Bactérias geram hidrogênio de pão e substituem o hidrogênio fóssil na hidrogenação

Bactérias vivas passaram a substituir o hidrogênio obtido a partir de combustíveis fósseis em uma das reações mais difundidas da indústria química, ao gerar o gás diretamente de pão descartado.

Com isso, um processo central da manufatura moderna pode ser convertido em uma rota de baixa energia, capaz de funcionar sem o fornecimento externo de hidrogênio.

Reação de hidrogênio movida a pão

Em um único frasco selado, bactérias consumiram açúcares extraídos de pão descartado e liberaram hidrogênio enquanto cresciam na ausência de oxigênio.

Ao operar esse sistema, o professor Stephen Wallace, da University of Edinburgh, mostrou que o gás produzido dentro de células vivas bastava para conduzir a hidrogenação no mesmo recipiente.

Em vez de depender de hidrogênio comprimido vindo de unidades fósseis, a transformação ocorreu a uma temperatura próxima da ambiente, com os microrganismos fornecendo o gás em tempo real.

Esse arranjo fechado elimina a necessidade de entrega de hidrogênio em alta pressão, mas também levanta dúvidas sobre como sistemas vivos desse tipo poderiam ser integrados a reatores industriais de grande porte.

O papel industrial do hidrogênio

Em plantas industriais, a hidrogenação - a adição de hidrogênio para estabilizar substâncias químicas reativas - ajuda a transformar óleos, ingredientes farmacêuticos e plásticos em produtos utilizáveis.

Sobre catalisadores metálicos, o gás hidrogênio se divide, e esses átomos se ligam a ligações duplas, 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.

Gargalo do hidrogênio de origem fóssil

Em 2023, a produção global de hidrogênio emitiu cerca de 1 bilhão de toneladas de dióxido de carbono, segundo uma nova revisão da Agência Internacional de Energia.

A maioria das unidades separa hidrogênio a partir de gás natural ou carvão, e essa etapa libera dióxido de carbono antes mesmo de qualquer fábrica iniciar a hidrogenação.

O transporte de hidrogênio comprimido e a operação de reatores de alta pressão aumentam os gastos energéticos, e vazamentos criam riscos de incêndio que as equipes precisam controlar.

Substituir esse fluxo fóssil pelo gás microbiano gerado dentro do próprio reator reduz etapas anteriores, embora instalações grandes ainda exijam monitoramento rigoroso.

Microrganismos que produzem hidrogênio

Sem oxigênio, alguns microrganismos mudam para a fermentação, obtendo energia do açúcar sem ar e liberando hidrogênio como subproduto.

Nos experimentos em Edimburgo, uma cepa comum de Escherichia coli cresceu com açúcares do pão e produziu hidrogênio dentro de um recipiente selado.

Cultivar as células sem ar fez com que elas liberassem hidrogênio, e os pesquisadores retiveram esse gás no mesmo frasco.

Como o hidrogênio foi gerado sob demanda, a etapa química pôde ocorrer perto da temperatura ambiente, em vez do aquecimento industrial normalmente necessário.

Paládio em contato com as células

Uma pequena quantidade de paládio - metal que facilita a ligação do hidrogênio a moléculas - permaneceu na superfície bacteriana durante a reação.

No metal, as moléculas de hidrogênio se quebraram, e os átomos livres migraram para alvos químicos próximos, suspensos em água.

Imagens de microscopia indicaram o catalisador aderido à membrana celular, sugerindo que a superfície funcionou como uma área de trabalho para a conversão.

Mesmo com essa interação, as bactérias continuaram a se multiplicar, algo relevante caso a química venha a ser acoplada a grandes fermentadores.

Produtos obtidos a partir de migalhas

Depois de validar o arranjo, o grupo o aplicou para modificar diversos compostos que, em geral, dependem de hidrogênio entregue de fora.

Alguns alvos estavam fora da célula, enquanto outros foram produzidos pelas próprias bactérias antes de o catalisador completar a etapa final.

Em um ensaio, foi produzida cetona de framboesa usada em aromatizantes; em outro, surgiu um composto empregado na fabricação de nylon, indicando que a reação poderia atender tanto materiais de especialidade quanto de grande volume.

Esses resultados ficaram restritos a frascos de laboratório, mas sugeriram que células vivas podem fornecer hidrogênio à indústria sem recorrer a fontes fósseis.

Pão desperdiçado como matéria-prima

O desperdício de pão cresce rapidamente, e os pesquisadores o trataram como matéria-prima, não como lixo destinado a aterros ou incineração.

Enzimas degradaram o pão amanhecido em açúcares simples, que as bactérias conseguiram consumir sem a necessidade de equipamentos especiais de processamento.

No Reino Unido, cerca de 1 milhão de toneladas de pão são desperdiçadas por ano, o que dá a essa ideia um grande reservatório de insumo.

Usar resíduos, em vez de novas culturas agrícolas, também evita trade-offs de terra e fertilizantes, mas coletar fluxos limpos em grande escala continua sendo difícil.

Medindo os custos de carbono

Uma avaliação formal de ciclo de vida - contabilização completa das emissões do começo ao fim - comparou essa rota com a hidrogenação convencional.

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

Contribuíram para isso tanto a redução do envio a aterros ou incineração quanto a eliminação da produção intensiva em energia de hidrogênio, que costuma operar em escala enorme.

Essas vantagens dependem do manejo local dos resíduos e das escolhas de energia, de modo que os resultados de carbono-negativo variam por região e por processo.

Escalonar sem combustível fóssil

Levar essa química a maior escala exigirá mais do que vidraria de laboratório, porque a indústria precisa de reatores contínuos, alimentação estável e rendimentos previsíveis.

Os próximos testes vão avaliar outros microrganismos e condições, com o objetivo de eliminar o catalisador de paládio e manter as reações totalmente biológicas.

Na University of Edinburgh, uma estratégia pública Zero até 2040 tem incentivado pesquisadores a buscar etapas de fabricação com menor emissão 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

Converter resíduo de pão em hidrogênio pronto para reagir mostrou como biologia e química podem compartilhar um mesmo recipiente, reduzindo ao mesmo tempo energia e emissões.

A ampliação de escala dependerá de fluxos confiáveis de resíduos e de catalisadores mais seguros, mas a ideia central já aponta para além da manufatura alimentada por fontes fósseis.