Relatório da Visita ao LNEG

Resumo

Tendo em vista o aprofundamento de conhecimentos acerca de um dos subtemas de um dos projectos a ser desenvolvidos em área de projecto, num projecto denominado “A bactéria que virou fotão”, tendo o mesmo sido desenvolvido ao longo do ano lectivo 2010-2011, na Escola Secundária de Ferreira Dias, em Agualva-Cacém.

Este projecto abrange disciplinas como a física, a química e a biologia. A visita relatada neste documento abordou essencialmente a componente biológica, no entanto a interdisciplinaridade do projecto em causa a torna difícil estabelecer fronteiras entre as diferentes disciplinas.

O objectivo principal desta visita era compreender a síntese de biogás.

Como conclusão principal, detivemos que o biogás surge do metabolismo de bactérias metanogénicas. 

                Como aspecto a salientar, temos o facto de esta visita de estudo nos ter permitidos obter uma importante fonte de informações e novas ideias que permitem integrar o nosso projecto no tema principal. Tendo em conta que um dos objectivos do nosso grupo é integrar de forma clara o projecto no subtema, os novos fundamentos adquiridos e que constam neste relatório revelam-se extremamente úteis e tornam esta visita num evento que nos trouxe muitos benefícios.

Introdução

                No decurso do projecto “A bactéria que virou fotão”, surgiram algumas dúvidas que justificaram visitas de estudo para que fossem esclarecidas. Uma dessas visitas, a relatada neste documento, teve como principal objectivo a resposta a uma dúvida surgida numa visita anterior, nomeadamente, a visita realizada no dia 20 de Janeiro à ETAR de Chelas. A visita à ETAR visava o estudo de um meio a partir do qual se pudesse obter a bactéria  Escherichia. coli e do qual, simultaneamente, se retirasse matéria que o microrganismo pudesse metabolizar, produzindo assim electricidade. Desta forma, o protótipo, anteriormente idealizado, tornar-se-ia uma importante fonte de energia renovável, pois, a partir de resíduos de outra forma inutilizáveis, possibilitaria a obtenção de energia. As águas residuais que chegam às ETAR’s são ricas em vários microrganismos, entre os quais, a Escherichia coli. Na ETAR, era produzido biogás, sem qualquer tipo de adição de químicos nem processos que envolvessem gastos de energia. A única situação que se verificava era a existência de um digestor anaeróbio, onde era produzido o biogás. O nosso protótipo até então englobava apenas a produção de energia microbiológica. Com o biodigestor, passámos a ponderar incluir também a obtenção de energia do biogas no nosso protótipo.

                Levantou-se, então, a pergunta: como se forma o biogás? Para responder a esta questão acordou-se uma parceria com outro grupo de área de projecto que já programara uma visita de estudo ao LNEG, Laboratório Nacional de Energias e Geologia. Este laboratório resulta de um aglomerado de vários sub-departamentos, entre os quais o edifício Solar XX, que estuda o aproveitamento das diversas formas de energia solar, alvo de estudo pelo grupo parceiro. A ambição do nosso grupo era, essencialmente, a de estabelecer contacto com cientistas entendidos na área das energias renováveis, na vertente dos biocombustíveis, mais especificamente, do biogás.

                Às 10 horas da manhã do dia 28 de Janeiro de 2011 , chegámos ao LNEG, mais especificamente ao edifício Solar XX, onde assistimos a uma exposição oral, da parte da cientista investigadora Laura Aelenei, que nos explicou as múltiplas formas de reduzir o consumo de energia eléctrica, tendo em atenção a construção e arquitectura dos edifícios aliados à utilização de energias renováveis, designadamente a energia solar.  Essa palestrante demonstrou-se disponível para nos auxiliar a estabelecer contacto outros cientistas que estivessem na área das energias da biomassa e dos biocombutíveis. Passámos então do edifício Solar XX para um contíguo, no qual nos foi possível conhecer o Professor Doutor Santino di Berardino. Este é um cientista de autoridade na área do biogás e disponibilizou-se para nos dar uma nova palestra. Desta forma, ficámos a conhecer melhor como se forma o biogás.

