Tecnologias emergentes em química

Amônia, terceira lei da termodinâmica e isótopos radioativos. Esses são os temas que estão no centro do trabalho dos ganhadores do Nobel da Química entre 1918 e 1921. De lá para cá, esta ciência mostrou-se co-participante de mudanças profundas na sociedade. A partir de sua liderança, muitos produtos foram desenvolvidos e acrescentados na indústria rapidamente, o que gerou vários benefícios, mas também inúmeros desafios para a contemporaneidade.

Por essa razão, em homenagem ao dia do engenheiro químico no Brasil, resolvemos falar um pouco sobre as tecnologias promissoras da química e das contribuições que os profissionais correlatos podem dar ao mundo, tanto agora quanto no futuro.

(Imagem de LEEROY Agency por Pixabay)

As tecnologias emergentes.

Em 2019, uma iniciativa chamada “The Top Ten Emerging Technologies in Chemistry” (Top dez tecnologias emergentes em química) reuniu especialistas da IUPAC ("International Union of Pure and Applied Chemistry", em português "União Internacional da Química Pura e Aplicada") que elegeram os destaques dentre os estudos nomeados como promissores por químicos em todo globo. Todas elas foram reunidas em um artigo da De Gruyter e são listadas a seguir.

1. Nanopesticidas: essa linha de estudo endereça as projeções de crescimento da população mundial e o aumento da demanda agrícola. A proposta dos nanopesticidas é oferecer sistemas que não apresentem os efeitos colaterais convencionais desse tipo de químico, como a contaminação do meio ambiente, a bioacumulação e o aumento na resistência das pragas.

Um exemplo de iniciativa recente dentro desse escopo é a parceria entre a Vive Crop Protection e a A&L Biologicals Inc — ambas empresas canadenses — que busca desenvolver biopesticidas que forneçam maiores rendimentos aos agricultores a partir de de produtos sustentáveis que possam ser facilmente integrados às plantações atuais. Apesar da colaboração entre as empresas ser animadora, a reprodução em grande escala dos avanços observados em escala laboratorial tem se mostrado um desafio para a engenharia nesse campo.

2. Organocatálise enantiosseletiva: trata-se da procura por catalisadores que, assim como as enzimas naturais, não precisem de metais (caros) para facilitarem determinados processos. Iniciada por volta dos anos 1990, a proposta encontra desafios na eficiência desses catalisadores e no desenvolvimento de métodos de recuperação dos mesmos.

No entanto, é importante ressaltar a oportunidade econômica do desenvolvimento desses compostos, potencialmente mais baratos (devido a abundância de matéria-prima orgânica para a confecção). O que também contribui para que essa seja uma área mais democrática na química, devido a ampla acessibilidade a matérias-primas.

3. Baterias de estado sólido: estas são baterias mais leves, que armazenam mais energia, que funcionam bem em altas temperaturas e que possuem eletrólitos não inflamáveis — diferente do caso das comuns baterias de lítio — o que as torna mais seguras.

Apesar de haver muitas grandes empresas como Bosch e Intel interessadas em investir nessa tecnologia, ela ainda é desafiada pelo fator econômico, uma vez que é muito cara. Mas isso não tem limitado seu avanço, este ano a Mercedes-Benz anunciou que está em condições de produzir seu primeiro ônibus movido a bateria em estado sólido. Antes do anúncio, nomes importantes da indústria automotiva, como a Toyota, tinham como previsão mais otimista a produção de um número limitado de carros com a tecnologia somente em 2025.

4. Química de Fluxo: esse caso não se trata de nenhum conceito muito estranho para um estudante de engenharia química. Basicamente, a química de fluxo é sobre o desenvolvimento de processos que operem em fluxo contínuo. Afinal, estes últimos geralmente são mais seguros, produtivos, eficientes e minimizam impactos ambientais.

Desse modo, a investigação dessa tendência nos próximos anos seria focada na substituição de processos que são viabilizados usualmente em batelada na indústria. Assim, seria possível otimizar a produção em diversos setores industriais, gerando melhor aproveitamento dos recursos explorados nas fábricas. De forma semelhante a várias outras tecnologias emergentes, a dificuldade encontra-se na execução dos projetos da química de fluxo em grande escala e é aí que entra, principalmente, a engenharia.

5. Extrusão reativa: é a técnica que permite que reações químicas ocorram sem o uso de solventes. Assim, seria possível diminuir o uso de componentes tóxicos que podem ser difíceis de serem separados completamente dos produtos finais.

A complicação, nesse caso, reside no fato de que a introdução dessa técnica demandaria amplas revisões dos processos industriais atuais. Hoje, nos laboratórios, muitos produtos já são produzidos utilizando métodos clássicos de extrusão reativa. As tecnologias mais modernas nesse assunto permitem, inclusive, que as reações operem em condições de fluxo, o que já representa um avanço dada a tendência da química de fluxo citada anteriormente.

6. MOFs e materiais porosos para a coleta de água: a escassez de recursos hídricos é algo que já afeta muitas pessoas no mundo. Em um artigo publicado em 2015, a Organização das Nações Unidas (ONU) alertava que, se o consumo de água mantivesse o mesmo ritmo, o planeta poderia sofrer um déficit de 40% até 2030. Na tentativa de contribuir para a solução do problema, a química tem explorado o uso de materiais porosos como as estruturas metálicas orgânicas (MOFs, sigla derivada do inglês “metal organic frameworks”).

