Eric Sundstrom, cientista do Berkeley Lab, da Unidade de Desenvolvimento de Processo de Biocombustíveis e Bioprodutos Avançados (ABPDU). Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
Muitos dos itens comuns que usamos em nossa vida cotidiana - de materiais de construção a plásticos e produtos farmacêuticos - são fabricados a partir de combustíveis fósseis. Para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa, a sociedade tem tentado cada vez mais recorrer às plantas para fazer os produtos de uso diário de que precisamos. Por exemplo, milho pode ser transformado em etanol de milho e plásticos, açúcares lignocelulósicos podem ser transformados em combustíveis de aviação sustentáveis, e as tintas podem ser feitas de óleo de soja.
Mas e se as plantas pudessem ser removidas da foto, eliminando a necessidade de água, fertilizante, e terra? E se os micróbios pudessem ser aproveitados para fazer combustíveis e outros produtos? E se esses micróbios pudessem crescer com dióxido de carbono, assim, produzindo simultaneamente bens valiosos e, ao mesmo tempo, removendo um gás de efeito estufa da atmosfera, tudo em um reator? Muito bom para ser verdade?
Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) fizeram um bom progresso para transformar essa tecnologia em realidade. Liderado pelo cientista Eric Sundstrom, um cientista pesquisador da Unidade de Desenvolvimento de Processo de Biocombustíveis e Bioprodutos Avançados (ABPDU), e o pós-doutorado Changman Kim, o projeto combina biologia e eletroquímica para produzir moléculas complexas, tudo movido a energia renovável. Com o dióxido de carbono como uma das entradas, o sistema tem potencial para remover gases que retêm calor da atmosfera, ou em outras palavras, uma tecnologia de emissões negativas (NET).
A comunidade científica e também os legisladores estão chegando a um consenso de que as NETs podem ser uma ferramenta importante na luta contra as mudanças climáticas, ao reduzir a concentração de gases de efeito estufa na atmosfera. Os pesquisadores do Berkeley Lab estão buscando uma gama de tecnologias de emissões negativas. O projeto de Sundstrom foi lançado há dois anos no âmbito do programa Lab's Directed Research and Development (LDRD).
P. Como este projeto começou?
Na ABPDU, trabalhamos com uma gama de produtos. Praticamente qualquer coisa feita pela indústria química - você pode encontrar uma maneira de usar micróbios para fazer essas moléculas de blocos de construção, e então substituir o petroquímico ou mesmo o equivalente agrícola desse produto. Há muito poder para fazer praticamente qualquer coisa com biologia. É apenas uma questão de saber se é econômico fazer isso.
Uma área popular para nós agora é a de proteínas alimentares. Por exemplo, você pode criar uma levedura para produzir uma proteína do leite. Então, você pode fazer leite quimicamente idêntico, mas do fermento, então você cortou a vaca. Estamos ajudando empresas que estão fazendo todos os tipos de produtos, de proteínas alimentares a biocombustíveis e esquis de base biológica, todos usando micróbios. O fio condutor é que a grande maioria dessas empresas usa açúcar, um material relativamente caro e ambientalmente intensivo, como matéria-prima primária.
Então, tivemos uma ideia:podemos fazer esse mesmo tipo de biofabricação, mas em vez de usar uma fonte de carbono baseada em plantas, podemos cortar a fazenda e usar diretamente o dióxido de carbono como fonte de carbono para o crescimento do micróbio? E podemos usar elétrons de eletricidade renovável para fornecer a energia necessária para gerar o mesmo conjunto de produtos?
P. Isso parece excitante, mas complicado. Como exatamente isso funcionaria? E como é mesmo chamada essa tecnologia?
As pessoas chamam de coisas diferentes. Elétrons em produtos. Ou elétrons em moléculas são populares. Ou eletrocombustíveis.
Combinamos duas etapas para converter CO 2 e eletricidade em bioprodutos em um único reator. Isso inclui uma etapa eletroquímica - divisão da água para produzir hidrogênio e oxigênio - e uma etapa bioquímica, que é a conversão microbiana de hidrogênio, oxigênio, e companhia 2 à biomassa e, em última análise, aos produtos.
A parte complicada são os micróbios. Cada micróbio come algo para viver, mas muito poucos micróbios comem elétrons. Então, podemos converter eletricidade em algo que os micróbios irão comer prontamente? E então o que estamos vendo é na verdade uma maneira muito simples de fazer isso:quando você aplica corrente elétrica na água a uma determinada voltagem, o H2O se divide em hidrogênio e oxigênio, e então os gases são expelidos. E há grupos de bactérias que vão consumir hidrogênio como fonte de energia, e então usarão dióxido de carbono como fonte de carbono para crescer. Essa parte é relativamente conhecida.
