Eletrocatálise microbiana na produção de biocombustíveis

Durante os últimos 10 anos, tem havido um interesse crescente na pesquisa em sistemas bioeletroquímicos, com cultura de microrganismos na presença de ânodos ou cátodos (eletrodos), a fim de otimizar as reações químicas. A atividade microbiana em eletrodos é denominada eletrocatálise microbiana, podendo ou não haver outros mediadores adicionados aos meios de cultura. 

Inicialmente, as pesquisas estiveram focadas na conversão de materiais orgânicos, como esgotos ou águas residuais, para a produção de energia elétrica, utilizando células de combustível microbianas. Fruto das pesquisas iniciais é o uso de um cátodo revestido de platina, para a redução de oxigênio abiótico, presentes nos meios de cultura. Outra linha de pesquisa permitiu utilizar com êxito micróbios como biocatalisadores no cátodo, substituindo a platina.


Durante os últimos 10 anos, tem havido um interesse crescente na pesquisa em sistemas bioeletroquímicos, com cultura de microrganismos na presença de ânodos ou cátodos (eletrodos), a fim de otimizar as reações químicas. A atividade microbiana em eletrodos é denominada eletrocatálise microbiana, podendo ou não haver outros mediadores adicionados aos meios de cultura. 

Inicialmente, as pesquisas estiveram focadas na conversão de materiais orgânicos, como esgotos ou águas residuais, para a produção de energia elétrica, utilizando células de combustível microbianas. Fruto das pesquisas iniciais é o uso de um cátodo revestido de platina, para a redução de oxigênio abiótico, presentes nos meios de cultura. Outra linha de pesquisa permitiu utilizar com êxito micróbios como biocatalisadores no cátodo, substituindo a platina.

Com o avanço das pesquisas, foi possível gerar corrente elétrica mais intensa e, recentemente, um valor de cerca de 300 A/m2 foi relatado, com o uso de eletrodos 3D, em um ambiente reativo microbiano. Entrementes, mesmo este valor mais elevado ainda não permite a utilização comercial do processo, em larga escala, em virtude dos custos envolvidos. 

Para contornar os custos, foram desenvolvidas células de eletrólise microbiana que permitem a produção de acetato no cátodo, através da síntese eletromicrobiana de CO2. Outros grupos de pesquisa estão explorando o uso de eletrodos para gerir excedentes ou escassez de equivalentes redutores em fermentações anaeróbicas, buscando otimizar as reações e reduzir os custos operacionais com os possíveis usos de eletrodos em aplicações biotecnológicas.

Este texto expõe o estado da arte no setor, apontando avanços, restrições e demandas adicionais de pesquisa e desenvolvimento.

Com mediadores artificiais
Quase todos os estudos sobre sistemas bioeletroquímicos em culturas microbianas, realizados até 2003, previam a adição de mediadores artificiais, tais como o azul de metileno para a câmara do ânodo, e o vermelho neutro para a câmara de cátodo. A vantagem de adicionar esses mediadores é a maior densidade de corrente elétrica que pode ser alcançada. Porém, eles aumentam consideravelmente as despesas operacionais, e podem ser tóxicos, resultando em geração de resíduos perigosos.

Exemplos históricos com o uso de mediadores no cátodo resultaram em novos processos e em patentes: Park e Zeikus [1] usaram o vermelho neutro para reduzir o fumarato a succinato; Shin [2] utilizou metilviologênio para reduzir o CO2 a acetato, um processo precursor para a síntese eletromicrobiana sem mediadores, e que gerou uma patente; e Steinbusch et al [3] utilizaram metilviologênio para reduzir acetato a etanol. Nesses estudos, a eficiência da reação foi melhorada com a adição de elétrons como equivalentes redutores, devido à menor geração de subprodutos.

Sem mediadores artificiais
O investimento em pesquisa na área cresceu muito, nos últimos 10 anos, após a constatação de que alguns microrganismos, como Geobacter sulfurreducens, entregam elétrons diretamente para ânodos, sem a necessidade de mediadores artificiais. A dispensa de mediadores permitiu investir na pesquisa de novos processos para o tratamento de efluentes orgânicos, em câmaras de ânodo, com a produção simultânea de energia elétrica.

