De combustíveis fósseis a biocombustíveis: como a biomassa pode impulsionar a sustentabilidade

Combustíveis e produtos químicos derivados da biomassa representam um caminho crítico para a produção sustentável de energia e produtos químicos. Esses materiais utilizam insumos orgânicos renováveis de fontes vegetais e agrícolas para gerar produtos tipicamente derivados do petróleo e de outros combustíveis fósseis. Embora a biomassa represente apenas 1% da produção de energia da rede elétrica nos EUA e cerca de 6% na União Europeia, os avanços nas tecnologias de conversão de biomassa estão aumentando os rendimentos, reduzindo custos e melhorando a sustentabilidade desses materiais.

The global market for biochemicals and biofuels demonstrates significant growth that is expected to continue. Biochemicals are projected to grow at a CAGR of 10.6% and reach a value of $240-244 billion by 2035, and biofuels are expected to grow about 7% and reach over $270 billion in value by 2035. This growth is propelled by increasing energy demands and the need for environmentally friendly alternatives to fossil fuels.

Apesar do seu potencial promissor, no entanto, os combustíveis e produtos químicos derivados da biomassa enfrentam desafios significativos. As instalações de produção em larga escala são limitadas e os processos de conversão existentes frequentemente exigem altas temperaturas e pressões, o que aumenta os custos de capital e operacionais. Esses processos também tendem a exigir catalisadores caros e podem produzir subprodutos de baixo valor. A disponibilidade de matérias-primas e a competição com o uso da terra para a produção de alimentos também representam desafios contínuos. Além disso, o conflito entre combustível e alimento surge quando culturas destinadas à alimentação são desviadas para a produção de biocombustíveis, gerando preocupações sobre a segurança alimentar e o aumento dos preços.

Para resolver essas questões, os pesquisadores estão se concentrando em fontes de biomassa não alimentares, como resíduos agrícolas, e em diversos processos de conversão para melhorar a eficiência e a sustentabilidade. Realizamos uma análise aprofundada do cenário de publicações sobre biomassa com a CAS Content Collection^TM, o maior repositório de informações científicas curado por humanos, para entender melhor a evolução deste campo.

Usando uma estratégia de busca cuidadosamente projetada, identificamos aproximadamente 220.000 publicações que relataram a conversão de biomassa em produtos de valor agregado, publicadas entre 2015 e 2025. Extraímos e analisamos sistematicamente informações bibliométricas, conceitos indexados pelo CAS e substâncias químicas dessas publicações para identificar tendências de pesquisa e gerar insights significativos sobre o campo da conversão de biomassa. Nossa análise constatou um crescimento moderado em artigos de periódicos publicados sobre conversão de biomassa e pesquisas relacionadas, com o volume de publicações quase dobrando na última década. Em contraste, o crescimento inconsistente nas publicações de patentes sugere um fraco alinhamento entre a pesquisa fundamental e sua comercialização, destacando desafios operacionais e limitações técnicas que dificultam a implementação prática (veja a Figura 1).

Figura 1: Tendências anuais de artigos de periódicos e famílias de patentes publicadas sobre pesquisa em conversão de biomassa. Os dados de 2025 são parciais até agosto. Fonte: CAS Content Collection.

Os imperativos econômicos e ambientais para materiais derivados de biomassa continuarão a aumentar, por isso analisamos ainda mais as matérias-primas, processos e produtos para explorar trajetórias de pesquisa e novos desenvolvimentos neste campo crucial da química verde.

Matérias-primas de biomassa: a base dos biocombustíveis e produtos bioquímicos

As matérias-primas de biomassa são os insumos fundamentais na valorização da biomassa, e sua seleção influencia significativamente a eficiência e os resultados dos produtos das tecnologias de conversão.

Para esta análise, os conceitos indexados pelo CAS foram classificados em diferentes categorias com base em sua origem, ou seja, de origem vegetal, de origem animal e resíduos municipais (veja a Figura 2).

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Figura 2: Categorias de biomassa como matéria-prima. As bolhas agrupadas ilustram os principais grupos de matéria-prima identificados no conjunto de dados. Os mapas de calor adjacentes destacam as dez principais subcategorias, com gradientes de cor indicando o volume de publicações. O vermelho representa o maior volume e o verde, o menor. Fonte: CAS Content Collection.

Resíduos de origem vegetal dominam o cenário de publicações devido à sua abundância e alto teor lignocelulósico. Esta categoria inclui resíduos agrícolas não alimentares, como palha, madeira, cascas e fibras, o que evita o conflito entre alimentos e combustíveis. Esses materiais são compostos principalmente por celulose, hemicelulose e lignina, e sua composição varia de acordo com a fonte. A palha se destaca devido à sua enorme disponibilidade e versatilidade em diversas rotas de conversão. Com 30-40% de celulose, 20-30% de hemicelulose e 15-20% de lignina, ela é ideal para hidrólise enzimática, processos de fermentação e rotas termoquímicas como pirólise e gaseificação.

A madeira é a segunda matéria-prima dominante, derivada de resíduos florestais como lascas e aparas. Seu alto teor lignocelulósico, baixa umidade e densidade energética a tornam eficiente para combustão, gaseificação, peletização e produção de biochar. O bagaço, um resíduo fibroso do processamento da cana-de-açúcar, também é rico em celulose e hemicelulose e amplamente utilizado para a produção de bioetanol, biogás e bioquímicos. A serragem, um subproduto do processamento de madeira, oferece tamanho de partícula fino e composição consistente, permitindo uma conversão eficiente em bioetanol, biocombustível e polióis (xilitol).

