Sendo um dos polímeros naturais mais abundantes na Terra, a lenhina encontra-se em todas as paredes celulares das plantas vasculares. O seu nome deriva do latim Lignum (que significa madeira). Os investigadores e os compradores industriais estão cada vez mais preocupados com a qualidade da lenhina, uma vez que esta é considerada a principal matéria-prima para os produtos sustentáveis da próxima geração. De seguida, serão explicados os conhecimentos sobre a lenhina, desde a biologia básica até às aplicações industriais.
Enquanto substituto natural dos produtos petroquímicos, a lenhina atrai cada vez mais investimento e investigação, tendo em conta as preocupações globais com a poluição dos plásticos e as emissões de carbono.
1. O que é a lenhina?
A lenhina é um tipo de biopolímeros fenólicos naturais complexos e representa 15-30% do peso seco da madeira. Funciona como a estrutura do esqueleto de uma planta para suportar o peso. Também permite o transporte eficiente de água das raízes para as copas das árvores. Além disso, pode fortalecer a parede celular, evitar a perda de água e proteger a planta de infecções bacterianas ou fúngicas.
A lenhina é o componente essencial do ciclo global do carbono, uma vez que representa cerca de 30% de todo o carbono orgânico na Terra. Existem mais de 300 mil milhões de toneladas de lenhina armazenadas nas plantas vivas do mundo, o que faz dela um dos materiais orgânicos mais ricos da Terra.
A parede celular da planta é composta por lignina e celulose, em que a celulose fornece suporte estrutural e a lignina fornece rigidez e resistência à água. A estrutura compósita natural é mais eficaz do que a maioria dos materiais compósitos artificiais.
2. De onde vem a lignina?
A lenhina existe nas paredes celulares das plantas vasculares, incluindo árvores, bambu e resíduos agrícolas, como palha e palha de milho. O conteúdo e a estrutura da lignina na madeira dura e na madeira macia são completamente diferentes. Há 25-35% de lenhina na madeira macia, como os pinheiros, e 18-25% de lenhina na madeira dura, como os carvalhos. O teor de lenhina nas plantas não lenhosas, como as herbáceas, é o mais baixo, correspondendo apenas a 15-20%.
A diferença no conteúdo e na estrutura afecta diretamente a aplicação na utilização industrial. Para além das madeiras, existem milhares de milhões de toneladas de resíduos contendo lenhina produzidos anualmente pela agricultura. As fontes potenciais de lenhina, incluindo a casca de arroz, o bagaço de cana-de-açúcar e a palha de trigo, não são atualmente totalmente utilizadas.
O custo da extração da lenhina é baixo, porque se trata originalmente de um resíduo agrícola. São produzidas anualmente 700 milhões de toneladas de palha, que fornecem matérias-primas quase gratuitas se a lenhina puder ser extraída de forma eficiente.
3. Quem descobriu a lenhina?
Um fabricante de produtos químicos em França chamado Anselme Payen descobriu acidentalmente duas substâncias diferentes após o tratamento da madeira com ácido nítrico e soluções alcalinas em 1838. Uma delas chamava-se celulose e a outra era descrita como um material de revestimento. O segredo por detrás desta descoberta demorou um século a ser desvendado.
Em 1865, um botânico alemão, Frank Schulze, chamou ao material de revestimento Lignina, que deriva do latim Lignum. Alguns cientistas, como Karl Freudenberg, desvendaram a complexa estrutura química da lenhina no século XX. A desconstrução completa da descoberta inicial levou mais de 100 anos.
A descoberta de Payen é um avanço químico significativo no século XIX. Lançou os alicerces da indústria de fabrico de papel e deu início à investigação sistemática da parede celular das plantas, que impulsionou o desenvolvimento de biocombustíveis e biomateriais posteriormente.
4. Tipos de lenhina
A lenhina pode ser classificada por origem vegetal ou técnica de extração. Para os compradores e engenheiros, é mais prático classificar a lenhina por técnica de extração, uma vez que esta determina a pureza, a solubilidade e a gama aplicável.
Categorizados por origem vegetal |
A lignina de madeira macia é composta principalmente por unidades de guaiacila (G), enquanto a lignina de madeira dura é composta por unidades de guaiacila (G) e siringila (S). As plantas herbáceas contêm adicionalmente unidades de p-hidroxifenilo (H). |
Categorizado por técnica de extração |
A lignina Kraft é a mais comum e representa 85% da lignina industrial global. É o subproduto da indústria de fabrico de papel e é principalmente queimado para a produção de eletricidade. O lignosulfonato é produzido pelo processo de sulfito, que é altamente solúvel em água. É altamente comercializado com o preço mais baixo de aproximadamente $50 a tonelada. A Lignina Organosolv é o tipo de Lignina com a pureza mais elevada. É adequado para aplicações de alta qualidade, como fibra de carbono e produtos farmacêuticos, mas a um preço elevado de $750 por tonelada. A lignina sodada é produzida a partir de plantas não lenhosas, como a palha e o bagaço de cana-de-açúcar. Não contém enxofre e é adequada para uma utilização especial. |
A escolha da lenhina depende do orçamento e da utilização. O lignossulfonato pode ser a escolha mais económica se for utilizado como aditivo para betão ou para alimentação animal. Para a utilização de sistemas de administração de fármacos em nanopartículas ou materiais compósitos de elevado desempenho, recomenda-se a utilização de Organosolv Lignin devido à sua elevada pureza. No entanto, o custo pode ser 10 vezes superior.
