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
• 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 H2:
• Nas duas categorias a produção de H2 ocorre com a decomposição de um substrato.
Produção Biológica de Hidrogênio
Biofotólise
H2OLuz
O2 + H2
• 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.
Produção Biológica de HidrogênioProdução 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 HidrogênioProdução 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
• 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:
1) produção/seleção de mutantes deficientes na atividade de assimilação;
2) seleção de mutantes com hidrogenase bidirecional menos sensível ao
O2, ou
3) cuja nitrogenase tenha menos requisitos energéticos.
Produção Biológica de Hidrogênio
Produção Biológica de Hidrogênio
Produção Biológica de Hidrogênio
Nostoc punctiforme, v (células vegetativas, fotossintéticas) e h (heterocistos, fixadoras de N2).
Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias FotossintetizantesBactérias Fotossintetizantes
2226126 ·6·12 COHOHOHC Luz
• 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.
ChromatiumChromatium
Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Fotodecomposição de Compostos Orgânicos – Bactérias FotossintetizantesBactérias Fotossintetizantes
•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
2232112212 8·4·4O5·HOHC HCOCOOHCH
Fermentação de compostos orgânicos – Fermentação de compostos orgânicos – Bactérias fermentativas Bactérias fermentativas
Fermentação de compostos orgânicos – Fermentação de compostos orgânicos – Bactérias fermentativas Bactérias fermentativas
Clostridium perfrigens
Clostridium acetobutylicum
Sistemas HíbridosSistemas Híbridos
Comparação dos processosComparação 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
•Substrato: Água •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
•CO2 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 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
•CO2 presente no produto
Conclusão 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
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