Composição química, estrutura e classificação da biomassa

O conceito de biomassa abrange-se para materiais vastamente distintos em formas, tamanhos e aspecto. Tanto uma árvore conífera centenária quanto uma flor de girassol e um grão de soja podem ser chamados de biomassas, genericamente. Assim, há diversas classificações das biomassas que objetivam agrupá-las de acordo com características semelhantes.

Primeiramente, classifica-se a planta quanto a dois aspectos: o ciclo de vida e a rota fotossintética de fixação de carbono (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014). O ciclo de vida da planta pode ser anual, bienal ou perene. As plantas de ciclo anual levam 12 meses para completar seu ciclo de semeadura e colheita, sendo necessário a cada ano refazer os processos de preparo do solo, fertilização e controle de pestes e ervas daninhas. Algumas plantas de ciclo anual podem possuir mais de uma safra em um único ano em condições climáticas favoráveis, como o caso do milho no Brasil (OLIVEIRA, 2011). Plantas bienais, mais raras, tem seu ciclo de vida completo em 24 meses, havendo o desenvolvimento de suas folhas, caules e raízes no primeiro ano. Após, as plantas passam por um período de hibernação durante o inverno e tornam a crescer rapidamente na primavera e no verão, florescendo e dando as sementes antes de finalizar seu ciclo. As espécies perenes, por sua vez, vivem por uma quantidade de tempo superior às demais, que varia com a espécie. Podem chegar a séculos ou até mesmo milênios (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014).

A rota fotossintética da planta consiste no seu metabolismo utilizado para a fixação de carbono, que determina a resposta do organismo às condições climáticas (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014). Há três diferentes tipos de rotas fotossintéticas: C3, C4

e MAC. A rota C3 é a mais comum entre os organismos vegetais. Chama-se C3 em razão

da primeira molécula formada após a captura do CO2, que possui três átomos de carbono.

Durante períodos de iluminação, a planta absorve o CO2 diretamente por estômatos (poros

nas folhas) abertos, o que permite perda de água pela planta. Assim, plantas de mecanismo C3 possuem menor eficiência no uso de água em relação a plantas com outras rotas

fotossintéticas. As plantas C4 tem um mecanismo de fixação mais eficiente em relação às

C3, pois são capazes de concentrar o CO2 internamente, utilizando energia para tal,

seguindo posteriormente um mecanismo semelhante às plantas C3. Seus rendimentos

fotossintéticos são superiores, tal como o consumo de água é menor no processo. A outra rota fotossintética é o metabolismo ácido crassuláceo (MAC), que ocorre em plantas

16 propensas a ambientes áridos. O mecanismo apresenta etapas enzimáticas semelhantes ao C4, entretanto os estômatos são mantidos fechados durante o calor do dia, para evitar a

perda de água. São abertos à noite, permitindo a difusão do CO2 para as folhas para ser

convertido a um ácido com quatro átomos de carbono. Ao longo do dia, com os poros fechados, o ácido é quebrado em CO2, que é utilizado na síntese de produtos de interesse

com a disponibilidade de energia luminosa (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014).

Além das plantas como um todo, diferentes partes das plantas também apresentam composições distintas, que lhes proporcionam a produção de substâncias específicas. Assim, há quatro tipos básicos de produtos que podem ser extraídos da biomassa: amido, óleo, carboidratos solúveis e polímeros estruturais (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014).

O amido é proveniente de tubérculos e das partes amiláceas dos cereais. É um polímero composto por cadeias de alfa-D-glicose, que podem ser lineares (amilose) ou ramificadas (amilopectina) (BERTOLINI, 2016). Seu principal mecanismo de aproveitamento energético é realizado por meio da sua fermentação a etanol, que necessita anteriormente de uma etapa de hidrólise para quebra das cadeias poliméricas em açúcares fermentáveis (SHIE et al., 2011).

