FUNDAMENTOS DE BIOENERGIA

Prévia do material em texto

AULA 1 
FUNDAMENTOS DE 
BIOENERGIA 
Profª Maria de Fátima dos Santos Ribeiro 
 
 
02 
CONVERSA INICIAL 
As plantas, algas e algumas bactérias possuem a capacidade de captar a 
energia luminosa e transformá-la em energia química, a qual ficará armazenada 
na biomassa, que, posteriormente, passará por algum processo de liberação e 
aproveitamento dessa energia. 
O Brasil tem um grande potencial de geração de energia a partir da 
biomassa, pois possui uma grande diversidade de solos férteis e um clima em sua 
maior parte tropical e subtropical, com chuvas abundantes. 
De forma diferente de outras energias renováveis, a energia da biomassa 
é ampla de possibilidades, justamente por essa diversidade climática que 
prevalece no país, possibilitando o cultivo de diferentes espécies de plantas que 
podem ser aproveitadas para a geração de energia: a cana-de-açúcar, as 
espécies florestais, como eucalipto, e muitas outras, por exemplo a soja e canola. 
No entanto, a produção de biomassa não se dá apenas em função dessas 
espécies. Como a biomassa se refere a qualquer material orgânico, os resíduos 
de abate de animais também podem ser utilizados na geração de energia, bem 
como outros materiais residuais, como dejetos da produção animal, resíduos das 
indústrias de processamento de alimentos e resíduos sólidos urbanos dispostos 
em aterros. Essa biomassa residual é de extrema importância, pois, além de gerar 
energia, contribui para solucionar o problema do lixo urbano e da poluição das 
águas e da atmosfera. 
Como a diversidade de matérias-primas é grande, consequentemente para 
cada matéria-prima deverá haver tecnologias e sistemas específicos que 
possibilitem o aproveitamento energético desses materiais, os quais são 
constituídos por diferentes moléculas energéticas. Dessa forma, o conhecimento 
das características de tais moléculas energética é a base para a compreensão 
das tecnologias de conversão da energia da biomassa. Para citar um exemplo: na 
produção de etanol de milho (principal planta utilizada nos Estados Unidos), antes 
da fermentação, é necessária uma etapa de gelatinização, que consiste no 
aquecimento dos grãos em água. Isso ocorre porque o amido (molécula 
energética) possui baixa solubilidade em água, o que não ocorre com a sacarose 
(molécula energética da cana-de-açúcar). Da mesma forma, quando se aproveita 
o bagaço da cana-de-açúcar para a produção de etanol de segunda geração 
(etanol 2G), é necessária uma etapa de hidrólise para disponibilizar o açúcar 
contido na celulose, o qual será posteriormente fermentado. 
 
 
03 
Dessa forma, esta aula tem por objetivo fornecer uma base para que você 
possa compreender como as plantas captam a energia luminosa e a transformam 
em energia química e, sobretudo, conhecer os diferentes tipos de moléculas 
energéticas. Serão apresentados os aspectos gerais da fotossíntese, pois esse é 
o processo-chave responsável pelo armazenamento de energia nas plantas e 
posterior síntese das diversas moléculas que vão formar os produtos energéticos 
(etanol, lenha, carvão, biodiesel etc.) 
Assim, esta aula está estruturada da seguinte forma: inicialmente, vamos 
descrever, de uma forma bem sintética, o processo da fotossíntese. A seguir, 
apresentaremos as características das principais moléculas que vão armazenar a 
energia da fotossíntese e que posteriormente serão utilizadas nos processos de 
aproveitamento da energia da biomassa. 
CONTEXTUALIZANDO 
Os organismos fotossintetizantes captam a energia luminosa e a 
armazenam na forma de energia química, contida em diferentes tipos de 
moléculas. A partir da fotossíntese, o metabolismo das diferentes espécies 
vegetais percorre diferentes rotas metabólicas e produz moléculas 
armazenadoras de energia que vão constituir os tecidos e as células vegetais. 
Assim, plantas oleaginosas, como a soja, vão direcionar a energia para a 
produção de óleo; a cana-de-açúcar, para a produção de sacarose; as espécies 
florestais, para a produção de celulose; o milho, para a produção de amido. 
Seguindo a hierarquia da cadeia alimentar, os seres heterotróficos vão alimentar-
se dessas plantas e armazenar a energia contida nos tecidos vegetais. 
A geração da energia a partir da biomassa consiste em desconstruir esses 
tecidos e células vegetais de forma a retirar a energia contida em tais moléculas. 
Dessa forma, quando um colmo de cana-de-açúcar entra em uma usina de etanol, 
seu caldo é extraído e passa por um processo de fermentação alcoólica para a 
quebra de suas moléculas de sacarose, onde está armazenada a energia. O grão 
de soja passa por um processo de extração de seu óleo e de transesterificação 
para a separação do ácido graxo contido no óleo e posterior separação da 
glicerina, produzindo biodiesel que será usado em motores de combustão interna. 
O dejeto produzido em uma criação de suínos ou em um aterro sanitário vai passar 
por um processo de biodigestão anaeróbia, na qual bactérias decompõem esses 
resíduos até produzir metano (CH4). Em outras palavras, quando se produz 
 