A categoria de alimentos de origem vegetal inclui culturas como milho, arroz, beterraba, farelos de oleaginosas, frutas e vegetais, que servem principalmente como fontes renováveis para a produção de alimentos, energia e produtos químicos. Culturas como o milho são usadas para produzir biocombustíveis e bioplásticos, enquanto os farelos de oleaginosas, subprodutos da extração de óleo, são valorizados na produção de filmes e revestimentos biodegradáveis. Resíduos de frutas e vegetais são cada vez mais valorizados para a produção de ácidos orgânicos, biocombustíveis e fertilizantes por meio de rotas de conversão microbiana e enzimática.

A categoria de matéria-prima de óleos e gorduras é dominada por substâncias de origem vegetal. Essa predominância é sustentada por tecnologias de conversão bem estabelecidas, como transesterificação e hidroprocessamento. Essas fontes renováveis de hidrocarbonetos de cadeia longa são compostas principalmente por triacilgliceróis (TAGs, 95-98%). Os TAGs são ésteres de ácidos graxos superiores e gliceróis. Eles também são cada vez mais valorizados para a produção de produtos químicos de plataforma e biocombustíveis.

Resíduos animais, como esterco e cama de aves, representam um fluxo significativo de biomassa devido à sua enorme disponibilidade e rotas de conversão estabelecidas. Seu uso não apenas gera energia renovável, mas ajuda a mitigar as emissões de metano, um potente gás de efeito estufa.

Os resíduos municipais, particularmente sua fração orgânica, são dominados por restos de alimentos e resíduos de processamento. Esses materiais são ricos em carboidratos, lipídios e proteínas, tornando-os adequados para digestão anaeróbica, gaseificação e compostagem. A valorização dos resíduos municipais não apenas desvia o lixo dos aterros sanitários, mas também permite a produção de biogás, biocombustíveis e produtos químicos de plataforma, apoiando estratégias sustentáveis de gestão de resíduos urbanos.

Processos de conversão: Como a biomassa se transforma em combustíveis e produtos químicos

A transformação de diversas matérias-primas de biomassa em combustíveis, produtos químicos de plataforma, fertilizantes e produtos farmacêuticos requer tecnologias de conversão sofisticadas, capazes de decompor estruturas orgânicas complexas e convertê-las nos compostos desejados. A seleção da rota de conversão é determinada pelos produtos finais pretendidos e pelas características da matéria-prima, particularmente o teor de umidade, a composição de lignina e a estrutura de carboidratos da matéria-prima utilizada.

Existem várias tecnologias de conversão de biomassa que podem ser aplicadas para transformar a biomassa de uma forma para outras mais valiosas, mas as dominantes são as tecnologias termoquímicas, bioquímicas e químicas. Analisamos os conceitos indexados pelo CAS, categorizando-os nessas três tecnologias de conversão, e examinamos os documentos associados para identificar padrões subjacentes e tendências emergentes (veja a Figura 3).

Figura 3: As tecnologias de conversão de biomassa são visualizadas como bolhas agrupadas, com processos individuais dentro de cada categoria representados por mapas de calor. Os gradientes de cor indicam o volume de publicações, onde o vermelho denota a maior atividade de publicação e o verde, a menor. Fonte: CAS Content Collection.

Nossa análise revela que a tecnologia termoquímica, que utiliza calor e pressão, é uma das plataformas de conversão de biomassa mais estudadas. Esses processos são favorecidos pelo processamento rápido de diversas matérias-primas e oferecem soluções escaláveis e energeticamente eficientes, especialmente em casos onde as abordagens bioquímicas são limitadas pela composição da matéria-prima. Os principais processos termoquímicos em nosso conjunto de dados incluem carbonização, decomposição térmica, gaseificação, pirólise e reação hidrotérmica. A carbonização lidera esta categoria, seguida pela decomposição térmica e gaseificação, ressaltando a importância dessas tecnologias na produção de biocombustíveis como gás de síntese (syngas) e bio-óleo, bem como na geração de biochar e hidrochar para aplicações ambientais.

A próxima categoria principal compreende processos bioquímicos, que utilizam microrganismos e enzimas para decompor estruturas complexas de biomassa em compostos ricos em energia. Esses métodos operam sob condições amenas e são eficazes para matérias-primas ricas em carboidratos. Eles permitem a produção de biocombustíveis e bioquímicos com alta seletividade e eficiência. Os principais processos de conversão bioquímica em nosso conjunto de dados incluem fermentação, hidrólise enzimática, digestão anaeróbica, sacarificação e biodegradação. A fermentação é o processo mais documentado entre os três tipos, refletindo sua maturidade industrial e ampla adoção para a produção de bioetanol, ácidos orgânicos, fertilizantes e outros produtos químicos de valor agregado.

A categoria final incluiu métodos de conversão química, que dependem de catalisadores e reagentes sintéticos para decompor estruturas complexas de biomassa em compostos mais simples e de valor agregado. Sua compatibilidade com sistemas industriais existentes os torna ideais para aplicações em larga escala. Os principais processos de conversão química em nosso conjunto de dados incluem hidrólise, oxidação, transesterificação, hidrogenação e redução. A hidrólise domina, enfatizando seu papel fundamental na quebra de carboidratos complexos em açúcares simples, que podem então ser processados em biocombustíveis e bioquímicos. A proeminência dos processos de oxidação e hidrogenação reflete seu uso na produção de produtos químicos de plataforma e combustíveis "drop-in", respectivamente. Além disso, a transesterificação é um processo químico chave na produção de biodiesel devido à sua simplicidade e eficiência.

