Tecnologia patenteada na USP usa microrganismos para tratar águas residuárias e gerar eletricidade

Sistema bioeletroquímico modular desenvolvido no LabSanTec, da EACH/USP, transforma o tratamento de efluentes em uma oportunidade de recuperar energia e recursos, aproximando o saneamento da sustentabilidade, da economia circular e da transição energética.

Uma tecnologia desenvolvida no Laboratório de Saneamento e Tecnologias Ambientais (LabSanTec), da Escola de Artes, Ciências e Humanidades da Universidade de São Paulo (EACH/USP), utiliza a atividade natural de microrganismos para remover compostos presentes em águas residuárias e, simultaneamente, gerar corrente elétrica. A invenção, protegida pela patente concedida pelo Instituto Nacional de Proteção Intelectual (INPI), tem como inventores Vitor Cano, Marcelo Antunes Nolasco e Julio Cano.

Do resíduo ao recurso

Esgotos domésticos e determinados efluentes industriais carregam substâncias orgânicas e inorgânicas que precisam ser removidas antes que a água possa retornar ao ambiente ou ser destinada a novos usos. Embora normalmente sejam tratadas apenas como poluentes, parte dessas substâncias também armazena energia química. É essa energia que os sistemas bioeletroquímicos procuram aproveitar.

Nos processos convencionais, o tratamento pode exigir quantidades expressivas de eletricidade, sobretudo para fornecer oxigênio aos microrganismos que degradam a matéria orgânica. Algumas rotas também geram lodo que precisa ser tratado e destinado adequadamente. A tecnologia patenteada propõe outra lógica: além de remover contaminantes, o próprio metabolismo microbiano passa a integrar um processo de recuperação energética.

A água residuária deixa de ser vista apenas como um passivo ambiental e passa a ser reconhecida como fonte potencial de energia e matérias-primas.

Uma espécie de bateria viva

O princípio se aproxima do funcionamento de uma bateria, mas incorpora um componente biológico. O sistema contém dois ambientes associados a eletrodos chamados ânodo e cátodo. No ânodo, comunidades de bactérias crescem sobre um material condutor e formam um biofilme. Ao consumir compostos presentes na água residuária, esses microrganismos promovem reações que liberam elétrons.

Os elétrons são transferidos ao eletrodo e percorrem um circuito externo em direção ao cátodo. Esse fluxo produz corrente elétrica. Ao mesmo tempo, íons atravessam o separador existente entre os dois compartimentos e mantêm o equilíbrio necessário à continuidade das reações químicas e biológicas. No cátodo, podem participar substâncias como oxigênio ou compostos contendo nitrogênio, conforme a configuração adotada.

O resultado é uma ponte entre atividades que, em geral, são tratadas separadamente: o controle da poluição da água e a recuperação de energia. A potência obtida depende da composição do efluente, dos materiais utilizados e das condições de operação; por isso, o ganho energético deve ser avaliado juntamente com a eficiência de tratamento.

Modularidade para enfrentar o desafio da escala

As células a combustível microbianas, conhecidas pela sigla CCM, são investigadas há décadas. Um dos maiores obstáculos para sua aplicação prática é o aumento de escala. Um pequeno reator pode apresentar bom desempenho em laboratório, mas ampliar apenas as suas dimensões tende a aumentar a resistência elétrica e a criar limitações na transferência de matéria, na distribuição dos microrganismos e no aproveitamento dos eletrodos.

A solução desenvolvida na EACH-USP enfrenta esse problema com uma arquitetura compacta, modular e empilhável. Em vez de depender de um único reator de grande porte, o sistema pode reunir diversas unidades menores, conectadas física e eletricamente. A lógica se assemelha à montagem de um conjunto de baterias, no qual diferentes módulos trabalham de forma coordenada para atingir maior capacidade.

