Fotossíntese Artificial e Biodegradabilidade: Combatendo a Ameaça dos Plásticos com Sustentabilidade em Mente

A emissão de CO2 e a presença de plásticos não biodegradáveis na Terra são ambos perigos que causam danos irreversíveis. Significativamente, o dióxido de carbono, sendo um gás de efeito estufa, aquece o planeta e eventualmente resulta em mudanças climáticas. 

Esse efeito de aquecimento é ressaltado pelas estimativas da NASA, que revelam que as atividades humanas aumentaram o conteúdo de dióxido de carbono na atmosfera em 50% em menos de 200 anos. Agravando ainda mais a situação, os plásticos não biodegradáveis provenientes de materiais como isopor, sacolas plásticas descartáveis e garrafas de água plásticas representam outra ameaça grave, pois contaminam a água subterrânea, a cadeia alimentar e poluem o ar.

Abordando esses desafios interligados, pesquisadores da Osaka Metropolitan University desenvolveram agora uma inovação que trata ambos os problemas por meio de uma única rota. Surgiu uma forma inovadora e eficiente de produzir ácido fumárico que reduzirá os níveis de emissão de dióxido de carbono ao mesmo tempo em que reutiliza o resíduo para fabricar plásticos biodegradáveis. Vamos aprofundar a compreensão do que essa inovação significa e como funciona.

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Produção Sustentável de Ácido Fumárico

O ácido fumárico é um componente de plásticos biodegradáveis. Tradicionalmente, ele provém de petróleo, dióxido de carbono e compostos derivados de biomassa. Agora, os pesquisadores desenvolveram uma solução que permite produzir ácido fumárico de forma sustentável e eficiente. Existem dois estudos com esse mesmo objetivo. 

No primeiro, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yutaka Amao do Centro de Pesquisa em Fotossíntese Artificial da Osaka Metropolitan University (OMU) demonstrou os métodos de síntese de ácido fumárico a partir de bicarbonato e ácido pirúvico derivado de biomassa. A energia utilizada no processo foi energia solar renovável. 

Os cientistas também obtiveram sucesso na produção de ácido fumárico com dióxido de carbono que contribuiu como matéria‑prima para o processo, vindo diretamente da fase gasosa. Contudo, o experimento enfrentou uma limitação. Não conseguiu produzir um volume substancial de ácido fumárico. A produção permaneceu baixa. 

Entretanto, na pesquisa subsequente, os cientistas superaram o desafio. Eles desenvolveram um novo fotosensibilizador e fizeram avanços na fotossíntese artificial que poderiam dobrar o rendimento de ácido fumárico em comparação com os métodos tradicionais. 

Os cientistas desenvolveram um método eficaz para produzir fumarato impulsionado por luz visível a partir de CO2 gasoso e piruvato, utilizando um sistema composto por trietanolamina, porfirina de zinco catiônica solúvel em água, zinc tetrakis(4-N, N, N-trimetil aminofenil)porfirina, complexo de ródio(III) pentametilciclopentadienil coordenado com 2,2′-bipiridil, NAD+, malato desidrogenase (oxalacetato‑descarboxilante dependente de NAD+), e fumarase.

A pesquisa, intitulada “Produção eficaz de fumarato impulsionada por luz visível a partir de CO2 gasoso e piruvato pelo sistema fotocatalítico baseado em porfirina de zinco catiônica com biocatalisadores duplos”, foi apoiada pelo Institute of Fermentation, Osaka. 

No geral, a pesquisa estabeleceu empiricamente que é possível fabricar um catalisador avançado de fotossíntese artificial que pode usar o dióxido de carbono de forma mais eficiente na produção de plásticos biodegradáveis. 

Mas, se pensarmos mais profundamente e tentarmos avaliar por que a fotossíntese artificial e sua contribuição para produzir plásticos biodegradáveis de forma sustentável e eficiente são vistas como um avanço, veremos que os plásticos têm sido uma ameaça, e qualquer esforço para torná‑los biodegradáveis e produzidos de forma sustentável deve ser apreciado e incentivado. 

Um dos danos mais graves relacionados a plásticos no planeta Terra é causado pelos microplásticos. A National Oceanic and Atmospheric Administration dos Estados Unidos define microplásticos como pequenos fragmentos de plástico com menos de cinco milímetros de comprimento que causam danos à nossa saúde, ao oceano e à vida aquática. A categoria também inclui plásticos projetados intencionalmente para serem pequenos. Chamados microesferas, são usados em muitos produtos de saúde e beleza. Esses microplásticos trazem várias implicações nocivas.

Microplásticos entram em nosso corpo por diferentes vias, incluindo a água que bebemos, os alimentos que consumimos e os recipientes de alimentos que usamos, todos caminhos de ingestão oral de microplásticos. Além disso, inalamos microplásticos pelo ar, e nossos produtos de cuidados pessoais e capas de telefone celular, que contêm microplásticos, criam brechas para que entrem em contato pessoal.

