TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
PROFESSOR: Alberto Colli Badino Junior
TÍTULO: Integração dos processos de fermentação alcoólica extrativa em biorreatores pneumáticos com reciclo de dióxido de carbono e recuperação de etanol em coluna de adsorção
RESUMO:
O baixo teor de etanol alcançado no vinho é a principal limitação do processo de fermentação alcoólica nas destilarias. O etanol se acumula do caldo fermentativo e atinge níveis tóxicos, agindo como inibidor não competitivo do próprio metabolismo. Uma das formas de contornar este problema é a aplicação da técnica de esgotamento com gases para a remoção do etanol durante a fermentação. Neste trabalho, a integração dos processos de fermentação extrativa com reciclo CO2 e recuperação em coluna de adsorção é proposta como forma de reduzir a inibição do produto e aumentar a produtividade e produção globais de etanol no processo. Preliminarmente, os processos de esgotamento e recuperação de etanol serão estudados utilizando soluções hidroalcoólicas. Serão avaliados os efeitos da temperatura da solução (T), vazão específica de CO2 () e concentração inicial de etanol (CE0) no desempenho do processo de esgotamento utilizando diferentes geometrias de reatores pneumáticos de circulação, a saber, reatores airlift de cilindros concêntricos e tipo split. Na etapa de recuperação de etanol arrastado por CO2 serão avaliados os tipos de adsorventes e os efeitos das condições de operação. Fermentações convencionais, extrativas não integradas e extrativas integradas serão realizadas em reatores de 2 L nos modos de operação em batelada, batelada alimentada e contínuo. Os resultados serão avaliados em termos da produtividade em etanol.
PALAVRAS-CHAVE: etanol 1G, processo integrado, fermentação extrativa, CO2, adsorção.
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica PROFESSOR: Cláudio Alberto Torres Suazo
TÍTULO: Produção de células-tronco mesenquimais (CTMs) em larga escala em biorreator de vórtices de Taylor
RESUMO:
As células tronco mesenquimais (ou CTM) podem ser isoladas em pequeníssimas quantidades de vários órgãos de adultos, apresentando capacidade de autorrenovação e diferenciação em múltiplos tipos de células órgão-específicas. Cultivo, expansão e utilização de CTM é uma temática que vem sendo intensamente pesquisada por grupos na área de Engenharia de Bioprocessos no mundo inteiro. Esse fato se explica porque a utilização pela Medicina em aplicações revolucionárias sem precedentes passa pelo desenvolvimento de equipamentos e de tecnologias que fazem parte do escopo da Engenharia Química moderna como Biotecnologia, Novos Materiais, Biorreatores e Monitoramento e Controle de Processos. Já existem no Brasil, especificamente na região de São Carlos e Ribeirão Preto, centros desenvolvendo tecnologias pioneiras através de parcerias Medicina/Engenharia Química visando, tanto o desenvolvimento de tecnologias inovadoras, como a formação de recursos humanos (engenheiros químicos) altamente especializados ainda não existentes no país e para os quais já existe uma ampla demanda. Esta proposta de pesquisa tem como objetivo estabelecer uma metodologia de cultivo num biorreator inovador em aplicações biotecnológicas. Trata-se do Biorreator de Vórtices de Taylor ou BVT, cujo princípio tecnológico se baseia numa patente da Agência Espacial Norteamericana (NASA) para estudos de comportamento de células animais (humanas) na ausência de gravidade. Uma versão diferente, concebida sem a preocupação de efeitos da gravidade e com design apropriado para oxigenação livre de bolha e de baixo cisalhamento, foi patenteada por nosso grupo de pesquisa no DEQ/UFSCar (vide US20110117639 A1). Testes já realizados em nossos laboratórios mostram que é possível com o BVT conseguir a expansão intensificada in vitro de células tronco mesenquimais (CTMs) em forma de esferoides, tipo de cultivo que mimetiza melhor o comportamento em 3D (in vivo) e garante o melhor efeito terapêutico das CTMs. Como um dos grandes problemas em termos de cultivo de células animais é o fornecimento de oxigênio com baixo cisalhamento, serão feitos vários experimentos para avaliar o desempenho desse biorreator em condições rigorosamente monitoradas e controladas. Os resultados de cada experimento em termos de densidade celular, células viáveis e nãoviáveis, concentração de nutrientes e metabólitos produzidos serão utilizados para o cálculo de variáveis e parâmetros de cultivo como: velocidade específica de crescimento, velocidades específicas de consumo de nutrientes (glicose e aminoácidos), velocidades específicas de produção de metabólitos (lactato e amônia), densidade máxima de células e produtividade celular do cultivo. A utilização desses dados, juntamente com os de análise morfológica, de atividade e diferenciação celular (troncocidade), permitirá fazer uma seleção criteriosa de condições ótimas para operação do BVT. Estas informações serão de crucial importância para a operação prática, real, desse biorreator em condições de alta produtividade.
