Bactérias produzem hidrogénio a partir de pão desperdiçado

As bactérias vivas substituíram o hidrogénio de origem fóssil numa das reações mais utilizadas pela indústria química, ao produzirem este gás diretamente a partir de pão desperdiçado.

Este avanço transforma um processo essencial do fabrico moderno numa operação de baixo consumo energético, capaz de funcionar sem fornecimento externo de hidrogénio gasoso.

Reação de hidrogénio alimentada por pão

Num único frasco selado, bactérias consumiram açúcares extraídos de pão descartado e libertaram hidrogénio enquanto cresciam na ausência de oxigénio.

Ao pôr este sistema em funcionamento, o professor Stephen Wallace, da Universidade de Edimburgo, demonstrou que o gás gerado no interior das 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 a uma temperatura próxima da ambiente, com os microrganismos a fornecê-lo em tempo real.

Esta configuração fechada elimina a necessidade de transportar hidrogénio sob alta pressão, embora suscite também 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 - contribui para transformar óleos, ingredientes farmacêuticos e plásticos em produtos utilizáveis.

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

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

O bloqueio 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, uma etapa que liberta dióxido de carbono antes mesmo de qualquer fábrica iniciar a hidrogenação.

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

A substituição desse fluxo fóssil por gás microbiano no interior do reator reduz as etapas a montante, apesar de as grandes instalações continuarem a exigir uma monitorização rigorosa.

Microrganismos produzem hidrogénio

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

Nos ensaios realizados em Edimburgo, uma estirpe convencional de Escherichia coli cresceu com açúcares de pão e produziu hidrogénio num recipiente selado.

O crescimento das células sem ar levou-as a expelir hidrogénio, gás que os investigadores retiveram nesse mesmo recipiente.

Como o hidrogénio se formava conforme era necessário, a etapa química decorreu perto da temperatura ambiente, em vez do aquecimento habitualmente exigido pela indústria.

Paládio em contacto com as células

Durante a reação, uma pequena quantidade de paládio - metal que facilita a ligação do hidrogénio às moléculas - encontrava-se na superfície bacteriana.

As moléculas de hidrogénio separaram-se nesse metal e os átomos libertados passaram para os alvos químicos próximos, suspensos em água.

As imagens de microscópio revelaram o catalisador junto à membrana celular, o que sugere que a superfície funcionou como espaço de trabalho para a conversão.

Mesmo com este contacto, as bactérias continuaram a crescer, um aspeto relevante caso esta química venha a ser combinada com 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 requerem hidrogénio gasoso transportado até ao local.

Alguns alvos estavam no exterior da célula, enquanto outros foram produzidos pelas próprias bactérias antes de o catalisador concluir o processo.

Numa experiência foi produzida cetona de framboesa, usada em aromatizantes, e noutra obteve-se um composto utilizado no fabrico de nylon, demonstrando que a reação pode apoiar tanto materiais especializados como materiais produzidos em grande volume.

Estes exemplos ficaram limitados a frascos de laboratório, mas indicaram que as células vivas podem fornecer hidrogénio à indústria sem fontes fósseis.

Pão desperdiçado como matéria-prima

Os resíduos de pão acumulam-se rapidamente, e os investigadores trataram-nos como matéria-prima em vez de lixo destinado a aterro ou incineração.

As enzimas decomporam o pão duro em açúcares simples, que as bactérias conseguiram consumir sem equipamento especial de processamento.

No Reino Unido, desperdiçam-se anualmente cerca de um milhão de toneladas de pão, criando uma grande reserva de matéria-prima para esta abordagem.

A utilização de resíduos, em vez de novas culturas, evita também compromissos relacionados com terreno e fertilizantes, embora a recolha de fluxos limpos em grande escala continue 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 podia tornar-se negativo em carbono, removendo mais gases com efeito de estufa do que aqueles que acrescenta.

Evitar o aterro ou a incineração contribuiu para este resultado, tal como dispensar a produção de hidrogénio com elevado consumo energético, que normalmente funciona a uma escala enorme.

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

Escalar sem combustíveis fósseis

Levar esta química à escala exigirá mais do que material de laboratório, pois a indústria necessita 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 Zero até 2040 levou os investigadores a procurar etapas de fabrico com menor intensidade carbónica.

“A capacidade de realizar estas reações usando hidrogénio microbiano abre novas possibilidades para um fabrico sustentável à escala”, afirmou Wallace.

Próximos passos

A conversão de pão desperdiçado em hidrogénio pronto para reagir mostrou como a biologia e a química podem partilhar um 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 lá do fabrico alimentado por combustíveis fósseis.