Objetivo: apresentar o fenômeno da fotossíntese e as propriedades da biomassa.
Sequência de atividades: • Aula expositiva
• Resolução de exercício
Conteúdos:
• Fotossíntese, energia da biomassa.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC Disciplina de Bases Conceituais da Energia
Fotossíntese: reação por meio da qual parte da energia solar incidente em uma planta, alga ou bactéria é convertida em energia química, a qual fica disponível em carboidratos, utilizando como reagentes gás carbônico e água e tendo como produto residual o oxigênio.
Seres vivos que realizam fotossíntese são chamados autótrofos, por serem capazes de produzirem o próprio “alimento”.
FOTOSSÍNTESE
Planta Alga marinha
Para absorverem a luz, as plantas utilizam pigmentos presentes em suas células, sendo a clorofila o mais importante deles. Curiosamente, a clorofila absorve principalmente as componentes violeta e vermelho do espectro visível, refletindo a luz verde.
Mecanismo de absorção de luz pelas plantas
fisiologiavegetalporhilde.blogspot. com
Tipos de clorofila
A maioria das plantas apresenta dois tipos de clorofila, a e b, cada uma com um espectro de absorção característico, mas ambas com picos no violeta e no vermelho.
Na fotossíntese de plantas verdes, elétrons da molécula de clorofila absorvem a energia incidente, ficando assim excitados e se desligando temporariamente da molécula de clorofila (o final dessa história será contado adiante!).
A energia adicional absorvida pelos elétrons não é liberada diretamente na forma de fótons, mas sim transferida a outras substâncias, através de um sofisticado sistema de transporte.
Por isso, dizemos que a energia luminosa captada é transformada em energia química.
Pode-se dizer que, a partir da energia solar incidente, a fotossíntese permite à planta produzir carboidratos (geralmente glicose) e oxigênio utilizando água e gás carbônico.
Essência energética da fotossíntese nas plantas verdes
A reação da fotossíntese é endotérmica e tem eficiência energética próxima de 1 % para as melhores culturas energéticas (há relatos de eficiência de 8% para a cana de açúcar, em condições laboratoriais). A eficiência de conversão pode ser quantificada pela razão entre a energia solar incidente na área ocupada pela planta em um determinado período e o conteúdo energético contido na matéria seca produzida no mesmo. Para uma mesma quantidade de matéria seca produzida, a eficiência pode variar pois sua composição química influencia no valor energético já que 1kg de lipídeos equivale a 37,7 MJ; 1kg de amido: 17,7 MJ e 1 kg de proteína: 12,6 MJ.
Eficiência da fotossíntese
A fotossíntese acontece em duas etapas, sendo uma delas chamada fase clara (ou fotoquímica) e a fase escura (ou química).
Desde já, alerta-se que é um erro achar que a fase escura só acontece no escuro. Ela recebe esse nome porque acontece independentemente da presença da luz.
Os acontecimentos essenciais da fotossíntese são:
• absorção de fótons de luz pela clorofila • fotólise da água
• redução de um aceitador de elétrons chamado NADP, que se transforma em outra substância chamada NADPH2
• a formação de outra substância energética chamada ATP • a síntese dos carboidratos (geralmente glicose)
A fotossíntese, nas plantas, ocorre no interior dos cloroplastos, organelas das células vegetais nas quais estão as moléculas de clorofila. Embora todas as células das partes verdes da planta tenham cloroplastos, a absorção se dá principalmente nas folhas, nas quais pode haver entre 400 e 800 mil cloroplastos por mm2.
Em que local da planta ocorre a fotossíntese?
Fonte: Fiocruz
http://salabioquimica.blogspot.com.br
Vista em corte do cloroplasto
fase clara
O processo reverso da fotossíntese chama-se respiração. Ela ocorre nas folhas e raízes dos vegetais e nos animais, assim como na matéria orgânica em decomposição. A reação química correspondente é:
O
2+
carboidratosCO
2+ H
2O + calor
CO2 + H2O + energia luminosa O2 + carboidratos Respiração
:
Fotossíntese:
Note que a concentração de CO2 atmosférico pode variar entre o dia e a noite e mesmo de acordo com as estações do ano.