PALAVRAS-CHAVE: células animais, células tronco mesenquimais, biorreator de vórtices, cultivo de células
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental
PROFESSOR: Edson Luiz Silva
TÍTULO: Processo integrado para depuração da vinhaça: tratamento físico-químico e degradação anaeróbia em reator anaeróbio de leito fluidizado
RESUMO:
A indústria alcooleira caracteriza-se pela produção de uma grande quantidade de resíduos, dos quais alguns, mais recentemente, ganharam o “status” de subprodutos, tais como bagaço, a torta de filtro e a vinhaça. O grande problema da agroindústria canavieira é que para cada litro de combustível temos de 10 a 15 litros de vinhaça efluente da coluna de destilação, que, pelo seu baixo pH e sua elevada DQO (demanda química de oxigênio), se encontra entre os rejeitos industriais de maior potencial poluidor. Se por um lado ficam evidenciados os problemas que o despejo desse resíduo acarreta, por outro, é ressaltada a riqueza destes materiais em componentes úteis à nutrição das plantas ou correção dos solos.
Embora existam estudos sobre tratamento de efluentes líquidos da indústria sucro-alcooleira, no que se refere a tratamentos físico-químicos da vinhaça, ainda são poucos os trabalhos realizados e apresentados na literatura, sendo portanto, um campo que ainda precisa ser explorado. O tratamento físico-químico é uma forma simples e funcional de tratamento a partir do processo de coagulação, floculação e sedimentação. Tem como finalidade transformar as impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução, em partículas maiores, os flocos. Dessa forma, quando se adota este processo, procura-se com estas operações reduzir a DQO, ou a DBO do sobrenadante, transferindo para o lodo a maior parte das partículas coloidais presentes na vinhaça, onde se concentra parte da matéria orgânica deste meio, para aproveitá-la como fertilizante. Esta, provavelmente, é a técnica que apresenta maior potencialidade no tratamento da vinhaça e seu grande atrativo é o consumo mínimo de energia, mas, sua eficiência de remoção de DQO é limitada a 50 % .
Dentre as alternativas técnicas disponíveis, os processos biológicos oferecem custos relativamente baixos quando comparados aos processos físicos e químicos. Neste sentido, a utilização de reatores não convencionais tem surgido como alternativa no tratamento biológico de efluentes. Em especial, reatores do tipo leito fluidizado têm sido aplicados no tratamento aeróbio e anaeróbio de águas residuárias. A viabilidade do tratamento de efluentes em reatores de leito fluidizado podem ser avaliadas considerando-se os principais fatores que afetam a eficiência do processo: a) a hidrodinâmica das fases líquida, sólida e gasosa no interior do reator, b) o tipo de suporte, c) o crescimento microbiano, a concentração de biomassa, sua atividade e as características do biofilme, d) o tempo de detenção hidráulica.
Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal desenvolver um processo híbrido para o tratamento de vinhaça via combinação de técnicas físico-química e biológica. A etapa físico-química através da coagulação, floculação e sedimentação visa a obtenção de um lodo que possa ser lançado ao solo agrícola conferindo-lhe reais benefícios, com redução significativa da DQO do sobrenadante, permitindo um aumento da biodegradabilidade da vinhaça. A etapa biológica através de reator anaeróbio de leito fluidizado visa a melhoria da qualidade do efluente gerado e a remoção de contaminantes.