 
04 
energia a partir da biomassa, percorre-se o caminho inverso daquele percorrido 
pelos organismos. Portanto, o conhecimento desses processos metabólicos e 
moléculas energéticas produzidas a partir desses processos é a base para a 
compreensão das tecnologias de conversão da biomassa em energia. 
TEMA 1 – BIOMASSA: DEFINIÇÃO 
 Segundo a ANEEL (2002), do ponto de vista energético para fins de outorga 
de empreendimentos de energia elétrica, biomassa é todo recurso renovável 
oriundo de matéria orgânica, vegetal ou animal que pode ser utilizado na 
produção de energia. Assim, a energia da biomassa é uma forma indireta de 
energia solar, a qual é convertida em energia química a partir da fotossíntese. 
TEMA 2 – DE ONDE VEM A ENERGIA DA BIOMASSA? 
A energia da biomassa está contida em moléculas energéticas resultantes 
de processos de síntese. Tudo começa com a fotossíntese, e, em seguida, o 
metabolismo das plantas vai seguir diversas rotas metabólicas, produzindo 
diferentes tipos de moléculas. Assim, a cana-de-açúcar vai armazenar a energia 
na forma de sacarose; a mandioca e o milho vão armazenar a energia na forma 
de amido contido em suas raízes e grãos, respectivamente; as plantas 
oleaginosas, como a soja e a canola, ou ainda as algas vão armazenar a energia 
na forma de óleos e gorduras, e plantas lenhosas, como o eucalipto e o pinus, 
produzirão celulose, hemicelulose e lignina. 
A geração de energia consiste na degradação dessas moléculas a partir de 
processos como a degradação térmica (combustão, pirólise) e a biológica 
(fermentação alcoólica ou biodiestão anaeróbia). 
TEMA 3 – FOTOSSÍNTESE: ONDE TUDO SE INICIA 
A fotossíntese é um processo fisiológico que ocorre nas plantas captando 
a energia proveniente do Sol e a transformando em energia química por meio de 
complexas reações bioquímicas. Em uma disciplina que objetiva apresentar os 
fundamentos da energia da biomassa, é fundamental compreender a fotossíntese, 
pois sem ela não haveria energia da biomassa. 
 Os organismos fotossintetizantes (plantas superiores e algas) utilizam a 
energia do Sol para a síntese de compostos carbonados, a partir da energia 
 