Embora essas rotas difiram em seus princípios operacionais, elas oferecem coletivamente caminhos viáveis para a produção de energia sustentável e produtos de alto valor, reduzindo assim a dependência de recursos fósseis. A distribuição equilibrada de documentos entre as três categorias de processos reflete o reconhecimento da indústria de que a diversidade de matérias-primas e os requisitos de produtos exigem uma abordagem multitecnológica, enquanto o volume substancial de pesquisas ressalta a maturidade e o potencial contínuo de inovação das tecnologias de conversão de biomassa.

Principais categorias de produtos de biomassa

As publicações indexadas na CAS Content Collection recebem números de seção com base nos estudos relatados nelas. Usamos as seções indexadas pelo CAS para categorizar as publicações em quatro categorias de produtos: combustíveis, produtos químicos de plataforma e materiais, fertilizantes e produtos farmacêuticos. A categoria de produtos de combustíveis teve o maior número de publicações, seguida por produtos químicos de plataforma e materiais. Fertilizantes tiveram o terceiro maior número de publicações, e houve relativamente poucas publicações na categoria farmacêutica.

O banco de dados CAS contém inúmeros conceitos indexados com papéis de “produto”. Para gerenciar esse grande conjunto de dados, consolidamos conceitos de produtos com composições químicas semelhantes sob nomes de produtos unificados (veja a Figura 4). Por exemplo, materiais relacionados à base de carbono, como carvão vegetal, coque e semicoke, foram agrupados sob a categoria única “materiais de carbono”.

Figura 4: Produtos obtidos pela conversão de biomassa. As bolhas representam as categorias de produtos e os mapas de calor apresentam os principais produtos dentro delas. Fonte: CAS Content Collection.

Dentro da categoria de combustíveis, os produtos predominantes são materiais de carbono, hidrocarbonetos alifáticos e ésteres. Para a categoria de produtos químicos de plataforma e materiais, os principais grupos de substâncias incluem materiais de carbono, polímeros e hidrocarbonetos aromáticos.  

Embora os materiais de carbono representem o maior grupo de substâncias nas categorias de combustíveis e produtos químicos/materiais, os tipos específicos de materiais de carbono dentro de cada categoria diferem significativamente. Na produção de combustíveis, o carvão vegetal domina ao lado do coque e de vários materiais carbonáceos, servindo principalmente como alternativas de combustível sólido. O setor de produtos químicos de plataforma e materiais enfatiza produtos de carbono avançados, incluindo fibras de carbono, nanofibras e carbonos ativados para aplicações de alto valor em compósitos, armazenamento de energia e remediação ambiental.

Outro produto importante presente nas categorias de combustíveis e produtos químicos de plataforma e materiais são os ésteres. Ésteres metílicos de ácidos graxos (biodiesel) dominam as aplicações de combustível, enquanto os produtos químicos de plataforma utilizam diversos tipos de ésteres, incluindo derivados de ácidos graxos para aplicações oleoquímicas.

Os produtos mais comuns na categoria de fertilizantes são fertilizantes orgânicos, fertilizantes multinutrientes e biofertilizantes. Os fertilizantes orgânicos e multinutrientes fornecem os nutrientes necessários para o crescimento das plantas, enquanto os biofertilizantes contêm microrganismos vivos que auxiliam no crescimento e na saúde das plantas. 

Na categoria farmacêutica, os produtos mais comuns são compostos bioativos naturais, peptídeos e hidrolisados proteicos, e materiais de carbono. Compostos bioativos naturais, como flavonoides, saponinas e alcaloides, são algumas das substâncias derivadas de biomassa usadas na indústria farmacêutica. Peptídeos são usados para o tratamento de doenças metabólicas e câncer. Hidrolisados proteicos são usados em produtos farmacêuticos para suporte nutricional e certas propriedades terapêuticas. Materiais de carbono também são usados devido à sua biocompatibilidade, alta capacidade de carga de material ativo e condutividade elétrica, bem como sua capacidade de atuar como veículos para muitos ingredientes ativos.

Coocorrências de substâncias destacam atividades de pesquisa

Para obter insights mais profundos, analisamos a coocorrência de substâncias em todo o conjunto de publicações do CAS REGISTRY®, um banco de dados de substâncias químicas divulgadas, curado a partir de literatura científica e outras fontes. Esse tipo de análise pode revelar conexões importantes entre ideias aparentemente díspares e sugerir de onde podem vir novos avanços na pesquisa. Neste caso, examinamos as coocorrências de substâncias independentemente de sua função, pares de substâncias produto-produto e pares catalisador-catalisador (veja a Figura 5).

Figura 5: Padrões de coocorrência de pares de substâncias. (A) todos os pares de substâncias independentemente da função, (B) pares produto-produto e (C) pares catalisador-catalisador, mostrando contagens de publicações e porcentagens de patentes para as combinações mais bem classificadas. As barras são codificadas por cores de acordo com a porcentagem de patentes em relação ao número total de publicações. Fonte: CAS Content Collection.