Além disso, outra descoberta envolvendo Geobacter sp. demonstrou a ocorrência do processo inverso, ou seja, a absorção de elétrons no cátodo, também sem o concurso de mediadores. No entanto, apesar da sua importância como redutor de custos e da simplificação de processos, o uso de mediadores artificiais não pode ser completamente descartado antes que mecanismos naturais de transferência de elétrons permitam atingir densidades de potência requeridos para a otimização das reações, redundando em inovações comerciais técnica e economicamente viáveis.

Engenharia metabólica
Embora a maioria das aplicações de sistemas bioeletroquímicos empreguem consórcios microbianos, ou culturas mistas, os estudos mais recentes investem em culturas puras de microrganismos, com o objetivo de gerar biocombustíveis e especiarias químicas específicas, dentro do conceito de biorefinarias. A vantagem adicional do uso de culturas puras é a possibilidade de aplicar técnicas de engenharia metabólica e biologia sintética, para influenciar diretamente a biocatálise. Com a engenharia metabólica, vias bioquímicas e bioenergéticas podem ser delineadas para as plataformas desejadas de bioprodução, utilizando bactérias eletrodo-ativas, como Shewanella sp. 

Com técnicas de biologia sintética, rotas biocatalíticas podem ser estabelecidas em microrganismos eletrodo-ativos, ou na “bactéria-chassis” Escherichia coli, incorporando na mesma a capacidade de interagir com os eletrodos. Os recentes avanços em técnicas de análises fisiológicas pela via genômica, e as ferramentas de biologia molecular, permitirão avanços rápidos e espetaculares, encurtando o tempo para a geração de inovações tecnológicas de aplicação comercial.

Biotecnologia com eletrodos
A biocatálise anaeróbica tem duas vantagens consideráveis sobre sua equivalente aeróbica, para aplicações em larga escala, pois evita a necessidade de suprimento de oxigênio, o que sempre é um desafio técnico e econômico, que limita a capacidade de crescimento da biomassa, de cujo volume depende a produção das especiarias químicas, energia ou biocombustíveis. No entanto, bioprocessos anaeróbicos são muito sensíveis à reciclagem dos cofatores e ao balanço redox.

A eficiência de biocatálise anaeróbica para a formação de um produto específico depende tanto de uma remoção quanto do fornecimento de equivalentes redutores, para manter o balanço redox apropriado à máxima eficiência produtiva. 

Nesse particular, é importante ressaltar que os eletrodos de estado sólido podem fornecer uma solução estável e sustentável. Ânodos podem servir como terminais receptores ilimitados de elétrons, o que possibilita a descarga de equivalentes redutores excedentes, enquanto os cátodos podem atuar no caminho inverso. Por este processo, é possível manter o balanço redox do meio reativo.

A potência do receptor ou doador de elétrons pode ser ajustada por meio do potencial que for aplicado no eletrodo, enquanto a corrente resultante pode ser usada como uma medida in situ para avaliação do desempenho biocatalítico.

Ânodo como sumidouro de elétrons 
A utilização de ânodos para descarregar os excedentes de equivalentes redutores, com o objetivo de equilibrar as reações de fermentação, já foi demonstrada utilizando culturas de Shewanella sp GM [4]. Durante a fermentação convencional, a eficiência da oxidação do glicerol (um coproduto da produção de biodiesel) para o etanol é muito baixa, porque o equilíbrio redox sustentável só pode ser mantido com a produção de vários subprodutos, que servem para descarregar o excesso de equivalentes redutores, resultante do estado mais reduzido do glicerol comparativamente ao etanol e ao CO2.

Foram desenvolvidos processos para equilibrar essa fermentação, sem gerar muitos subprodutos, gerenciando cuidadosamente a fermentação com Shewanella oneidensis, pela adição de genes funcionais, e silenciando um gene que atua na produção do acetato. O surgimento de tensão no ânodo melhora consideravelmente a conversão estequiométrica de glicerol em etanol. Da mesma forma os microrganismos, em teoria, também poderiam ser capazes de catalisar reações de transformação oxidativa, com o ânodo atuando como receptor de elétrons. No entanto, exemplos para esta via de oxidação não fermentativa ainda não foram demonstrados.