 
05 
luminosa e das moléculas de dióxido de carbono e água, formando carboidrato e 
oxigênio, segundo a equação 1: 
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (1), 
Em que: 
CO2 = molécula de gás carbônico 
H2O = molécula de água 
C6H12O6 = molécula de carboidrato ou hidrato de carbono, representada na 
equação pela glicose 
O2 = molécula de oxigênio 
 Verifica-se pela Equação 1 que a fotossíntese é um processo no qual a 
planta fixa o carbono contido no gás carbônico da atmosfera e libera oxigênio para 
a atmosfera. A compreensão desse processo é importante visto que essa 
capacidade de fixar o carbono da atmosfera é que torna a biomassa um recurso 
energético importante do ponto de vistaambiental, pois ela retira da atmosfera o 
CO2, um dos gases de efeito estufa responsáveis pelo aquecimento global. 
A importância em se compreender a constituição dos carboidratos (ou 
hidratos de carbono) reside no fato de que essas moléculas desempenham 
funções de armazenamento de energia na planta (como a sacarose e o amido), 
mas também dão origem a outras moléculas com funções estruturais, como a 
celulose e a lignina. 
A fotossíntese ocorre em estruturas denominadas cloroplastos, existentes 
nas células vegetais (Figura 1). Esses cloroplastos contêm pigmentos 
denominados clorofila, os quais são os responsáveis pela absorção da luz. A 
fotossíntese ocorre em duas fases: a fase fotoquímica, quando a clorofila capta a 
energia luminosa, e a fase bioquímica, que vai resultar na fixação do carbono da 
atmosfera. Esse carbono vai dar origem aos carboidratos, que vão conter a 
energia. 
 
 
 
06 
Figura 1 – Fotografia de um tecido vegetal, no qual se observam as células e os 
cloroplastos 
 
Fonte: Infobiología, S.d. 
Nas equações da fotossíntese, em geral o carboidrato é representado pela 
molécula de glicose. Entretanto, as principais moléculas de açúcares resultantes 
do processo fotossintético são a sacarose e o amido (Teiz; Zeiger, 2013). 
TEMA 4 – MOLÉCULAS ENERGÉTICAS 
4.1 Carboidratos 
 Segundo Nelson e Cox (2011), carboidratos são polidroxialdeídos, 
polidroxicetonas ou substâncias que geram esses compostos quando 
hidrolisadas. Muitos carboidratos têm fórmula empírica (CH2O)n. Existem três 
classes gerais de carboidratos: monossacarídeos, dissacarídeos e 
polissacarídeos. Dentro dessa classificação, serão apresentadas a seguir as 
principais moléculas de interesse da geração de energia da biomassa. 
4.1.1 Monossacarídeos 
Os monossacarídeos são sólidos cristalinos e incolores plenamente 
solúveis em água. Os esqueletos dos monossacarídeos são compostos por 
cadeias de carbono não ramificadas, nas quais todos os átomos de carbono estão 
unidos por ligações simples. Monossacarídeos com quatro, cinco, seis e sete 
átomos de carbono são chamados de tetroses, pentoses, hexoses e heptoses, 
respectivamente (Nelson; Cox, 2011). A estrutura molecular de dois 
monossacarídeos importantes do ponto de vista de energia da biomassa – glicose 
e frutose – é apresentada na Figura 2. 
 
 
07 
Figura 2 – Representação esquemática das moléculas de glicose (à esquerda) e 
frutose (à direita) 
 
4.1.2 Dissacarídeos 
 Os dissacarídeos consistem de dois monossacarídeos unidos por uma 
ligação O-glicosídica. Esse tipo de ligação é prontamente hidrolisada por um 
ácido. Assim, os dissacarídeos podem ser hidrolisados para originar seus 
compostos monossacarídicos livres (Nelson; Cox, 2011). A sacarose, um 
dissacarídeo produzido pelo metabolismo da cana-de-açúcar, é formada por uma 
molécula de frutose e uma molécula de glicose (Figura 3) e é hidrolisada por meio 
da fermentação alcoólica durante o processo de produção de etanol. 
Figura 3 – Representação esquemática de uma molécula de sacarose 
 
4.1.3 Polissacarídeos 
 A maioria dos carboidratos ocorre na natureza como polissacarídeos. Estes 
diferem entre si na identidade das unidades de monossacarídeos repetidas, no 
comprimento das cadeias, nos tipos de ligação que unem as unidades e no grau 
de ramificação. Assim, os homossacarídeos contêm apenas uma espécie 
monomérica, e os heterossacarídeos contêm mais de uma espécie (Nelson; Cox, 
2011). Os polissacarídeos de origem vegetal de interesse da energia da biomassa 
são o amido, a celulose e a hemicelulose. 
 