Uma vez dentro do corpo humano, esses microplásticos podem causar uma série de problemas de saúde. Sabe‑se que induzem estresse oxidativo e danos ao DNA, levam a distúrbios metabólicos e causam disfunções em órgãos vitais como fígado, intestinos, cérebro e vias respiratórias. Além disso, a toxicidade dos microplásticos pode prejudicar nossas capacidades reprodutivas e de desenvolvimento, ilustrando a gravidade de seu impacto na saúde humana.

A questão dos microplásticos vai além da saúde humana, pois essas partículas também prejudicam a vida marinha. Elas exercem um efeito tóxico em peixes e outros organismos aquáticos, inibindo seu crescimento e desenvolvimento, aumentando as taxas de mortalidade, causando inflamação, diminuindo a velocidade de natação, reduzindo a vitalidade e o comprimento corporal, e provocando lesões intestinais. Essa evidência ressalta a necessidade urgente de enfrentar e interromper a poluição ambiental com microplásticos.

À luz disso, recentes levantamentos de mergulho subaquático destacaram a necessidade urgente de soluções inovadoras de coleta de resíduos. Por exemplo, um levantamento inovador realizado por pesquisadores do Desert Research Institute no leito do Lago Tahoe revelou uma média alarmante de 83 pedaços de lixo plástico por quilômetro, sem nenhum trecho livre de lixo plástico. Os itens comuns identificados incluem recipientes de alimentos, garrafas, sacolas plásticas e brinquedos, sendo os seis tipos mais comuns de plástico PVC, poliestireno, poliéster/polietileno tereftalato, polietileno, polipropileno e poliamida.

Embora existam vários provedores de soluções que oferecem alternativas viáveis para limpar plásticos subaquáticos, os pesquisadores também estão interessados em avaliar o potencial de uma ‘métrica de sustentabilidade‘ para conter a poluição plástica. Pesquisadores do Woods Hole Oceanographic Institution desenvolveram uma métrica de sustentabilidade para o design ecológico de produtos plásticos que têm baixa persistência no ambiente. Os pesquisadores acreditam que essa métrica pode gerar benefícios ambientais e sociais.

O estudo mostrou uma forma inovadora e criativa de enfrentar a ameaça da poluição plástica. A abordagem pode ser vista como semelhante aos exercícios de contabilidade de impacto social que conhecemos. Comparou índices do impacto ambiental dos plásticos e de seus substitutos, demonstrando que contabilizar a persistência ambiental do plástico e substituí‑los de forma eficiente poderia gerar ganhos de centenas de milhões de dólares para um único produto de consumo.

Ao explicar a importância do estudo, o autor principal, Bryan James, cientista de materiais e engenheiro, disse:

“O que é importante determinar é como podemos projetar materiais, produtos e processos funcionais, sustentáveis e benignos que incorporem todos os princípios da engenharia de materiais verdes no futuro mundo em que viveremos.”

No geral, tornar os plásticos adequadamente biodegradáveis e identificar alternativas adequadas tem mantido a comunidade científica e tecnológica ocupada. Existem muitas empresas, grandes e pequenas, que trabalham ativamente nessa área.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

O Mitsubishi Chemical Group tem sido um participante ativo neste campo há bastante tempo. Como membro da Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), criada em outubro de 2012, a Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) participou de um projeto de Fotossíntese Artificial conduzido pela New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Desde então, a Mitsubishi tem impulsionado a eficiência e otimização do processo. 

Era sobre a produção sustentável de ácido fumárico na pesquisa que tivemos como abertura da nossa discussão. No entanto, os esforços do Mitsubishi Chemical Group estão direcionados à produção de Olefina. 

Neste processo, um catalisador sintético desempenha um papel crítico ao possibilitar a reação entre hidrogênio separado e dióxido de carbono. O trabalho inovador da Mitsubishi no desenvolvimento de um catalisador adequado e no refinamento das tecnologias de processo necessárias aumentou significativamente o rendimento, tornando a produção de Olefina mais eficiente. 

Como resultado, a Olefina tornou‑se uma matéria‑prima produzida de forma eficaz para a criação de plásticos, demonstrando a contribuição da Mitsubishi para o avanço de práticas de fabricação sustentável na indústria química.

O Green Innovation Project, conduzido pela NEDO, selecionou o desenvolvimento comercial da Mitsubishi de produção de matéria‑prima química baseada em fotossíntese artificial para financiamento em fevereiro de 2022. 

Nas etapas posteriores de desenvolvimento, o processo converterá matérias‑primas provenientes do petróleo e ajudará a desenvolver tecnologia de produção de plásticos aproveitando o dióxido de carbono, utilizando tecnologia de fabricação petroquímica, tecnologia de desenvolvimento de catalisadores e outras tecnologias que cultivou ao colaborar com universidades e institutos de pesquisa. 

A Mitsubishi Corporation publicou um relatório integrado para o ano fiscal que terminou em 31 de março de 2023. A empresa faturou mais de US$159 bilhões.

