aula_05

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Bioenergia 
Fotossíntese 
Um  esquema  simplificado  do  processo  de  fotossíntese  em  vegetais  é 
mostrado na Figura 1. 
 
Figura 1. Esquema simplificado do processo de fotossíntese. 
A  produção  de  biomassa,  como  resultado  da  reação  de  fotossíntese, 
depende essencialmente da energia solar e da presença de água e dióxido 
de carbono (CO2). Isto ocorre segundo complexos ciclos biológicos em que 
a água e o CO2 se combinam para a formação de uma molécula de glicose 
e seis moléculas de oxigênio: 
26126
solarluz
22 O6OHCCO6OH6 ++ →        (1) 
Nessa  reação,  em  termos  energéticos,  a  formação  de  1  kg  de  açúcar 
corresponde  à  fixação  de  17,6  MJ  de  energia  solar,  equivalente  a 
aproximadamente 0,5 L de gasolina. Pelo balanço de massa dessa reação, 
tem‐se que a síntese de 1 kg de glicose consome 0,6 kg de água e 1,4 kg 
de CO2,  liberando para a atmosfera 1 kg de oxigênio. Naturalmente, essa 
água representa apenas a parcela utilizada na composição do açúcar, pois 
durante o crescimento e, especialmente, durante a  fotossíntese, quando 
ocorre  a  evapotranspiração,  o  vegetal  necessita  de  água  em  volumes 
centenas de vezes acima da quantidade fixada no produto vegetal. Assim, 
a  condição  fundamental  para  a  produção  de  biomassa  e, 
conseqüentemente, de bioenergia é a disponibilidade de  radiação  solar, 
de água e de CO2. 
Entre  os  fatores  básicos  para  a  produção  vegetal,  o  CO2  é  o  menos 
problemático,  pois  se  encontra  bem  distribuído  na  atmosfera,  em 
concentrações  suficientes  para  as  plantas.  No  entanto,  é  relevante 
observar que  sua  concentração  tem mostrado, nas últimas décadas, um 
preocupante  crescimento, principalmente associado ao uso  intensivo de 
combustíveis fósseis, capaz de promover o incremento do efeito estufa na 
atmosfera terrestre e o conseqüente aquecimento global. Nesse sentido, 
os  biocombustíveis  apresentam  duas  importantes  vantagens:  seu  uso 
permite  reduzir a emissão de carbono para a atmosfera e, além disso, a 
produção de biomassa é potencialmente  favorecida, dentro de  limites e 
para  algumas  espécies,  pela  crescente  disponibilidade  de  dióxido  de 
carbono na atmosfera. 
Com  relação  à  radiação  solar,  é  de  interesse  conhecer  a  fração  que  é 
utilizada  pelas  plantas  e  como  esta  está  disponível  no  planeta.  A 
fotossíntese  se  realiza  com  absorção  de  luz  pela  clorofila  em  faixas 
específicas  do  espectro  solar,  especialmente  para  os  comprimentos  de 
onda entre 400 e 700 nm, região da cor vermelha. Em  fisiologia vegetal, 
essa  faixa  é  chamada  de  radiação  fotossinteticamente  ativa  e 
corresponde, aproximadamente, a 50% do total da radiação solar.  
Com  relação  à  disponibilidade  da  radiação  solar,  o  fator  primordial  é  a 
latitude, que faz com que as regiões tropicais recebam mais energia solar 
comparativamente às situadas em  latitudes mais altas. De acordo com o 
Atlas Solarimétrico Brasileiro (Figura 2), uma área de um metro quadrado, 
situada entre 10° e 15° de latitude sul, na Região Norte do Brasil, recebe, 
em média, 18,0 MJ/dia, enquanto, para uma  latitude entre 20° e 25°, na 
Região  Sul,  essa  mesma  área  recebe  16,6  MJ/dia,  cerca  de  8%  menos 
energia.  
 
Figura 2. Mapa da média anual da radiação solar global diária no Brasil 
(MJ/m2.dia). 