• Coocorrências de substâncias: As mais prevalentes envolvem os principais componentes estruturais da biomassa lignocelulósica, com pares de celulose-lignina, celulose-hemicelulose e hemicelulose-lignina dominando as publicações de pesquisa. Essas associações refletem a natureza integrada das estratégias de fracionamento e valorização da biomassa, onde os pesquisadores devem abordar as interações complexas entre esses biopolímeros durante o processamento. O carbono emerge como um elemento central em vários padrões de coocorrência, aparecendo com celulose, lignina, hidrogênio e vários compostos inorgânicos. Essa prevalência ressalta o papel duplo do carbono como componente estrutural da biomassa e produto-chave em processos de conversão termoquímica, particularmente reações de carbonização e gaseificação.

• Coocorrências de produtos: Estas revelam um foco estratégico em componentes de gás de síntese, com pares de monóxido de carbono-hidrogênio, hidrogênio-metano e monóxido de carbono-metano apresentando alta atividade de patentes, indicando interesse comercial em aplicações integradas de gaseificação e gás de síntese. A coocorrência de xilose e glicose reflete a pesquisa em hidrólise de hemicelulose e celulose, enquanto pares de ácidos orgânicos como ácidos acético-butírico e acético-propiónico demonstram a otimização da via de fermentação. O emparelhamento benzeno-tolueno indica a produção de compostos aromáticos a partir da despolimerização da lignina, representando estratégias de recuperação química de alto valor.

• Coocorrências de catalisadores: Estas são lideradas por sistemas catalíticos estabelecidos para a conversão de biomassa, com pares de cobalto-níquel e paládio-platina apresentando porcentagens de patentes excepcionalmente altas, refletindo sua importância comercial em reações de hidrogenação e reforma. A prevalência de pares contendo níquel em várias combinações confirma seu papel central na catálise de conversão de biomassa, enquanto as coocorrências de alumina-sílica indicam a otimização do material de suporte para maior desempenho e estabilidade do catalisador em ambientes de processamento de biomassa.

Biocombustíveis: A conexão entre matérias-primas, processos de conversão e produtos

Combustíveis derivados de biomassa apresentam propriedades distintas que os posicionam como alternativas viáveis aos combustíveis fósseis convencionais, principalmente seu maior teor de oxigênio e menores níveis de enxofre e nitrogênio, o que resulta em uma combustão mais limpa com redução de emissões de partículas e gases de efeito estufa. A natureza oxigenada das moléculas de biomassa leva a uma menor densidade energética em comparação com seus equivalentes fósseis, mas os combustíveis de biomassa oferecem a vantagem significativa da neutralidade de carbono, já que o CO₂ liberado durante a combustão é teoricamente compensado pela absorção durante o crescimento da biomassa. 

A composição desses combustíveis varia consideravelmente dependendo da fonte da matéria-prima, variando de resíduos agrícolas e orgânicos a óleos e gorduras, e dos processos de conversão específicos empregados.

Principais biocombustíveis, como biodiesel, bioetanol, combustível "drop-in", biogás e bio-óleo, demonstram potencial de substituição direta para combustíveis fósseis específicos com modificações mínimas na infraestrutura. O bioetanol, produzido a partir de biomassa celulósica por meio de fermentação, pode substituir ou ser misturado à gasolina, melhorando a octanagem, mas reduzindo a energia por litro. O biodiesel, criado por meio da transesterificação de óleos e gorduras, imita de perto o diesel de petróleo em viscosidade e número de cetano, permitindo que funcione como uma substituição direta ou mistura, reduzindo ao mesmo tempo as emissões de material particulado e hidrocarbonetos. 

Além disso, os biocombustíveis "drop-in" (bio-hidrocarbonetos líquidos) também são totalmente compatíveis com combustíveis de petróleo e podem operar de forma equivalente sem exigir qualquer modificação no motor do veículo. O biogás e o biometano purificado podem substituir o gás natural para aplicações de aquecimento, eletricidade e transporte, enquanto o bio-óleo mostra-se promissor como substituto de óleo combustível pesado após o devido processamento.

Para entender as diversas rotas pelas quais a biomassa é transformada em combustível, diagramamos as conexões entre produtos combustíveis e seus respectivos processos de conversão e matérias-primas (veja a Figura 6).

Figura 6: Diagrama de Sankey conectando os produtos combustíveis aos seus respectivos processos de conversão e matérias-primas com base no número de documentos no CAS Content Collection.

A análise revelou que materiais ricos em carbono constituem um importante produto combustível. Estes são gerados principalmente por meio de processos termoquímicos, como carbonização, pirólise e decomposição térmica, usando matérias-primas como palha, madeira e outros resíduos de origem vegetal. Combustíveis ricos em carbono dominam devido à compatibilidade direta dos resíduos lignocelulósicos com processos termoquímicos que produzem eficientemente produtos sólidos estáveis e de alta energia, como biocarvão, carvão vegetal, coque, etc.

Em seguida, destacam-se os combustíveis à base de hidrocarbonetos alifáticos, produzidos por meio de processos químicos e termoquímicos como hidrogenação, craqueamento e decomposição térmica. Esses métodos são geralmente aplicados a óleos vegetais e resíduos lignocelulósicos. A relevância desses hidrocarbonetos reflete os esforços contínuos para desenvolver biocombustíveis "drop-in" que possam substituir os combustíveis fósseis convencionais em aplicações industriais e de transporte.

