Química e Engenharia Química juntas fizeram o mundo muito melhor – ABEQ

 

Química e Derivados - ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Olá, leitoras e leitores. Espero que vocês e suas famílias estejam conseguindo manter o distanciamento social e que não haja entre os seus nenhuma vítima fatal da Covid-19. No momento em que escrevo cerca de 30 mil pessoas se infectam por dia e mais de mil novas mortes são registradas a cada dia no Brasil. No entanto, parece que no Brasil e no mundo outros horrores têm ocupado a atenção das pessoas. O assassinato de George Floyd, em Minneapolis (EUA), e as mortes dos meninos João Pedro (nome do meu filho mais velho), de 14 anos, no Rio de Janeiro-RJ, e Miguel (nome do meu filho mais novo), de 5 anos, no Recife-PE, me estapearam, lembrando-me de que o ser humano é capaz do mal absoluto. Contudo, acho que as multidões depredando estátuas conseguiram me chocar tanto quanto aquelas mortes. A crescente incapacidade da humanidade de conviver com o dúbio e o contraditório assustam este pai de dois meninos. Monumentos deveriam servir também para nos lembrar do que não deve ser repetido. É por isso que organizações judaicas mantêm museus do Holocausto ao redor do mundo e, falando em estátuas, a patroa da mãe do Miguel merecia uma estátua para nos lembrar de que a indiferença também pode levar ao mal absoluto.

Assombrado com o horror contemporâneo, achei que eu deveria escrever sobre químicos e engenheiros químicos que, com o resultado de seus esforços, garantiram a nossa sobrevivência e uma vida melhor para todos nós. Se vocês ainda me acompanham neste texto, vamos conhecer ou lembrar as histórias da dupla de alemães que nos legou a amônia e da dupla de americanos que nos deu a penicilina. Minha principal referência aqui é a coluna Chemical Engineers Who Changed the World que Claudia Flavell-While manteve durante algum tempo, no site da revista The Chemical Engineer (publicação da IChemE, associação dos engenheiros químicos da Inglaterra), na qual explicou com detalhes essas e outras histórias.

[adrotate banner=”276″]

O processo Haber-Bosch

Se eu pudesse resumir em um nome ou expressão todo o valor que eu atribuo à engenharia química, a minha escolha seria “Haber-Bosch”. Este é o nome do processo industrial de produção de amônia. Não há dúvida de que se hoje somos mais de 7 bilhões por aí é porque o químico Fritz Haber descobriu a rota de como tirar o nitrogênio do ar e convertê-lo em amônia e o engenheiro químico Carl Bosch foi bem-sucedido no esforço de ampliar este processo até a escala industrial usada até hoje.

Fritz Haber, bem como Walther Nernst e Henry Le Chatelier, decidiu atacar o problema de fixar o nitrogênio atmosférico em uma molécula mais fácil de aproveitar – o gás nitrogênio N2 é muito estável e praticamente inerte. No início, ele tentou obter óxido nítrico, utilizando descargas elétricas, mas o rendimento era pífio. Em seguida, ele tentou utilizar altas temperaturas (~1000°C), mas ainda sem bons rendimentos. Le Chatelier sugeria que o uso de altas pressões favoreceria a conversão, mas o próprio Le Chatelier desistiu depois de uma explosão em seu laboratório. Fritz Haber retomou a ideia do uso de alta pressão e, em um ano, junto ao seu aluno Robert Le Rosignol, patenteou um processo que produzia 15% de amônia a 175 atm e 550°C, usando catalisador de urânio e ósmio. A patente foi concedida à Basf, que designou o seu engenheiro químico Carl Bosch para escalonar o processo. Bosch identificou os três obstáculos à tarefa: a disponibilidade estável e barata de hidrogênio e nitrogênio, a produção de catalisador estável e efetivo, e a fabricação de um reator seguro.

Esta história tem um detalhe que ensina uma lição aos tempos atuais. Bosch também passou anos buscando um meio de fixar nitrogênio. Quando soube que Haber o havia derrotado, ele disse à empresa sem se arrepender que deveria desenvolver imediatamente o design de seu rival. Haber recebeu o prêmio Nobel em 1918 por sintetizar a amônia. O prêmio Nobel de Bosch foi concedido em 1931 por desenvolver métodos químicos em alta pressão.

A rota de Haber propunha a obtenção de hidrogênio pela eletrólise da água, mas esta rota não era escalonável à época. O problema foi resolvido pela produção de gás de síntese (C + H2O ? CO + H2), purificado pelo resfriamento a -205°C (processo Linde-Frank-Caro). O segundo problema resolvido foi o catalisador. O ósmio era muito raro (é, na verdade, o elemento estável menos abundante na crosta terrestre) e o urânio, além de radioativo e caro, reage de modo explosivo com água e oxigênio. Algum tempo e 20 mil experimentos depois, Alwin Mittasch, assistente de Carl Bosch, desenvolveu o catalisador de óxido de ferro usado até hoje.

