Como aproveitar as emissões de gases com efeito de estufa?

Num futuro cada vez mais próximo, a utilização eficaz das emissões de gases com efeito de estufa (GEE) como recursos na geração de materiais ou produtos de alto valor está a tornar-se uma realidade. A valorização destes fluxos gasosos tem ganho impulso ao longo dos anos como parte de processos biológicos sustentáveis, oferecendo assim uma alternativa às tecnologias tradicionais para a sua eliminação. Estas são conhecidas como biorrefinarias de GEE. Vamos discutir os tipos de biorrefinarias, os bioprodutos que podem ser obtidos através delas e um exemplo de uma biorrefinaria em que estamos a trabalhar atualmente.

Neste contexto, as biorrefinarias de GEE (español) surgem como estruturas integradas onde ocorrem processos biotecnológicos para transformar estes gases em biomassa associada a bioprodutos de alto valor e interesse no mercado, através do uso de microrganismos. Nas últimas décadas, estes tratamentos biológicos posicionaram-se como tecnologias promissoras, não apenas pela sua eficiência, mas também pela sua facilidade de integração em modelos de economia circular. Os microrganismos utilizados nestes sistemas são, na sua maioria, capazes de operar à pressão e temperatura ambiente, exigindo assim menos energia em comparação com tratamentos físico-químicos para a eliminação de GEE.

No entanto, o desafio destas tecnologias reside em aprofundar a compreensão da microbiologia destes processos e em desenvolver sistemas que maximizem a transferência de gases para garantir altos rendimentos em grande escala.

Bioprodutos de alto valor que podem ser obtidos nestas biorrefinariass

O desenvolvimento de biotecnologias para a bioconversão de gases C1 avançou notavelmente nos últimos anos, sendo relativamente simples criar valor acrescentado através da bioconversão direta de fluxos de metano (CH4) ou CO2 em certos bioprodutos, em indústrias como a de alimentos e bebidas, instalações de gestão de resíduos ou plantas de biogás ou bioetanol.

Alguns dos bioprodutos que têm sido amplamente estudados em relação às biorrefinarias de CH4 são:

• Biopolímeros ou polihidroxialcanoatos (PHAs) são uma das opções mais estudadas para a valorização de CH4, principalmente porque oferecem uma alternativa mais sustentável aos análogos petroquímicos convencionais, como o polietileno e o polipropileno.
• A ectoína, um ácido imino cíclico que estabiliza eficazmente enzimas, ácidos nucleicos e complexos de DNA-proteína, é um bioproduto de alto valor comercial para a indústria farmacêutica, sendo os cosméticos a sua principal área de aplicação.
• Compostos antibacterianos produzidos por algumas culturas metanotróficas (como Methylocystis minimus e Methylobacter luteus) têm um grande potencial no combate à resistência a antibióticos.
• SA proteína unicelular (SCP), também conhecida como proteína microbiana unicelular, lidera um extenso campo de investigação tanto no meio industrial como académico. É um dos produtos mais avançados dentro das biorrefinarias de metano e é amplamente aceite nos mercados de aquacultura, maricultura e rações para animais. Produtos comerciais produzidos com metanotróficos, como FeedKind™ (Calysta, EUA) e Uniprotein™ (Unibio A/S, Dinamarca), estão aprovados pela UE (Diretiva 95/33/CE) para uso em rações proteicas para salmão e gado.

Figura 2: Biomassa Rica em Proteínas Uniprotein®. Fonte: Unibio.

Alternativas para reduzir a dependência de petróleo e gás fóssil na produção química

No que diz respeito às biorrefinarias de CO2, existem inúmeras tecnologias para a sua captura e utilização (CCU). Além das mais conhecidas, que produzem biocombustíveis como produtos finais, os processos de CCU que utilizam CO2 como matéria-prima oferecem uma alternativa adicional para reduzir a dependência de petróleo e gás fóssil na produção de produtos químicos e outros materiais. Alguns exemplos dessas aplicações incluem:

• Produção de biocombustíveis: O caso da produção de metanol a partir de CO2 foi amplamente desenvolvido, atingindo níveis como a planta da Carbon Recycling International. Esta planta foi desenvolvida num projeto com o objetivo de alcançar uma capacidade de produção anual de 110.000 toneladas (330 toneladas por dia).
• Diferentes biopolímeros têm sido produzidos a partir de tecnologias CCU. Um exemplo interessante é a empresa alemã Covestro, que, após alcançar fibras têxteis e espumas para colchões, relatou em 2021 a produção bem-sucedida de surfactantes a partir de CO2 com boas propriedades de lavagem e biodegradabilidade.
• A obtenção de ácidos orgânicos também é digna de nota, como o ácido fórmico através da conversão eletroquímica ou o ácido succínico através da fermentação bacteriana. Estes tipos de bioprodução, culminando em compostos de interesse para a indústria química, enquadram-se nas tecnologias Gas2Chemicals.

Figura 3: Esquema de Bioconversão de CO2. Fonte: CO2Value.

Gas2Chemicals: NEOSUCCESS

O projeto NEOSUCCESS, parte do programa de Inovação e Desenvolvimento H2020 da União Europeia, foca-se na escalabilidade e introdução no mercado de uma unidade industrial contentorizada, capaz de realizar simultaneamente a purificação de biogás para biometano e processos de produção de ácido biosuccínico de segunda geração (español).

A AINIA, como entidade subcontratada pela IVEM e NORVENTO, atua como parceiro estratégico de inovação, apoiando as tarefas técnicas e de comercialização da tecnologia.

A tecnologia que sustenta este ambicioso projeto baseia-se no uso de uma estirpe bacteriana com a capacidade de captar CO2 do fluxo de biogás, purificando-o em biometano, e metabolizando açúcares presentes em resíduos açucarados através de fermentação para uma mistura de ácidos, incluindo ácido biosuccínico.

pesar de um início atrasado devido à pandemia de COVID-19, o projeto NEOSUCCESS continua a alcançar marcos no seu segundo ano. Durante 2022, as universidades parceiras do projeto, DTU e AUTH, aceleraram a sua investigação tecnológica através de testes laboratoriais e otimizações focadas na obtenção de uma estirpe bacteriana melhorada que permita maiores taxas de biometano e ácido biosuccínico. Além disso, os parâmetros de design e de processo foram ajustados, um elemento chave para a posterior pilotagem da subunidade industrial na ETAR de Paterna (Valência).

Adicionalmente, as empresas de engenharia dentro do consórcio, IVEM e NORVENTO, concluíram a comissionamento das subunidades UpStream (USP) e DownStream (DSP) (Espanhol). Após a instalação da subunidade DSP no primeiro trimestre de 2022, foram realizados os primeiros testes com o resíduo açucarado fornecido por uma fábrica de confeitaria. Após esses testes, espera-se que os ensaios restantes forneçam dados que consolidem esta tecnologia como uma ferramenta poderosa para a economia circular.

ODS nas biorrefinarias de GEE

Com as tecnologias de bioconversão de gases, uma pedra angular destas biorrefinarias, são feitas contribuições para os ODS, tais como o 7 (Energia Acessível e Limpa), 9 (Indústria, Inovação e Infraestrutura), 11 (Cidades e Comunidades Sustentáveis) e 13 (Ação Climática), entre outros.