Os ésteres, com o biodiesel como principal representante, são sintetizados predominantemente por transesterificação, utilizando óleos derivados de plantas como matéria-prima principal. O elevado número de documentos sobre este produto indica a escalabilidade e o apoio regulatório que o biodiesel tem recebido nos últimos anos.

Outros produtos relacionados a combustíveis, como hidrocarbonetos aromáticos, alcatrões, álcoois, fenóis, aldeídos e cetonas, são obtidos predominantemente por meio da decomposição térmica de resíduos vegetais. Por fim, ácidos carboxílicos, açúcares e oligossacarídeos são gerados via processos bioquímicos, especialmente a fermentação, utilizando matérias-primas como palha e óleos vegetais.

Este mapeamento abrangente destaca como diversos combustíveis podem ser derivados da biomassa por meio de rotas de conversão distintas, porém interconectadas, enfatizando a importância estratégica da seleção da matéria-prima e da otimização de processos no avanço das tecnologias de biocombustíveis.

Para identificar a dinâmica de crescimento anual (YoY) dos principais componentes de conversão de biomassa, geramos um gráfico de dispersão que resume as tendências dos últimos três anos (ver Figura 7). Especificamente, a Figura 7A destaca a taxa de crescimento de diversos produtos baseados em combustíveis, a Figura 7B foca nas variações de matérias-primas e a Figura 7C captura os avanços nos processos de conversão. Juntas, essas tendências fornecem insights sobre a dinâmica em evolução do uso da biomassa, refletindo o progresso tecnológico e a adaptação do mercado no setor de bioenergia.

Figura 7: Gráficos de dispersão exibindo as tendências de crescimento anual em relação ao número de publicações observadas para (A) produtos baseados em combustíveis, (B) matérias-primas e (C) processos de conversão na CAS Content Collection. Os pontos de dados são codificados por cores com base na porcentagem de patentes, sendo o vermelho a maior participação de patentes e o verde a menor.

A Figura 7A mostra que os combustíveis derivados de hidrocarbonetos alifáticos, hidrocarbonetos aromáticos, polímeros e compostos heterocíclicos apresentaram o maior crescimento anual nos últimos três anos, indicando um forte impulso, apesar de seus diferentes níveis de maturidade tecnológica. Notavelmente, o aumento nas publicações de patentes para hidrocarbonetos alifáticos aponta para um interesse comercial significativo em alternativas de base biológica aos combustíveis fósseis convencionais.

Em contrapartida, aldeídos e cetonas apresentam crescimento próximo de zero, apesar da atividade de pesquisa moderada, o que pode refletir desafios técnicos não resolvidos ou potencial de mercado limitado para esses compostos como combustíveis primários. Curiosamente, os compostos nitrogenados apresentam apenas uma taxa de crescimento modesta, mas exibem a maior porcentagem de publicações de patentes, sinalizando esforços comerciais direcionados para explorar suas propriedades químicas únicas em aplicações especializadas de biocombustíveis.

A Figura 7B ilustra que gorduras e óleos animais, juntamente com fibras, destacam-se com a maior taxa de crescimento, de quase 30%, e a maior porcentagem de atividade de patentes. Isso sugere que essas matérias-primas estão ganhando força em aplicações práticas, em vez de apenas na pesquisa acadêmica, possivelmente devido à sua adequação para a produção de combustíveis de alto valor, como biodiesel e combustível de aviação.

Por outro lado, gorduras e óleos vegetais dominam a literatura, mas apresentam crescimento insignificante e uma porcentagem menor de publicações de patentes, indicando que, embora o interesse em pesquisa permaneça alto, a comercialização pode estar limitada por custos ou restrições na cadeia de suprimentos. Cascas, bagaço e resíduos de frutas agrupam-se em torno de uma taxa de crescimento de 20%, com atividade de publicação moderada, sinalizando um papel crescente para resíduos vegetais na conversão de biomassa. Surpreendentemente, culturas alimentares, biorresíduos e esterco apresentam crescimento limitado, apesar de suas vantagens de sustentabilidade, o que pode refletir desafios econômicos ou logísticos persistentes na coleta, processamento ou escalabilidade.

Na Figura 7C, a pirólise destaca-se com um crescimento impressionante de 36%, apesar da atividade de pesquisa apenas moderada. Esse aumento provavelmente reflete suas vantagens inerentes, como processamento rápido, capacidade de lidar com matérias-primas úmidas e produção de múltiplos produtos de alto valor, como biocarvão, bio-óleo e gás de síntese. Processos termoquímicos tradicionais, como carbonização e gaseificação, exibem uma relação inversa entre volume de publicação e taxa de crescimento. Embora esses métodos mantenham relevância industrial, conforme refletido por sua alta participação em patentes, seu crescimento mais lento sugere que estão atingindo a maturidade tecnológica, o que, por sua vez, reduz o ímpeto de pesquisa.

As reações hidrotérmicas emergem como uma via particularmente promissora, combinando uma forte taxa de crescimento de 26% com atividade significativa de patentes. Essa tendência indica inovações comercialmente viáveis no processamento a temperaturas moderadas, oferecendo uma posição única entre métodos térmicos agressivos e rotas bioquímicas suaves. A hidrogenação, embora apresente um crescimento anual muito baixo e produção de pesquisa limitada, mostra uma alta proporção de pedidos de patentes, provavelmente devido à sua versatilidade na produção de combustíveis e produtos químicos de plataforma a partir de diversas matérias-primas. Os processos biológicos, apesar de suas credenciais de sustentabilidade, ficam atrás no crescimento, possivelmente limitados por cinéticas de reação lentas e desafios de escala que continuam a restringir sua adoção industrial.

