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Quando a natureza projetou a lignina – o material fibroso e lenhoso que dá às plantas sua estrutura rígida – não cortou nenhum canto. Incrivelmente lenta para quebrar, a lignina é tão resistente e duradoura que é resistente a bactérias e podridão.
Então, o que acontece com todos os resíduos de lignina de fazendas, cervejarias e fábricas de papel? A maior parte é queimada ou enterrada, gerando poluição e desperdiçando um potencial recurso renovável.
Agora, os pesquisadores da Northwestern University desenvolveram um processo sustentável e barato de duas etapas que pode reciclar resíduos de carbono orgânico – incluindo lignina. Ao processar resíduos por meio de uma biorrefinaria movida a micróbios, os pesquisadores transformaram a lignina em fontes de carbono que poderiam ser usadas em produtos farmacêuticos derivados de plantas e nutracêuticos antioxidantes de alto valor, bem como nanopartículas à base de carbono para administração de medicamentos ou produtos químicos.
O estudo foi destaque na capa da edição de janeiro da revista ACS Química e Engenharia Sustentável.
“A lignina deveria ter um valor tremendo, mas é intrinsecamente considerada um desperdício”, disse Kimberly Gray, da Northwestern, que liderou a pesquisa. “A lignina compõe 20-30% da biomassa, mas 40% da energia, o que é muito, mas é difícil explorar essa fonte de energia. A natureza tornou a lignina tão recalcitrante ao processamento que as pessoas ainda não descobriram como usá-la. Os pesquisadores tentam resolver esse problema há décadas. Usando uma refinaria de petróleo como modelo, desenvolvemos uma biorrefinaria que absorve fluxos de resíduos e produz produtos de alto valor.”
Gray é o Roxelyn and Richard Pepper Family Chair em Engenharia Civil e Ambiental e professor de engenharia civil e ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern.
material de construção da natureza
Um dos polímeros orgânicos mais abundantes no mundo, a lignina está presente em todas as plantas vasculares. Encontrada entre as paredes das células, a lignina dá às plantas fortes e robustas – como as árvores – suporte estrutural. Sem a lignina, a madeira e a casca seriam muito fracas para sustentar as árvores. E casas e móveis de madeira simplesmente desabariam.
Mas a maioria das indústrias que usam plantas – como a fabricação de papel e as indústrias cervejeiras – remove a lignina, deixando para trás a celulose, um tipo de açúcar. Em vez de usar o material ultrarresistente da natureza, as equipes industriais queimam a lignina como um combustível barato.
“Os humanos querem se livrar da lignina para chegar aos açúcares”, disse Gray. “Eles fermentam a celulose para fazer álcool ou processam para fazer celulose. Então o que fazem com a lignina? Eles a queimam como um combustível de baixa qualidade. É um desperdício.”
Célula de combustível movida a bactérias
Para desenvolver uma biorrefinaria para quebrar resíduos de carbono, incluindo lignina, os pesquisadores primeiro projetaram uma célula de eletrólise microbiana (MEC). Semelhante a uma célula de combustível, o MEC troca energia entre um ânodo e um cátodo. Mas, em vez de um ânodo à base de metal, o bio-ânodo da Northwestern compreende exoeletrogênios – um tipo de bactéria que naturalmente gera energia elétrica comendo matéria orgânica.
“Os micróbios agem como catalisadores”, disse o co-autor do estudo, George Wells, professor associado de engenharia civil e ambiental da McCormick. “Em vez de usar catalisadores químicos, que geralmente são muito caros e requerem altas temperaturas, estamos usando a biologia como catalisador.”
A beleza do MEC é que ele pode processar qualquer tipo de resíduo orgânico – humano, agrícola ou industrial. O MEC circula a água cheia de resíduos através das bactérias, que comem o carbono. Aqui, eles degradam o carbono orgânico em dióxido de carbono e então respiram elétrons naturalmente. Nesse processo, os elétrons extraídos fluem do bioânodo para o cátodo (feito de tecido de carbono), onde reduzem o oxigênio para gerar água. O processo consome prótons, aumentando o pH da água para transformá-la em uma solução cáustica. A partir daí, a solução cáustica pode ser usada para inúmeras aplicações, incluindo o tratamento de águas residuais.
“Outro benefício desse processo é que ele trata efetivamente as águas residuais para remover o carbono orgânico prejudicial”, disse Wells. “Portanto, um produto-chave é a água limpa.”
Mas os pesquisadores pegaram a substância cáustica e voltaram sua atenção para a lignina. Os compostos de lignina são duráveis porque contêm cadeias complexas de carbono aromático, que possuem um padrão de ligação especial que forma um anel de seis átomos de carbono. Cada anel aromático compreende ligações duplas e simples alternadas, que são incrivelmente difíceis de quebrar.
Rebentando laços ‘inquebráveis’
Quando os pesquisadores expuseram a lignina ao químico cáustico de base biológica, no entanto, os polímeros da lignina se separaram de uma forma que preservou os anéis aromáticos. Cerca de 17% da lignina processada se transformou em anéis de carbono chamados flavonoides, um fitonutriente rico em antioxidantes frequentemente encontrado em suplementos. Comumente usados em química medicinal, esses anéis podem ser usados como precursores sustentáveis derivados de plantas para produtos farmacêuticos e suplementos baratos.
“Ele quebra as ligações do polímero, mas deixa seletivamente o anel”, disse Gray. “Se você puder preservar esse anel, poderá produzir materiais de alto valor. Os químicos desenvolveram catalisadores que quebram todo o composto e então precisam reconstruir o anel. Mas fomos capazes de quebrá-lo seletivamente para preservar as estruturas valiosas .”
O restante da lignina processada (cerca de 80%) tornou-se nanopartículas à base de carbono, que podem ser usadas para abranger substâncias para administração de drogas direcionadas em humanos ou administração de nutrientes direcionadas em plantas. As nanopartículas também podem oferecer uma alternativa sustentável derivada de plantas para protetores solares e cosméticos.
“É emocionante identificar e explorar uma rota para a recuperação sustentável de recursos de vários fluxos de resíduos”, disse Wells. “Temos enormes fluxos de águas residuais e lignina que são caros de tratar por conta própria. Estamos tentando reimaginá-los como fontes de valor.”
Recuperando recursos sem produtos químicos perigosos
Embora os pesquisadores pudessem ter usado uma substância cáustica disponível comercialmente para processar a lignina, sua abordagem baseada em MEC tem muitas vantagens. Primeiro, o produto químico verde de base biológica funciona melhor. Em segundo lugar, é mais seguro, mais barato, pode ser usado em condições ambientais e pode gerar produtos químicos quando necessário.
“Existem muitas substâncias cáusticas, como o hidróxido de sódio, que é comumente usado em muitos processos industriais e tratamento de águas residuais”, disse Wells. “Mas isso envolve enviar e armazenar grandes quantidades de produtos químicos tóxicos. Isso não só é caro, como também é perigoso para a saúde pública. É muito mais seguro e sustentável gerar produtos químicos no local a partir de resíduos. Evitamos ter que enviar ou armazenar grandes quantidades de produtos químicos perigosos e não dependem de cadeias de abastecimento ou caminhões que cheguem a tempo. Isso nos dá flexibilidade e adaptabilidade para gerar produtos químicos no local quando eles são necessários.”
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