O que estamos tentando fazer é combinar esses dois processos. Você tem os eletrodos na água, borbulhando gás. E então podemos adicionar CO 2 . Agora temos os três ingredientes de que precisamos, hidrogênio, oxigênio, e companhia 2 , tudo na água, e então podemos adicionar micróbios, tudo em um tanque. Ao combinar o processo eletroquímico com o processo microbiano, podemos usar os próprios eletrodos para dissolver os gases no biorreator, simplificando o projeto do reator e economizando muita energia. Essa é a parte emocionante.
Changman Kim, bolsista de pós-doutorado do Berkeley Lab, trabalhando em um sistema elétrons em moléculas na unidade de desenvolvimento de processos de biocombustíveis e bioprodutos avançados do Lawrence Berkeley National Laboratory. Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
Como parte do projeto LDRD, otimizamos as condições de eletrólise e a cepa microbiana para compatibilidade mútua, e configuramos o sistema para funcionar em um painel solar. Também demonstramos que os micróbios podem ser geneticamente modificados, então agora podemos produzir moléculas complexas em um único tanque, diretamente dos fótons e CO 2 .
P. Que tipo de microorganismo você usa, e quais foram os desafios para fazer esse sistema funcionar?
A eletrólise cria muitas coisas indesejáveis. It's never 100% clean and efficient. You get things like hydrogen peroxide, or the electrodes themselves have metals in them that can come off and poison the biology. And so there are a lot of toxicity challenges that you have to overcome to make everything work together in one vessel.
The compatibility between the electrochemistry and the organism is important. The electrochemistry likes to be run at a really high or low pH and high temperature to get efficient hydrogen production. The previous work has pretty much all been with strains that are easy to work with in the lab, but maybe not the best choice for compatibility with these systems. So we're looking at different microbes that thrive under extreme conditions, and that have natural resistance to certain kinds of toxicity.
What we're focused on is trying to get as much electricity as possible, as efficiently as possible, into the bugs and get them to grow happily. We've done that. Now we're starting to think about what we might be able to make, because once we have the bugs happy, then we can talk to the strain engineers, and they can start hacking away at the genes and instead of just growing, the microbes can make a product, such as fuel or building materials. We've now demonstrated that this kind of strain engineering is possible in our system for an example molecule, a natural pigment.
Q. What kind of products would these microbes make?
One of the reasons we like having the oxygen in there is that the organisms that grow with oxygen can produce a wide variety of things. You can make fat, you can make protein, you can make jet fuel directly. There's a lot of cool biology you can do. And there are a lot of people at Berkeley Lab who specialize in genetically engineering these microbes. Berkeley Lab researchers have engineered things like methyl ketones, which are basically a direct diesel fuel replacement. Então, we could literally just have one tank running off a solar panel—right now we have a desk lamp shining on the solar panel—we put CO 2 no, and once the microbes are engineered, you would get diesel fuel, just rising to the top of the tank. You can skim that off. It's a very clean, simple kind of a process.
Q. How would this work in a real-world setting?
That's a question that the DOE is just starting to really dig in on—where would you put this? You want a concentrated source of CO 2 , and you also want a low-cost source of renewable energy, be it solar, vento, or hydro. A lot of the current thinking is around ethanol plants in the Midwest, where there's wind power, e o CO 2 from ethanol plants is almost totally pure. And an ethanol plant already has equipment for doing biology and chemical separations.
Q. How do you envision this technology fitting into the climate change fight?
We need to start pulling CO 2 out of the atmosphere faster. Instead of carbon capture and storage, these things offer carbon capture and utilization, which provides an economic driver to pull that CO 2 out of the atmosphere instead of just, dizer, pumping it underground.
I think electrons-to-molecules technology in general is going to be an answer to electrifying the last few segments of the economy that are still going to be relying on fossil fuels. It's hard to electrify a long-haul jet plane, or a rocket, or a ship. But if you can make the fuel with electricity, that's one way to electrify the rest of transportation.
I don't want to make it seem like biology is the only the only way to do this. But I think biology is an important way to do this and that biological conversion can produce products with a specificity that the other approaches really can't match. I think there is potential to move the bioeconomy in general away from any agricultural feedstocks and onto electricity, which would be a really exciting long-term prospect.
