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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ALIMENTOS – EQA CENTRO TECNOLÓGICO - CTC DISCIPLINA: ENGENHARIA BIOQUÍMICA.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ALIMENTOS – EQA CENTRO TECNOLÓGICO - CTC DISCIPLINA: ENGENHARIA BIOQUÍMICA Prof.: Agenor Furigo Junior Produção Biológica de Hidrogênio Henrique Carlos Monteiro Jairo Zago de Souza Rennan Nascimento de Almeida Florianópolis, Fevereiro de 2007

2 Introdução A era do petróleo; Degradação ambiental; Produção de hidrogênio; Produção biológica de hidrogênio;

3 Hidrogênio O Hidrogênio, elemento químico mais simples e mais abundante do universo, apresenta-se de forma combinada, como: Água (H 2 O) Ácidos (H 3 O+) Bases (OH-) Hidretos Compostos orgânicos

4 Vantagens na Utilização de Hidrogênio – Fonte Renovável de Energia; – Não é tóxico, corrosivo ou cancerígeno; – Por não conter nenhum átomo de carbono não emite dióxido de Carbono (nao contribui para a degradação da camada de ozônio) – Embora seja inflamável, tem rápida dispersão e alto coeficiente de difusão; – Possui quantidade de energia por unidade de massa maior que qualquer outro combustível conhecido (52000 BTU/lb ou 120,7 kJ/g), cerca de três vezes mais que o petróleo em seu estado líquido. – Seu uso em Células a Combustível produz apenas energia e água.

5 Aplicações Fabricação de Amônia; Hidrogenação de Gorduras Vegetais; Gás de maçarico para soldas à altas temperaturas; Produção de Combustível para foguetes espaciais; Produção de ácidos; Célula combustível; Meio refrigerador em geradores elétricos; Em processos de hidrogenação: usado para produzir compostos de baixo peso molecular, compostos saturados, craquear hidrocarbonetos e remover enxofre (dessulfurização do petróleo);

6 Células a Combustível de Hidrogênio – Tecnologia inventada em 1839, mas que só em 1990 conseguiu superar as barreiras que impediam a difusão generalizada. – Princípio – o inverso da eletrólise da água (passar uma corrente elétrica pela água decompondo-se em bolhas de hidrogênio e oxigênio). – Um célula de combustível faz a mesma coisa em sentido contrario: usa uma fina membrana plástica polvilhada de platina para combinar o oxigênio fornecido pelo ar com o hidrogênio a fim de criar eletricidade e água quente pura e nada mais. H 2 + O 2 --> eletricidade + H 2 O

7 Células a Combustível Ânodo: H 2 (g) -> 2 H+(aq) + 2 e- Cátodo: 1/2 O 2 (g) + 2 H+(aq) + 2 e- -> H 2 O(g)

8 Métodos de Produção de Hidrogênio A partir de Combustíveis fósseis A partir de Água Processos biológicos

9 Hidrogênio a Partir de Combustíveis Fósseis Hidrogênio pode ser produzido através de Combustíveis Fósseis pelos seguintes métodos: Craqueamento Térmico de Gás Natural; Oxidação Parcial de Hidrocarbonetos Pesados; Gaseificação do Carvão; Reforma Catalítica de Gás Natural.

10 Hidrogênio a Partir de Gás Natural É a alternativa mais barata e eficiente, o hidrogênio é obtido quebrando as moléculas de hidrocarboneto que compõem o combustível. Grande parte da produção de hidrogênio hoje é feita a partir da reforma catalitica do gás natural (cerca de 90%). Problema - essas formas emitem gás carbônico e outros gases-estufa, além de sustentar a dependência do petróleo e outras fontes não renováveis.

11 Hidrogênio a Partir de Água Eletrólise da Água; Fotólise da Água; Eletrólise do Vapor; Decomposição Termoquímica da Água; Processo Fotoeletroquímico.

12 Eletrólise da Água Consiste em passar pela água uma corrente elétrica, separando o átomo de hidrogênio e os de oxigênio. Problema - retirar hidrogênio da água é um processo complicado e muito caro, gasta-se mais energia criando o hidrogênio do que ele pode fornecer depois, ao ser utilizado.

13 A principal motivação para os estudos de processos biológicos para a produção de hidrogênio é obter um combustível limpo, sem utilização prévia de eletrecidade e sem geração de gases poluentes que contribuem para o aumento do efeito estufa, sendo, portanto, ecologicamente correto.

14 Produção Biológica de Hidrogênio É a maneira ideal de produzir hidrogênio, não produz gases estufa; Maior parte do H 2 produzido na biosfera é proveniente da oxidação de matéria orgânica liberando CO 2 e H 2 ; Enzimas catalisadoras e respectivas reações : Hidrogenase Nitrogenase

15 Produção Biológica de Hidrogênio Fotossíntese Algas Verdes e Cianobactérias Biofotólise Bactérias Fotossintetizantes Fotodecomposição de Compostos Orgânicos Fermentação Bactérias Fermentativas Fermentação de Compostos Orgânicos Duas categorias de sistemas de microorganismos produzem H 2 : Nas duas categorias a produção de H 2 ocorre com a decomposição de um substrato.

16 Produção Biológica de Hidrogênio Biofotólise H2OH2O Luz O 2 + H 2 A biofotólise da água é um processo biológico que converte energia solar em energia química armazenada, útil para a célula. A biofotólise acontece quando um sistema biológico sofre a ação da luz, resultando na decomposição de um substrato (quase sempre água) e na produção de hidrogênio.