PALAVRAS-CHAVE: Vinhaça, coagulação, floculação, sedimentação, reator anaeróbio de leito fluidizado
ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental PROFESSOR: Edson Luiz Silva
TÍTULO: Avaliação da produção de hidrogênio e de metano a partir de soro de queijo usando em sistema de duas fases em reatores de leito fluidizado em condições termofílicas RESUMO:
O processo de digestão anaeróbia envolve dois grupos principais de consórcios de microrganismos: as bactérias acidogênicas, que decompõem os substratos principalmente em H2, ácido acético e CO2; e as arquéias metanogênicas, que convertem o ácido acético, H2 e CO2 em gás metano. Assim, em processos anaeróbios de fases separadas, estes grandes grupos de microrganismos podem ser separados de modo a permitir a extração de hidrogênio em um primeiro estágio e metano em um segundo estágio.
O aspecto atrativo da produção biológica de hidrogênio é a possibilidade de utilização de efluentes ricos em matéria orgânica como substrato para o processo, porém o principal problema relativo ao potencial poluidor dos efluentes não é resolvido no estágio de produção de hidrogênio, uma vez que a remoção de matéria orgânica é muito baixa durante o processo. Por outro lado, a geração de metano envolve necessariamente remoções significativas de matéria orgânica porque os ácidos e outros produtos remanescentes gerados durante a produção de hidrogênio constituem os principais substratos para a produção desse gás.
O anaeróbio de leito fluidizado (RALF) foi testado com sucesso para a produção biológica de hidrogênio, devido ao seu potencial para oferecer vantagens de acumulação de grande quantidade de biomassa sobre o meio suporte, possibilidade para altas taxas de carregamento orgânico, baixos TDHs e boas características de mistura (WU et al., 2003; ZHANG et al., 2007a).
Dessa forma, o objetivo inicial deste trabalho será avaliar a influência dos tempos de detenção hidráulica (variando de 16 a 4 h) para produção de hidrogênio utilizando soro de leite (DQO = 10.000 mg/L) como substrato em reatores anaeróbios de leito fluidizado em fase única. A produção de metano também será avaliada em RALF em fase única, analisando-se os tempos de detenção hidráulica (36 a 16 h). Posteriormente, será avaliado o sistema de 2 RALFs em série (reator acidogênico seguido de metanogênico), para as melhores condições obtidas para produção de H2 em RALF em fase única.
PALAVRAS-CHAVE: Biocombustíveis; biohidrogênio; biometano; RALF, soro de leite, sistema em duas fases.
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise
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 contendo óxidos
de Ni ou Co para aplicação no processo de hidrodessulfirização de hidrocarbonetos. Aditivos como P ou metais nobres (Pt) são também analisados.
- Catalisadores à base de óxidos de metais de transição e/ou metais nobres aplicados ao abatimento de óxidos de nitrogênio ou monóxido de carbono.
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 a definir como tese de doutorado envolverá a realização de estágio sanduíche em universidade no exterior.
PALAVRAS-CHAVE: catálise heterogênea, craqueamento, hidrodessulfurização, abatimento de NOx e CO
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise PROFESSOR: José Mansur Assaf
TÍTULO: Catalisadores metálicos suportados com fase ativa nanoestruturada para produção de H2
RESUMO:
O hidrogênio é um importante insumo industrial, utilizado na indústria petroquímica, na siderurgia, na indústria de alimentos, etc. Além destas aplicações, o hidrogênio é uma fonte de energia limpa e eficiente e baseado nele desenvolvem-se equipamentos de geração de energia elétrica que irão equipar os veículos automotores, substituindo os motores a combustão, com grande ganho de eficiência.
Esta substância, apesar de muito abundante na natureza, praticamente não é encontrada como molécula isolada e precisa ser obtida de outros compostos através de reações químicas. Neste trabalho, serão desenvolvidos catalisadores heterogêneos contendo metais com estruturas definidas, suportados em compostos inorgânicos, para aplicação em reações de reforma de hidrocarbonetos e álcoois, visando a produção de hidrogênio.
