COMPONENTI PRINCIPALI DELLE BIOMASSE
I componenti chiave costituenti le biomasse vegetali sono:
• La cellulosa; • La emicellulosa; • La lignina;
• Gli estrattivi di natura organica; • Gli estrattivi di natura inorganica.
Lignina Composti a basso peso molecolare Frazione organica Frazione inorganica Composti macromolecolari Polisaccaridi Cellulosa Hemicellulosa Ceneri Composti estrattivi Biomasse Vegetali
Le loro quantità relative variano secondo la specie e l’età della pianta (vedi fig. 3).
Figura 3 - Composizione delle biomasse
Le fibre di cellulosa sono trattenute in una matrice di lignina, la emicellulosa in una struttura concettualmente simile a quella delle fibre di vetro nelle resine di poliestere.
In generale le piante si dividono in piante ligno-cellulosiche e piante erbacee: le prime sono a crescita lenta ed hanno la superficie esterna dura dovuta al fatto che le fibre sono legate fortemente tra loro, mentre le seconde sono solitamente sempre verdi e le loro fibre sono legate più blandamente per un basso tenore di lignina.
Sia la cellulosa che la lignina sono dei polisaccaridi, la loro quantità relativa è un fattore determinante per la resa dei processi cui le specie vegetali sono sottoposte.
La cellulosa (fig. 4) è il maggior costituente delle biomasse ligno-cellulosiche (circa 30-60% in peso) ed è formata da catene lineari di glucosio legati tra loro con legami di tipo 1-4 β glucosidici, e il loro numero è intorno a 5000 unità.
Tra le catene si instaurano legami ad idrogeno che determinano la formazione di domini cristallini che impartiscono resistenza ed elasticità alle fibre vegetali.
La formula chimica del monomero della cellulosa è (C6H10O5)n con “n” grado di polimerizzazione che può variare non solo da vegetale a vegetale, ma anche nello stesso vegetale.
La cellulosa è idrolizzata completamente a glucosio da acidi concentrati, mentre gli acidi diluiti, gli alcali e le sostanze ossidanti esercitano un’azione meno drastica, ma sufficiente a ridurre il suo grado di polimerizzazione.
In natura si trova allo stato puro solo nelle piante annuali come cotone e lino, mentre nelle piante legnose è sempre accompagnata da emicellulosa e lignina.
L’emicellulosa, che costituisce il 10-40% della biomassa ligno-cellulosiche, schematizzata in fig. 5, è un polimero misto ramificato e relativamente corto di circa 10-200 molecole.
E’ formata da zuccheri a 6 atomi fig. 6di carbonio (glucosio, mannosio e galattosio) e a 5 atomi fig. 6 di carbonio (xilosio e arabosio) legati tra loro con il caratteristico legame di tipo 1-4 β glucosidici, ma anche con legami di tipo 1-6 e 1-3.
Figura 6 - I principali zuccheri monomeri costituenti l’emicellulosa
La lignina come si vede dalla figura 8 ha una struttura molto complessa in quanto è un polimero tridimensionale irregolare ed è uno dei costituenti principali dei vegetali e ne rappresenta il 10-30% della massa, a seconda della specie.
La sua funzione principale, come menzionato precedentemente, consiste nel legare e cementare le varie fibre dando compattezza e resistenza alla
pianta; inoltre costituisce protezione per la pianta contro insetti, agenti patogeni, lesioni e luce ultravioletta.
È un composto di natura fenolica che prende origine dalla polimerizzazione deidrogenativa, per via enzimatica, dei tre principali precursori: alcool p-cumarilico, alcool sinapilico ed alcool coniferilico, mostrati in figura 7.
Figura 2 - Precursori della lignina
Il processo di estrazione della lignina può provocare variazioni alla struttura originaria di tale composto, perciò è difficile calcolare il suo peso molecolare.
La lignina può essere così classificata:
• Lignina hardwood, quando prevale l’alcool coniferilico e sinapilico;
• Lignina grass, quando contiene quantità significative di derivati di alcool p-cumarilico.
La lignina ha molteplici utilizzi: oltre a trovare impiego come combustibile, è usata anche come disperdente, indurente, emulsionante, per laminati plastici, cartoni e manufatti di gomma.
La lignina, quando è trattata chimicamente, produce composti aromatici come la vanillina, la siringaldeide e la p-idrossibenzaldeide, utilizzati anche nell’industria cosmetica, alimentare e farmaceutica.
Non è tossica, e questo permette di utilizzarla per la produzione di emendanti granulari per il terreno a rilascio controllato di micronutrienti, è caratterizzata da un’elevata resistenza agli acidi forti, mentre è molto sensibile agli agenti ossidanti.
Le proprietà fisiche e chimiche della lignina dipendono molto dal tipo di processo con cui è estratta dalle biomasse, in quanto la struttura nativa può essere modificata in seguito all’azione dei reagenti chimici utilizzati e dalle reazioni di pirolisi.
Il nome di estrattivi deriva dalla possibilità di estrarre tali sostanze con acqua calda o fredda, o ricorrendo a solventi organici come alcol, benzene, acetone, etc.
Le quantità estraibili oscillano tra l’1% e il 30%, mentre la variabilità di contenuto di estrattivi, dipende dall’età e dal tipo di pianta.
Le biomasse vegetali hanno inoltre un piccolo contenuto di minerali inorganici, che solitamente durante i trattamenti termici, finiscono nelle ceneri.
Elementi come: potassio, sodio, fosforo, calcio, magnesio, silicio; salvo alcune eccezioni, che sono presenti in percentuali ridotte e la loro quantità varia secondo il tipo di biomassa.
Tabella 3 - Tipici componenti minerali delle biomasse vegetali Elemento % su base secca
potassio, K 0.1 sodio, Na 0.015 fosforo, P 0.02 calcio, Ca 0.2 magnesio, Mg 0.04