O interesse nos MOFs e materiais com propriedades parecidas se deve à capacidade de capturar moléculas específicas seletivamente. Foi notado, durante estudos, que alguns MOFs e outros materiais porosos de sílica possuíam grande potencial de capturar moléculas de água da atmosfera. Em tese, apenas um quilo de MOF teria a produtividade de 2,8 litros de água por dia em níveis de umidade relativa do ar de até 20%. 

Porém, a aplicabilidade desse tipo de material para captação de água não se aplica apenas à atmosfera. Neste ano, um grupo internacional de pesquisadores, liderado pela Universidade de Monash, na Austrália, desenvolveu uma tecnologia capaz de transformar água marinha em potável em menos de 30 minutos a partir da energia solar. Para isso, eles criaram uma rede de MOFs. Segundo a equipe, a produção foi de cerca de 139,5 litros de água doce por quilo de MOF utilizado, o que já demonstra a evolução dessa tecnologia.

7. Evolução dirigida de enzimas seletivas: esse é o tema central do Nobel da Química de 2018. Essa classe de catalisadores produz um campo enorme de produtos que vão desde farmacêuticos a biocombustíveis.

A evolução dirigida de enzimas envolve a análise de dezenas de milhares de variáveis e, segundo pesquisadores da área, a principal contribuição, por ora, dessas descobertas é a possibilidade de acompanhamento das mutações nos sítios ativos e de seus efeitos sobre a capacidade catalítica das enzimas. Apesar de ser um campo ainda com muito a se desenvolver, a evolução dirigida de enzimas se junta a campos da engenharia de proteínas e bioinformática para oferecer mudanças significativas nos processos a partir do desenvolvimento de enzimas focadas.

8. De volta aos monômeros: essa é sobre plásticos. Já falamos um pouco sobre isso anteriormente e sobre os desafios enfrentados pela reciclagem e suas limitações. Identificou-se que alguns plásticos como o PLA (poliácido láctico) ou o PET (poli tereftalato de etila) podem ser divididos em suas unidades básicas com o uso de alguns tratamentos simples — ou complexos, depende do produto que estivermos falando. 

Logo, a ampliação dessas metodologias e adaptações delas na indústria ajudariam a fortalecer os modelos de economia circular no setor plástico. Outra possibilidade, também dentro desse assunto, seria a exploração de bactérias que tem mostrado poder desintegrar alguns materiais plásticos de formas convenientes. Dentre elas, pode-se citar uma espécie de Nocardia que pode quebrar as ligações de éster do PET. Apesar das oportunidades apresentadas, as opções ainda se mostram caras, o que as torna incompatíveis com a indústria de plásticos atualmente. Entretanto, a longo prazo, quando espera-se que os valores aumentem naturalmente, essas opções podem apresentar grande relevância para a disponibilização e uso desse material na sociedade.

9. Polimerização radicalar com desativação reversível: não se trata de uma novidade, foi inventada há 20 anos e contribui para vários setores como o da construção, da biomedicina, de automóveis, dentre outros. A ideia desses métodos é controlar reações em cadeia de modo a permitir projetar polímeros com alta precisão.

O destaque dado a essa metodologia se deve ao enorme campo que ainda se tem para ser explorado, principalmente em aspectos que priorizem necessidades urgentes como as do meio ambiente. Assim, projetos nesse sentido têm desenvolvido processos que dispensem o uso de metais e que possam operar em fluxos contínuos, o que os coloca de acordo com a tendência de ampliar a química de fluxo na indústria.

10. Bioimpressão 3D: com o apoio da biologia foi possível a criação de órgãos do corpo que se assemelham às suas versões naturais. Isso demonstra a capacidade que a bioimpressão 3D tem de mudar a forma como diagnósticos e tratamentos são feitos, uma vez que esses órgãos artificiais podem ser usados para triagem de drogas e pesquisas toxicológicas.

Essa relevância medicinal e interdisciplinar, que une a química à biologia e à física, abre uma gama enorme de possibilidades de ganhos humanitários. Ganhos esses dos quais profissionais de química e de engenharia química são peças muito importantes hoje e também futuramente.

Finalização: o dia do engenheiro químico.

Nos últimos tempos, o desenvolvimento industrial, técnico e científico têm tido relevância muito significativa na economia de um país. Sob essa luz, é possível enxergar a importância de profissionais relacionados a essas áreas, não somente capacitados, mas cientes do poder de sua profissão em fazer a diferença na sociedade.

No âmbito da engenharia química, isso pode dizer que investir cada vez mais na formação de engenheiros químicos e priorizar a educação e a ciência são ações que contribuem muito para o fortalecimento do setor no país. E junto com isso, a mobilização e o apoio a esses profissionais com o objetivo de dar cada vez mais visibilidade ao trabalho por eles desempenhado é também de grande valor para a atração e formação de profissionais cada dia mais motivados e inspirados pela área.

20/09 - Feliz dia do engenheiro químico!
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Referências:

Degruyter Ten Chemical Innovations That Will Change Our World: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable
Agribusiness Vive Crop Protection, A&L Biologicals Collaborate on SDTC Project
UOL Mercedes se diz pronta para fazer ônibus movido a bateria de estado sólido
The National Academies of Science, Engineering, Medicine Exciting Discoveries Lie Ahead for Chemists and Chemical Engineers; Talented, Diverse Work Force and Public Outreach Needed to Achieve Goals
Prêmio Nobel All Nobel Prizes in Chemistry
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