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise
PROFESSOR: José Maria Correa Bueno
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.
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise PROFESSOR: José Maria Correa Bueno
TÍTULO: Síntese do metanol a partir da hidrogenação do CO2 sobre catalisadores de metais de transição suportado em óxidos básicos
RESUMO:
O aumento da concentração de CO2 na atmosfera é considerado um dos principais fatores para o aquecimento global. A molécula de CO2 é não tóxica e abundante. A hidrogenação do CO2 para metanol (CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O) tem atraído a atenção de todo o mundo [2-5]. A hidrogenação catalítica de CO2 para metanol é reconhecida como uma das maneiras mais econômicas e eficazes para corrigir e utilizam uma grande quantidade de CO2 emitido [1]. Na hidrogenação do CO2 podemos tem a reação Shift em paralelo ( CO2 + H2↔CO + H2O), portanto é desejável o uso de metais como Pd e Ni de baixa atividade para esta reação. A reação de hidrogenação do CO2 para metano (CO2+4H2↔CH4 + 2H2O) também pode ocorre em paralelo que é indesejável devido a alta estabilidade do CH4. Os catalisadores a base de Pd pode apresentar alta atividade e tem sido estudado sobre vários suportes. Por exemplo: Pd/Ga2O3 [6], Pd/CeO2 [7], Pd/ZnO [8] and Pd/ZrO2 [9]. O suporte e óxidos exercem um importante papel na atividade e seletividade para formação de metanol. A adição de Ga2O3 sobre um catalisador de Pd/SiO2 aumenta a freqüência de reação em 500 vezes e aumenta a seletividade para metanol de 17 para 70 % [10]. O efeito da natureza do suporte nas propriedades catalíticas decrescem na ordem Ga2O3 > ZnO > Al2O3 > TiO2 ~ Cr2O3 > SiO2 ~ ZrO2 [6].
Estudos computacionais e experimentais recentes mostram que o catalisador bimetalico Ni– Ga apresenta potencialmente ativos e seletivos para hidrogenação do CO2 para metanol [ 11, 12] . As razoes que faz os catalisadores intermetalicos serem mais ativo e seletivo ainda esta longe de ser bem estabelecida. Possivelmente a não existência de ligações Ni-Ni ou Pd-Pd em conjunto com a presença de uma interface metal-oxido nos compostos intermetalicos seja causa das propriedades diferenciadas na síntese do metanol. Neste projeto tem-se com objetivo estudar catalisadores de clusters metais dispersos em um nível atômico e estabilizados com uma interface metal-oxido, investigando a influencia da natureza química nas propriedades catalíticas para a síntese do metanol a partir de CO2.
Referencias
[1] G.A. Olah, A. Geoppert, G.K.S. Prakash, Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, first ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2006. pp. 173–187, 239–245.
[2] G.A. Olah, G.K.S. Prakash, A. Goeppert, J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 12881. [3] H. Arakawa, M. Aresta, J.N. Armor, M.A. Barteau, E.J. Beckman, A.T. Bell, J.E. Bercaw, C. Creutz, E. Dinjus, D.A. Dixon, K. Domen, D.L. DuBois, J. Eckert, E. Fujita, D.H. Gibson, W.A. Goddard, D.W. Goodman, J. Keller, G.J. Kubas, H.H. Kung, J.E. Lyons, L.E. Manzer, T.J. Marks, K. Morokuma, K.M. Nicholas, R. Periana, L. Que, J. Rostrup-Nielson, W.M.H. Sachtler, L.D. Schmidt, A. Sen, G.A. Somorjai, P.C. Stair, B.R. Stults, W. Tumas, Chem. Rev. 101 (2001) 953.
[4] Y. Yang, C.A. Mims, D.H. Mei, C.H.F. Peden, C.T. Campbell, J. Catal. 298 (2013) 10.