Juntas, essas tendências destacam como a maturidade tecnológica, o interesse comercial e a escalabilidade estão moldando o futuro da conversão de biomassa em direção a soluções mais eficientes e orientadas pelo mercado.

Identificamos as 15 principais substâncias na categoria de combustíveis e realizamos uma análise de coocorrência para quantificar e visualizar as associações entre essas substâncias e suas respectivas matérias-primas e processos de conversão (ver Figura 8). Essa abordagem permitiu a identificação das principais matérias-primas e rotas de processo que contribuem para a síntese de cada substância relacionada a combustíveis.

Figura 8: Mapa de calor ilustrando a coocorrência entre produtos na categoria de combustíveis e suas matérias-primas e processos de conversão associados. Fonte: CAS Content Collection.

O hidrogênio possui o maior número de documentos, ressaltando sua importância como um combustível limpo e renovável com aplicações abrangentes em energia e transporte, como veículos com células de combustível, sistemas de energia de reserva, aquecimento industrial e armazenamento de energia na rede. É obtido principalmente por meio de processos termoquímicos, como gaseificação e decomposição térmica de resíduos lignocelulósicos, como madeira, palha e serragem.

O carbono é a substância mais proeminente a seguir, comumente usado como combustível sólido na forma de carvão vegetal e coque devido ao seu alto teor de carbono e densidade energética. Além disso, materiais à base de carbono, como o carvão ativado, são empregados em armazenamento de energia e aplicações de conversão, particularmente como materiais de eletrodo em baterias. Essas formas de carbono são obtidas principalmente a partir da carbonização de fontes de biomassa, como madeira e palha.

O metano vem a seguir nesta categoria e é derivado principalmente de fontes de biomassa, como palha e esterco, por meio de processos de gaseificação e fermentação. O metano é amplamente utilizado como biocombustível para geração de eletricidade, aquecimento e como combustível de transporte na forma de biogás ou biometano comprimido.

Além disso, o monóxido de carbono (CO) gerado durante a gaseificação de resíduos lignocelulósicos pode ser combinado com hidrogênio para formar gás de síntese, uma mistura de combustível versátil usada para geração de eletricidade. O etanol também é usado como biocombustível em veículos devido à sua alta octanagem, natureza de queima limpa e produção renovável a partir da fermentação de diversas fontes de biomassa, como palha, bagaço, culturas alimentares e microrganismos.

Produtos químicos de plataforma e materiais: Análise de matérias-primas, processos de conversão e produtos

Realizamos um conjunto semelhante de análises para entender a categoria de produtos de químicos de plataforma e materiais. Primeiro, exploramos a correlação entre matérias-primas de biomassa, processos de conversão e esses produtos químicos (veja a Figura 9).

Figura 9: Diagrama de Sankey conectando os químicos de plataforma e produtos materiais aos seus respectivos processos de conversão e matérias-primas com base no número de documentos na CAS Content Collection.

A análise indicou que os materiais de carbono são produzidos principalmente por meio da carbonização, um processo que aumenta o teor de carbono, reduz a matéria volátil e confere uma estrutura porosa ao produto final. A decomposição térmica e as reações hidrotérmicas também são processos termoquímicos significativos empregados na síntese de materiais de carbono, como carvão vegetal, fibra de carbono e materiais carbonáceos. As matérias-primas de biomassa comumente submetidas à carbonização incluem palha, madeira e fibras.

Um dos principais processos para gerar compostos aromáticos a partir da biomassa é a despolimerização, que envolve a quebra catalítica de polímeros complexos, como a lignina. A decomposição térmica e a hidrogenação são outros dois processos proeminentes para gerar compostos aromáticos.

A produção de polímeros a partir da biomassa baseia-se principalmente na polimerização, geralmente seguindo processos de fermentação que também produzem monômeros de base biológica para polimerização subsequente. Outras abordagens, como transesterificação, carbonização e hidrólise, também são utilizadas, oferecendo caminhos para polímeros funcionais e materiais ricos em carbono, dependendo da natureza da biomassa e das condições de processamento.

A hidrogenação serve como o método predominante para a síntese de álcoois e hidrocarbonetos. Derivados de ácidos graxos são obtidos principalmente por meio de reações de transesterificação. Essa preferência é amplamente atribuída à natureza de suas fontes primárias: triglicerídeos, ácidos graxos, gorduras vegetais ricas e óleos, tornando-os altamente adequados para a transesterificação visando gerar outros ésteres. A hidrólise, incluindo a hidrólise enzimática, está entre os principais processos associados à conversão em açúcares e oligossacarídeos.

Palha e madeira também estão predominantemente associadas a processos de hidrólise, que convertem efetivamente seus componentes lignocelulósicos em derivados de açúcar. Ácidos orgânicos são obtidos principalmente via hidrólise e decomposição térmica. Cetonas e aldeídos estão predominantemente ligados à decomposição térmica e hidrogenação, enquanto compostos nitrogenados estão predominantemente associados à hidrogenação. No geral, nossa análise oferece uma visão abrangente de como vários processos de conversão estão ligados a matérias-primas de biomassa específicas e como esses processos determinam os tipos de produtos obtidos.