Também associada à  latitude, a temperatura ambiente é outro fator que 
influi  diretamente  na  fotossíntese.  Dentro  de  limites,  maiores 
temperaturas  favorecem  a  produção  bioenergética,  reforçando  a 
vantagem das regiões mais quentes do planeta nesse sentido. 
A água constitui o  fator de maior  relevância dentre os essenciais para a 
fotossíntese. De  fato, é o grande  limitante a considerar para a produção 
vegetal.  Um  dos  grandes  entraves  para  o  desenvolvimento  de  muitas 
nações é  a  reduzida disponibilidade de  recursos hídricos  com  adequada 
qualidade  e  a  distribuição  heterogênea  destes  sobre  os  continentes. 
Extensas  áreas  ensolaradas  nas  regiões  semi‐áridas  pouco  podem 
contribuir como fonte de biomassa sem que sejam irrigadas com volumes 
significativos de água, implicando em custos elevados e, freqüentemente, 
em  dispêndios  energéticos  que  inviabilizam  a  produção  bioenergética. 
Regiões  tropicais,  principalmente  na  América  do  Sul  e  na  África, 
apresentam disponibilidade pluvial significativa que, somada a uma maior 
incidência  de  energia  solar  e  às  temperaturas  mais  adequadas  quando 
comparadas às de outros continentes, os tornam regiões mais favoráveis à 
produção de bioenergia. Além dos fatores básicos (luz, água e dióxido de 
carbono), outros requisitos relevantes para a produção de bioenergia são 
a fertilidade do solo e a topografia. 
Como um dos parâmetros elementares em sistemas bioenergéticos, é de 
extrema  relevância  conhecer  a  eficiência  dos  cultivos  nos  processos  de 
captação  e  armazenamento  de  energia  solar. Ao  se  compreender  como 
ocorrem  as  transformações  e  perdas  de  energia,  torna‐se  possível 
determinar as condições mais favoráveis para o desempenho das plantas 
como coletoras de energia. Entretanto, somente  recentemente é que os 
mecanismos bioquímicos que permitem  ao  vegetal  sintetizar  açúcares  e 
outros  produtos  químicos  foram  elucidados.  Neste  contexto,  foram 
estabelecidas as rotas de fixação do carbono e suas diferentes fases, que 
se  desenvolvem  segundo  seqüências  complexas  de  reações  sucessivas, 
denominadas  ciclos  fotossintéticos.  Tal  conhecimento  subsidia  a 
compreensão do comportamento das plantas no que concerne à captação 
e  uso  de  energia  e,  desta  forma,  permite  que  o  homem  trabalhe  nas 
condições  e  fatores  que  irão  incrementar  a  produtividade  das  espécies 
com potencial bioenergético.  
Os  ciclos  fotossintéticos  de  maior  relevância  no  processo  fotossintético 
são o ciclo de Calvin, ou ciclo C3, e o ciclo Hatch‐Lack, ou ciclo C4, em que 
a  molécula  do  primeiro  produto  estável  produzido  apresenta, 
respectivamente, três carbonos (ácido fosfoglicérico) ou quatro carbonos 
(produtos como oxaloacetato, malato e aspartato). A maioria dos vegetais 
conhecidos utiliza o ciclo C3. Entretanto, em algumas gramíneas tropicais, 
como  cana‐de‐açúcar,  cevada  e  sorgo,  foi  identificado  o  ciclo  C4.  Tal 
distinção é relevante para o desenvolvimento de sistemas bioenergéticos, 
em  função  da  grande  diferença  de  produtividade  entre  tais  ciclos,  em 
favor do ciclo C4. Este apresenta elevada taxa fotossintética de saturação 
(absorve mais energia solar), ausência de perdas por fotorrespiração, alta 
eficiência na utilização da água, maior tolerância salina e responde melhor 
sob  menores  concentrações  de  CO2.  Portanto,  pode‐se  afirmar  que  os 
vegetais  com  ciclo  C4  são  os  mais  aptos  à  produção  bioenergética.  Na 
Tabela 1, são apresentados alguns dos parâmetros de relevância para os 
ciclos fotossintéticos C3 e C4, associados aos desempenhos destes para a 
produção bioenergética. 
Tabela 1. Parâmetros de desempenho vegetal para os ciclos fotossintéticos. 