[5] Q. Ge, Mechanistic understanding of catalytic CO2 activation from first principles theory, in: S.L. Suib (Ed.), New and Future Developments in
Catalysis, Elsevier, Amsterdam, 2013.
[6] T. Fujitani, M. Saito, Y. Kanai, T. Watanabe, J. Nakamura, T. Uchijima, Appl. Catal. A 125 (1995) L199.
[7] S. Imamura, K. Denpo, K. Utani, Y. Matsumura, H. Kanai, React. Kinet. Catal. Lett. 67 (1999) 163.
[8] X.-L. Liang, X. Dong, G.-D. Lin, H.-B. Zhang, Appl. Catal. B 88 (2009) 315. [9] T. Fujitani, I. Nakamura, Bull. Chem. Soc. Jpn. 75 (2002) 1393.
[10] N. Iwasa, T. Mayanagi, N. Ogawa, K. Sakata, N. Takezawa, Catal. Lett. 54 (1998) 119.
[11] I. Sharafutdinov, C. F. Elkjær, H. W. P. de Carvalho, D. Gardini, G. L. Chiarello, C. D. Damsgaard, J. B. Wagner, Jan-Dierk Grunwaldt, S. Dahl, Ib Chorkendorff, Journal of ⇑ Catalysis 320 (2014) 77–88
[12] F. Studt, I. Sharafutdinov, F. Abild-Pedersen, C.F. Elkjær, J.S. Hummelshøj, S. Dahl, I. Chorkendorff, J.K. Nørskov, Nat. Chem. 6 (2014) 320–324.
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise PROFESSOR: José Maria Correa Bueno
TÍTULO: A transformação direta do bioetanol em acetato de etila através da rota de desi-drogenação em atmosfera inerte
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.
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados
PROFESSOR: Luís A. M. Ruotolo
TÍTULO: Degradação Fotoeletrocatalítica de Compostos Orgânicos Poluentes com Produção Simultânea de Hidrogênio Utilizando Nanotubos de TiO2
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 de doutorado propõe-se estudar a síntese e caracterização de nanotubos de titânio (NTi) para a obtenção de eletrodos para o processo fotoeletrocatalítico. 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, que corresponde à maior parte da radiação solar. Os NTi serão sintetizados eletroquimicamente sobre a superfície de uma placa de titânio e os eletrodos obtidos serão caracterizados por técnicas como difratometria de raios-X, espectrometria fotoelétrica de raios-raios-X, área superficial específica, microscopia eletrônica de varredura e refletância difusa.
A atividade fotoeletrocatalítica será avaliada através da irradiação do fotocatalisador com diferentes comprimentos de onda e aplicando-se a técnica de voltametria linear de varredura para medir a fotocorrente gerada. Adicionalmente, a atividade fotoeletrocatalítica será avaliada através da oxidação fotoeletrocatalítica de um composto-padrão (um corante ou então um composto orgânico de cadeia curta). 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 fotocatalítica este será utilizado em um reator fotoeletroquímico de fluxo com a finalidade de se avaliar o efeito do transporte de massa e corrente aplicada sobre a eficiência de oxidação 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/
PALAVRAS-CHAVE: tratamento de efluentes, fotoeletrocatálise, reatores fotocatalíticos, nanotubos de titânio
ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental PROFESSOR: Mônica Lopes Aguiar
TÍTULO DO TEMA: Avaliação e desenvolvimento de novos meios filtrantes com nanofibras, para aumentar a eficiência de coleta das nanopartículas existentes em ambientes internos ou em processos químicos.