5. Como é produzida a lenhina
A lenhina industrial é um subproduto da indústria de fabrico de papel. O método mais popular é o processo Kraft. Depois de decompor a madeira a altas temperaturas utilizando hidróxido de sódio e sulfureto de sódio, a lenhina é extraída e a celulose é deixada para a produção de papel.
Aproximadamente 50 milhões de toneladas de lignina são produzidas anualmente pelo processo Kraft. No entanto, 98-99% de lignina foram queimados para a geração de eletricidade, causando desperdício. Esta situação está a mudar na indústria através da extração de solvente eutéctico profundo e de líquido iónico, que pode produzir lenhina com maior pureza. Embora o custo seja elevado, com o amadurecimento da tecnologia, mais lignina está a ser introduzida no laboratório e no mercado.
A razão para a combustão de lenhina numa fábrica de fabrico de papel é razoável. A lenhina é um combustível de alta energia que pode fornecer vapor e eletricidade suficientes para a fábrica durante a combustão. A fábrica precisa de investir em unidades extra de extração e purificação para alterar o sistema atual, que não oferece incentivos financeiros suficientes a curto prazo.
6. Aplicações da lenhina
Embora a maior parte da lenhina tenha sido queimada, a parte comercializada já é amplamente utilizada. Um dos exemplos mais bem sucedidos é o da vanilina, em que 15% de vanilina são extraídos da lenhina. O valor de mercado estimado da vanilina atingiu 150 milhões de dólares e é uma das aplicações comerciais mais maduras da lenhina.
Na indústria da construção, o lignossulfonato pode ser utilizado como redutor de água para betão, o que pode melhorar o desempenho da construção. No domínio da agricultura, a lenhina pode ser utilizada como condicionador do solo e aglutinante de fertilizantes de libertação lenta. No domínio da fibra de carbono, o precursor de lenhina pode reduzir o custo da fibra de carbono de $20-30 por kg para $5-10 por kg. É benéfico para as indústrias automóvel e aeroespacial após a comercialização.
Além disso, existem aplicações potenciais na indústria têxtil. A lenhina pode ser transformada em corantes naturais e modificadores têxteis. Na indústria eletrónica, os materiais de carbono derivados da lenhina estão a ser investigados como materiais de eléctrodos para supercapacitores e baterias, que podem tornar-se um substituto sustentável das baterias de lítio no futuro.
7. Porque é que a lenhina é importante para a sustentabilidade
Cerca de 50 milhões de toneladas de lenhina são queimadas anualmente nas fábricas de papel, o que equivale a um desperdício de $25 mil milhões em potenciais matérias-primas químicas. As emissões de carbono podem ser grandemente reduzidas com apenas uma pequena parte dos plásticos e produtos químicos derivados do petróleo substituídos por alternativas derivadas da lenhina.
Esta questão está a merecer mais atenção por parte dos governos. A Estratégia de Bioeconomia da UE e o Gabinete de Tecnologias da Bioenergia colocam a lenhina como um material de desenvolvimento prioritário. A importância da lenhina como matéria-prima renovável e biodegradável continuará a crescer devido à tendência global de eliminação progressiva dos combustíveis fósseis.
Para os consumidores em geral, o desenvolvimento da lenhina significa que, no futuro, as embalagens, as peças para automóveis e as cápsulas de medicamentos poderão ser derivadas da madeira ou de resíduos agrícolas, mas não do petróleo. Alguns produtos derivados da lenhina já se encontram no mercado.
8. Futuro dos materiais à base de lenhina
O valor de mercado estimado do mercado global de Lignina foi de aproximadamente US$ 800 milhões em 2023, e estima-se que cresça para US$ $1,6 bilhões em 2030. A taxa composta de crescimento anual é de aproximadamente 10%. Os campos de maior crescimento são fibra de carbono, bioplásticos e sistemas de administração de medicamentos de nanopartículas.
O maior desafio do desenvolvimento da lenhina é a instabilidade da sua estrutura. O teor de lenhina de diferentes origens vegetais ou técnicas de extração varia significativamente, o que dificulta a sua normalização para uma utilização de alta qualidade. Será um dos principais materiais da bioeconomia se o problema do controlo de qualidade puder ser resolvido.
Atualmente, a fibra de carbono à base de lenhina é a que mais se aproxima da comercialização em grande escala. O Laboratório Nacional de Oak Ridge produziu com sucesso fibra de carbono para automóveis a partir de lignina. A Ford Motor Company e a General Motors Company estão a testar as peças. O peso do veículo pode ser reduzido até 10% se conseguir atingir a produção em massa, e a eficiência do combustível pode ser melhorada em conformidade.
