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Bioeletricidade: as bactérias poderiam resolver nossa crise energética?

Bioeletricidade é a eletricidade produzida por bactérias eletroquimicamente ativas como resultado de suas atividades metabólicas; aproveitar a bioeletricidade é uma maneira limpa de obter energia.

A crise climática é um tema quente, como Greta Thunberg e eventos climáticos extremos semanais continuam nos lembrando. A população mundial está aumentando e, com ela, as demandas das pessoas. A terrível situação da Terra é um tópico diário em todo o mundo. O consenso comum é que a ganância e o consumo de combustível fóssil são os fatores determinantes.A necessidade do momento são formas mais limpas e sustentáveis ​​de produzir a energia de que necessitamos. Quero dizer, com certeza, abordagens alternativas estão em ascensão, como energia solar, eólica, hidrelétrica e geotérmica, mas elas têm suas limitações, por serem específicas para cada local. Uma barragem hidrelétrica precisa de água em movimento rápido, os painéis solares precisam de luz solar forte e os moinhos de vento precisam de terrenos planos e abertos.

E se houvesse uma maneira independente do local para gerar eletricidade? Semelhante a como o carvão é queimado para produzir eletricidade, poderíamos usar nossos resíduos para criar eletricidade? Se sim, como? Basta colocar bactérias produtoras de eletricidade no trabalho!

O que é bioeletricidade?

Bioeletricidade é a eletricidade produzida por organismos vivos como bactérias, algas ou fungos. Quando recebem uma fonte de alimento saboroso – qualquer coisa, desde comida desperdiçada até madeira – para se alimentar, eles produzirão pequenas quantidades de eletricidade como resultado de suas atividades metabólicas.

O termo bioeletricidade não é novo. Foi usado pela primeira vez na década de 1780 por Luigi Galvani, quando eletrocutou um pobre sapo com um raio para ver se seus músculos se contraíam, o que aconteceu. Desde então, os biólogos ficaram fascinados por como a vida cria e usa a eletricidade. 

Porém, recentemente, a bioeletricidade tem sido empregada com mais frequência para descrever a eletricidade produzida por formas de vida menores, como as bactérias, e que podemos colocar em uso produtivo.

Podemos gerar essa energia para nós mesmos, colocando as bactérias em baterias. As reações bioquímicas que geram bioeletricidade ocorrem em uma configuração particular dentro da bateria contendo dois eletrodos, matéria orgânica (o substrato) e os microrganismos. Essa configuração é chamada de célula de combustível microbiana (MFC).

O que são MFCs?

Um MFC é uma espécie de célula de combustível, semelhante à usada para alimentar Arnold Schwarzenegger no Terminator 3.

Um MFC funciona de forma semelhante a uma bateria convencional. Ambos têm uma seção positiva com um eletrodo positivo (ânodo) e uma seção negativa com um eletrodo negativo (cátodo). Os elétrons gerados na seção positiva são coletados no ânodo e sua jornada até o cátodo gera a corrente elétrica.

A diferença entre um MFC e uma célula de combustível é que as células de combustível produzem eletricidade por meio de uma reação química, enquanto um MFC produz eletricidade por meio de um processo biológico.

Um esquema de um MFC. (Crédito da foto: Bretschger O / Wikimedia Commons)

As bactérias estão presentes no ânodo (positivo). Quando alimentados de forma saudável, eles liberam elétrons, que são captados pelo ânodo. Agora, há mais elétrons no ânodo do que no cátodo, de modo que os elétrons voarão em direção ao cátodo. O oxigênio, prótons e elétrons reagem no cátodo (negativo). Esse fluxo de prótons e elétrons cria uma diferença de potencial entre os dois eletrodos, levando à geração de bioeletricidade.

A equação que mostra como a sacarose é quebrada para liberar prótons e elétrons.

Que tipo de microorganismos são usados ​​nos MFCs?

O nome científico da bactéria é Microorganismos ativos eletroquimicamente (EAMs). O que isso significa é que eles podem converter energia química, a energia dos alimentos, em energia elétrica, a energia dos elétrons em uma bateria. Para fazê-los trabalhar sua mágica química para elétrica, eles precisam de um ambiente sem oxigênio (anaeróbico), uma vez que o oxigênio continuará roubando os elétrons.

Nem todos os EAMs são bons funcionários bacterianos. Certas espécies são mais adequadas, pois produzem proteínas que facilitam a transferência de elétrons. As espécies de bactérias Geobacter e Shewanella são comumente usadas em MFCs.

Uma cepa de Shewanella – S. oneidensis MR-1 – é um dos EAMs mais estudados e amplamente analisados. Eles podem viver na presença ou ausência de oxigênio, são fáceis de crescer e têm uma sequência de genoma bem documentada. No entanto, principalmente, sua capacidade de transferir elétrons facilmente é o motivo de serem tão desejáveis ​​em MFCs.