 
08 
O amido é um polissacarídeo de reserva encontrado em grãos, raízes e 
tubérculos, como o milho, a mandioca e a batata, respectivamente. A molécula de 
amido é formada por polímeros de glicose (Figura 4) 
Figura 4 – Representação esquemática de uma molécula de amido 
 
De forma diferente de uma célula animal, a célula vegetal possui uma 
parede celular constituída por uma mistura de polissacarídeos, proteínas, 
compostos fenólicos e sais minerais. Os polissacarídeos representam cerca de 
90% do peso seca da parede celular e consistem em celulose (20% a 40% da 
parede celular), hemicelulose (15-25%) e pectinas (aproximadamente 30%). Além 
dos polissacarídeos, a parede celular também é impregnada pela lignina, um 
polímero aromático que confere rigidez à planta (Farinas, 2011). 
A celulose é uma substância fibrosa, resistente e insolúvel em água 
encontrada na parede celular das plantas. A celulose é um polissacarídeo com 
função estrutural, abundante nos tecidos lenhosos. 
Santos et al. (2012) descrevem a estrutura da celulose em três níveis. O 
primeiro é definido pela sequência de resíduos β-D-glicopiranosídicos unidos por 
ligações covalentes, formando o homopolímero de anidroglicose com ligações β-
D(1→4) glicosídicas, de fórmula geral (C6H10O5)n. O segundo nível descreve a 
organização espacial das unidades repetitivas e é caracterizado pelas distâncias 
das ligações e seus respectivos ângulos e pelas ligações de hidrogênio 
intramoleculares. O terceiro nível define a associação das moléculas formando 
agregados com uma determinada estrutura cristalina. Esses agregados conferem 
elevada resistência à tensão, o que torna a celulose insolúvel em água e em um 
grande número de outros solventes. A Figura 5 apresenta uma representação 
esquemática da molécula de celulose. 
 
 
 
09 
Figura 5 – Representação esquemática de uma molécula de celulose 
 
Apesar de amido e celulose pertencerem à classe dos polissacarídeos, 
possuem uma diferença fundamental, que é o tipo de ligações glicosídicas, o que 
confere propriedades físicas diferentes para ambos (Nelson; Cox, 2011). Essa 
diferença vai resultar em uma resistência muito maior da celulose em relação ao 
amido no que se refere à desconstrução de suas moléculas para a obtenção de 
energia. 
A hemicelulose é um heteropolisscarídeo composto por D-glucose, D-
galactose, D-manose, D-xilose, L-arabinose, ácido D-glucurônico e ácido 4-O-
metil-glucurônico (Santos et al., 2012). A representação esquemática dessa 
molécula é apresentada na Figura 6. 
Figura 6 – Representação esquemática da molécula de hemicelulose 
 
Fonte: Santos et al. (2012) 
Um dos principais gargalos na produção de etanol celulósico (etanol 2G) é 
“desmontar” a parede celular liberando os polissacarídeos como fonte de 
açúcares fermentescíveis de forma eficiente e economicamente viável, pois estes 
estão na forma de celulose e hemicelulose e são recobertos por uma 
macromolécula de lignina, formando a microfibrila celulósica (Figura 6). A celulose 
possui uma estrutura bastante recalcitrante difícil de ser desestruturada e 
convertida em monossacarídeos fermentescíveis (Santos et al., 2012). 
 
 
 
010 
Figura 7 – Estrutura da biomassa lignocelulósica 
 
Fonte: Santos, 2012. 
4.2 Compostos fenólicos 
 Dentre os compostos fenólicos produzidos pelas plantas, a lignina tem 
importância do ponto de vista de geração de energia, sendo utilizada como 
 
 
011 
matéria-prima em processos de combustão, sobretudo nas indústrias de papel e 
celulose e na produção de etanol celulósico. 
 A lignina é encontrada nas paredes celulares de vários tipos de sustentação 
das plantas e está em íntimo contato com a celulose e a hemicelulose. A rigidez 
mecânica da lignina fortalece os caules e o tecido vascular (Teiz; Zeiger, 2013). 
 A lignina possui natureza química bem diferente dos carboidratos: é 
caracterizada por uma estrutura aromática de natureza eminentemente fenólica 
(Farinas, 2011). A representação química da lignina é apresentada na Figura 8. 
Figura 8 – Representação esquemática de uma macromolécula de lignina de 
eucalipto 
 
