está incentivando uma valorização mais eficiente desses resíduos para a produção de ingredientes alimentares de maior valor agregado, produtos químicos e biocombustíveis. A produção brasileira de batata-doce é a 15ª no ranking mundial, com produção de 847.896 toneladas em 2020. A quantidade global de resíduos de batata-doce representa cerca de 7% de toda a colheita anual. Nesse contexto, surge o conceito de biorrefinarias de resíduos de batata-doce, visando viabilidade econômica e sustentabilidade dentro do conceito de economia circular. Estudos anteriores no GIMSCOP mostraram a viabilidade técnica e econômica de produzir etanol e bebidas destiladas a partir de batata-doce. O objetivo desse trabalho é ampliar a gama de produtos comercializáveis feitos a partir de resíduos de batata-doce, permitindo o aproveitamento total dessa biomassa. O tubérculo inadequado para consumo humano, ao passar pelos processos de hidrólise, fermentação e destilação, gera os produtos etanol, bebida destilada e torta residual de fermentação. Outra vertente até então pouco explorada é a utilização da parte aérea da batata-doce, que por meio de secagem gera o produto chá de folhas de batata-doce, o qual apresentou um teor de compostos fenólicos totais (19,62±0,42 mg EAG.g-1, em base seca) superior aos chás de ervas avaliados, e uma capacidade antioxidante (153,98±1.10 µg.mL-1) similar aos chás de camomila e erva-doce. O perfil fenólico avaliado por LC-MS consistiu em: ácidos quínico, clorogênico, dicafeoilquínico, cafeico e azelaico; rutina e um derivado de quercetina, compostos esses que apresentam vários benefícios para a saúde. Na análise sensorial, todos os parâmetros analisados ficaram acima do índice mínimo de aceitação e a nota de aceitação global foi de 7,05 (escala de 1-9), mostrando seu potencial de comercialização. A fermentação desse chá pela associação de bactérias acéticas e leveduras denominada SCOBY permite a produção de kombucha, o produto de crescimento mais rápido no mercado de bebidas funcionais. Chá de folhas de batata-doce e chá verde foram misturados em diferentes blends (0, 25, 50, 75 e 100%) para a produção de kombucha. A maior concentração de ácido acético foi produzida na kombucha com 100% de chá verde, diminuindo à medida que o teor de chá de batata-doce na mistura aumentava. Em contraste, etanol foi produzido em concentrações mais altas em misturas com maiores quantidades de chá de folhas de batata-doce. Resultados mostram que um blend de até 75% de chá de folhas de batata-doce (118,34±2,31 mg EAG.g-1) pode ser utilizada e ainda se equiparar ao teor fenólico das kombuchas comerciais. O perfil fenólico da kombucha avaliado por LC-MS consistiu nos mesmos compostos encontrados no chá de folhas de batata-doce. As folhas de batata-doce também podem ser utilizadas para produzir bio- óleo, biochar e gases por meio do processo de pirólise. O rendimento mássico médio foi de 35% para bio-óleo, 35% para biochar e 30% para gases. Todos os bio-óleos apresentaram pH básico (8-9), e seus principais compostos identificados por GC-MS foram fenólicos. Os biochars gerados são microporosos e não tiveram aumento apreciável da área superficial e volume de poros. Na análise dos gases, foram identificados picos de CO e CO2 em 350°C e de CH4 e H2 em 550°C. Por fim, foi proposto um modelo de negócios preliminar para que a implementação das unidades modulares de biorrefinarias descentralizadas automatizadas se torne uma realidade no futuro.

By 2030, it is estimated that the world population will have reached the level of nine billion people, increasing the amount of food waste generated. About 1.3 billion tons of food are wasted each year. The growing demand for environmental protection coupled with the desire to conserve resources is encouraging a more efficient recovery of these wastes to produce higher value-added food ingredients, chemicals, and biofuels. The Brazilian production of sweet potato is the 15th in the world ranking, with production of 847,896 tons in 2020. The global amount of sweet potato waste represents about 7% of the entire annual harvest. In this context, the concept of sweet potato waste biorefineries arises, aiming at economic viability and sustainability within the concept of circular economy. Previous studies at GIMSCOP have shown the technical and economic feasibility of producing ethanol and distilled beverages from sweet potato. The objective of this work is to expand the range of marketable products made from sweet potato waste, allowing the full use of this food waste. The tuber unsuitable for human consumption, when going through the processes of hydrolysis, fermentation, and distillation, generates the products ethanol, distilled beverage, and residual fermentation slurry. Another aspect that has been little explored so far is the use of the aerial part of sweet potato, which, through drying, generates the tea product of sweet potato leaves, which presented a content of total phenolic compounds (19.62±0.42 mg GAE.g-1, on a dry basis) superior to the herbal teas evaluated, and an antioxidant capacity (153.98±1.10 µg.mL-1) similar to chamomile and fennel teas. The phenolic profile evaluated by LC-MS consisted of: quinic, chlorogenic, dicaffeoylquinic, caffeic, and azelaic acids; rutin and a quercetin derivative, compounds that have several health benefits. In the sensory analysis, all parameters analyzed were above the minimum acceptance rate and the overall acceptance score was 7.05 (scale 1-9), showing its commercialization potential. The fermentation of this tea by the association of acetic bacteria and yeast called SCOBY allows the production of kombucha, being the fastest growing product in the functional beverage market. Sweet potato leaf tea and green tea were mixed in different blends (0, 25, 50, 75 and 100%) to produce kombucha. The highest concentration of acetic acid was produced in kombucha with 100% green tea, decreasing as the sweet potato tea content in the blend increased. In contrast, ethanol was produced at higher concentrations in mixtures with higher amounts of sweet potato leaf tea. Results show that a blend of up to 75% of sweet potato leaf tea (118.34±2.31 mg GAE.g-1) can be used and still match the phenolic content of kombucha available on the market. The phenolic profile of kombucha evaluated by LC-MS consisted of the same compounds found in sweet potato leaf tea. Sweet potato leaves can also be used to produce bio-oil, biochar, and gases through the pyrolysis process. The average mass yield was 35% for bio-oil, 35% for biochar and 30% for gases. All bio-oils presented basic pH (8-9), and their main compounds identified by GC-MS were phenolic. The generated biochars are microporous and had no appreciable increase in surface area and pore volume. In the gas analysis, peaks of CO and CO2 were identified at 350°C, and a maximum of CH4 and H2 at 550°C. Finally, a preliminary business model was proposed so that the implementation of modular units of automated decentralized biorefineries becomes a reality in the future.