RESUMO:
Os seres humanos estão expostos cada dia mais a nanopartículas, até mesmo no ambiente de trabalho, isso se deve ao desenvolvimento urbano, industrial e à crescente utilização de veículos motorizados. Nanopartículas são partículas com uma ou mais dimensões na nanoescala. A remoção de partículas sólidas de efluentes gasosos tem-se tornado uma operação industrial indispensável. Dentre os vários equipamentos potencialmente capazes de operar eficientemente nessa remoção, destacam-se os filtros fibrosos. A filtração utilizando filtros fibrosos tem se mostrado útil na retenção de micropartículas expostas no ar. Como há poucas pesquisas sobre o comportamento desses filtros na remoção de nanopartículas, o objetivo desse estudo é avaliar a eficiência do filtro de fibra de celulose HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter), de Vidro, de Micro Quartzo e de Poliéster (180 e 300 g/m2) na remoção de nanopartículas pela técnica de mobilidade elétrica, utilizando diferentes áreas de filtração e variando a velocidade superficial. Através do sistema experimental, será possível simular uma contaminação das nanopartículas em uma corrente de ar ultrapuro através da solução de 5 g/L de cloreto de sódio, na qual será feito a contagem das partículas antes e após a passagem pelo meio filtrante. Durante a deposição das partículas nos filtros, a queda de pressão será monitorada por um manômetro digital em função do tempo. Com isso, será possível avaliar o meio filtrante mais eficiente na remoção de nanopartículas com a variação da área de filtração, da velocidade superficial e do tempo de filtração. Também objetiva-se neste estudo desenvolver um procedimento para caracterizar a distribuição de tamanhos das nanofibras nos filtros de ar, parâmetro importante para o desenvolvimento de novos filtros absolutos.
PALAVRAS-CHAVE: Filtração de gases; nanofibras; nanopartículas; caracterização, porosidade
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
ORIENTADOR: Raquel de Lima Camargo Giordano
TÍTULO: Produção Contínua de Etanol a partir de xilooligômeros com hidrólise, isomerização e fermentação simultâneas
RESUMO:
A produção de etanol a partir da celulose presente nos materiais lignocelulósicos vem se tornando realidade. Contudo, a utilização das pentoses (hemicelulose) para produção de etanol, embora importante para a viabilidade econômica da produção de etanol 2G, ainda permanece como um grande desafio. Recentemente, docentes de dois grupos de pesquisa do DEQ/UFSCar: LabEnz e LaDABio (Lab. para Desenv. e Automação de Bioproc.), depositaram patente de processo para produção de etanol 2G a partir de xilose, extraida de materiais lignocelulósicos como xilooligômeros, utilizando-se pré-tratamento adequado. Esses oligômeros são então submetidos à hidrólise por xilanases para geração de xilose, um monômero que já poderia ser convertido a etanol por alguns microorganismos, mas não por Saccharomyces cerevisiae, o mais utilizado agente de fermentação na indústria alcooleira 1G, o qual é capaz de consumir apenas xilulose, o isômero de xilose. Acrescenta-se então uma etapa de isomerização, catalisada pela enzima glicose isomerase para isomerização ex-vivo de xilulose. O processo prevê assim uso de oligômeros de xilose como substrato, e sistema catalítico composto de xilanases, glicose isomerase e S.cerevisiae coimobilizados no mesmo suporte (microambiente) onde entra oligômeros-matéria-prima e sai etanol-produto. Este tema de doutorado foca na operação do processo utilizando bagaço de cana submetido a diferentes pré-tratamentos e coquetéis enzimáticos visando busca das melhores condições de produtividade e estabilidade para o processo.
PALAVRAS-CHAVE: etanol de segunda geração; fermentação de pentoses por S. cerevisiae; xilanases, produção contínua, hidrólise, isomerização e fermentação simultâneas de xilooligômeros a etanol, enzimas e levedura coimobilizadas.
ÁREAS DE PESQUISA: Simulação e Controle de Processos e Engenharia Bioquímica PROFESSOR: Roberto de Campos Giordano
TÍTULO: Reatores de fluxo em vórtices (RFV) para produção enzimática de ésteres de açúcares na ausência de solventes orgânicos: modelagem matemática e otimização da operação do biorreator
RESUMO:
Ésteres graxos de açúcares, utilizados como biossurfactantes e/ou emulsificantes, podem ser produzidos enzimaticamente. Este tema explora a produção de biossurfactantes por biocatálise heterogênea, usando lipases imobilizadas, em reatores de fluxo em vórtices – que promovem agitação eficiente, com baixas tensões de cisalhamento (reduzindo danos ao catalisador).