Também analisamos o crescimento médio anual (YoY) para o período de 2021-2024 e a porcentagem de patentes para identificar tópicos emergentes e aqueles com alto interesse comercial (veja a Figura 10).

Figura 10: Crescimento médio vs. número de publicações e porcentagem de patentes para os tópicos selecionados na categoria de produtos de químicos de plataforma e materiais. (A) produtos; (B) fontes; (C) processos. Fonte: CAS Content Collection.

Os ácidos orgânicos estão apresentando um crescimento robusto com atividade moderada de patentes, refletindo seu papel como moléculas de plataforma para síntese de polímeros e intermediários químicos. Esse crescimento é impulsionado por avanços na conversão catalítica de açúcares em ácido levulínico, ácido succínico e outros blocos de construção, com crescente interesse industrial em alternativas de base biológica aos ácidos derivados do petróleo.

Os polímeros mantiveram um crescimento constante com atividade substancial de patentes, refletindo a comercialização contínua de poliésteres, poliuretanos e poliamidas de base biológica. O alto número de publicações indica um interesse de pesquisa sustentado na melhoria das propriedades dos polímeros e no desenvolvimento de novos monômeros de base biológica, enquanto a alta porcentagem de patentes demonstra o compromisso industrial com a implementação no mercado.

Os hidrocarbonetos como produtos apresentam um crescimento notável com volume moderado de publicações e alta atividade de patentes. Essa combinação indica interesse comercial na produção de hidrocarbonetos de base biológica para aplicações em combustíveis e produtos químicos. O crescimento é impulsionado pela necessidade de alternativas renováveis aos hidrocarbonetos derivados do petróleo e por avanços nas tecnologias de conversão catalítica.

As culturas alimentares apresentam a maior porcentagem de patentes entre as matérias-primas, indicando forte interesse comercial apesar do volume moderado de publicações. Essa alta atividade de patentes reflete as cadeias de valor estabelecidas para o processamento de culturas alimentares e o caminho relativamente direto para a comercialização, que pode aproveitar a infraestrutura agrícola existente. Gorduras e óleos vegetais também demonstram alta atividade de patentes com volume substancial de publicações. A alta porcentagem de patentes sugere viabilidade comercial estabelecida na produção de biodiesel, oleoquímicos e aplicações especializadas.

Materiais lignocelulósicos como matéria-prima demonstram um crescimento excepcional, apesar do volume moderado de publicações. Estes podem ser avanços tecnológicos emergentes no uso do recurso de biomassa mais abundante. O crescimento é impulsionado por avanços em tecnologias de pré-tratamento, sistemas enzimáticos e abordagens de processamento integrado que abordam a recalcitrância da biomassa lignocelulósica. O bagaço também apresenta forte crescimento com volume substancial de publicações, refletindo sua importância como um resíduo agrícola prontamente disponível.

A maioria dos processos que apresentam alto crescimento nos últimos anos está relacionada à conversão de polímeros naturais na biomassa. A degradação térmica de polímeros apresenta a maior taxa de crescimento anual (YoY) entre os processos de conversão. Esse crescimento notável reflete o interesse crescente em tecnologias que podem quebrar estruturas poliméricas complexas na biomassa, particularmente lignina e celulose, em unidades monoméricas valiosas. A baixa porcentagem de patentes sugere que este campo ainda está em fases iniciais de pesquisa, com oportunidades significativas para o desenvolvimento de propriedade intelectual.

A sacarificação demonstra um crescimento excepcional com volume moderado de publicações. Isso reflete seu papel crítico na conversão da biomassa lignocelulósica em açúcares fermentáveis. A despolimerização mostra um crescimento substancial impulsionado por avanços na despolimerização catalítica, fracionamento à base de solventes e tecnologias de clivagem seletiva de ligações que permitem a produção direcionada de compostos aromáticos e outros produtos químicos valiosos.

A pirólise também apresenta alto crescimento com volume moderado de publicações, refletindo o amadurecimento tecnológico e a implantação comercial. A pirólise rápida para produção de bio-óleo e a pirólise catalítica para produtos químicos específicos estão impulsionando esse crescimento. O processo beneficia-se de sua capacidade de lidar com diversas matérias-primas e produzir múltiplos fluxos de produtos, tornando-o atraente para processamento distribuído e desenvolvimento econômico rural.

A carbonização apresenta uma atividade de patentes excepcionalmente alta com o maior volume de publicações, indicando maturidade tecnológica e inovação contínua. A alta porcentagem de patentes reflete diversas aplicações, incluindo a produção de carvão ativado, biocarvão para agricultura e materiais avançados de carbono. Os impulsionadores comerciais incluem mercados de remediação ambiental, aplicações de correção de solo e oportunidades emergentes em armazenamento de energia e sequestro de carbono.

A fermentação apresenta alta atividade de patentes com volume significativo de publicações, refletindo a maturidade das aplicações de biotecnologia. A alta porcentagem de patentes indica caminhos comerciais estabelecidos para etanol, ácidos orgânicos e outros produtos de fermentação. A inovação contínua concentra-se em novos microrganismos, engenharia metabólica e abordagens integradas de bioprocessamento.

Além dos produtos discutidos nas seções anteriores, analisamos as substâncias individuais indexadas com funções de produto (veja a Figura 11). Os dados revelaram um foco de pesquisa significativo em 15 químicos de plataforma importantes derivados da conversão de biomassa, com carbono, 5-(hidroximetil)furfural (HMF) e furfural surgindo como os produtos mais estudados.