                O professor transmitiu conhecimentos importantes, sendo de realçar o da existência de bactérias específicas que realizam a metanogénese. Estas bactérias, exclusivamente em meios anaeróbios, são capazes de sintetizar metano, gás também conhecido por biogás. Este gás é extremamente combustível e, ao ser queimado, transmite energia a um gerador, permitindo que esta seja transformada em energia eléctrica. Visto estas bactérias se alimentarem de matéria orgânica, as águas das ETAR’s proporcionam um meio ideal para a sua proliferação, visto serem resultado dos resíduos domésticos (alguns restos alimentares e excrementos). Assim sendo, numa amostra de uma ETAR, encontram-se em suspensão várias moléculas de origem orgânica como, por exemplo, proteínas, glícidos, entre outras e microrganismos, como a Escherichia coli e bactérias metanogénicas.

                Quando as águas residuais são colocadas num meio anaeróbio, ou seja, em ausência de oxigénio, as bactérias metanogénicas vêem-se obrigadas a realizar a respiração anaeróbia, produzindo, consequentemente, metano, que é o maior constituinte do já referido biogás. O CH₄, por ser menos denso que o meio envolvente (é um gás num meio líquido), sobe e acumula-se na parte superior do digestor anaeróbio, sendo posteriormente retirado e utilizado.

Conhecimentos adquiridos em função da visita.

Esta secção do relatório visa o tratamento dos dados adquiridos durante a visita, os dados enviados pelas pessoas responsáveis pela visita (professor Santino di Berardino), em conjunto com materiais que tenham sido pesquisados para responder a dúvidas consequentes do estudo dos mesmos dados.

Processo de formação do Biogás

O biogas é formado pela decomposição de matéria orgânica, em anaerobiose, obtendo dessa forma o gás metano (CH₄) e o dióxido de carbono (CO), como componentes principais. Através respiração anaeróbia, processo pelo qual a matéria é degradada por organismos vivos em regime de ausência de oxigénio, é obtida um menor rendimento energético. A restante energia fica nos produtos resultantes da decomposição anaeróbia, sendo maior componente dos produtos resultantes o metano. O processo de degradação de energia envolve uma interacção complexa entre várias bactérias: os produtos do metabolismo de uma bactéria servem de substrato a outra bactéria. 

O processo de formação de biogas é dividido em três passos: Hidrolise, Acidogénese/Fermentação e Metonogenese. 

Hidrólise

Durante a hidrolise, moléculas longas como as proteínas, hidratos de carbono e polímeros de gordura são reduzidos a monómeros (unidades estruturais das cadeias longas). Algumas bactérias produzem enzimas que catalisam a decomposição, libertando-as no meio, sendo este um processo extracelular.

Componentes como as proteínas e açucares simples hidrolisam com facilidade. No entanto, certos polímeros de carbono são degradados muito lentamente como é o caso da  lignina, composto que reveste os vasos das plantas e que os tornam impermeáveis. Este composto revestem macromoleculas como é o caso da celulose e da hemicelulose, de decomposição fácil. Este facto torna o processo de decomposição mais lento pois as bactérias têm dificuldade em penetrar na lignina de forma a degradas a celulose e a hemicelulose. Esta é também a razão pela qual apenas entre 40% das duas macromoleculas é degradada.

Fermentação/Acidogénese

Os diferentes monómeros obtidos na hidrolise, como a glucose, xylose e aminoácidos e cadeias longas de ácidos gordos  são transformados em ácido acético (CH₃COOH)

Metanogenese

É o último passo do processo de formação do biogás. Nesta fase entram em acção as bactérias metanogénicas. Este tipo de bactérias pertencem ao reino Archea. Existem dois grupos de bactérias responsáveis pela produção de metano. Um grupo degrada o acido acético (CH₃COOH) e transforma-o em dióxido de carbono. O outro grupo produz metano a partir de dióxido de carbono (CO₂) e hidrogeno. Os dois processos estão intimamente relacionados e a inibição de um resultará na inibição do outro. As bactérias metanogenicas têm um ritmo de crescimento muito lento, mais lento que qualquer outra bactéria envolvida no processo da síntese do biogas, tornando-as nu8m factor limitante deste mesmo processo. O metabolismo destas bactérias não é muito rentável, mas devido às condições anaeróbicas, a competição com outras bactérias é limitada, sendo essa a razão pela qual ela consegue subsistir. 

Que matéria pode dar origem ao biogás?

Basicamente, todo o material orgânico (à excepção da madeira) pode ser usado em processos de digestão anaeróbia, dando origem ao biogás. Já os persas deveram ter utilizado um colector de gás simples sobre uma pilha de estrume de gado, para obter biogas.  

