Bactérias vivas produzem hidrogénio a partir de pão desperdiçado

As bactérias vivas substituíram o hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis numa das reações mais utilizadas pela indústria química, ao gerarem este gás diretamente a partir de pão descartado.

Este avanço transforma um processo fundamental do fabrico moderno num método de baixo consumo energético, capaz de funcionar sem fornecimento externo de hidrogénio gasoso.

Reação de hidrogénio alimentada por pão

Num único balão selado, bactérias alimentaram-se de açúcares extraídos de pão desperdiçado e libertaram hidrogénio enquanto cresciam na ausência de oxigénio.

Ao operar este sistema, o professor Stephen Wallace, da Universidade de Edimburgo, demonstrou que o gás gerado no interior de células vivas bastava para promover a hidrogenação no mesmo recipiente.

Em vez de recorrer a hidrogénio comprimido proveniente de instalações baseadas em combustíveis fósseis, a reação decorreu perto da temperatura ambiente, sendo o fornecimento de gás feito pelos microrganismos em tempo real.

Esta configuração fechada elimina a necessidade de transportar hidrogénio a alta pressão, embora também levante dúvidas sobre a integração destes sistemas vivos em grandes reatores industriais.

O papel industrial do hidrogénio

Nas fábricas, a hidrogenação - a adição de hidrogénio para estabilizar substâncias químicas reativas - ajuda a converter óleos, ingredientes farmacêuticos e plásticos em produtos utilizáveis.

Nos catalisadores metálicos, o hidrogénio gasoso divide-se e os seus átomos ligam-se a ligações duplas, alterando os pontos de fusão e o comportamento químico das substâncias.

“A hidrogenação sustenta enormes áreas do fabrico moderno, mas continua a depender quase inteiramente de hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis”, afirmou Wallace.

O estrangulamento do hidrogénio fóssil

Em 2023, a produção mundial de hidrogénio emitiu cerca de mil milhões de toneladas de dióxido de carbono, segundo uma nova análise da Agência Internacional de Energia.

A maioria das instalações extrai hidrogénio do gás natural ou do carvão, um processo que liberta dióxido de carbono antes mesmo de uma fábrica iniciar a hidrogenação.

O transporte de hidrogénio comprimido e a operação de reatores de alta pressão aumentam os custos energéticos, enquanto as fugas criam riscos de incêndio que os operadores têm de controlar.

Substituir este fluxo de origem fóssil por gás microbiano gerado dentro do reator reduz etapas a montante, embora as grandes instalações continuem a exigir uma monitorização rigorosa.

Microrganismos produzem hidrogénio

Na falta de oxigénio, alguns microrganismos passam para a fermentação, obtendo energia a partir de açúcar sem ar e libertando hidrogénio como subproduto.

Nas experiências realizadas em Edimburgo, uma estirpe comum de Escherichia coli cresceu com açúcares de pão e produziu hidrogénio num recipiente selado.

A cultura das células sem ar levou-as a libertar hidrogénio, que os investigadores mantiveram no mesmo recipiente.

Como o hidrogénio era formado quando necessário, a etapa química decorreu perto da temperatura ambiente, em vez do calor industrial habitualmente exigido.

O paládio em contacto com as células

Durante a reação, uma pequena quantidade de paládio, um metal que facilita a ligação do hidrogénio às moléculas, permaneceu na superfície das bactérias.

As moléculas de hidrogénio dividiam-se nesse metal, e os átomos libertados passavam para os alvos químicos próximos, suspensos na água.

Imagens de microscópio revelaram o catalisador junto à membrana celular, sugerindo que essa superfície funcionava como uma área de trabalho para a conversão.

Apesar desse contacto, as bactérias continuaram a crescer, algo importante caso esta química venha a ser associada a grandes fermentadores.

Produtos obtidos a partir de migalhas

Depois de comprovado o funcionamento da configuração, a equipa aplicou-a à modificação de vários compostos que normalmente exigem hidrogénio gasoso transportado para o local.

Alguns dos alvos químicos vinham do exterior da célula, enquanto outros eram produzidos pelas próprias bactérias antes de o catalisador concluir a transformação.

Numa das experiências foi produzida cetona de framboesa, utilizada em aromatizantes; noutra, obteve-se um composto usado no fabrico de nylon, demonstrando que a reação podia servir tanto materiais especializados como materiais produzidos em grande volume.

Estes exemplos permaneceram à escala de balões de laboratório, mas indicaram que as células vivas podem fornecer hidrogénio à indústria sem recurso a fontes fósseis.

O pão desperdiçado como matéria-prima

O desperdício de pão acumula-se rapidamente, e os investigadores trataram-no como matéria-prima, em vez de lixo destinado a aterro ou incineração.

As enzimas decomporam o pão duro em açúcares simples, que as bactérias puderam consumir sem necessidade de equipamento especializado de processamento.

No Reino Unido, são desperdiçadas cerca de um milhão de toneladas de pão por ano, proporcionando a esta ideia uma ampla reserva de matéria-prima.

A utilização de resíduos, em vez de novas culturas, também evita compromissos relacionados com terra agrícola e fertilizantes, mas a recolha de fluxos limpos em grande escala continua a ser difícil.

Contabilização dos custos de carbono

Uma avaliação formal do ciclo de vida, ou seja, uma contabilização integral das emissões do início ao fim, comparou esta via com a hidrogenação convencional.

Quando o pão desperdiçado substituiu o hidrogénio de origem fóssil, a análise concluiu que o processo poderia ter um balanço negativo de carbono, removendo mais gases com efeito de estufa do que aqueles que acrescenta.

Evitar o aterro ou a incineração contribuiu para esse resultado, tal como dispensar a produção de hidrogénio com elevado consumo de energia, habitualmente realizada a enorme escala.

Estes benefícios dependem das opções locais de gestão de resíduos e energia, pelo que os resultados negativos de carbono variarão conforme a região e o processo.

Aumentar a escala sem combustível fóssil

Levar esta química além do laboratório exigirá mais do que material de vidro, pois a indústria precisa de reatores contínuos, alimentações estáveis e rendimentos previsíveis.

As próximas experiências irão avaliar outros microrganismos e condições, com o objetivo de eliminar o catalisador de paládio e manter as reações inteiramente biológicas.

Na Universidade de Edimburgo, uma estratégia pública de Zero até 2040 incentivou os investigadores a procurar etapas de fabrico com menores emissões de carbono.

“A capacidade de realizar estas reações com hidrogénio microbiano abre novas possibilidades para o fabrico sustentável em grande escala”, afirmou Wallace.

O que se segue

A conversão de pão desperdiçado em hidrogénio pronto para reação mostrou como a biologia e a química podem coexistir num único recipiente, reduzindo simultaneamente o consumo de energia e as emissões.

A expansão futura dependerá de fluxos de resíduos fiáveis e de catalisadores mais seguros, mas a ideia central já aponta para um fabrico que ultrapassa a dependência de combustíveis fósseis.