UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ALIMENTOS – EQA

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

3. 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

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. H2 + O2 --> eletricidade + H2O

7. Células a Combustível Ânodo: H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e-Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e- -> H2O(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. 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%). Hidrogênio a Partir de Gás Natural Problema - essas formas emitem gás carbônico e outros gases-estufa, além de sustentar a dependência do petróleo e outras fontes não renováveis.

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

12. 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. Eletrólise da Água

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 H2 produzido na biosfera é proveniente da oxidação de matéria orgânica liberando CO2 e H2; • Enzimas catalisadoras e respectivas reações : Hidrogenase Nitrogenase

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

16. Luz O2 + H2 H2O 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.

17. 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.

18. Produção Biológica de Hidrogênio Chlamydomonas reinhardtii

19. 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.

20. 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

21. 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.

22. Produção Biológica de Hidrogênio

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

24. 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.

25. Chromatium Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias Fotossintetizantes Chromatium

26. 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

27. Fermentação de compostos orgânicos – Bactérias fermentativas Clostridium perfrigens Clostridium acetobutylicum

28. Sistemas Híbridos

29. Comparação dos processos

30. 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. Conclusão

31. 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