Fonte: Santos et al. (2012). 
4.3 Ácidos graxos 
 Os ácidos graxos (AG) são ácidos carboxílicos de cadeia carbônica longa 
(Ramalho; Suarez, 2013). Essas moléculas estão presentes nos óleos e nas 
gordurasvegetais e animais, juntamente com ácidos graxos livres, fosfatídeos, 
esteróis, vitaminas lipossolúveis, tocoferóis, pigmentos, ceras e álcoois graxos 
(Ribeiro; Costa, 2015). 
Óleos diferem de gorduras devido ao seu ponto de fusão à temperatura de 
25 oC. A essa temperatura, os óleos apresentam-se em estado líquido, enquanto 
as gorduras apresentam-se em estado sólido (Ramalho; Suarez, 2013). Essa 
 
 
012 
propriedade deve-se às características dos ácidos graxos que os compõem. Os 
ácidos graxos podem variar quanto ao número de átomos de carbono e quanto ao 
tipo e ao número de ligações entre eles. São classificados como saturados, 
monoinsaturados e poli-insaturados. Os ácidos graxos saturados não possuem 
dupla ligação entre os seus átomos de carbono; os monoinsaturados possuem 
uma dupla ligação, e os poli-insaturados possuem mais de uma dupla ligação 
entre os átomos de carbono. 
A Figura 9 mostra diferentes moléculas de ácidos graxos. Pode-se observar 
na figura que o ácido palmítico possui 16 carbonos, e o ácido esteárico possui 
uma cadeia carbônica mais longa, com 18 carbonos. Esses dois AG não possuem 
duplas ligações e, por isso, são denominados de saturados. Por outro lado, os 
ácidos oleico, linoleico e linolênico possuem uma, duas e três duplas ligações, 
sendo, portanto, AG insaturados. 
Figura 9 – Estrutura molecular dos ácidos graxos. a. palmítico; b. esteárico; c. 
oleico; d. linoleico; e. linolênico 
 
Fonte: Ramalho; Suarez, 2013. 
Essas características são de vital importância, porque conferem maior ou 
menor aptidão do óleo ou gordura como matéria-prima para a produção de 
biodiesel ou bioquerosene. Por exemplo, o grau de insaturação de um óleo vai 
afetar a estabilidade à oxidação do biodiesel, o seu número de cetano 
(característica relacionada à qualidade de ignição do combustível) e o ponto de 
entupimento de filtro. À medida que a insaturação do óleo aumenta, a estabilidade 
 
 
013 
à oxidação e o número de cetano diminuem. Por outro lado, as propriedades sob 
baixas temperaturas, como o ponto de entupimento de filtro, podem ser melhores 
(Suarez et al., 2009; Knothe, 2008). 
 A Tabela 1 apresenta algumas espécies de ácidos graxos e seus teores 
estimados em alguns óleos vegetais. Cada ácido graxo é identificado por seu 
nome comum e sua notação abreviada (Cn1:n2). Nessa notação, n1 refere-se ao 
número de átomos de carbono e n2, ao número de duplas ligações entre esses 
átomos (Ribeiro; Costa, 2015). 
Tabela 1 – Espécies de ácidos graxos e seus teores estimados em alguns óleos 
vegetais 
Matéria-prima AG Saturados AG Insaturados 
 
Palmítico Esteárico Oléico Erúcico Ricinoleico Linoléico Linolênico 
 (C16:0) (C18:0) (C18:1) (C22:1) (C18:1) (C18:2) (C18:3) 
 
------------------------------------------------%------------------------------------------- 
Algodão 17-29 1-5 13-44 
 
