Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

O hidrogênio é um combustível limpo que pode alimentar de tudo, desde fábricas até carros, mas produzi-lo hoje geralmente requer a queima de combustíveis fósseis, o que anula o propósito de usá-lo para combater as mudanças climáticas. Cientistas estão procurando maneiras de produzir esse transportador de energia a partir de resíduos e fontes renováveis em vez disso. Um método promissor envolve pegar uma mistura gasosa chamada gás de síntese (syngas), que é rica em monóxido de carbono, e usar minúsculos organismos vivos para transformá-la. Esses micróbios atuam como fábricas biológicas, comendo o monóxido de carbono e liberando gás hidrogênio como um subproduto. Esse processo, conhecido como reação de deslocamento gás-água biológica, oferece uma maneira de transformar gases residuais industriais em energia limpa sem a necessidade de calor extremo ou produtos químicos caros. No entanto, manter essas fábricas microbianas funcionando suavemente em um fluxo contínuo é difícil, pois os subprodutos que elas criam podem eventualmente envenenar os próprios organismos que realizam o trabalho.

Pesquisadores da Universidade de Borås e do instituto de pesquisa RISE, na Suécia, decidiram resolver esse problema construindo um reator especializado projetado para manter os micróbios felizes e produtivos a longo prazo. Eles utilizaram uma comunidade natural de micróbios colhida de resíduos alimentares, em vez de uma única espécie cuidadosamente selecionada, esperando que esse grupo diversificado fosse mais resistente e adaptável. A equipe preencheu uma coluna vertical com pedaços de esponja de polietileno, criando uma superfície para os micróbios se agarrarem, e então derramou um líquido rico em nutrientes sobre eles enquanto empurrava o gás de síntese de baixo para cima. Essa configuração permitiu que o gás e o líquido se encontrassem de perto, dando aos micróbios a melhor chance de comer o monóxido de carbono e expelir hidrogênio. O objetivo era ver se conseguiam manter esse processo funcionando continuamente por meses sem que o sistema parasse devido ao acúmulo de subprodutos tóxicos.

O experimento começou com uma fase de inicialização onde a equipe adicionou nutrientes concentrados ao sistema toda semana para impulsionar a atividade microbiana. Inicialmente, os micróbios trabalharam bem, convertendo quase todo o monóxido de carbono em hidrogênio. No entanto, conforme as semanas passavam, o sistema começou a ter dificuldades. Os pesquisadores descobriram que a adição repetida de nutrientes concentrados fez com que certos metais traço, como o cobre, se acumulassem em níveis milhares de vezes maiores do que o pretendido. Ao mesmo tempo, os micróbios começaram a produzir grandes quantidades de ácidos graxos voláteis, um tipo de ácido orgânico que pode ser prejudicial em altas concentrações. À medida que esses ácidos se acumulavam, a conversão do monóxido de carbono caía significativamente, e a produção de hidrogênio tornava-se instável. A equipe percebeu que, embora os micróbios precisassem de alimento, o excesso de algo bom estava desequilibrando a composição química de seu ambiente.

Para entender exatamente o que estava matando o processo, os pesquisadores passaram para uma segunda fase, na qual testaram os efeitos de inibidores específicos. Eles introduziram versões sintéticas dos ácidos graxos e do etanol, um tipo de álcool, no reator para ver qual era o verdadeiro culpado. Os resultados foram claros: os ácidos graxos eram muito mais prejudiciais do que o etanol. Quando a equipe adicionou altos níveis desses ácidos, a conversão de monóxido de carbono despencou, e os micróbios não conseguiram se recuperar rapidamente mesmo após a remoção dos ácidos. O etanol teve um efeito muito mais fraco, causando apenas uma queda temporária no desempenho. Isso confirmou que o acúmulo de ácidos graxos era a principal razão pela qual o sistema estava falhando, e que simplesmente substituir o líquido ocasionalmente não era suficiente para manter o reator saudável.

Na fase final, a equipe mudou sua estratégia para focar no controle de quanto tempo o líquido permanecia no reator, um fator conhecido como tempo de retenção hidráulica. Em vez de apenas adicionar nutrientes periodicamente, eles configuraram o sistema para lavar o líquido continuamente, garantindo que os subprodutos prejudiciais fossem removidos antes que atingissem níveis tóxicos. Eles também substituíram os micróbios antigos e o material de enchimento de esponja por materiais novos para começar com uma folha em branco. Essa abordagem funcionou de forma surpreendente. Ao controlar o fluxo de líquido, a equipe manteve um ambiente estável onde os ácidos graxos nunca se acumularam em níveis perigosos. O reator alcançou uma taxa de conversão perfeita, transformando cem por cento do monóxido de carbono recebido em hidrogênio durante doze dias consecutivos. Em uma taxa de fluxo específica de doze mililitros por minuto, o sistema produziu hidrogênio a uma taxa de 3,2 litros por litro de volume de reator por dia, com um rendimento de 0,66 mols de hidrogênio para cada mol de monóxido de carbono consumido.

Os pesquisadores também levaram o sistema ao limite para descobrir quanto gás ele poderia suportar. Eles aumentaram gradualmente o fluxo de gás de síntese, observando atentamente quando os micróbios deixariam de acompanhar o ritmo. O reator manteve-se estável e manteve a conversão total até uma taxa de fluxo de 26 mililitros por minuto. Quando o levaram a 28 mililitros por minuto, o sistema não conseguiu mais converter todo o monóxido de carbono, e o excesso de gás começou a sair do reator sem processamento. Isso identificou um limite operacional claro para essa configuração específica. Durante todo o experimento, nenhum metano foi detectado, confirmando que o processo estava produzindo estritamente hidrogênio e não derivando para outros tipos de produção de gás.

Observando o mundo microscópico dentro do reator, os pesquisadores descobriram que a comunidade de micróbios mudava dramaticamente dependendo de como o reator era operado. Nas fases iniciais, o sistema era dominado por um grupo de bactérias, mas conforme as condições mudaram para o ambiente estável e controlado pelo fluxo da fase final, um grupo diferente assumiu o controle. As novas bactérias dominantes eram espécies de Stenotrophomonas e Pseudomonas, que eram raras na mistura original. Embora a equipe não tenha conseguido identificar exatamente quais micróbios específicos estavam realizando o trabalho pesado de conversão do gás, a mudança na comunidade sugeriu que as próprias condições do reator estavam selecionando os trabalhadores mais eficientes. O estudo conclui que gerenciar o fluxo de líquido para evitar o acúmulo de subprodutos tóxicos é a chave para fazer essa tecnologia funcionar continuamente. Embora o sistema ainda não seja uma realidade comercial, esta prova de conceito mostra que o uso de micróbios derivados de resíduos em um reator simples e não estéril é um caminho viável para a produção de hidrogênio limpo a partir de gases residuais industriais.