17 Produção Biológica de Hidrogênio Produção de H 2 em algas verdes – biofotólise direta: São muito eficientes na produção de H 2 a partir da água; Após período em anaerobiose e no escuro (síntese e ativação de hidrogenase) acontece a produção de H 2 Hidrogenase combina os prótons (H+) com os elétrons (e-) para formar e liberar o H 2 ; O 2 é um inibidor poderoso da Fe- hidrogenase; Manipulação genética acesso ao sítio catalítico.

18 Produção Biológica de Hidrogênio Chlamydomonas reinhardtii

19 Produção Biológica de Hidrogênio Produção de H 2 em cianobactérias – biofotólise indireta: As cianobactérias unicelulares são as únicas capazes de produzir Hidrogênio através da biofotólise indireta da água; Hidrogênio e Oxigênio são formados a partir da energia solar e da água, sem desprendimento de CO 2 ; Os requisitos nutricionais são obtidos facilmente, pois crescem em meios contendo sais minerais simples; Mecanismo simples e pouco dispendioso, utilizam N 2, CO 2 atmosféricos, H 2 O como fonte de elétrons e luz solar como fonte de energia.

20 Produção Biológica de Hidrogênio Nas cianobactérias podem existir três tipos de enzimas diretamente envolvidas no metabolismo do H 2 : 1) nitrogenase – catalisa a redução de NH 4 + a N 2 com liberação obrigatória de H 2 ; 2) hidrogenase de assimilação – recicla H 2 liberado pela nitrogenase; 3) hidrogenase bidirecional – pode produzir ou consumir O 2

21 Nas cianobactérias fixadoras de azoto dois tipos de enzimas tem a capacidade de produzir H 2 : a nitrogenase e a hidrogenase bi-direccional; Produção total de H 2 [liberação pela nitrogenase] – [consumo pela hidrogenase assimilação]; Nitrogenase requer muita energia e é muito sensível à inibição por O 2, hidrogenase é igualmente sensível; São necessários: 1)produção/seleção de mutantes deficientes na atividade de assimilação; 2) seleção de mutantes com hidrogenase bidirecional menos sensível ao O 2, ou 3)cuja nitrogenase tenha menos requisitos energéticos. Produção Biológica de Hidrogênio

22

23 Nostoc punctiforme, v (células vegetativas, fotossintéticas) e h (heterocistos, fixadoras de N 2 ).

24 Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias Fotossintetizantes Vantagens Capazes de degradar glicose completamente à CO 2 e H 2. Habilidade de usar amplo espectro de luz As bactérias fotossintetizantes apresentam alta conversão de H 2. Consome diversos substratos orgânicos, o que possibilita a produção de H 2 a partir de efluentes.

25 Chromatium Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias Fotossintetizantes

26 Na produção de hidrogênio por fermentação, o H 2 é libertado pela ação de hidrogenases como meio de eliminar o excesso de elétrons gerados durante a degradação de hidratos de carbono. Bactérias fermentativas possuem alta velocidade de produção de hidrogênio; Elas podem produzir hidrogênio constantemente durante o dia e a noite; Elas crescem e se multiplicam rápido para fornecer microorganismo para o sistema de produção. As bactérias fermentativas são classificadas em: Proteolíticas Sacarolíticas Fermentação de compostos orgânicos – Bactérias fermentativas

27 Clostridium perfrigens Clostridium acetobutylicum

28 Sistemas Híbridos

29 Comparação dos processos ClassificaçãoVantagensDesvantagens Cianobactérias Substrato: Água A nitrogenase produz principalmente H 2 Possui habilidade de fixar N2 Necessita de iluminação natural Inibição da nitrogenase por O 2 A hidrogenase deve ser cancelada para não degradar o H 2 formado CO 2 presente no produto Algas verdes Substrato: ÁguaNecessita de iluminação Necessita atmosferas pobres em O 2 (inibição por O 2 ) Bactérias Fotossintetizadoras Substratos: diferentes resíduos e efluentes Habilidade de usar amplo espectro de luz Necessita de iluminação constante CO 2 presente no produto O resíduo de fermentação necessita de tratamento para não causar problemas de poluição Bactérias fermentativas Substrato: ampla variedade de fontes de carbono, como amido, sacarose, xilose, etc.. Pode produzir H 2 o dia todo (não necessita iluminação Produz metabólicos secundários de grande valor agregado Processo anaeróbio, não há problemas de inibição por O 2 O resíduo da fermentação necessita de tratamento para não criar problemas de poluição CO 2 presente no produto

30 Conclusão O hidrogênio poderá se tornar uma alternativa viável para substituição dos combustíveis fósseis; A transição será demorada e enfrentará diversos desafios tecnológicos e políticos; A produção biológica do hidrogênio é eficiente, ocorre a baixas temperaturas e produz poucos compostos indesejáveis; A engenharia genética poderá contribuir com o desenvolvimento de novos sistemas biológicos mais eficientes, aumentando a viabilidade do Biohidrogênio.

31 Referências Bibliográficas Paula Tamagnini, Elsa Leitão, Paulo Oliveira - Biohidrogénio: produção de H2 utilizando cianobactérias; acessado em 12/02/07; acessado em 12/02/07; Mucillo, D. Estudos in Silico de Engenharia Metabólica na produção de Hidrogênio Clostridiun acetobutylicum. Intelab. UFSC


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