Como principais fontes de matéria-prima temos:

·         Estrume animal:

O estrume é armazenado em quintas, durante vários meses e é depois utilizado como fertilizante. Esta matéria já contém microrganismos responsáveis pela biodegradação e digestão anaeróbia, criando metano, dióxido de carbono e amoníaco.

 É o recurso mais subvalorizado dos utilizados para a agricultura. A sua utilização para a produção de biogás oferece vários benefícios:

o   Evita emissões de CH₄ durante o armazenamento do estrume.

o   Reduz as emissões de CO₂, substituindo os combustíveis fosseis.

o   O produto final após a produção do biogás é um valioso fertilizante.

Comparado com combustíveis fosseis de transporte, como o diesel e o petróleo, o biogas extraído do estrume é muito eficiente em reduzir as emissões de CO₂ reduzindo o efeito de estufa e no final é obtido fertilizante de muito boa qualidade. O CO₂ produzido pelas bactérias reage com a água, não sendo libertado para a atmosfera.

·         Plantações com fins energéticos

Existem plantações cujo único objectivo é serem utilizadas como matéria-prima para a produção de biogas. As plantações mais utilizadas para isto são as de milho e as de csorgo doce. A mistura de estrume e milho é a matéria-prima mais comum nas centrais de biogas. As culturas más de um ano que não sirvam para a agricultura poderão também ser utilizadas para a produção de biogás, bem como as sobras da agricultura (a planta do milho depois de ser extraída a massaroca).

·         Águas residuais

Resultantes das actividades humanas, as águas residuais contêm um extenso rol de produtos que podem ser degradados por várias bactérias, incluindo as metanogénicas, formando metano. Os produtos resultantes da digestão anaeróbia podem ser tratados como um sólido desnecessário e ser levado para um aterro ou ser utilizado como fertilizante de terras. 

·         Aterros

Os aterros de matéria orgânica libertam muitas vezes gases para a atmosfera, gases esses que podem ser aproveitados para a produção de energia. No entanto, eles rapidamente se evaporam, o que torna muito difícil o seu aproveitamento.

Os materiais que resultam dos processos de formação do biogás são sempre biodegradáveis. Para além disso, funcionam bastante bem como fertilizantes para os terrenos agrícolas. Assim sendo, podemos observar o estabelecimento de um ciclo que permite que a matéria que já não serve para a formação de biogás, quando é extraída volta à terra sob a forma de adubos que servirão para ajudar ao crescimento de novas culturas. (apenas cerca de 40% da matéria útil que entra no biodigestor é convertida em biogas),

Como se poderá aproveitar energia electroquímica?

Para aproveitar a energia electroquímica, teremos por base o mecanismo das células electroquímicas normais. Esta designação deve-se ao facto de junto dos eléctrodos ocorrerem reacções químicas às quais se deve o movimento orientado de cargas eléctricas: nas soluções existe movimento de iões e movimento de electrões através do circuito externo.

A partir da informação do kit que nos foi enviado pelo Visionarium, foi-nos possível comprovarmos a possibilidade de produção de energia através da diferença de potencial. As bactérias E.Coli, quando em ambiente anaeróbio efectuam respiração anaeróbia, da qual resultam como um dos produtos, os electrões. Em anaerobiose, o aceitador final dos electrões não pode ser o oxigénio. Estes electrões podem ser capturados do meio através de um mediador de oxidação-redução (redox). Estes mediadores têm a capacidade de atravessar a membrana celular, captam os electrões, reduzindo-se e saindo posteriormente.

O mediador reduzido transporta os electrões, retirados da célula, para um eléctrodo, o ânodo. Existe também um segundo eléctrodo, positivo, o cátodo, externo ao sistema biológico que irá captar os electrões. Este poderá ser oxigénio, no entanto será mais conveniente utilizar um reagente simples, sólido, solúvel, como o hexacianoferrato (III) de potássio. Neste caso, a reacção que ocorre no cátodo é:

[Fe(CN)₆]^3- + 1e^-→[Fe(CN)₆]^4- (4)

De acordo com o esquema de montagem, o azul de metileno é o composto responsável pela captação de electrões presentes no meio, que são resultado do metabolismo bacteriano E.coli, em condições anaeróbias. Ao aceitar esses electrões, fica reduzido e transmite-os para ânodo (eléctrodo que se encontra no meio com componente biológica).

Se não existir a regeneração do substrato, o sistema, inevitavelmente, irá esgotar o seu combustível e, consequentemente, cessará a produção de corrente eléctrica. Estas células podem ser restabelecidas, desde que seja adicionado mais substrato. Se o combustível for adicionado em contínuo, o dispositivo pode transformar-se numa célula combustível que pode gerar a electricidade por um longo período de tempo.

Discussão

                Após a aquisição dos conhecimentos, foi necessário verificar-se de que forma poderiam ser úteis para o desenvolvimento do projecto. Visto ser necessária a utilização da E. coli em anaerobiose, para a produção de energia bioquímica, não aparenta existir nenhum problema em realizar a síntese de biogás enquanto de faz o aproveitamento dos electrões resultantes da actividade metabólica da E.coli.

Os mediadores tornarão possível que os electrões que se encontrem na parte biológica da pilha (água residual) ingressem no circuito externo, levando à produção de corrente eléctrica. Quando os electrões atravessam o circuito, chegam ao cátodo. Se no meio não existir o reagente hexacionoferrato de potássio, os electrões serão aceites exclusivamente pelos protões. Pela equação 2H⁺ (aq)+2e^— (aq)àH₂(g). Esta é uma hipótese ainda a testar e sobre a qual terá de ser pesquisada mais informação e talvez justifique uma nova visita de estudo.

No entanto, surgem agora algumas questões como: Será que não existe realmente qualquer tipo de problema em aproveitar-se simultaneamente os dois tipos de energia? Quais os produtos resultantes do metabolismo anaeróbio das bactérias metanogénicas? Qual o metabolismo pelo qual as bactérias degradam os compostos e permitem a extracção da energia química? Estas são questões às quais poderemos não conseguir responder, no entanto ficam levantadas para caso outro investigador queira continuar o trabalho onde nós o deixámos.

Conclusão

                Da visita de estudo ao LNEG resultaram alguns factores que contribuíram para o avançar do nosso projecto:

·         o estabelecimento de contacto com uma autoridade no que diz respeito ao Biogas, o professor doutor Santino di Berardino. Deste contacto conseguimos obter uma série de informações relativamente à síntese do biogás que nos permitiram compreender qual a sua origem, a partir das águas residuais. O biogás é formado após três fases fundamentais: hidrólise, fermentação e matanogénese. As diversas bactérias presentes nas águas residuais estabelecem uma serie de relações em que cada uma utiliza produtos do metabolismo da outra até que as bactérias metanogénicas produzem o metano que por ser menos denso que o meio envolvente, sobe.;

·         Um reconhecimento das matérias que dão origem ao biogás. Ao compreendermos como e onde tem origem o biogás, pudemos conectar o nosso projecto ao tema que abarca todos os temas a nível da turma: Ciência, uma aposta na qualidade de vida. Como tivemos oportunidade de expor anteriormente neste relatório, permitiu-nos verificar o ciclo da utilização da matéria orgânica. Os restos das plantações (ex. a planta do milho) podem ser colocadas num biodigestor para produção de metano e os restos que não são degradados poderão ser devolvidos à terra, para fertilizar as novas culturas de milho. Este ciclo torna o nosso projecto em algo sustentável e muito vantajoso para uma sociedade com necessidade de obtenção de energias limpas e de alimentar a sua população, de preferência, sem recorrer a fertilizantes sintetizados laboratorialmente e com custos de produção. Este ciclo rentabiliza bastante os recursos existentes: possibilita a produção de energia que ou abate a factura de energia do produtor ou é vendida e gera lucro e permite a produção de adubos de origem natural, sem necessidade de investimento, podendo o produtor vende-lo;

·         No decorrer dos estudos sobre o funcionamento da pilha, ocorreu uma nova ideia ao grupo. A adição de uma nova energia renovável ao protótipo. A energia da combustão do hidrogénio. Esta será uma hipótese a abordar numa próxima fase do projecto.

Bibliografia

• MACIEL, Noémia, VILLATE, E. Jaime,  AZEVEDO, Carlos, BARBOSA, Maciel F.,” EU E A FISICA”, Porto Editora, Porto, 2009.
• Materiais cedidos pelo professor doutor Santino di Berardino