Biomassa

Biomassa pode ser definida, geralmente, como qualquer material orgânico que consiste principalmente de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. O enxofre também pode estar presente em menores proporções. Alguns tipos de biomassa possuem também proporções significativas de espécies inorgânicas. A concentração das cinzas resultantes dessas matérias inorgânicas varia de menos de 1% em madeiras a 15% em biomassa herbácea e resíduos agrícolas. Recursos de biomassa incluem vários materiais naturais e derivados, tais como espécies lenhosas e herbáceas, resíduos de madeira, bagaço de cana, resíduos agrícolas e industriais, resíduos de papel, resíduos sólidos urbanos, serragem, biosólidos, grama, resíduos de indústrias de alimentos, resíduos animais, plantas aquáticas e outras (YAMAN, 2004).

Biomassa também pode ser definida como todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. A biomassa é uma forma indireta de energia solar, sendo esta convertida em energia química, através da fotossíntese, base dos processos biológicos de todos os seres vivos (ANEEL, 2005). A utilização de biomassa e seus derivados tornou-se uma importante fonte alternativa de energia renovável devido à sua ampla disponibilidade, renovação e benefícios significativos, além disso, a energia derivada da biomassa reduz a dependência de combustíveis fósseis.

Diversas tecnologias foram desenvolvidas ao longo dos anos para converter biomassa em outras formas mais valiosas de energia. Tecnologias de conversão termoquímica, tais como a gaseificação e a pirólise, são uma promessa, porque estas possuem flexibilidade em aceitar uma grande variedade de matérias-primas e também produzir uma ampla gama de produtos com alta eficiência (BRIDGWATER, 2003).

Embora grande parte da biomassa seja de difícil contabilização, devido ao uso não comercial, estima-se que ela possa representar até cerca de 14% de todo o consumo mundial de energia primária. Em alguns países em desenvolvimento, essa parcela pode aumentar para 34%, chegando a 60% na África (ANEEL, 2005).

A estrutura química e principais componentes orgânicos da biomassa são extremamente importantes no desenvolvimento de processos para a produção de derivados de combustíveis e produtos químicos, pois a pirólise de materiais diferentes resulta na decomposição térmica com diferentes características e produtos. Os principais componentes orgânicos da biomassa podem ser classificados como celulose, hemicelulose e lignina. Os diferentes tipos de biomassa podem conter diferentes quantidades destes materiais.

Normalmente, a celulose, hemicelulose e lignina constituem cerca de 85–90% de biomassa lignocelulósica, extrativos e minerais inorgânicos constituem o restante. Hemicelulose, celulose e lignina cobrem respectivamente 20–40, 40–60 e 10–25% da maioria das biomassas lignocelulósicas (MCKENDRY, 2002).

2.1.1 Celulose

Celulose é o composto orgânico mais abundante na natureza e o principal polímero estrutural de uma parede celular de biomassa. Celulose de diferentes tipos de biomassa não podem ser identificados quimicamente exceto pelo seu grau de polimerização que pode variar de 5000 a 10000. Além disso, possui um alto peso molecular.

A celulose é um polissacarídeo linear formado por unidades monoméricas de glicose anidra unidas por ligações glicosídicas β (1→4), conforme mostra a Figura 2.1. A unidade básica de repetição do polímero celulose consiste de duas unidades de glicose anidras, chamadas de unidade celobiose. Fortes ligações de hidrogênio entre as cadeias lineares conferem uma estrutura cristalina para a celulose, tornando-se altamente impermeável à dissolução e hidrólise utilizando reagentes químicos comuns. Vários estudos determinaram a faixa de degradação da celulose. Segundo Vamvuka et al. (2003), a degradação da celulose ocorre em um intervalo de 240 a 390°C. Damartzis et al. (2011) determinaram que essa degradação ocorre entre 280 e 380°C. Para Yang et al. (2007), a degradação da celulose ocorre entre 315 e 400°C.

2.1.2 Hemicelulose

Hemiceluloses são polissacarídeos complexos que ocorrem em associação com a celulose na parede da célula. Consistem em estruturas ramificadas, que variam consideravelmente entre diferentes espécies de biomassa. Apresentam um peso molecular menor que a celulose.

A hemicelulose é constituída por monômeros de diferentes açúcares tais como glicose, xilose, manose, galactose e arabinose e ácidos glicurônicos, mostrados na Figura 2.2. Possuem normalmente 150 unidades monoméricas, quantidade baixa se comparada com a celulose (5000 a 10000). O mais abundante é xilano. O xilano existe em coníferas e folhosas até cerca de 10% e 30% do peso seco da espécie, respectivamente. Vamvuka et al. (2003) determinaram que a decomposição da hemicelulose ocorre no intervalo de 160 a 360°C. Para Damartzis et al. (2011), a degradação ocorre entre 200 e 320°C. Yang et al. (2007) verificaram que a hemicelulose decompõe-se a temperaturas de 220 a 315 °C.

Figura 2.2 − Principais componentes da hemicelulose (MOHAN, 2006).

2.1.3 Lignina

A lignina é uma macromolécula tridimensional, altamente ramificada, composta por diversas unidades fenilpropanoides substituídas diversas vezes. Essas unidades monoméricas de fenilpropanoides em geral apresentam as estruturas p-cumaril, coniferil e sinapíl mostradas na Figura 2.3 (MOHAN et al., 2006). É também um elemento de suporte que proporciona elasticidade e resistência mecânica à biomassa (PASANGULAPATI et al., 2012). Vamvuka et al. (2003) determinaram que a decomposição da lignina ocorre no intervalo de 200 a

850°C. Segundo Damartzis et al. (2011), a degradação da lignina ocorre entre 200 e 600°C. Para Yang et al. (2007), a degradação térmica da lignina ocorre na faixa de 250 a 900°C.

Figura 2.3 − Estruturas p-cumaril, coniferil e sinapíl (MOHAN, 2006).

2.1.4 Minerais inorgânicos

A biomassa apresenta uma pequena quantidade de minerais, que no final da pirólise dão origem as cinzas (MOHAN et al., 2006).

Existem vários estudos sobre o efeito dos minerais inorgânicos sobre o processo de pirólise da biomassa. Esses minerais podem desempenhar um papel catalítico importante influenciando tanto na decomposição térmica quanto na formação dos produtos.

2.1.5 Extrativos orgânicos

Os extrativos podem ser extraídos da madeira com solventes polares (como água, cloreto de metileno ou álcool) ou solventes apolares (tais como o tolueno ou hexano). Exemplos de extrativos incluem gorduras, ceras, alcalóides, proteínas, compostos fenólicos, açúcares simples, pectinas, gomas, resinas, amidos e óleos essenciais. Extrativos funcionam como intermediários no metabolismo, como reservas de energia e como defesas contra o ataque microbiano e de insetos (MOHAN et al., 2006).