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: Alberto Colli Badino Junior
TÍTULO: Influência da associação de impelidores na morfologia celular e na produção de enzimas celulolíticas por fungos filamentosos
RESUMO:
A produção de etanol a partir da biomassa (materiais lignocelulósicos), também conhecido como etanol de segunda geração (2G), apresenta como uma das etapas a hidrólise da celulose para a obtenção de açúcares fermentescíveis, etapa esta que pode ser realizada por via enzimática utilizando enzimas (hemi)celulolíticas. A produção com menor custo e em escala industrial desse complexo enzimático é ainda um dos maiores entraves tecnológicos na produção de etanol de segunda geração. As celulases são produzidas mais tradicionalmente por fungos filamentosos dos gêneros Trichoderma e Aspergillus em biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado, utilizando impelidores do tipo Rushton (RT). Vários fatores podem afetar o bom desempenho do biorreator e a produtividade, entre eles a transferência de oxigênio, o cisalhamento e a morfologia dos fungos. O presente projeto propõe a aplicação de diferentes associações de impelidores para produção de celulase, verificando a influência destas na transferência de oxigênio, cisalhamento e morfologia das células e principalmente na produção e qualidade dos extratos enzimáticos obtidos, sendo esses posteriormente avaliados em hidrólise enzimática. Tais associações são formadas por impelidores tipo “orelha de Elefante” (EE), que já mostraram bom potencial de aplicação em bioprocessos em trabalho realizado no mestrado, tendo menor cisalhamento e transferência de oxigênio equivalente aos impelidores Rushton. PALAVRAS-CHAVE: etanol 2G, celulases, fungos filamentosos, biorreator convencional, impelidores, transferência de oxigênio, cisalhamento, morfologia celular.
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
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia bioquímica PROFESSOR: Cristiane Sanchez Farinas
TÍTULO: Aproveitamento da biomassa de cana-de-açúcar para obtenção de nanocelulose por rota enzimática
RESUMO:
No processo de produção do etanol de segunda geração (etanol 2G) pela rota bioquímica, a completa sacarificação da estrutura da celulose não é atingida mesmo após longos períodos de hidrólise, especialmente quando se utiliza reações com altas cargas de sólidos, que são condições mais próximas da realidade industrial. Neste projeto propõe-se estudar a viabilidade da utilização da fração sólida residual da etapa de sacarificação da biomassa lignocelulósica para a obtenção de nanocelulose, que é um material de elevado valor agregado e com aplicações em diferentes setores industriais. A nanocelulose, seja na forma de nanofibras ou nanocristais, possui aplicações em diferentes setores industriais, como na indústria cosmética, na medicina, em indústria de embalagens, biocatalisadores, dentre outros. Neste projeto, para a obtenção da nanocelulose serão utilizados como matéria-prima os resíduos sólidos da hidrólise enzimática da biomassa lignocelulósica de cana-de-açúcar. Dentre as variáveis de processo a serem avaliadas se incluem o tipo de coquetel e a carga enzimática, bem como o tempo de reação. Além disso, a combinação entre processos mecânicos de moagem e hidrólise enzimática também serão avaliados de forma a priorizar o emprego de tecnologias que sejam compatíveis com os conceitos de química verde e biorrefinarias.
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia bioquímica PROFESSOR: Cristiane Sanchez Farinas
TÍTULO: Nanoimobilização de enzimas de interesse do setor agroindustrial
RESUMO:
Este tema de doutorado tem como objetivo avaliar a nanoimobilização como uma estratégia para o aumento da eficiência catalítica e estabilidade de enzimas de interesse agroindustrial. A utilização de enzimas em diferentes processos agroindustriais atende aos pressupostos da chamada Química Verde, apresentando vantagens técnico-econômicas e ambientais frente aos processos químicos tradicionais. Porém, a utilização de enzimas como catalisadores apresenta algumas limitações, tais como instabilidade das suas estruturas quando isoladas de seu ambiente natural e dificuldade de sua recuperação no final do processo para o possível reuso. Assim, várias metodologias têm sido propostas para superar essas limitações, sendo que uma das mais bem sucedidas é a imobilização enzimática. Em relação aos suportes utilizados nos processo de imobilização, a utilização de nanopartículas tem-se mostrado bastante atraente devido às características de alta área superficial específica, baixa resistência à transferência de massa e potencial para imobilizar elevada carga enzimática. Para essa aplicação, uma diversidade de materiais vem sendo estudada tais como a sílica, quitosana e as nanopartículas magnéticas. Dentre as enzimas de interesse para o setor agroindustrial, as beta-glicosidases possuem um papel de destaque. Assim, neste projeto serão avaliadas a síntese, funcionalização e caracterização das nanopartículas para suporte de imobilização. Os suportes selecionados serão avaliados na imobilização de enzimas modelos que possuem importância de destaque no setor agroindustrial.
PROFESSOR: Prof. Dr. Dilson Cardoso ([email protected]) ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
TÍTULO: Aplicação de sílicas e zeólitas para reações de Química Fina RESUMO:
Introdução:
As zeólitas são sólidos microporosos, e, tal como as argilas, são formadas por reações entre a sílica e alumina, mas com duas características importantes: (1) o diâmetro dos poros são exatamente iguais entre si e (2) as dimensões dos poros são menores que 2 nanômetros, ou seja, próximas ao diâmetro de muitas moléculas. Por esse motivo elas também são denominadas de peneiras moleculares.