Outro diferencial está nos eletrodos tridimensionais, que podem empregar materiais granulares condutores. Essa configuração amplia a área disponível para a formação do biofilme e permite que mais microrganismos participem das reações de transferência de elétrons. O desenho também busca reduzir volumes internos pouco ativos e aproveitar melhor o espaço do reator.

Como águas residuárias têm composições muito diferentes, os módulos podem ainda ser organizados em sequência. Uma primeira unidade pode consumir determinados compostos, enquanto as seguintes atuam sobre substâncias remanescentes ou formadas na etapa anterior. Assim, comunidades microbianas e condições eletroquímicas distintas podem ser combinadas de acordo com o efluente e com o objetivo do tratamento.

Economia circular aplicada ao saneamento

A invenção se insere nos esforços voltados à sustentabilidade e à transição de um modelo linear – baseado em usar, descartar e tratar – para sistemas circulares, nos quais resíduos retornam aos processos produtivos como recursos. No saneamento, essa mudança significa imaginar estações que não apenas removam poluentes, mas também recuperem energia, água, nutrientes e outros produtos de interesse.

A modularidade é especialmente relevante nesse contexto porque permite adaptar a plataforma a diferentes vazões e características locais. Entre as possibilidades a serem investigadas estão efluentes industriais com elevada carga orgânica biodegradável, unidades descentralizadas e instalações interessadas em associar tratamento ambiental à recuperação de recursos. A viabilidade de cada aplicação dependerá de testes específicos e de análise técnica e econômica.

Contribuição para a transição energética

A geração de eletricidade a partir de águas residuárias não pretende substituir fontes renováveis como a solar e a eólica. Sua contribuição potencial está em recuperar uma parcela da energia já contida nos resíduos e fazê-lo no próprio local em que o tratamento é necessário. Isso pode ajudar a reduzir a demanda externa de energia e as emissões associadas ao saneamento, sobretudo quando a tecnologia é integrada a outras soluções de eficiência e baixo carbono.

A plataforma também abre uma agenda mais ampla para a biotecnologia ambiental. Dependendo da configuração e de novos desenvolvimentos, sistemas bioeletroquímicos podem ser direcionados à produção de hidrogênio ou à conversão de dióxido de carbono (CO₂) em outros compostos. Essas possibilidades exigem arranjos e validações próprios, mas demonstram como a interação entre microrganismos e eletrodos pode apoiar diferentes rotas de recuperação de recursos e de transição energética.

Da patente à aplicação

A concessão da patente representa um marco de proteção intelectual e reconhece a originalidade da solução. Ela não encerra, contudo, o percurso de inovação. Para alcançar aplicações industriais, a tecnologia ainda precisa avançar em testes com efluentes reais, operação contínua, estabilidade do biofilme, durabilidade dos materiais, desempenho elétrico, custos, segurança operacional e avaliação ambiental do ciclo de vida.

A arquitetura modular foi concebida justamente para facilitar esse desenvolvimento gradual. Unidades podem ser testadas, combinadas e ajustadas antes de expansões maiores, criando uma trajetória de ganho de escala potencialmente mais controlável do que a simples construção de um reator de grandes dimensões. Essa característica também favorece parcerias para validação em ambiente relevante e para o amadurecimento da tecnologia.

Ao aproximar microbiologia, engenharia ambiental e eletroquímica, a pesquisa mostra como a inovação tecnológica pode mudar a maneira de compreender o saneamento. A água residuária continua exigindo tratamento rigoroso para proteger a saúde e o ambiente, mas deixa de ser percebida apenas como descarte: torna-se também um reservatório de energia e recursos que a ciência pode ajudar a recuperar.

Pesquisa e apoio

A pesquisa que deu origem à patente foi desenvolvida no Laboratório de Saneamento e Tecnologias Ambientais (LabSanTec), da EACH-USP, no contexto das atividades de pesquisa e formação do Programa de Pós-Graduação em Sustentabilidade da EACH-USP, com apoio de projetos financiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

*Com informações de Marcelo Antunes Nolasco e Vitor Cano.