O terceiro desafio foi o desenvolvimento do reator, um vaso capaz de suportar alta pressão e alta temperatura. Durante os testes, Bosch e sua equipe ainda esbarraram em outro obstáculo – depois de alguns dias de funcionamento, o hidrogênio fragilizava o aço do reator. A solução foi o desenvolvimento de um reator de pressão encamisado, no qual se permitia o escape controlado do hidrogênio. O reator também era aquecido internamente, outra inovação. Bosch e sua equipe tiveram que desenvolver compressores e instrumentos de medição. Tudo para garantir a segurança da operação. Notem que todo esse desenvolvimento foi feito em menos de cinco anos: a patente de Haber é de 1908 e a planta partiu em 1913.

O processo Haber-Bosch não nos entregou só benefícios, pois de certa forma contribuiu para a continuidade da Segunda Guerra Mundial (1939-1945), já que permitiu à Alemanha a produção de hidrazina, usada como combustível dos mísseis que bombardeavam os territórios aliados. E é na guerra que as duas histórias se encontram, já que o desenvolvimento da penicilina foi acelerado pela necessidade de tratar os soldados feridos na guerra.

[adrotate banner=”276″]

Penicilina para o mundo

Todos associam a penicilina a Alexander Fleming que, em 1928, descobriu o potencial da penicilina para combater infecções. Howard Florey isolou a penicilina em 1939 e demonstrou a sua capacidade de matar bactérias infecciosas. No entanto, sem o químico Jasper Kane e o engenheiro químico John McKeen, ambos funcionários da Pfizer na primeira metade do século XX, a penicilina seria uma curiosidade de laboratório restrita a poucos sortudos e a revolução da Biotecnologia não seria como conhecemos.

O desenvolvimento inicial da produção industrial da penicilina foi feito no Reino Unido (Fleming era escocês e trabalhava em Londres). O microbiologista Fleming era alguém mais interessado em ciência do que no processo produtivo. O desenvolvimento do processo ao longo dos anos 30 do século XX foi feito nas companhias farmacêuticas britânicas Glaxo e Boots. A produção de químicos pela rota biológica era algo novo e o cultivo dos microrganismos era extremamente problemático. Para a penicilina, desenvolveu-se uma incubadora na qual muitas (muitas!) garrafas de leite eram chacoalhadas com alguns centímetros de nutriente no qual o Penicillium sp. (fungo filamentoso que excretava a penicilina) crescia na superfície. A fermentação em tanque era conhecida há séculos, usada nas cervejarias, mas o cultivo do Penicillium sp. requeria ar.

Do outro lado do Atlântico, nos EUA, a Pfizer tinha obtido algum sucesso na fermentação com injeção de ar para produção de ácido cítrico (note que há um erro conceitual no que acabei de escrever; a fermentação é, por definição, o crescimento de microrganismos na ausência de ar, mas comumente a palavra fermentação é usada como sinônimo de cultivo de microrganismos na ausência ou presença de ar). No início do século XX, o ácido cítrico ainda era produzido diretamente a partir de limões e limas por fermentação. Os EUA eram um grande mercado para o ácido cítrico, usado em uma ampla variedade de alimentos e refrigerantes, como as recém-lançadas e já populares Coca-Cola (1892) e Dr Pepper (1885). A maioria dos limões era importada da Itália, mas a Primeira Guerra Mundial tornou o suprimento imprevisível. A Pfizer – na época, uma pequena fornecedora de produtos químicos para alimentos – estava empenhada em reduzir ou substituir a necessidade de importar limões. Em 1919, a empresa contratou o químico James Currie, que descobriu que a fermentação de certas cepas do fungo Aspergillis niger com açúcar resultava em ácido cítrico. A ajuda inestimável para este projeto veio de seu assistente de laboratório Jasper Kane, de 16 anos.

Após vários anos de desenvolvimento, o processo já havia sido comprovado, mas como o Aspergillis niger é um fungo aeróbio, a empresa teve que usar a fermentação de superfície, que limitava a capacidade. Kane trabalhou com o bioquímico Alexander Finlay, da Pfizer, para adaptar o processo a tanques profundos, mas a aeração era um problema. Eventualmente, Kane e Finlay encontraram uma maneira de borbulhar o ar através da mistura enquanto a agitavam com um agitador elétrico. O processo foi um sucesso, a Pfizer se tornou um grande produtor de ácido cítrico e usou essa expertise de “fermentação” em tanques profundos para outros produtos, como ácido itacônico, ácido fumárico, ácido glucônico e vitaminas, a exemplo da riboflavina.

