ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica (AP-3)
PROFESSOR : Claudio Alberto Torres Suazo
TÍTULO DO TEMA: Otimização de bioprocesso de produção de anticorpo monoclonal anti-GITR através de cultivo de hibridoma em biorreator3
RESUMO:
O câncer é uma das doenças letais que mais afligem o ser humano na atualidade. As atuais terapias para tratamento desse mal apresentam índices de cura muito baixos. Na última década, estudos demonstraram que o sistema imune controla o desenvolvimento de câncer através de diferentes fatores que modulam a resposta imunológica no processo da neoplasia. Um dos fatores descobertos como sendo responsável pela modulação da resposta imune do organismo humano é o GITR (glucocorticoid-induced tumor necrosis factor receptor), uma biomolécula presente no organismo humano. A ação do GITR pode ser controlada através do bloqueio com o anticorpo monoclonal anti-GITR, biomolécula complexa que pode ser produzida através de Tecnologia de Cultivo de Celulas Animais pelo hibridoma conhecido como DTA-1. O objetivo deste trabalho é identificar condições ótimas de um processo de cultivo do DTA-1 em biorreator, assim como de um processo de separação e purificação de anti-GITR, visando a obtenção eficiente e econômica de quantidades em larga escala desse anticorpo monoclonal. Para tal fim, o anticorpo anti-GITR será produzido cultivando o hibridoma DTA-1 num biorreator de 500 mL do tipo “spinner” utilizando o meio de cultura basal com 7,5 % de soro fetal bovino em incubadora controlada com pH =7,2 e 37ºC. A modificação da composição do meio de cultura e a forma de operação do biorreator serão objeto de estudo visando a produção otimizada do anti-GITR. Também será estudado o processo de separação e purificação do anticorpo monoclonal para poder definir uma metodologia de alto rendimento e de baixo custo que possibilite a obtenção de anti-GITR. Como legado final deste estudo espera-se um processo tecnicamente viável de produção em larga escala de anti-GITR.
PROFESSOR: Ernesto A. Urquieta-González
TÍTULO: Peneiras Moleculares Aplicadas à Síntese Orgânica
RESUMO:
A necessidade cada vez mais premente de substituir processos catalíticos homogêneos altamente contaminantes, tem levado à busca por processos com os quais se minimize o uso de catalisadores baseados em ácidos ou bases fortes, os quais geram efluentes de difícil manuseio, envolvem altos custos no seu tratamento e possuem alto grau de corrosividade de reatores e equipamentos. Na síntese orgânica, como no caso de intermediários da indústria
farmacêutica ou intermediários da indústria de química fina, são usados ácidos minerais fortes (por exemplo H2SO4), os que podem ser substituídos por sólidos ácidos, gerando, consequentemente, processos catalíticos heterogêneos, onde o catalisador não se mistura aos produtos formados, assim minimizando o impacto ambiental e reduzindo fortemente os custos de manutenção e de separação de produtos após o processo reacional. Com esse objetivo, durante o desenvolvimento da dissertação de mestrado, serão estudados e aplicados aos processos mencionados catalisadores ácidos como zeólitas, sólidos mesoporosos ordenados. Na avaliação dos catalisadores será utilizada linha de testes a ser montada no Laboratório de Catálise do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. A pesquisa faz parte de projeto CEPID financiado pela FAPESP. O trabalho poderá ser continuado em nível de doutorado.
PALAVRAS-CHAVE: catálise heterogênea, síntese orgânica, intermediários químicos, peneiras moleculares
PROFESSOR: Ernesto A. Urquieta-González
TÍTULO: Desenvolvimento de Catalisadores para Aplicação em Processos de Refino de Petróleo e Controle Ambiental
RESUMO: O desenvolvimento de catalisadores altamente ativos e seletivos é estratégico no contexto da Indústria de Refino de Petróleo e se relaciona com a necessidade de menores custos de produção, qualidade dos produtos e atendimento às rigorosas exigências para a preservação do meio ambiente e sustentabilidade. Nesse contexto, as linhas relacionadas ao Grupo de Pesquisa sob minha responsabilidade são dirigidas ao estudo de:
- catalisadores ácidos baseados em peneiras moleculares microporosas (zeólitas) ou hierarquicamente estruturadas para aplicação em processo de craqueamento de hidrocarbonetos.