#2. Evonik and Siemens

No que é chamado de fotossíntese técnica, duas corporações, Evonik e Siemens, estão usando energia renovável e bactérias para converter dióxido de carbono em produtos químicos especiais. As corporações realizam essa tarefa dentro de um projeto de pesquisa conjunto chamado Rheticus. A primeira fase da pesquisa resultou na produção de químicos como butanol e hexanol, que são matérias‑primas para plásticos especiais e suplementos alimentares. 

De acordo com o Dr. Thomas Haas, responsável pelo projeto no departamento de pesquisa estratégica Creavis da Evonik: 

“Com a plataforma Rheticus, queremos demonstrar que a fotossíntese artificial é viável.”

Para tornar essa afirmação realidade, tanto a Evonik quanto a Siemens estão contribuindo de acordo com suas competências principais. Por exemplo, a Siemens está potencializando o processo com tecnologia de eletrólise, que será usada na primeira etapa para converter dióxido de carbono e água em hidrogênio e monóxido de carbono usando eletricidade. 

As contribuições da Evonik visam fortalecer o processo de fermentação, no qual gases contendo monóxido de carbono seriam convertidos em produtos úteis por processos metabólicos facilitados por microrganismos especiais. 

Ao elaborar seu potencial para ajudar a indústria de plásticos e produtos químicos especiais, o Dr. Haas disse:

“Sua natureza modular e flexibilidade em termos de localização, fontes de matéria‑prima e produtos fabricados tornam a nova plataforma atraente especialmente para a indústria de produtos químicos especiais. Estamos confiantes de que outras empresas usarão a plataforma e a integrarão com seus próprios módulos para fabricar seus produtos químicos.”

De acordo com os últimos relatórios financeiros anuais disponíveis, o Grupo Evonik registrou vendas de quase 18,5 bilhões de euros em 2022. Dessa receita, aditivos especiais e nutrição & cuidado contribuíram com 23% cada. A receita de materiais inteligentes representou 26% da receita, enquanto materiais de desempenho contribuíram com 20%, e produtos e serviços de tecnologia e infraestrutura contribuíram com 8%. 

No ano fiscal de 2023, a Siemens registrou uma receita anual de cerca de 22 bilhões de euros, um aumento significativo em relação aos 19,5 bilhões de euros registrados no FY 2022. 

Plásticos e Nossa Jornada Rumo à Sustentabilidade

Por meio de esforços coletivos, precisamos garantir que estamos dando os passos corretos rumo a um futuro repleto de bioplásticos, que são plásticos biodegradáveis ou materiais biobaseados, derivando energia de recursos renováveis. Esses bioplásticos, em termos de durabilidade e usabilidade, não seriam inferiores aos plásticos convencionais. Eles poderiam ser processados em máquinas plásticas convencionais e armazenados em depósitos tradicionais, removendo efetivamente a redundância de recursos.

O fracasso em encontrar uma alternativa viável à ameaça dos resíduos plásticos se traduziria em perigos graves para vários países ao redor do mundo. O Sudeste Asiático, por exemplo, já se tornou um ‘ponto quente’ da poluição plástica, situação agravada pela rápida urbanização e por uma classe média em expansão. Ainda mais agravado pela falta de infraestrutura eficiente, isso resultou em baixa eficiência para plásticos recicláveis.

Essa questão de má gestão de resíduos foi ainda mais agravada durante a pandemia de COVID devido ao consumo de máscaras, frascos de desinfetante e embalagens de entregas online. Segundo dados apresentados pelo Banco Mundial, em países como Tailândia, Filipinas e Malásia, mais de 75% do valor material do plástico reciclável é perdido — o equivalente a US$6 bilhões por ano quando o plástico de uso único é descartado em vez de recuperado e reciclado.

À luz de tal má gestão de resíduos e da inadequação da infraestrutura, os bioplásticos surgem como a alternativa mais eficaz, independente dessas falhas. Além disso, os bioplásticos auxiliam nossos esforços de sustentabilidade, pois dependem menos de combustíveis fósseis convencionais. O uso de plásticos biodegradáveis também significa cenários aprimorados de fim de vida para descarte e reciclagem.

No entanto, a participação dos bioplásticos ainda é muito menor do que deveria ser para que nosso futuro dependa totalmente de meios sustentáveis. Segundo uma estimativa, dos 367 milhões de toneladas de plástico produzidas globalmente a cada ano, a participação dos bioplásticos ainda é inferior a um por cento. Contudo, espera‑se que eles apresentem crescimento significativo nos próximos anos em diversos campos de aplicação, incluindo embalagens, bens de consumo, construção e edificação, automotivo e transporte, têxteis, agricultura e horticultura, eletrônicos, revestimentos e adesivos, entre outros.

Tecnologias de ponta respaldadas por pesquisas, como a fotossíntese artificial e a produção sustentável de componentes plásticos alimentados por fontes de energia renovável, terão um impacto significativo nas formas de lidar com o plástico. Esses processos não apenas significarão plásticos mais amigáveis ao meio ambiente, mas também um ecossistema de produção que é sustentável e quase livre de emissões.