Cátodo para a eletrossíntese microbiana
O uso de eletrodos em biotecnologia foi demonstrado na conversão microbiana de CO2 em acetato, utilizando equivalentes redutores do cátodo, com o microrganismo homoacetogênico (que utiliza a rota da acetil coenzima A) Sporomusa ovata. Embora as taxas de conversão tenham sido muito lentas (1 mmol de acetato em 6 dias), a eficiência de conversão foi muito boa (86%), abrindo perspectivas para uma nova e eficiente rota para a biossíntese que, obviamente, necessita ser otimizada. 

O exame da literatura mostra que já foram identificados vários outros clostrídios homoacetogênicos para uso em processo de eletrossíntese. Com técnicas de engenharia genética será possível “construir” bactérias com taxas de conversão melhoradas, bem como ampliar o espectro de especiarias químicas que podem ser obtidas. A possibilidade de utilização de reações sintéticas microbianas para reduzir CO2 e armazenar energia renovável excedente, são fortes motivações para melhorar as taxas de produção dos processos, criando novas rotas comerciais para produção de biocombustíveis. 

Cátodo para redução eletro-microbiana
Um processo mais fácil de perceber do que a eletrossíntese a partir de CO2 é sustentar reações de transformação redutivas simples (redução eletro microbiana). Por este meio, um ou dois elétrons são transferidos para um substrato específico através de eletrocatálise microbiana. 

No caso mais simples, a produção biocatódica de hidrogênio molecular pode ser obtida de prótons ou por desclorinação. No entanto, são mais interessantes, econômica e cientificamente, as transformações redutivas, ou redução estereosseletivas, apesar de serem quimicamente complexas. 

As possibilidades em química fina ou síntese farmacêutica são infinitas e as técnicas de biologia sintética provavelmente serão utilizados para equipar os microrganismos com as rotas de reação necessárias para obter especiarias químicas ou biocombustíveis demandados pelo mercado.

Economia de escala
A análise da economicidade dos processos de biocatálise eletromicrobiana precisa ser conduzida caso a caso. Por exemplo, os resultados de processos de produção ou armazenamento de biocombustível ou bioeletricidade, poderão conduzir a conclusões diferentes de uma aplicação de fermentação industrial, ou de um processo de transformação para obter produtos de química fina. 

Os três principais desafios para a utilização comercial, em larga escala, dos processos anteriormente referidos, são os custos de material, a existência de reatores eficientes, e a disponibilidade de processos eficientes com elevadas taxas de reação microbianas. Acima de tudo, a viabilidade econômica dependerá da geração de produtos cujo valor compense o investimento em processos com cátodo microbiano, ou fermentações com ânodo microbiano.

Alguns processos já estão disponíveis para uso comercial e, consequentemente, para análise da viabilidade econômica, envolvendo transformações de química fina, onde uma escala de 100 L pode ser de interesse técnico e gerar viabilidade comercial. 

Ainda assim, o maior desafio será o de aumentar as taxas de reação microbianas, ainda lentas nos processos atualmente disponíveis. Isso vai exigir uma investigação profunda sobre a fisiologia microbiana catódica, eventualmente implicando na modificação das vias microbianas com o uso de ferramentas moleculares avançadas.

Em conclusão, um futuro promissor e brilhante, mas desafiadores descortina para os cientistas no campo da eletrocatálise microbiana, devendo conduzir a inovações com quebra de paradigmas no campo das biorefinarias, o que pode reconfigurar todo o negócio de produção de biocombustíveis, na próxima década.

Décio Luiz Gazzoni é engenheiro agrônomo e pesquisador da Embrapa Soja. Visite o site do autor.

NOTAS
1 Park, D. H.; Zeikus, J. G. Utilization of electrically reduced neutral red by Actinobaccilus succinogenes: physiological fumarate reduction and energy conservation. J. Bacteriol. 181(8):2403-2410. 1999.
2 Shin, W. S. Patent WO 02/097106 A1 (PCT/KR01/01077). 2002
3 Steinbusch, K. J.; Hamelers, H.V.; Schaap, J. D.; Kampman, C.; Busiman, C. J. Bioelectrochemical ethanol production through mediated acetate reduction by mied cultures. Environ. Sci. Technol. 44(1):513-517. 2010.
4 Jensen, H. M; Albers, A. E.; Malley, K. R et al. Engineering of a synthesis electron conduit in living cells. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 107(45):19213-218. 2010.