- catalisadores à base óxidos de molibdênio ou tungstênio suportados e contedo óxidos de Ni ou Co para aplicação no processo de hidrodessulfirização ou oxidessulfurização de hidrocarbonetos.
- Catalisadores à base de óxidos de metais de transição e/ou metais nobres aplicados ao abatimento de óxidos de nitrogênio ou monóxido de carbono em emissões industriais.
Nos estudos, se realiza o controle das propriedades físico-químicas dos catalisadores mais adequadas à aplicação nos processos mencionados, compreendendo o uso de difração de raios-X, ressonância magnética nuclear, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, análises termogravimétricas, redução com hidrogênio a temperatura programada, espectroscopia no infravermelho, entre outras. A avaliação dos catalisadores é realizada utilizando unidades de reação especialmente montadas no Laboratório de Reatores e Catálise do Departamento de Engenharia Química. No contexto acima, a pesquisa em nível de mestrado, poderá ser continuada em nível avançado de doutorado.
PALAVRAS-CHAVE: catálise heterogênea, craqueamento, hidrodessulfurização, oxidessulfurização, abatimento de NOx e CO
PROFESSOR: João Batista Oliveira dos Santos
TÍTULO: Desenvolvimento do processo de gaseificação de biomassa para geração de gás de síntese.
RESUMO:
A gaseificação de biomassa é uma tecnologia bastante promissora para a produção de gás de síntese (CO e H2). Entretanto, o efluente do gaseificador contém: i) gases: H2, CO, N2, H2O, CO2, CH4 e pequenas quantidades de NH3 e H2S; ii) cinzas; e iii) alcatrão: mistura contendo compostos orgânicos fenólicos e aromáticos de alto peso molecular. O alcatrão é considerado como um contaminante do gás de síntese e sua presença é altamente indesejada, pois pode obstruir as tubulações, trocadores de calor, filtros e outros equipamentos do processo. Além disso, pode promover a rápida desativação dos catalisadores devido à formação de coque, reduzindo a eficiência e aumentando os custos do processo. A remoção do alcatrão é considerada uma das maiores barreiras técnicas para o desenvolvimento do processo de gaseificação de biomassa. Por esta razão, um enorme esforço vem sendo feito para minimizar ou eliminar o alcatrão no processo de gaseificação e uma tecnologia para a eliminação do alcatrão é o processo de decomposição catalítica. A principal desvantagem da decomposição catalítica do alcatrão é a desativação do catalisador devido à formação de coque. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é desenvolver um processo de gaseificação com alto rendimento para formação do gás de síntese, combinando reforma catalítica e craqueamento do alcatrão. O processo de gaseificação será realizado em leito fixo e fluidizado utilizando bagaço de cana de açúcar. A reforma catalítica ou craqueamento do alcatrão consistirá no estudo de compostos modelos do alcatrão utilizando catalisadores de Ni suportado em diferentes óxidos. Os catalisadores serão preparados por impregnação e caracterizados por difração de raios-x, microscopia eletrônica de transmissão, redução a temperatura programada, análise termogravimétrica e adsorção de nitrogênio. O desenvolvimento de um catalisador eficaz e estável é essencial para a implementação de um processo de gaseificação.
PROFESSOR: José Maria Correa Bueno
TÍTULO: A transformação direta de alcoois em solventes através da rota de desidrogenação
RESUMO: Na obtenção de acetato de etila a partir do etanol em atmosfera inerte, realizamos um trabalho pioneiro mostrando que em catalisadores de cobre suportados em óxido de zircônio a reação pode acontecer na interface entre o metal e o suporte, além de a seletividade para acetato de etila ser fortemente afetada pela razão entre espécies de Cu(0) e Cu(I) na superfície da nanopartícula do metal (A.G. Sato et al./J. Catal. 307 (2013) 1–17). Existe o interesse de desenvolver novos catalisadores mais ativos e consequentemente condições de temperatura e pressão mais brandas. As propriedade catalíticas dos catalisadores a base de Cu não é suficientemente compreendida a nível molecular. O foco nesse projeto é determinação de parâmetros estruturais de nanoparticulas de Cu com substituição parcial de outros metais de transição e correlação destas propriedades com a atividade catalítica, visando:
- Desenvolvimentos de novos catalisadores bi- ou multifuncionais para reações de transformação direta do etanol em produtos de interesse para a indústria química;
- Desenvolver um maior conhecimento sobre a química de superfície dos catalisadores através de caracterizações in situ e ex situ. Dessa forma, poderemos identificar em nível atômico os sítios de superfície ativos e seletivos para cada reação, o que nos possibilitará, dentre outras coisas, entender mais detalhadamente o mecanismo de reação orgânica na superfície do catalisador inorgânico;
- Avaliação dos catalisadores em reatores de fluxo contínuo, o que nos trará informações sobre aspectos cinéticos e termodinâmicos da reação em questão. De forma mais aplicada, obteremos informações sobre a viabilidade da reação para produção comercial.