Característica  Espécies C3  Espécies C4 
Razão  de  transpiração  (kg 
água  evaporada  por  kg 
sintetizado) 
350 ‐ 1000  150 ‐ 300 
Temperatura  ótima  para  a 
fotossíntese 
15 ‐ 25  25 ‐ 35 
Local da fotossíntese  Toda a folha  Parte  externa  da 
folha 
Resposta à luz  Saturada  para  radiações 
médias 
Não  saturada  sob 
radiações elevadas 
Produtividade  anual  média 
(t/ha) 
~40  60 a 80 
Aptidão climática  De temperado a tropical  Tropical 
Exemplos  Arroz, trigo, soja, todas as 
frutíferas, oleaginosas e a 
maioria  dos  vegetais 
conhecidos 
Milho,  cana‐de‐
açúcar,  sorgo  e 
outras  gramíneas 
tropicais 
 
Da  radiação  solar  incidente  sobre a Terra, de 178 mil TW  (ou bilhão de 
quilowatts), estima‐se que cerca de 180 TW, ou 0,1%, são utilizados nos 
processos  fotossintéticos,naturais  ou  promovidos  pelo  homem.  Desse 
modo,  em  todo  o  planeta,  são  produzidos,  anualmente,  cerca  de  114 
bilhões  de  toneladas  de  biomassa,  em  base  seca,  correspondendo  a 
aproximadamente  1,97  bilhão  de  TJ  (ou  bilhão  de  quilojoules), 
equivalentes a 314 trilhões de barris de petróleo, cerca de dez mil vezes o 
atual  consumo  mundial  desse  combustível  fóssil.  Nesse  contexto,  a 
eficiência média de assimilação da energia solar é  inferior a 1%, embora 
vegetais  que  apresentam  maior  desempenho,  como  a  cana‐de‐açúcar, 
possam atingir 2,5% em média anual. Naturalmente, esses valores servem 
apenas como referência para a compreensão da magnitude energética da 
fotossíntese,  não  havendo  sentido  em  imaginar  a  bioenergia  como 
substituta  de  todas  as  formas  fósseis  de  suprimento  energético, 
principalmente nos países de elevada demanda. Esse crescimento vegetal 
ocorre, como visto, sobretudo em formações nativas das regiões tropicais, 
estimando‐se  que  as  atividades  agrícolas  correspondem  a  cerca  de  6% 
desse total. 
É  interessante  observar  que,  dependendo  do  vegetal,  a  energia  solar  é 
fixada  em  diferentes  substâncias  e  órgãos  de  acumulação,  que 
determinam as  rotas  tecnológicas passíveis de  serem adotadas para  sua 
conversão  em  biocombustíveis  para  uso  final.  Na  cana‐de‐açúcar,  por 
exemplo, as reservas energéticas se localizam principalmente nos colmos, 
como sacarose, celulose e lignina, sendo tradicionalmente empregadas na 
produção  de  bioetanol  e  bagaço.  Por  sua  vez,  nas  árvores  e  outras 
espécies  lenhosas,  o  conteúdo  energético  está  essencialmente  no  fuste 
(tronco mais  galhos),  na  forma  de  celulose  e  lignina,  sendo  empregado 
basicamente  como  lenha.  As  raízes  e  tubérculos  de  plantas  como  a 
mandioca e a beterraba acumulam amido e sacarose, enquanto os frutos 
e  as  sementes,  como o dendê e o milho,  acumulam  geralmente  amido, 
açúcar e óleos vegetais, de acordo com cada espécie.  
Além de definirem as rotas tecnológicas mais adequadas para conversão 
da  biomassa  em  biocombustíveis,  esses  aspectos  são  relevantes  para  a 
eficiência global de captação e utilização de energia solar: para a síntese 
de carboidratos (como celulose e sacarose), o vegetal requer cerca de 60% 
menos energia do que para a síntese de gorduras ou lipídios, por unidade 
de massa de produto final, o que, em princípio, torna as rotas associadas 
ao  biodiesel  comparativamente  menos  eficientes  do  que  as  rotas  do 
bioetanol, com base na sacarose ou na celulose.