A produção de biossurfactantes por esterificação de ácidos graxos (oleico e láurico) e carboidratos (frutose, xilose e lactose) na presença de terc-butanol (solvente necessário para solubilização do carboidrato) foi avaliada no LabEnz-UFSCar usando lipase B de Candida antarctica imobilizada em sílica e SMMPs (micropartículas magnéticas de sílica) heterofuncionais. Este tema trata da modelagem matemática da produção de biossurfactantes do tipo ésteres de açúcares na ausência de solventes orgânicos (e validação do modelo a partir de dados experimentais), utilizando sistemas bifásicos aquoso/orgânico. Nesses sistemas, o meio aquoso permite solubilizar grande quantidade de carboidrato (xilose e sacarose), deslocando o equilíbrio da reação no sentido de formação do éster. Além disso, a separação do produto final é facilitada, pois o excesso de carboidrato pode ser separado com a fase aquosa, e posteriormente reciclado.
PALAVRAS-CHAVE: ésteres de açúcares; biossurfactantes; reatores de fluxo em vórtice; modelagem matemática lipase imobilizada
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Simulação e Controle de Processos
PROFESSOR: Roberto de Campos Giordano
TÍTULO: Hidrólise de xilooligômeros da fração C5 de biomassa, isomerização e fermentação alcoólica simultâneas: Modelagem matemática, otimização da operação e validação experimental
RESUMO:
A utilização da fração hemicelulose de biomassa para produção de etanol 2G, embora importante para a viabilidade econômica do processo, ainda não tem uma solução consolidada em níve industrial. Recentemente, dois grupos de pesquisa do DEQ/UFSCar, LabEnz (Laboratório de Engenharia Enzimática) e LaDABio, depositaram patente de processo para produção de etanol 2G a partir de xilooligômeros. Esses oligômeros são então submetidos à hidrólise por xilanases para geração de xilose, um monômero que já poderia ser convertido a etanol por alguns microorganismos, mas não por Saccharomyces cerevisiae, o mais utilizado agente de fermentação na indústria alcooleira 1G, o qual é capaz de consumir apenas xilulose, isômero de xilose. Acrescenta-se então uma etapa de isomerização, catalisada pela enzima glicose isomerase para isomerização ex-vivo de xilulose. Prevê-se, portanto, o uso de oligômeros de xilose como substrato, e sistema catalítico composto de xilanases, glicose isomerase e S. cerevisiae coimobilizados no mesmo suporte (microambiente), intensificando assim o processo. Este tema de doutorado foca no desenvolvimento e sintonia de parâmetros de modelos matemáticos do reator não-convencional, validação dos modelos frente a dados experimentais e sua utilização para buscar condições ótimas de operação do reator. O trabalho será desenvolvido em colaboração com o grupo do LabEnz.
PALAVRAS-CHAVE: etanol de segunda geração; fermentação de xilooligômeros por S. cerevisiae; intensificação do processo; modelagem matemática de biorreator.
ÁREA DE PESQUISA: Simulação e Controle de Processos Químicos PROFESSOR: Roberto de Campos Giordano
TÍTULO: Síntese Enzimática De Galacto-Oligossacarídeos A Partir De Permeado Do Soro De Leite: Modelagem, Otimização E Análise Econômica Do Processo
RESUMO:
O soro do leite é um resíduo na produção de fabricação de queijo e representa aproximadamente 90% do leite. Por processo de ultrafiltração e secagem, parte do soro (gorduras e proteínas) é transformada em concentrado proteico podendo ser reutilizada na indústria de alimentos. Já o permeado do soro (resíduo da ultrafiltração) é rico em lactose e é empregado principalmente na produção de soro em pó e lactose refinada ou simplesmente descartado. O descarte tanto do soro quanto do permeado consiste em um problema ambiental devido à alta demanda bioquímica de oxigênio desses efluentes.
Galacto-oligossacarídeos (GOS) são prebióticos utilizados na indústria de alimentos e valorizados comercialmente. O uso do permeado do soro como substrato na produção enzimática de galacto-oligossacarídeos (GOS) é uma alternativa ao seu descarte que gera um produto com algo valor agregado.