PROFESSOR: José Maria Correa Bueno
TÍTULO: Catalisadores bifuncionais ácido de Brøsted e ácido de Lewis com alta estabilidade hidrotérmica para desidratação da biomassa em furanos
RESUMO:
Visando diminuir a dependência do petróleo por parte da sociedade, observa-se um grande aumento do interesse científico pela busca de fontes renováveis de carbono e energia, além do desenvolvimento de uma química sustentável. A biomassa lignocelulósica, principalmente a sua fração sacarídea, aparece como a fonte renovável de carbono mais atrativa devido a sua vasta disponibilidade. A conversão química da glicose e da xilose, os principais componentes da biomassa, por catálise ácida leva a formação do 5-hidroximetilfurfural e do furfural. Esses furanos são importantes intermediários na biorrefinaria para a produção de combustíveis, solventes e polímeros.
Os principais catalisadores para a conversão de glicose e xilose são a base de aluminosilicatos ou sílicas sulfatadas, que apresentam dois problemas principais: (i) seletividade limitada para os furanos; e (ii) baixa estabilidade hidrotérmica, que é especialmente importante, uma vez que a presença de água é inevitável nesses processos.
Trabalhos recentes mostraram que a combinação de ácidos de Brønsted e ácidos de Lewis aumentam consideravelmente a eficiência das reações de conversão de glicose e xilose nos furanos correspondentes. Dessa forma, neste projeto, serão desenvolvidos novos catalisadores heterogêneos bifuncionais contendo grupos ácidos de Brønsted e ácido de Lewis com alta estabilidade hidrotérmica e alto desempenho na síntese do furanos a partir de glicose e xilose.
Dessa forma, serão propostas as sínteses de duas famílias de catalisadores bifuncionais: os fosfatos de metais e os óxidos metálicos fosfatados. Esses catalisadores tem natureza bifuncional, apresentando sítios ácidos de Brønsted e de Lewis (ou multifuncional, quando preparados com V, Ce, e Fe, apresentando também atividade redox). Em geral, os fosfatos de metais são preparados pela reação de um sal solúvel do metal com ácido fosfórico em alta concentração (70-85 % em água) ou fosfato de amônio monobásico (NH4H2PO4). Já os óxidos metálicos fosfatados são preparados pelo tratamento do óxido metálico em solução aquosa diluída de ácido fosfórico (1 mol L-1, por exemplo).
Essas duas classes de catalisadores foram pouco exploradas na síntese do de furanos a partir de glicose e xilose. Dessa forma, propõe-se nesse projeto, um estudo sistemático da atividade e da estabilidade de diversos fosfatos de metais e óxidos metálicos fosfatados (como vanádio, lantânio, cério, alumínio, nióbio, zircônio, titânio, cálcio e estrôncio) para a conversão de açúcares derivados da biomass.
PROFESSOR: Luís A. M. Ruotolo
TÍTULO: Degradação Fotocatalítica de Compostos Orgânicos Poluentes com Produção Simultânea de Hidrogênio
RESUMO:
A degradação de compostos orgânicos recalcitrantes ao tratamento biológico é um desafio que se coloca atualmente. Neste projeto será estudada a tecnologia fotoeletroquímica para a degradação de compostos orgânicos com a geração simultânea de hidrogênio, cuja produção como sub-produto do processo é interessante pois pode torná-lo economicamente mais atraente.
Neste projeto propõe-se estudar a síntese e caracterização de nanotubos de titânio (NTi) para a obtenção de fotocatalisadores. Neste processo, a reação anódica será utilizada para a degradação de um composto orgânico poluente enquanto a reação catódica será utilizada para a produção de hidrogênio. Serão feitas tentativas de se dopar os NTi com nitrogênio com a finalidade de se obter atividade fotoeletrocatalítica na região de radiação visível. Os NTi serão sintetizados eletroquimicamente sobre a superfície de uma placa de titânio e os eletrodos serão caracterizados por diferentes técnicas.