Comunidades microbianas naturais em resíduos como águas residuais ou aquelas encontradas no fundo de águas pantanosas também são boas na geração de bioeletricidade. Podemos simplesmente aproveitar essa função natural para nossas necessidades bioelétricas.

Microalgas são outros microorganismos eficientes usados ​​para gerar bioeletricidade a partir de águas residuais.

Quais substratos podem ser utilizados pela bactéria?

Os MFCs matam dois coelhos com uma cajadada – eles geram eletricidade enquanto decompõem nossos resíduos. Produzimos uma quantidade enorme de resíduos de todos os tipos, que infelizmente acabam sendo despejados em aterros sanitários ou no mar, ou então queimados, liberando enormes nuvens de gases nocivos no ar. Cerca de 7-15% da necessidade de energia mundial pode ser satisfeita usando biomassa, e agora podemos colocar todo esse lixo potencial em bom uso.

Esgoto, resíduos de alimentos, lama, resíduos animais ou qualquer tipo de resíduo orgânico são excelentes fontes de nutrientes e energia que os microrganismos utilizam para gerar bioeletricidade. Isso ainda nos deixa com resíduos de plástico, mas pode até haver bactérias que podem resolver esse problema.

Um pequeno país como o Japão gera 20 milhões de toneladas de alimentos e resíduos de cozinha por ano. (Crédito da foto: Antonello Marangi / Shutterstock)

A bioeletricidade é o futuro?

A produção de bioeletricidade por MFCs é um processo livre de poluição. A matéria orgânica é decomposta anaerobicamente por bactérias para gerar bioeletricidade. Não há nenhuma queima, nenhuma produção de gás tóxico ou geração de resíduos perigosos. É um método verde e sustentável de produção de energia.

A maior limitação, entretanto, são os baixos quanta de energia gerada. Actualmente, o MFC média fornece uma tensão de apenas 0,5 V . Para colocar isso em perspectiva, uma bateria Duracell AA fornece uma voltagem de 1,5 V.

Apesar dos pequenos quanta de energia produzidos, os MFCs ainda têm seus usos. Um estudo usou MFCs para alimentar pequenos sensores sem fio que monitoram locais ecológicos. Como os MFCs não precisam ser recarregados, não havia medo de que os sensores falhassem devido ao esgotamento das baterias.

Outra desvantagem é que não podemos usá-los em baixas temperaturas. Em climas frios, a atividade das bactérias diminui e sua taxa metabólica diminui. Até descobrirmos como manter as bactérias quentes, permitindo que mantenham sua eficiência energética, desculpe Canadá, você não vai entrar nessa ação.

A dedicação imensa dos cientistas está indo para melhorar a eficiência dos MFCs e implementá-los em grande escala. Uma pesquisadora inspirada no estado indiano de Gujarat, a Dra. Nasreen Munshi , montou sua própria mini usina de bioeletricidade, consistindo apenas em MFCs. Ela e seus colegas pesquisadores foram capazes de controlar continuamente pequenas quantidades de eletricidade por algumas semanas.

O foco principal dos pesquisadores hoje é instalar usinas de bioeletricidade em locais de tratamento de águas residuais. Mesmo que quantidades utilizáveis ​​de energia não possam ser geradas continuamente, qualquer bioeletricidade criada pode ser armazenada em capacitores. Uma vez que a quantidade de bioeletricidade atinge um nível suficiente, ela pode ser descarregada do capacitor.

O uso da bioeletricidade pelo MFC é o que há de melhor em inovação. Enquanto a matéria orgânica estiver presente e as bactérias viverem na Terra, os MFCs podem ser uma fonte de energia sustentável a longo prazo. No papel, esses MFCs são uma solução engenhosa que lida com nosso problema de energia e resíduos. As bactérias pularão de alegria (se pudessem sentir alegria ou pular) ao se alimentar de nossas imensas quantidades de lixo orgânico, e ficaremos incrivelmente felizes em receber a energia resultante em troca.

Imagine que em algumas décadas, as casas ou edifícios das pessoas terão MFCs anexados a eles. Em vez de despejar nossos resíduos em uma lata de lixo, podemos jogá-los nessas células minúsculas que os converterão na eletricidade que alimenta nossas luzes. Em outras palavras, chega de tirar o lixo!

Referências:

  1. Fronteiras nas ciências da vida
  2. Gestão de resíduos
  3. Desperdício em riqueza
  4. Alexandria Engineering Journal
  5. Bioenergia para sustentabilidade e segurança
  6. Redes de sensores sem fio e monitoramento ecológico
  7. Tecnologia de célula de combustível microbiana para bioeletricidade (livro didático)
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Gilvan Alves

23 Anos de idade, Técnico em Rede de Computadores, Sempre em busca de aprender algo novo todos os Dias!

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