33-58 
 
Amendoim 6-14 2-6 36-67 
 
13-43 
 
Colza 1-10 1-3 8-60 15-64 
 
9-23 1-14 
Canola 2-6 1-5 52-67 
 
16-31 6-14 
Girassol 3-8 1-6 14-43 
 
44-74 
 
Soja 2-13 2-6 18-31 
 
49-57 2-10 
Crambe 1-3 0,5-1 13-19 54-59 
 
6-9 2-6 
Cártamo 5-7 1-2 10-32 
 
59-78 
 
Mamona 1-2 1-2 3-6 
 
85-90 3-7 
 
Pinhão manso 13-16 4-10 34-49 
 
29-47 
 
Fonte: Ribeiro; Costa (2015), organizado a partir de dados de Ferrari, 2009; Knothe, Gerpen, 
Ramos, 2006; Van Gerpen et al., 2004) 
FINALIZANDO 
Nesta aula, vimos que a energia da biomassa está contida em diferentes 
tipos de moléculas energéticas oriundas de processos de síntese. 
Os organismos responsáveis pela síntese das moléculas energéticas são 
as plantas, algas e algumas bactérias que possuem a capacidade de captar e 
transformar a energia luminosa em energia química a partir de uma série de 
complexas reações bioquímicas que vão resultar na produção de carboidratos, 
ácidos graxos, celulose, hemicelulose e lignina, as quais são as principais 
 
 
014 
moléculas que contêm energia. A compreensão da constituição dessas moléculas 
e desses processos é fundamental para se entender os requisitos das diferentes 
matérias-primas vegetais e animais no que se refere às tecnologias de geração 
de energia a partir da biomassa. 
Os carboidratos são divididos nas classes dos monossacarídeos (glicose e 
frutose), dissacarídeos (sacarose) e polissacarídeos (amido e celulose). Os 
dissacarídeos e polissacarídeos precisam ser desconstruídos para obter as 
moléculas de monossacarídeos e os produtos energéticos como o etanol e 
apresentam diferentes solubilidades, exigindo, assim, diferentes processos. 
 
 
 
015 
REFERÊNCIAS 
ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia 
elétrica do Brasil. Brasília, 2002. 
FARINAS, C. S. A parede celular vegetal e as enzimas contidas em sua 
degradação. São Carlos, EMBRAPA Instrumentação, 2011. (EMBRAPA 
Instrumentação, Documentos). 
CLOROPLASTOS. Infobiologia. Disponível em: <http://www.infobiologia.net/p/cl
oroplastos.html>. Acesso em: 31 jan. 2018. 
KNOTHE, G. “Designer” biodiesel: optimizing fatty ester composition to improve 
fuel properties. Energy & Fuels, 2008, 22, 1358-1364. 
NELSON, D. L.; COX, M. M. (Org.). Princípios de bioquímica de Lehninger. 
Porto Alegre: Artmed, 2011. 
RAMALHO, H. F.; SUAREZ, P. A. Z. A química dos óleos e gorduras e seus 
processos de extração e refino. Revista Virtual de Química. Niterói, Faculdade de 
Química, Universidade Federal Fluminense. 5 (10, 2-15), 2013. Disponível em: 
<https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1285870/58/Quimicade0leoseGord
uras.Artigo.pdf>. Acesso em: 31 jan. 2018. 
RIBEIRO, M. F. S.; COSTA, B. J. Importância e características dos óleos vegetais. 
In: MELO, G. L.; RIBEIRO, M. F. S. (Org.). Processamento de oleaginosas como 
alternativa de agregação de valor na agricultura familiar, IED, Irati: Instituto 
Equipe de Educadores Populares, 2015, v. 1., p. 7-13. 
SANTOS, F. A. et al. Potencial da palha de cana-de-açúcar para produção de 
etanol. Quim. Nova, vol. 35, n. 5, p. 1004-1010, 2012. Disponível em: 
<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-
40422012000500025>. Acesso em: 31 jan. 2018. 
SUAREZ, P. A.; SANTOS, A. L. F.; RODRIGUES, J. P.; ALVES, M. B. 
Biocombustíveis a partir de óleos e gorduras: desafios tecnológicos para viabiliza-
los. Quim. Nova, Vol. 32, n. 3, p. 768-775, 2009. 
TAIZ, L.; ZEIGER, E. Fisiologia vegetal. 5. ed. São Paulo: Artmed, 2013.