Células bacterianas produzem energia elétrica

Uma pesquisa desenvolvida no Instituto de Biodesign, da Universidade do Arizona, EUA, pelos pesquisadores Andrew Kato Marcus (líder da pesquisa), Cesar Torres e Bruce Rittmann, utilizou bactérias para gerar eletricidade. Essa pesquisa foi divulgada no periódico Biotechnology and Bioengineering. A pesquisa aponta para uma possível comercialização de uma tecnologia conhecida como célula microbiana combustível (MFC, sigla em inglês para microbial fuel cell).

O MFC é constituído de uma parte biológica e a outra por um reator eletroquímico, podendo gerar energia renovável. Esse sistema é capaz de utilizar compostos orgânicos e inorgânicos como doador de elétron (ED, sigla em inglês) ou como combustível. O sistema, MFC, tem a vantagem de queimar etapas em relação a outras tecnologias. Essa vantagem se dá pelo fato dos pesquisadores aliarem o metabolismo da bactéria com a produção de eletricidade.

Os componentes de sistemas como o MFC são basicamente os mesmos, com um par de baterias como terminais, com os eletrodos ânodo e cátodo. Esses eletrodos se conectam através de um circuito externo e um eletrólito (solução condutora de eletricidade). A energia elétrica é gerada através da diferença de tensão entre os eletrodos, mais o fluxo de elétrons do circuito. O funcionamento se dá em três etapas, na primeira as bactérias, através do processo de respiração, degradam os resíduos orgânicos à CO2, transferindo elétrons para o ânodo. Esses elétrons saem do ânodo, pelo circuito externo, e geram eletricidade. A reação se finaliza quando os elétrons chegam ao cátodo e recebem os íons de hidrogênio e oxigênio, formando água.

De acordo com a pesquisa as bactérias necessitam do ânodo para sobreviver, pois o mesmo é usado em seu metabolismo. A importância do ânodo na vida das bactérias se dá pelo fato delas realizarem respiração, o que explica a formação de um biofilme no terminal. O biofilme é formado por uma biomassa ativa e inativa que se desenvolve naturalmente.

O pesquisador Marcus esclarece que o biofilme age como ânodo por si só, um eletrodo vivo, por isso foi chamado pelos pesquisadores de “biofilme ânodo”. As bactérias formam dentro do MFC um ecossistema complexo. A matriz do biofilme é composta por proteínas extracelulares, açúcares e células bacterianas e tem a capacidade de conduzir eletricidade.

Modelo Matemático

As pesquisas mostram que ainda há a necessidade de se conhecer melhor a relação entre o potencial elétrico e o metabolismo da bactéria. O que os pesquisadores precisam saber agora é a reação das bactérias a um potencial elétrico dentro da matriz. Com o objetivo de descrever a relação entre potencial elétrico e o metabolismo bacteriano, o cientista Jacques Monod desenvolveu uma equação. Entretanto, a dúvida era como aplicar essa equação a um ânodo, que é um sólido.

Baseados em dados de outras pesquisas sobre a relação do metabolismo bacteriano como o potencial elétrico do ânodo (diretamente proporcional), os pesquisadores desenvolveram um novo modelo de equação, a Nernst-Monod. Essa nova equação vai descrever a taxa de metabolismo bacteriano em resposta ao potencial elétrico ("concentração de elétrons").

O novo modelo destacou variáveis que têm que ser controladas no MFC, que são a quantidade de resíduos de material (material usado pelas bactérias, combustível), acúmulo de biomassa sobre o ânodo e o potencial elétrico no biofilme-ânodo.

Um dos objetivos da equipe é comercializar o produto, por isso os pesquisadores estão usando um modelo inovador que vai ajudar a otimizar características como desempenho e potência do MFC. Esse projeto foi financiado pela NASA e outros parceiros industriais, como a OpenCEL e NZLegacy.    Uma das vantagens, em relação às células combustíveis convencionais que usam gás hidrogênio como combustível, é que a célula bacteriana pode usar uma maior variedade de combustíveis biológicos à base de água. De acordo com o pesquisador Marcus é possível utilizar qualquer tipo de resíduos, como esgotos ou dejetos de suínos para geração de energia elétrica.

10/01/2008
Arlei Maturano - Equipe Biotec AHG