A atividade fotocatalítica será avaliada através da oxidação de um composto-padrão (um corante ou fenol). Ao final destes experimentos pretende-se correlacionar as características estruturais e morfológicas dos materiais sintetizados com suas respectivas atividades fotocatalíticas.
Uma vez determinado o material com melhor atividade este será utilizado em um reator fotocatalítico de fluxo com a finalidade de se avaliar o efeito do transporte de massa sobre a eficiência de degradação de uma molécula orgânica modelo. A etapa final consistirá em se aplicar o reator, já nas condições otimizadas, para a degradação de um resíduo real. Maiores informações sobre a linha de pesquisa podem ser obtidas no site do Laboratório de Tecnologias Ambientais: http://www.latea.deq.ufscar.br/
PROFESSOR: Paulo Waldir Tardioli
TÍTULO: Engenharia de biocatalisadores aplicada à produção de compósitos de lipases e micropartículas magnéticas para aplicação em reações de hidrólise de óleos vegetais não refinados
RESUMO: A produção enzimática de biodiesel por hidroesterificação (hidrólise e esterificação sequenciais) é uma alternativa ao processo convencional de produção de biodiesel por transesterificação alcalina em meio homogêneo. Na primeira etapa (hidrólise), óleos ou gorduras são hidrolisados em fase aquosa livre de sais, seguida da separação das fases aquosa e orgânica, obtendo-se glicerol de alta pureza e ácidos graxos livres. Na segunda etapa (esterificação), os ácidos graxos liberados são esterificados com um álcool de cadeia curta (metanol ou etanol), obtendo-se biodiesel (mistura de ésteres alquílicos de ácidos graxos). Esse processo permite o processamento de óleos e gorduras com alta acidez livre, contribuindo para a redução de custos com a matéria-prima. Entretanto, a maior limitação da implantação industrial de produção enzimática de biodiesel é o custo do catalisador. Um catalisador robusto que seja estável térmica e mecanicamente no processo, de fácil recuperação e passível de reutilização em vários ciclos reacionais poderia tornar atraente sua utilização em escala industrial. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é a preparação de um catalisador robusto para aplicação na hidrólise heterogênea de óleos vegetais ácidos. Inicialmente, será avaliada a imobilização de uma enzima (lipase) comercial pela técnica de agregação/reticulação com micropartículas magnéticas de sílica com o objetivo de se produzir um biocatalisador insolúvel, mecanicamente estável e de fácil recuperação. Na sequência, serão avaliadas técnicas pós-imobilização (e.g., glicosilação, hidroxilação e pegilação) visando aumentar a estabilidade operacional da enzima. Essas técnicas envolvem a modificação da superfície da enzima imobilizada com mono/bicamadas de carboidratos e/ou polietileno glicol, as quais podem conferir maior rigidez à molécula de enzima imobilizada, e, portanto, aumentar a sua estabilidade operacional. Finalmente, o biocatalisador mais estável operacionalmente será avaliado na reação de hidrólise de óleo de soja degomado em reator batelada em escala de bancada visando à obtenção de parâmetros para o aumento de escala do processo.
PALAVRAS-CHAVE: lipase; imobilização; micropartículas magnéticas; modificação da superfície da enzima; hidrólise de óleos.