Este projeto visa a estudar a síntese enzimática de GOS utilizando a enzima β-galactosidase (imobilizada ou livre) como biocatalisador e o permeado do soro como substrato. O objetivo é um processo otimizado, utilizando a seguinte metodologia: analisar as principais variáveis de processo (pH, temperatura, força iônica, concentração enzimática e máxima concentração de substrato solúvel); elaborar um modelo matemático a partir de ajustes de modelos cinéticos (desenvolvidos pelo grupo); utilizar métodos de otimização para encontrar processos com altos rendimentos, validando-os experimentalmente. Métodos de otimização dinâmica serão também empregados para encontrar perfis de alimentação de substrato e de enzima otimizados em processo em batelada alimentada. Por fim, será realizada uma análise econômica do processo.
PALAVRAS-CHAVE: modelagem e simulação de processos enzimáticos; síntese enzimática; cinética enzimática; soro de leite; otimização dinâmica; β-galactosidase.
TEMA PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2016 ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
PROFESSOR: Teresa Cristina Zangirolami
TÍTULO DO TEMA: Produção de proteína recombinante com propriedades vacinais em E. coli detoxificada
RESUMO
Cultivos da bactéria Escherichia coli geneticamente modificada são amplamente utilizados na produção de enzimas, vacinas e outras proteínas com potencial farmacológico. Dentre os vários sistemas de expressão disponíveis, a produção de proteína heteróloga mediada pelo operon lac/uv é uma das construções mais populares. Nesse sistema de expressão, o início da assimilação de lactose (ou IPTG) desencadeia a síntese da proteína de interesse, que se acumula no interior da célula. Durante a fase de síntese, a célula é submetida a esforço metabólico, gerando respostas celulares, como a produção de proteínas indesejadas e a formação de polissacarídeos, cuja intensidade depende da estratégia de indução. As proteínas indesejadas e os polissacarídeos são os principais contaminantes a serem removidos nas etapas de downstream para a obtenção da proteína pura. Especificamente os lipopolissacarídeos (LPS), presentes na membrana externa das células de E. coli, são pirogênios e podem levar ao choque séptico em mamíferos. A remoção dos LPS é crucial para a qualidade das proteínas recombinantes terapêuticas e tem elevado impacto no custo do processo de purificação. Recentemente tornou-se disponível comercialmente uma linhagem de E. coli BL21(DE3) geneticamente detoxificada (ClearColi, Lucigen), capaz de produzir proteínas recombinantes isentas de endotoxinas. Os principais objetivos do presente trabalho são: i) clonar a proteína PspA em E. coli detoxificada; ii) caracterizar a nova plataforma de expressão em termos de crescimento, produção de metabólitos, presença de contaminantes e síntese de proteína. A clonagem do fragmento da proteína PspA na E. coli detoxificada será realizada sob supervisão da Dra. Viviane Gonçalves, de acordo com o procedimento proposto pela Lucigen. A produção de proteína pelo novo clone será inicialmente investigada em cultivos em frascos agitados utilizando meio complexo, com indução por IPTG. Culturas em batelada em biorreator tipo tanque agitado de 5 L utilizando meio complexo serão realizadas nas condições de cultivo e indução mais favoráveis à produção de proteína definidas a partir dos estudos preliminares em frascos agitados. Durante os cultivos, amostras serão coletadas para a determinação da concentração de biomassa (por densidade ótica e massa seca), de glicerol, de ácidos orgânicos (por HPLC), de polissacarídeos, de ácidos nucleicos, além do acompanhamento da estabilidade do plasmídeo (por plaqueamento) e do nível de expressão da proteína (por eletroforese e densitometria). A composição da fase gasosa será avaliada por analisador de gases. As biomassas obtidas serão encaminhadas ao Instituto Butantan para purificação. Os estudos serão desenvolvidos em cooperação com aluno(a) de Mestrado, que estudará o cultivo de E. coli detoxificada em meio definido.