O óleo é uma substância líquida viscosa formada por triglicerídeos, obtido pelo esmagamento de sementes oleaginosas. Seu aproveitamento energético ocorre principalmente pelo processo de transesterificação, no qual o óleo é convertido a biodiesel (SWANSON et al., 2010).

Carboidratos solúveis são açúcares simples, como frutose, glicose e sacarose, assimiláveis diretamente por micro-organismos. Assim como o amido, seu uso energético baseia-se na fermentação a etanol, conquanto não precise de etapa hidrolítica anterior (GOLDEMBERG; COELHO; GUARDABASSI, 2008; SIMS et al., 2010).

Os polímeros estruturais da biomassa são responsáveis por conferir estabilidade à matéria. São formados por três compostos principais: a celulose, a lignina e a hemicelulose (HARMSEN et al., 2010). A proporção dos polímeros na composição da parede celular da biomassa determina a sua característica estrutural. Biomassas lenhosas apresentam maior teor de lignina, enquanto que biomassas herbáceas contêm maior proporção de celulose (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014).

17 A celulose é um polímero formado essencialmente por glicose, sendo sua fórmula estrutural (C6H10O5)n. Sua cadeia estrutural encontra-se representada na Figura 2.2. A

diferença da celulose para o amido está na forma como os monômeros de glicose se ligam no polímero. Devido a sua estrutura cristalina e a sua associação à hemicelulose e à lignina, a decomposição da celulose em seus monômeros constituintes é mais complicada do que para o amido, demandando tratamentos químicos mais severos ou rotas enzimáticas. A celulose não funde com a elevação da temperatura, porém sua degradação térmica se inicia em 180 °C (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014; HARMSEN et al., 2010).

Figura 2.2: Estrutura química do polímero celulose Fonte: HARMSEN et al. (2010)

A hemicelulose, ao contrário da celulose, consiste em uma família de polímeros mistos de polissacarídeos, apresentando diferentes composições e estruturas a depender de sua origem e do método de extração empregado. O polímero mais comum no conjunto dos polissacarídeos que pertencem à família da hemicelulose é a xilose, um açúcar com cinco átomos de carbono. Porém, a hemicelulose também pode apresentar em sua estrutura açúcares com seis átomos de carbono. Desta forma, quando degradada a seus constituintes, a hemicelulose gera uma mistura com diferentes tipos de açúcar, dificultando o processo fermentativo. A Figura 2.3 traz um exemplo de estrutura química a hemicelulose, na qual são destacadas as heterogeneidades na composição do polímero (DAVIS; HAY; PIERCE, 2014; HARMSEN et al., 2010).

18 Figura 2.3: Exemplo de estrutura química do polímero hemicelulose

Fonte: Adaptado de HARMSEN et al. (2010)

A lignina, por sua vez, consiste em um polímero amorfo e tridimensional, com estrutura complexa. Tem o fenilpropano como principal bloco constituinte de sua estrutura. Suas principais funções são de conferir à planta robustez, resistência à água e resistência à ruptura, além de defesa a ataques fúngicos e microbiológicos. Promove também auxílio na ligação entre as fibras das moléculas de celulose.

A Tabela 2.2 sumariza as principais classificações da biomassa, conforme apresentado ao longo desta seção. Vale ressaltar que outras formas de classificar a biomassa são possíveis, como proposto em VASSILEV et al. (2010), haja vista a diversidade de substâncias denominadas biomassa.

19 Tabela 2.2: Classificações da biomassa

Classificações da Planta Ciclo de Vida

Anual Bienal Perene

Mecanismo Fotossintético

C3 C4 MAC

Classificações dos Produtos da Biomassa

Amiláceos Açúcares Oleaginosos Lignocelulósicos

Classificações das Biomassas Lignocelulósicas

Lenhosas Herbáceas

Fonte: Elaboração própria com base em DAVIS, HAY e PIERCE (2014) e HARMSEN

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