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 esse gás diretamente a partir de pão desperdiçado.

Este avanço transforma um processo central da produção moderna numa alternativa de baixo consumo energético, capaz de funcionar sem fornecimento externo de hidrogénio gasoso.

Reação de hidrogénio alimentada por pão

Num único frasco selado, bactérias alimentaram-se de açúcares extraídos de pão descartado 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 a uma temperatura próxima da ambiente, com os microrganismos a fornecê-lo em tempo real.

Esta configuração fechada dispensa a distribuição de 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 - contribui para converter óleos, ingredientes farmacêuticos e plásticos em produtos utilizáveis.

Em catalisadores metálicos, o gás hidrogénio 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 setores da produção moderna, mas continua a depender quase inteiramente 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 da Energia.

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

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

Substituir esse fluxo de origem fóssil por gás microbiano produzido dentro do reator reduz etapas a montante, embora as unidades de grande dimensão continuem a exigir uma monitorização rigorosa.

Microrganismos produzem hidrogénio

Sem oxigénio, alguns microrganismos passam para a fermentação, obtendo energia do 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 dentro de um recipiente hermeticamente fechado.

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

Como o hidrogénio era formado conforme necessário, a etapa química decorreu perto da temperatura ambiente, em vez de requerer o calor habitualmente usado na indústria.

Paládio em contacto com as células

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

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

Imagens de microscópio revelaram o catalisador junto à membrana celular, indicando que a superfície funcionava como espaço de trabalho para a conversão.

Mesmo com esse contacto, as bactérias continuaram a crescer, um aspeto importante caso esta química venha a ser associada a grandes fermentadores.

Produtos obtidos a partir de migalhas

Depois de validarem a configuração, a equipa aplicou-a à modificação de várias substâncias químicas que, normalmente, exigem hidrogénio gasoso transportado para o local.

Alguns dos alvos encontravam-se fora da célula, ao passo que outros eram produzidos pelas próprias bactérias antes de o catalisador concluir a transformação.

Numa experiência foi obtida cetona de framboesa, usada em aromatizantes, e noutra uma substância empregue 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 sugeriram que as células vivas podem fornecer hidrogénio à indústria sem recorrer a fontes fósseis.

Pão desperdiçado como matéria-prima

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

Enzimas converteram o pão envelhecido em açúcares simples, que as bactérias conseguem consumir sem necessidade de equipamento especializado de processamento.

No Reino Unido, são desperdiçadas cerca de um milhão de toneladas de pão por ano, o que disponibiliza uma grande reserva de matéria-prima para esta abordagem.

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

Contabilizar os custos de carbono

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

Quando o pão desperdiçado substituiu o hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis, a análise concluiu que o processo podia tornar-se carbono-negativo, removendo mais gases com efeito de estufa do que aqueles que adiciona.

Evitar o aterro ou a incineração contribuiu para esse resultado, tal como dispensar a produção de hidrogénio de elevado consumo energético, normalmente realizada em grande escala.

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

Aumentar a escala sem combustível fóssil

Levar esta química além da escala de laboratório exigirá mais do que material de vidro, 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, a estratégia pública Zero até 2040 levou os investigadores a procurar etapas de fabrico com menores emissões de carbono.

“A possibilidade de realizar estas reações com hidrogénio microbiano abre novas oportunidades para um fabrico sustentável à escala”, afirmou Wallace.

O que se segue

A conversão de desperdício de pão em hidrogénio pronto para reação mostrou como a biologia e a química podem partilhar um recipiente, reduzindo simultaneamente o consumo de energia e as emissões.

A futura expansão 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.