Produção Biológica de Hidrogênio 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

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

Hidrogênio O Hidrogênio, elemento químico mais simples e mais abundante do universo, apresenta-se de forma combinada, como: Água (H2O) Ácidos (H3O+) Bases (OH-) Hidretos Compostos orgânicos

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.

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);

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. H2 + O2 --> eletricidade + H2O

Células a Combustível Ânodo: H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e- Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e- -> H2O(g)

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

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.

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.

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

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.

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.

Produção Biológica de Hidrogênio É a maneira ideal de produzir hidrogênio, não produz gases estufa; Maior parte do H2 produzido na biosfera é proveniente da oxidação de matéria orgânica liberando CO2 e H2; Enzimas catalisadoras e respectivas reações : Hidrogenase Nitrogenase

Produção Biológica de Hidrogênio Duas categorias de sistemas de microorganismos produzem H2: Fotossíntese Algas Verdes e Cianobactérias Biofotólise Bactérias Fotossintetizantes Fotodecomposição de Compostos Orgânicos Bactérias Fermentativas Fermentação Fermentação de Compostos Orgânicos Nas duas categorias a produção de H2 ocorre com a decomposição de um substrato.

Produção Biológica de Hidrogênio Biofotólise 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. H2O Luz O2 + H2

Produção Biológica de Hidrogênio Produção de H2 em algas verdes – biofotólise direta: São muito eficientes na produção de H2 a partir da água; Após período em anaerobiose e no escuro (síntese e ativação de hidrogenase) acontece a produção de H2 Hidrogenase combina os prótons (H+) com os elétrons (e-) para formar e liberar o H2; O2 é um inibidor poderoso da Fe-hidrogenase; Manipulação genética acesso ao sítio catalítico.

Produção Biológica de Hidrogênio Chlamydomonas reinhardtii

Produção Biológica de Hidrogênio Produção de H2 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 CO2; Os requisitos nutricionais são obtidos facilmente, pois crescem em meios contendo sais minerais simples; Mecanismo simples e pouco dispendioso, utilizam N2 , CO2 atmosféricos, H2O como fonte de elétrons e luz solar como fonte de energia.

Produção Biológica de Hidrogênio Nas cianobactérias podem existir três tipos de enzimas diretamente envolvidas no metabolismo do H2: 1) nitrogenase – catalisa a redução de NH4+ a N2 com liberação obrigatória de H2; 2) hidrogenase de assimilação – recicla H2 liberado pela nitrogenase; 3) hidrogenase bidirecional – pode produzir ou consumir O2

Produção Biológica de Hidrogênio Nas cianobactérias fixadoras de azoto dois tipos de enzimas tem a capacidade de produzir H2: a nitrogenase e a hidrogenase bi-direccional; Produção total de H2  [liberação pela nitrogenase] – [consumo pela hidrogenase assimilação]; Nitrogenase requer muita energia e é muito sensível à inibição por O2, hidrogenase é igualmente sensível; São necessários: produção/seleção de mutantes deficientes na atividade de assimilação; seleção de mutantes com hidrogenase bidirecional menos sensível ao O2, ou cuja nitrogenase tenha menos requisitos energéticos.

Produção Biológica de Hidrogênio

Produção Biológica de Hidrogênio Nostoc punctiforme, v (células vegetativas, fotossintéticas) e h (heterocistos, fixadoras de N2).

Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias Fotossintetizantes Vantagens Capazes de degradar glicose completamente à CO2 e H2. Habilidade de usar amplo espectro de luz As bactérias fotossintetizantes apresentam alta conversão de H2. Consome diversos substratos orgânicos, o que possibilita a produção de H2 a partir de efluentes.

Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias Fotossintetizantes Chromatium Chromatium

Fermentação de compostos orgânicos – Bactérias fermentativas Na produção de hidrogênio por fermentação, o H2 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 Clostridium perfrigens Clostridium acetobutylicum

Sistemas Híbridos

Comparação dos processos Classificação Vantagens Desvantagens Cianobactérias Substrato: Água A nitrogenase produz principalmente H2 Possui habilidade de fixar N2 Necessita de iluminação natural Inibição da nitrogenase por O2 A hidrogenase deve ser cancelada para não degradar o H2 formado CO2 presente no produto Algas verdes Necessita de iluminação Necessita atmosferas pobres em O2 (inibição por O2) Bactérias Fotossintetizadoras Substratos: diferentes resíduos e efluentes Habilidade de usar amplo espectro de luz Necessita de iluminação constante O resíduo de fermentação necessita de tratamento para não causar problemas de poluição fermentativas Substrato: ampla variedade de fontes de carbono, como amido, sacarose, xilose, etc.. Pode produzir H2 o dia todo (não necessita iluminação Produz metabólicos secundários de grande valor agregado Processo anaeróbio, não há problemas de inibição por O2 O resíduo da fermentação necessita de tratamento para não criar problemas de poluição

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.

Referências Bibliográficas Paula Tamagnini, Elsa Leitão , Paulo Oliveira - Biohidrogénio: produção de H2 utilizando cianobactérias; http://web.mit.edu/mit-whoi/www/research/bo/cyanobacteria.html, acessado em 12/02/07; http://epmb.berkeley.edu:8080/facPage/dispFP.php?I=25 , acessado em 12/02/07; Mucillo, D. Estudos in Silico de Engenharia Metabólica na produção de Hidrogênio Clostridiun acetobutylicum . Intelab. UFSC