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Bioeconomia

O CO2 enquanto matéria-prima para plásticos e outros produtos

06/09/2021

O dióxido de carbono é um dos principais impulsionadores das alterações climáticas. Investigadores do instituto Fraunhofer encontraram uma possível solução para minimizar o problema: estão a utilizar estes gases de efeito de estufa como matéria-prima para produzir plásticos. Para tal, começam por produzir metanol e ácido fórmico a partir do CO2. Posteriormente, estes materiais são convertidos, através de microrganismos, em blocos de construção para polímeros (e outros produtos semelhantes).

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Microfotografia de luz das células da bactéria gram-negativa Methylorubrum extorquens AM1. Foto: Fraunhofer IGB.

Sempre que queimamos matéria-prima de origem fóssil, libertamos CO2 para a atmosfera. A concentração deste gás na atmosfera da Terra já alcançou cerca de 400 partes por milhão (ppm), o equivalente a 0,04%. Em comparação, até meados do séc. XIX, este valor encontrava-se ainda em redor das 280 ppm. O crescente nível de dióxido de carbono tem um impacto significativo sobre o clima.

Desde o dia 1 de janeiro de 2021, as emissões de CO2 com origem na combustão de combustíveis fósseis estão sujeitas à fixação do preço do carbono, o que significa que as empresas de fabrico têm de pagar pelas suas emissões. Em resultado, muitas procuram soluções alternativas. De que forma podem ser reduzidos os custos associados à fixação do preço das emissões de CO2? De que forma podem ser reduzidas as emissões de CO2 através de processos biointeligentes?

Catálise e biotecnologia, uma combinação vencedora

No Instituto Fraunhofer de Engenharia de Interfaces e Biotecnologia IGB, os investigadores estão a desenvolver respostas a estas questões através dos projetos Evobio e ShaPID. Ambos estão a ser trabalhados em colaboração com vários Institutos Fraunhofer. “Utilizamos o CO2 como matéria-prima”, afirma o Dr. Jonathan Fabarius, cientista sénior de biocatalisadores no Fraunhofer IGB. “Estamos a seguir duas abordagens: Em primeiro lugar, utilizamos o processo de catálise química heterogénea, através do qual, com um catalisador, convertemos CO2 em metanol. Numa segunda fase, utilizamos a eletroquímica para produzir ácido fórmico a partir de CO2”.

No entanto, o que distingue este processo único não é apenas a produção de ácido fórmico e de metanol baseado em CO2, mas sim a sua combinação com a biotecnologia, especificamente com fermentações por parte de microrganismos. Resumidamente: os investigadores recolhem o produto residual CO2, nocivo para o clima, para produzirem metanol e ácido fórmico. Por sua vez, utilizam estes compostos para ‘alimentar’ microrganismos que produzem outros produtos. Um exemplo deste tipo de produto são os ácidos orgânicos, utilizados como blocos de construção para polímeros, uma forma de produção de plásticos baseados em CO2. Este método pode também ser usado para produzir aminoácidos, por exemplo, como suplementos alimentares ou ração animal.

Esta nova abordagem oferece inúmeras vantagens. “Somos capazes de criar produtos inteiramente novos e também melhorar a pegada de CO2 dos produtos tradicionais”, especifica Fabarius. Enquanto que os processos químicos convencionais necessitam de imensa energia e por vezes de solventes tóxicos, os produtos podem ser produzidos com microrganismos sob condições mais leves e eficientes em termos energéticos, afinal de contas, os micróbios desenvolvem-se em soluções aquosas mais amigas do ambiente.

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Configuração de biorreator para o cultivo de grandes quantidades de biomassa de M. extorquens AM1. Foto: Fraunhofer IGB.

A engenharia metabólica faz com que isto seja possível

A equipa de investigação usa bactérias metilotróficas, isto é, aquelas que metabolizam naturalmente o metanol e fermentos que não são capazes de metabolizar metanol. Os investigadores mantêm também uma vigilância constante na possível descoberta de novos e interessantes organismos, verificando a sua adequação como ‘fábricas de células’.

Mas de que forma é que estes microrganismos criam os produtos? E como é que poderemos influenciar aquilo que produzem? “Por princípio, usamos o metabolismo do microrganismo para controlar o fabrico do produto”, explica Fabarius. “Para tal, introduzimos genes nos micróbios que fornecem o modelo para determinadas enzimas. Este processo também é conhecido como engenharia metabólica”.

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Esfregaço para o isolamento de colónias únicas de M. extorquens AM1 numa placa de agar de meio mínimo com metanol. Foto: Fraunhofer IGB.

As enzimas que são assim produzidas no microrganismo catalisam a produção alternada de um determinado produto. Em contraste, os investigadores ‘desligam’ especificamente os genes que teriam uma influência negativa sobre esta produção. “Ao variarmos os genes introduzidos, somos capazes de produzir uma ampla variedade de produtos”, destaca Fabarius.

A equipa de investigação está neste momento a trabalhar na totalidade da cadeia de produção: a começar pelos microrganismos, seguidos das modificações de genes e do incremento da produção. E, apesar de alguns processos de fabrico estarem ainda na fase laboratorial, outros produtos estão já a ser produzidos em biorreatores com capacidade para 10 litros. Quanto à aplicação industrial de tais processos, Fabarius prevê a sua implementação a médio/longo prazo. “Dez anos representa um horizonte de tempo realista”, afirma. No entanto, a pressão sobre a indústria para a implementação de novos processos é cada vez maior.

Os microrganismos ‘alimentam-se’ de metanol e ácido fórmico para produzir ácidos orgânicos, utilizados como blocos de construção para polímeros
Jaba: tradução 4.0

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