Produção de Polímero Biodegradável Através de Microrganismos Consumidores de Metano

O metano, um potente gás de efeito estufa, é produzido naturalmente em várias indústrias cruciais, como agricultura e tratamento de águas residuais. E se pudéssemos capturar esse gás antes que ele vá para a atmosfera e transformá-lo em algo útil?

A Mango Materials, uma empresa de biomanufatura baseada na Califórnia, inventou uma maneira de fazer exatamente isso. Utilizando uma mistura especial de microrganismos que consomem metano, o processo da Mango converte metano em um polímero biodegradável chamado polihidroxialcanoato (PHA). Esse polímero pode ser transformado em pellets de poliéster 100% biodegradáveis para formar produtos duráveis, tecidos e filmes flexíveis que possuem todas as propriedades convenientes dos plásticos, mas com um impacto ambiental muito menor.

Os materiais à base de PHA se degradam em uma fração do tempo necessário para os plásticos comuns quando descartados no meio ambiente. E eles se decompõem de volta em metano e dióxido de carbono em poucas semanas ou meses, dependendo da espessura do produto, quando são descartados em uma instalação de resíduos como previsto.

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“Estamos trabalhando em um processo com carbono negativo”, disse Allison Pieja, co-fundadora e Diretora de Tecnologia da Mango. “Nossas análises mostram que ele deve ser negativo em carbono quando operando em escala total.” Pieja e seus colegas recentemente terminaram de construir uma instalação de produção de PHA localizada em uma estação de tratamento de águas residuais em Vacaville, Califórnia, onde capturam o metano produzido por micróbios que limpam o abastecimento público de água e o canalizam diretamente para biorreatores com suas bactérias que consomem metano.

A empresa já está gerando PHA suficiente para fazer produtos de demonstração, incluindo uma saboneteira que está disponível para compra e dois produtos protótipos de moda – um par de tênis neutros em carbono pela Allbirds e óculos de sol sustentáveis do renomado designer Stella McCartney.

Eles agora estão acelerando a nova instalação para entregar pellets de PHA formulados em maior escala e, eventualmente, atuar como fornecedores para uma gama diversificada de produtos ecológicos. “Não conheço nenhuma outra alternativa de plástico à base de biotecnologia que tenha o mesmo perfil de biodegradabilidade que o PHA e, combinado com as propriedades mecânicas, há uma enorme oportunidade de mercado”, disse a CEO e co-fundadora Molly Morse, que primeiro estudou PHA como estudante de doutorado na Universidade de Stanford junto com a co-fundadora Pieja.

Como todas as tecnologias de biomanufatura, levou tempo para a Mango passar de um conceito em escala de laboratório para um processo comercial eficiente. Ajudar grupos acadêmicos e industriais a superar essa difícil transição é a especialidade dos cientistas da Unidade de Desenvolvimento de Processos de Biocombustíveis e Bioprodutos Avançados (ABPDU), parte do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e financiada pelo Escritório de Tecnologias de Bioenergia do Departamento de Energia dos EUA.

Após fundar a empresa em 2012, a equipe da Mango passou anos otimizando tanto sua cultura bacteriana – que produz PHA naturalmente e não é geneticamente modificada – quanto as condições de crescimento que induzem a geração de altos níveis de PHA.

A Mango se concentrou em maximizar a quantidade e a pureza do PHA que poderiam recuperar de dentro dos micróbios; para isso, começaram a trabalhar com uma equipe da ABPDU liderada por Ning Sun. Durante esse período, colaboraram para testar equipamentos relevantes em escala industrial para que os cientistas pudessem determinar o que funcionava antes de investir em seus próprios sistemas em escala piloto.

Purificando o Bom Material

As bactérias transformam o metano em cadeias de PHA para armazenar energia para uso posterior, semelhante à forma como as plantas armazenam energia em amidos feitos pela combinação de açúcares à base de dióxido de carbono, acumulando as moléculas dentro das células. Trabalhando lado a lado, a equipe de Sun e os cientistas da Mango testaram equipamentos e refinaram processos para extrair as células do “caldo” dentro do biorreator, abrir as paredes e membranas celulares das bactérias e, em seguida, separar o PHA dos outros produtos celulares.

“Recebemos caldo da equipe de Allison em diferentes escalas, sendo a maior de várias centenas de litros. E tentamos diferentes operações de unidade de recuperação para otimizar as condições e aumentar o rendimento de recuperação, bem como a pureza do produto final”, disse Sun, que é cientista do ABPDU.

Até o final do projeto, que foi desacelerado pela pandemia de COVID-19, a colaboração tinha um processo que atingia altos rendimentos alvo, e Pieja e seus colegas sabiam em que equipamentos de processamento posterior precisavam investir para sua própria instalação de produção.

“Esse trabalho foi realmente fundamental para nós ao termos acesso a uma instalação de processamento downstream e a pessoas que sabem como usá-la. Pudemos avaliar minuciosamente várias tecnologias diferentes para entender como nossa plataforma se comportava nelas”, disse Pieja. “Agora temos um processo no qual estamos confiantes de que será lucrativo.”

Enquanto isso, a equipe da ABPDU ganhou experiência adicional na extração de biopolímeros intracelulares. Até o momento, a ABPDU trabalhou com 85 parceiros da indústria, que vão de startups a empresas de biotecnologia estabelecidas, bem como 20 laboratórios nacionais, centros de pesquisa e universidades para ajudar a ampliar ou lançar produtos inovadores baseados em biotecnologia.

“Definitivamente aprendemos muito com essa colaboração. A equipe conseguiu ampliar um processo em escala de laboratório e testar diferentes configurações de equipamentos de recuperação de produtos, o que será aplicável a recuperações semelhantes de biopolímeros”, disse Sun.

O trabalho da Mango Materials na ABPDU foi financiado por bolsas do Departamento de Energia (DOE). A ABPDU permite que tecnologias de produtos e processos de biocombustíveis, biomateriais e bioquímicos em estágio inicial avancem com sucesso do laboratório para a relevância comercial.

O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) está comprometido em oferecer soluções para a humanidade por meio de pesquisas em energia limpa, um planeta saudável e ciência da descoberta. Fundado em 1931, com a crença de que os maiores problemas são melhor resolvidos por equipes, o Berkeley Lab e seus cientistas foram reconhecidos com 16 Prêmios Nobel.

Pesquisadores de todo o mundo dependem das instalações científicas de classe mundial do Lab para suas próprias pesquisas pioneiras. O Berkeley Lab é um laboratório nacional multiprograma gerido pela Universidade da Califórnia para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.

O Escritório de Ciência do DOE é o maior apoiador de pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para mais informações, visite energy.gov/science.

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