hidrogenio (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

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.


• 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


• 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.


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.


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.


• 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.



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


•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


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

http://web.mit.edu/mit-whoi/www/research/bo/cyanobacteria.html

http://epmb.berkeley.edu:8080/facPage/dispFP.php?I=25

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