Respiração versus fotossíntese
Ponto de compensação
1) Na fase clara, ocorre, basicamente:
• a fotólise da água ou “quebra” de seus componentes, sendo o oxigênio liberado e o hidrogênio absorvido pelo NADP, que se torna o NADPH2. Note que o oxigênio liberado vem da quebra da água e não do CO2.
• sintetização do ATP (substância rica em energia a ser utilizada pelo próprio cloroplasto no processo da fotossíntese), a partir do ADP e fosfato.
Ainda na fase clara, a fotofosforilação – produção de ATP a partir do ADP e fosfato envolve a liberação de elétrons pela clorofila (estimulados pelos fótons).
O transporte desses elétrons é feita ao longo de uma cadeia complexa, processo no qual eles cedem energia a outras substâncias e são absorvidos novamente por moléculas de clorofila. Essa energia liberada pelos elétrons para retornarem ao estado inicial é utilizada pela planta na síntese do ATP.
Quando os elétrons retornam a clorofilas do mesmo tipo da qual saíram, a fotofosforilação é chamada cíclica. Nesse processo forma-se apenas o ATP.
2) Na fase escura, ocorre, basicamente:
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Fatores limitadores externos da fotossíntese
BIOMASSA
A energia da biomassa é aquela derivada de matéria viva como: • grãos
• as árvores e plantas aquáticas e terrestres
• resíduos agrícolas e florestais (incluindo restos de colheitas e e estrumes) • resíduos sólidos municipais.
A energia da biomassa pode ser descrita como energia solar armazenada na forma de energia química, através do processo da fotossíntese. Ela pode ser utilizada como combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos.
Existem 3 tipos de processos de conversão da energia da biomassa em outras formas de energia (geralmente calor). São eles:
1) Processos bioquímicos: quando há decomposição de matéria orgânica em uma atmosfera deficiente em O2. Como exemplo, temos a produção do gás metano (CH4 – digestão anaeróbica) e a fermentação alcoólica controlada para a produção de etanol e metanol.
2)Processos termoquímicos:
a) Combustão direta: Oxidação completa ou queima de biomassa para produzir calor. Por exemplo, para aquecer um ambiente ou para produzir eletricidade em uma usina termoelétrica.
b) Gaseificação: Oxidação parcial, com falta de oxigênio, gerando um gás de síntese (Syngas) composto por CO, CH4 CO2 e H2 que pode ser utilizado como combustível.
2)Processos físico-Químicos:
Biocombustíveis obtidos por fermentação
1) Etanol
C2H5OH
Obs: a fermentação para a produção de bebidas alcoólicas data de 4000 anos a.C. Os egípcios faziam cerveja com grãos e uva.
Obtido a partir da fermentação alcoólica de grãos (milho), cana de açúcar, madeira, beterraba, centeio realizada por leveduras.
2)
MetanolCH
3OH
Obtido a partir de óleos vegetais em geral, como o de soja. No processo, a goma e a glicerina do óleo são removidas, formando um combustível com propriedades semelhantes ao diesel – daí o nome.
O biodiesel produz aproximadamente 3 unidades energia/ 1 unid. comb. fóssil consumida na produção. É praticamente livre de enxofre e biodegradável.
O biodiesel pode ser obtido a partir de: • Óleo de soja (1º lugar no BR)
• Óleo de canola • Óleo de colza • Óleo de mamona
• Óleo de algodão (cerca de 4% da produção no BR) • Óleo de dendê
• Pinhão manso • Óleo de crambe
• Sebo bovino (2° lugar no BR) • Óleo residual de frituras
Soja Canola Pinhão Manso Sebo bovino Crambe
• Eles não estariam concorrendo com os alimentos?
• A quantidade de energia de origem fóssil utilizada em sua produção não seria até mesmo maior que a energia “limpa” desses combustíveis?
Exercício resolvido:
Em uma plantação de cana-de-açúcar no interior do Estado de São Paulo, a produtividade é de 80 t/ha, com tempo de colheita de 12 meses. O valor energético dessa cana é de 1.718 kcal/kg*. Nessa localidade, a irradiação solar média é de 5,0 kWh/m2/dia e a área plantada ocupa 290 ha. Determine,
em porcentagem, a eficiência de conversão da energia solar em energia de biomassa nessa fazenda.
Dados: 1 ano = 365 dias; 1 cal = 4,184 J.