Zangirolami
TÍTULO DO TEMA: Obtenção e caracterização de levedura recombinante com elevada tolerância a etanol por Engenharia Evolutiva
RESUMO
A fermentação alcoólica da glicose é processo consolidado, havendo linhagens da levedura Saccharomyces cerevisiae adaptadas ao ambiente industrial, robustas e aptas a suplantar a competição com microrganismos contaminantes. Entretanto, a fermentação das pentoses (fundamentalmente xilose) continua sendo um grande desafio industrial. O aproveitamento da fração hemicelulósica da biomassa é importante para viabilizar economicamente a produção industrial de bioetanol. S. cerevisiae selvagem não metaboliza xilose, mas estão disponíveis leveduras recombinantes que capazes de assimilar eficientemente esse açúcar. No entanto, as leveduras recombinantes são menos robustas que as industriais, apresentando menor tolerância ao etanol e aos inibidores normalmente presentes em hdirolisados de hemicelulose. O objetivo desta proposta é usar técnicas de Evolução Adaptativa para adaptar a levedura recombinante a meios de cultivo contendo hidrolisado de hemicelulose e concentrações de etanol superiores a 70 g/L. Os experimentos de Evolução Adaptativa serão realizados em condições fermentativas em falcons dotados de saída para o CO2. A metodologia de transferências sucessivas para meios gradualmente enriquecidos com etanol será empregada, com no mínimo 100 gerações em cada estágio da adaptação. A linhagem recombinante original e a linhagem evoluída serão caracterizadas em experimentos em biorreator tipo tanque agitado (operação em batelada) e em biorreator de leito fixo (operação contínua), com hidrolisados de hemicelulose concentrados. Os experimentos de evolução adaptativa serão acompanhados pela perda de massa associada à liberação de CO2. Ao final dos ensaios em falcon e ao longo dos experimentos em biorreator tipo tanque agitado, amostras serão coletadas para determinação da concentração de açúcares, etanol e xilitol (por cromatografia líquida de alta eficiência). O crescimento celular será acompanhado por medidas da concentração celular (método gravimétrico e leitura da densidade ótica). A viabilidade celular será realizada por contagem de células coradas por azul de metileno. O reator tanque agitado e o reator de leito fixo serão monitorados via sistema de supervisão e controle, com aquisição da fração molar de CO2 produzido. A biomassa obtida nos cultivos com a levedura evoluída será encaminhada para sequenciamento e análise do genoma (serviço a ser contratado).
PALAVRAS-CHAVE: Saccharomyces cerevisiae, hemicelulose, Evolução Adaptativa, etanol 2G.
Profa. Dra. Teresa Cristina Zangirolami
TÍTULO DO TEMA: Análise técnico-econômica da E. coli como fábrica celular para produção de biomoléculas a partir de resíduos da biorrefinaria
RESUMO
Produtos de valor agregado tais como aminoácidos, ácidos orgânicos e outras especialidades obtidas por processos fermentativos movimentam um mercado global estimado em US$ 22 bilhões. Dentre eles, o ácido aspártico (37,4 mil ton, 2013) e o ácido 3-hidroxipropiônico (demanda estimada em 2015: 20 mil ton) são destacados como potenciais coprodutos em biorrefinarias. O L-aspartato é usado na produção de aspartame e de ácido poliaspártico. Como bloco construtor, pode ser convertido em diversas classes de moléculas como anidrido aspártico, 3-aminotetrahidrofurano, 2-amino-1,4-butanodiol, amino-diácidos substituídos e intermediários farmacêuticos. O ácido 3-hidroxipropiônico (3-HP) é outro bloco construtor promissor no contexto de biorrefinarias, precursor de uma variedade de compostos como ácido acrílico, 1,3-propanodiol, acrilato de metila, propiolactona, ácido malônico, acrilamida e hidroxiamidas. Nesta proposta, o potencial de Escherichia coli como plataforma para obtenção de ácido aspártico e 3-HP, com concomitante consumo de resíduos da biorrefinaria (a fração hemicelulósica do bagaço de cana-de-açúcar e glicerol não refinado). Ferramentas computacionais serão utilizadas para, por meio da Biologia de Sistemas, obter novos alvos no metabolismo da E. coli. Partindo do modelo metabólico em escala genômica, o metabolismo da bactéria será explorado in silico utilizando o software Optflux para identificar alvos para modificação genética, aumentando a produtividade em ácido aspártico e 3-HP. Modificações para cada bioproduto alvo serão incorporadas ao modelo metabólico, prevendo-se a produtividade da fábrica microbiana e os rendimentos para cada fonte de carbono principal (xilose e glicerol). Em seguida, a “biorrefinaria virtual da produção de 3-HP e de aspartato” será implementada na plataforma EMSO, incluindo a modelagem das etapas de preparação da matéria-prima, de reação e de purificação dos produtos. Os rendimentos obtidos via simulação dos modelos metabólicos modificados serão utilizados como variáveis de entrada para a simulação da planta de obtenção 3-HP ou aspartato, permitindo a solução dos balanços de massa e energia, estimativa do custo e a análise da viabilidade econômica para produto em função dos diferentes resíduos empregados como cada fonte de carbono.
PALAVRAS-CHAVE: Biologia de Sistemas, Engenharia de Bioprocessos e Sistemas ácido 3-hidroxipropiônico, aspartato, E. coli.