Então, às portas da 2ª Guera Mundial, Kane já era diretor de pesquisa e encarregou John McKeen, um engenheiro químico formado na mesma escola que ele (a Brooklyn Polytechnic), de montar uma planta piloto para produzir penicilina. McKeen começou usando fermentação superficial, mas logo encontrou dificuldades. A contaminação era um grande problema e lotes inteiros tiveram que ser descartados depois de serem transportados pela saltitante Ponte do Brooklyn. Igualmente frustrado com as limitações da fermentação de superfície, Kane sugeriu fermentação em tanque profundo. No entanto, a medida representava um enorme risco comercial para a Pfizer: a escassez de materiais durante a guerra significava que a empresa não poderia adquirir reatores extras com facilidade, e teria que usar os tanques já utilizados para produzir riboflavina e ácido cítrico, geradores de dinheiro estabelecidos e comprovados, em favor de uma ‘droga milagrosa’ não comprovada e difícil de produzir.

Eventualmente, o conselho de administração da Pfizer concordou e, no início de 1943, a companhia comprou uma antiga fábrica de gelo perto das instalações da Pfizer no Brooklyn para a fermentação de penicilina em tanque profundo. O trabalho de colocar o plano em prática coube a McKeen, superintendente de obras da Pfizer. Com a disponibilidade de equipamentos da fábrica restrita pelo esforço de guerra, McKeen vasculhou os estados vizinhos em busca de caldeiras, elevadores e outras peças de segunda mão, elaborou um plano e colocou os homens para trabalhar. Os funcionários trabalhavam dia e noite para cumprir o prazo de seis meses que a Pfizer havia imposto.

Semanas de sete dias e dias de 16 horas eram a norma, e os trabalhadores dormiam o que podiam, em camas improvisadas em salas laterais e laboratórios de pesquisa enquanto reconfiguravam os tanques de fermentação e transformavam a usina de gelo em uma fábrica de penicilina. O trabalho valeu a pena, e McKeen instalou a fábrica em quatro meses, em vez de seis. Quatorze tanques de 7.500 galões (28.400 litros) foram iniciados em 1º de março de 1943 e, em quatro meses, a Pfizer produziu cinco vezes mais penicilina do que o esperado inicialmente. Até o final do ano, a empresa havia produzido mais de 45 milhões de unidades de penicilina. Em 6 de junho de 1944, o Dia D, todos os soldados aliados estavam carregando uma dose do antibiótico, 90% do qual foi produzido pela Pfizer.

Importante também ressaltar que entre todo o grupo que tornou a produção industrial da penicilina uma realidade e impulsionou a revolução da biotecnologia, destaca-se a figura da engenheira química e projetista Margaret Hutchinson Rousseau. Margaret foi a primeira mulher a fazer um doutorado em engenharia química no MIT (Massachusetts Institute of Technology) e, trabalhando na caldeiraria E. B. Badger & Sons, projetou a primeira planta comercial de penicilina. Aliás, Ms. Rousseau merecia um texto só dela, pois também trabalhou no desenvolvimento de gasolina de alta octanagem para combustível de aviação, aprimorou o projeto da coluna de destilação para a produção de etilenoglicol e ácido acético glacial, e se tornou administradora da Orquestra Sinfônica de Boston, depois de se aposentar em 1961.

Química e Derivados -

ABEQ

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico
André Bernardo é Engenheiro Químico

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma sociedade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. Nossos associados economizam até 35% com cursos, seminários e congressos realizados pela ABEQ e por instituições parceiras.

Participe do 23º COBEQ. O Congresso Brasileiro de Engenharia Química (COBEQ) é o maior e mais relevante evento de Engenharia Química no país, realizado a cada dois anos pela ABEQ. Historicamente, reúnem-se mais de mil profissionais da academia e da indústria em todas as áreas da Engenharia Química, onde temáticas relacionadas à pesquisa, inovação e aplicação da Engenharia Química são apresentadas e discutidas. Integrado ao COBEQ, o Encontro Brasileiro sobre Ensino de Engenharia Química (ENBEQ) é um evento tradicional da área de ensino de Engenharia Química no Brasil. O COBEQ será realizado em Gramado, de 2 a 6 de maio de 2021 (http://cobeq.org.br/). n

Referências

Charles C. Mann, The Wizard and the Prophet: Two Remarkable Scientists and Their Dueling Visions to Shape Tomorrow’s World, Knopf Doubleday Publishing Group, 2018.

Claudia Flavell-While, Fritz Haber and Carl Bosch – Feed the World, publicado em março de 2010, disponível em: https://www.thechemicalengineer.com/features/cewctw-fritz-haber-and-carl-bosch-feed-the-world/

Claudia Flavell-While, Pfizer’s Penicillin Pioneers – Jasper Kane and John McKeen, publicado em fevereiro de 2010, disponível em: https://www.thechemicalengineer.com/features/cewctw-pfizers-penicillin-pioneers-jasper-kane-and-john-mckeen/

https://en.wikipedia.org/wiki/Margaret_Hutchinson_Rousseau

Texto: André Bernardo

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. E-mail de contato: [email protected]

[adrotate banner=”276″]

Leia Mais:

Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado.