Bactérias vivas geram hidrogénio a partir de pão descartado para hidrogenação, diz Universidade de Edimburgo

As bactérias vivas passaram a substituir o hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis numa das reacções mais usadas pela indústria química, ao gerarem o gás directamente a partir de pão rejeitado.

Esta inovação transforma um pilar do fabrico moderno num processo de baixa energia, capaz de funcionar sem fornecimento externo de gás hidrogénio.

Reacção a hidrogénio alimentada por pão

Num único balão selado, bactérias alimentadas com açúcares extraídos de pão descartado libertaram hidrogénio à medida que cresciam sem oxigénio.

Ao operar este sistema, o Professor Stephen Wallace, da Universidade de Edimburgo, mostrou que o hidrogénio produzido no interior de células vivas era suficiente para impulsionar uma reacção de hidrogenação no mesmo recipiente.

Em vez de depender de hidrogénio comprimido vindo de unidades baseadas em fósseis, a conversão ocorreu perto da temperatura ambiente, com os microrganismos a fornecê-lo em tempo real.

Este arranjo fechado elimina a necessidade de transporte e fornecimento de hidrogénio a alta pressão; ainda assim, levanta dúvidas sobre como sistemas “vivos” deste tipo poderiam ser integrados em grandes reactores industriais.

O papel industrial do hidrogénio

Em fábricas de vários sectores, a hidrogenação - a adição de hidrogénio para estabilizar químicos reactivos - ajuda a transformar óleos, ingredientes farmacêuticos e plásticos em produtos utilizáveis.

Na presença de catalisadores metálicos, o gás hidrogénio divide-se e os átomos resultantes ligam-se a duplas ligações, alterando pontos de fusão e o comportamento químico.

“Hydrogenation underpins huge parts of modern manufacturing, but it still relies almost entirely on hydrogen made from fossil fuels,” disse Wallace.

O estrangulamento do hidrogénio fóssil

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

A maioria das unidades industriais retira hidrogénio do gás natural ou do carvão, um passo que liberta dióxido de carbono antes mesmo de qualquer fábrica iniciar a hidrogenação.

Além disso, transportar hidrogénio comprimido e operar reactores a alta pressão aumenta o consumo energético, e eventuais fugas criam riscos de incêndio que têm de ser controlados.

Ao substituir essa corrente de origem fóssil por gás gerado por microrganismos dentro do reactor, reduzem-se etapas a montante - embora, em instalações de grande escala, continue a ser essencial uma monitorização rigorosa.

Microrganismos que produzem hidrogénio

Na ausência de oxigénio, certos microrganismos mudam para a fermentação, obtendo energia a partir de açúcares sem ar e libertando hidrogénio como subproduto.

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

Ao manter as células sem ar, os investigadores levaram-nas a libertar hidrogénio, e esse gás ficou retido no mesmo vaso onde decorria a química.

Como o hidrogénio era formado apenas quando necessário, a etapa química pôde operar perto da temperatura ambiente, em vez do aquecimento industrial normalmente associado.

Paládio em contacto com as células

Durante a reacção, uma pequena quantidade de paládio - um metal que facilita a ligação do hidrogénio a outras moléculas - permaneceu na superfície bacteriana.

Nesse metal, as moléculas de hidrogénio separaram-se, e os átomos libertados passaram para alvos químicos próximos que flutuavam em água.

Imagens ao microscópio mostraram o catalisador junto à membrana celular, sugerindo que a própria superfície funcionou como “bancada de trabalho” para a conversão.

Apesar desse contacto directo, as bactérias continuaram a crescer, um detalhe relevante caso esta abordagem venha a ser combinada com grandes fermentadores.

Produtos a partir de migalhas

Depois de demonstrada a viabilidade do sistema, a equipa usou-o para modificar vários compostos que, em condições normais, exigem hidrogénio fornecido e transportado de fora.

Alguns dos alvos estavam fora da célula; outros foram produzidos pelas próprias bactérias antes de o catalisador completar a transformação.

Num ensaio obteve-se cetona de framboesa, utilizada em aromatizantes; noutro, produziu-se um químico usado no fabrico de nylon - indicando que a reacção pode servir tanto materiais de especialidade como materiais de grande volume.

Embora estes exemplos tenham ficado limitados a balões de laboratório, sugerem que células vivas podem fornecer hidrogénio para aplicações industriais sem recorrer a fontes fósseis.

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.

Enzimas degradaram o pão endurecido em açúcares simples, que as bactérias conseguem consumir sem equipamento de processamento especial.

No Reino Unido, desperdiçam-se cerca de um milhão de toneladas de pão por ano, o que dá a esta ideia uma grande reserva de matéria-prima.

Usar resíduos em vez de novas culturas também evita compromissos relacionados com uso de solo e fertilizantes; ainda assim, recolher fluxos limpos de resíduos à escala continua a ser difícil.

A contabilização dos custos de carbono

Uma avaliação do ciclo de vida formal - um inventário completo de emissões do início ao fim - comparou esta via com a hidrogenação convencional.

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

Contribuíram para isso a redução de aterro ou incineração, bem como a eliminação da produção de hidrogénio intensiva em energia, que normalmente opera a escala massiva.

No entanto, estes ganhos dependem de como os resíduos são geridos e de que energia é usada localmente, pelo que os resultados carbono-negativos variarão consoante a região e o processo.

Escalar sem combustíveis fósseis

Levar esta química além do vidro de laboratório exigirá mais do que balões e frascos, porque a indústria precisa de reactores contínuos, alimentação estável e rendimentos previsíveis.

As próximas experiências irão testar outros microrganismos e condições, com o objectivo de eliminar o catalisador de paládio e manter as reacções totalmente biológicas.

Na Universidade de Edimburgo, a estratégia pública Zero by 2040 tem levado os investigadores a procurar etapas de fabrico com menor pegada de carbono.

“Being able to run these reactions using microbial hydrogen opens up new possibilities for sustainable manufacturing at scale,” disse Wallace.

O que vem a seguir

A conversão de desperdício de pão em hidrogénio pronto a reagir mostrou como biologia e química podem partilhar o mesmo recipiente, reduzindo simultaneamente energia e emissões.

A expansão para maior escala dependerá de fluxos de resíduos fiáveis e de catalisadores mais seguros, mas a ideia central já aponta para um fabrico menos dependente de fontes fósseis.