Figura 11: Os 15 principais produtos da categoria de produtos químicos e materiais de plataforma e os processos e fontes que coocorrem com essas substâncias. Fonte: CAS Content Collection.

O 5-(hidroximetil)furfural (HMF) e o furfural representam moléculas de plataforma furânicas cruciais, servindo como precursores para biocombustíveis, polímeros e produtos químicos finos. O HMF é particularmente valioso para a produção de ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), uma alternativa renovável ao ácido tereftálico na produção de poliéster. O álcool furfurílico, derivado da hidrogenação do furfural, encontra amplo uso em resinas de fundição, adesivos e como precursor para resinas furânicas.  

Materiais de carbono derivados de processos de carbonização de biomassa geram carvões ativados, biocarvão e nanomateriais de carbono essenciais para remediação ambiental, armazenamento de energia e aplicações de correção de solo. O significativo interesse em pesquisa reflete a versatilidade dos materiais de carbono derivados de biomassa em enfrentar múltiplos desafios de sustentabilidade.  

Compostos fenólicos, incluindo fenol e guaiacol, são vitais para a produção de resinas fenólicas, alternativas ao bisfenol A e vários intermediários farmacêuticos. O guaiacol, com sua funcionalidade metóxi, oferece oportunidades únicas para a produção de vanilina e outros aromáticos de valor agregado. O ácido levulínico é significativo como molécula de plataforma para a produção de γ-valerolactona, metiltetrahidrofurano e vários ésteres usados como aditivos de combustível e solventes verdes. Os ácidos acético e fórmico servem como intermediários químicos e como produtos para aplicação industrial direta. Produtos gasosos, incluindo hidrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e metano, demonstram a integração da conversão de biomassa com a produção de energia e a geração de gás de síntese. A produção de hidrogênio a partir de biomassa é particularmente relevante para a economia emergente do hidrogênio.

A análise revela padrões distintos na seleção de processos de conversão para diferentes produtos químicos de plataforma. A carbonização domina a produção de carbono, refletindo sua eficácia na produção de materiais com alto teor de carbono por meio de tratamento térmico. Processos de hidrólise, químicos e enzimáticos, emergem como críticos para a desconstrução de polímeros naturais complexos da biomassa. A proeminência da hidrólise na produção de HMF e furfural ressalta seu papel na conversão de frações celulósicas e hemicelulósicas em compostos furânicos. 

A alta coocorrência de hidrólise enzimática e fermentação com etanol reflete seu papel na quebra da celulose em açúcares fermentáveis como a glicose, seguida pela fermentação para produzir bioetanol. Processos de decomposição térmica e despolimerização mostram relevância particular para a produção de compostos aromáticos, com fortes associações ao guaiacol e ao fenol. Esses processos quebram efetivamente as estruturas de lignina para liberar compostos aromáticos valiosos.

A análise da matéria-prima revela que os resíduos agrícolas dominam como matérias-primas para a produção de produtos químicos de plataforma. A palha (que inclui palha de milho, arroz e trigo) apresenta o maior uso em múltiplos produtos, com forte representação na produção de furfural e HMF. Isso reflete o alto teor de pentosanas e hexosanas nesses materiais, tornando-os ideais para a produção de compostos furânicos.  

A biomassa de madeira demonstra versatilidade como matéria-prima, mostrando coocorrências significativas com a produção de carbono, furfural, fenol e guaiacol. O alto teor de lignina na biomassa lenhosa a torna particularmente adequada para a produção de produtos químicos de plataforma aromáticos por meio de despolimerização. A substancial coocorrência com a produção de carbono também reflete o papel tradicional da madeira na fabricação de carvão vegetal e carvão ativado. O bagaço mostra um uso equilibrado em múltiplos produtos, sendo a produção de furfural e carbono suas associações mais altas. 

Direções futuras para produtos de biomassa 

O campo de conversão de biomassa mostra uma atividade de pesquisa significativa, com publicações em periódicos superando patentes, o que sugere que a comercialização desses materiais ainda é um desafio. Para obter ampla adoção, os biocombustíveis e bioquímicos devem superar a questão da competição entre alimentos e combustíveis, dependendo essencialmente de insumos de base biológica não alimentares para gerar combustíveis e produtos químicos sem restringir o suprimento de alimentos e aumentar os preços dos alimentos. A eficiência energética e a limitação das emissões dos processos de conversão também são fundamentais para tornar esses materiais econômica e ambientalmente viáveis.

Esses desafios são formidáveis, mas não insuperáveis. As crescentes preocupações ambientais e os limites dos recursos de combustíveis fósseis continuarão a impulsionar o interesse em fontes de energia e produtos químicos derivados de biomassa. A descarbonização industrial continuará à medida que o mundo lida com os impactos das mudanças climáticas, e os biocombustíveis e bioquímicos são componentes importantes de processos industriais com menores emissões.

Como mostra nossa análise do cenário de publicações, há ampla oportunidade para alavancar matérias-primas de biomassa e vários métodos de conversão em produtos industriais procurados. O volume de pesquisa até o momento demonstra que a ciência está avançando e, com avanços contínuos, esses materiais de base biológica podem dar o salto de inovações experimentais para insumos comuns dos quais a economia moderna depende.

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