Objetivos:
O objetivo deste trabalho é dar continuidade aos nossos trabalhos prévios nesse tema, usando catalisadores básicos, formado por zeólitas.
Os catalisadores serão preparados através da síntese de sílicas híbridas ou a troca iônica de zeólitas com cátions orgânicos, variando-se alguns parâmetros, como tamanho dos cristais, grau de troca, tipo de cátion ou razão Si/Al, sendo caracterizados quanto as suas propriedades físicas e químicas.
Como reação teste para avaliar suas propriedades catalíticas serão usadas reações conhecidas, como a condensação de Knoevenagel, acompanhando-se os efeitos das variáveis estudadas na atividade, seletividade e estabilidade do catalisador.
BIBLIOGRAFIA:
Dilson Cardoso, Karina A Almeida, Basic activity of Y zeolite containing alkylammonium cations in Knoevenagel condensation. Catalysis Today, v. 213, p. 122-126, 2013.
Teses de Doutorado de Leandro Martins, Karina A. Almeida (UFSCar)
Palavras-chave: Catálise heterogênea, Catálise básica, Química Fina, Reação de Knoevenagel Sílicas Híbridas, Zeólitas
PROFESSOR: Prof. Dr. Dilson Cardoso ([email protected]) ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
TÍTULO: Estudo de sílicas com propriedades básicas visando a produção do Biodiesel RESUMO:
Introdução:
O permanente crescimento da industrialização e a disponibilidade limitada de combustíveis fósseis líquidos (petróleo) ou gasosos (gás natural) bem como as mudanças ambientais decorrentes do efeito estufa representa um incentivo permanente para que se busque outras fontes de energia. É nesse sentido que hoje vários pesquisadores dedicam os seus estudos e, uma das soluções, é procurar combustíveis renováveis, que possam substituir os fósseis.
O Brasil, com sua vasta área cultivável, é um dos países privilegiados para encontrar soluções a este problema, seja através das plantas oleaginosas e da cana de açúcar, a primeira fornecendo óleos vegetais, a segunda o etanol.
Devido a sua alta massa molecular, o óleo vegetal é pouco volátil e muito viscoso,
motivos pelos quais não pode ser usado diretamente para a alimentação de motores de combustão interna. O principal componente dos óleos vegetais são os triglicerídeos, ou seja, tri-ésteres da glicerina. A solução para os problemas acima é transformar esses tri-ésteres em mono-ésteres, como os do metanol ou etanol. Essa reação, denominada de transesterificação, requer o emprego de catalisadores que possuam sítios básicos.
Objetivos:
O objetivo deste trabalho é dar continuidade a trabalhos prévios nesse tema, usando catalisadores básicos, formado por peneiras moleculares. Os catalisadores serão formados principalmente por sílicas híbridas sendo sintetizados variando-se alguns parâmetros, sendo caracterizados quanto as suas propriedades físicas, químicas e catalíticas.
Como reações modelo serão utilizadas a transesterificação e a interesterificação,
acompanhando-se os efeitos das variáveis na atividade, seletividade e estabilidade do catalisador. BIBLIOGRAFIA:
Dilson Cardoso, Demian P. Fabiano, On the understanding of the remarkable activity of
template-containing mesoporous molecular sieves in the transesterification of rapeseed. Journal of Catalysis, v. 276, p. 190-196, 2010.
Teses de Doutorado de Demian Fabiano, Jaílson de Araújo e Fernanda T. Cruz (UFSCar) Palavras-chave: Biodiesel, Catálise heterogênea, Catálise básica, Sílicas Híbridas, Interesterificação, Transesterificação
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: Estudo comparativo entre a produção de hidrogênio e de metano a partir de vinhaça de cana-de-açúcar usando reator de leito fluidizado em condições termofílicas RESUMO:
A busca por novas alternativas à matriz energética atual, baseada em combustíveis fósseis, perpassa pelo aproveitamento de gases como metano e hidrogênio. Estes podem ser gerados a partir da degradação de biomassa por microrganismos fermentativos.
A produção do biogás pelo processo fermentativo tem como vantagens a economia do funcionamento do sistema, uma vez que exige baixos consumos energéticos, podendo ser energeticamente autossuficiente; e a possibilidade de se aplicar, como substrato do sistema, resíduos gerados nas atividades antrópicas, como efluentes industriais e domésticos e resíduos sólidos orgânicos. Portanto, a vinhaça de cana-de-açúcar “in natura” surge como possível resíduo lignocelulósico a ser explorado na produção do biogás, uma vez que este efluente de difícil tratamento é gerado em grandes volumes no país, e o mesmo possui em sua composição os principais nutrientes requeridos aos processos metabólicos de microrganismos.
O uso do reator de leito fluidizado em condições termofílicas com microrganismos anaeróbios constitui alternativa viável para geração do biogás, devido ao seu potencial para acumulação de grande quantidade de biomassa no meio de suporte, capacidade de tratar altas taxas de carga orgânica (COV), operação em curtos tempos de detenção hidráulica (TDH), e boas características de mistura.
A biomassa a ser avaliada no presente estudo tratar-se-á da vinhaça produzida na Usina São Martinho, situada no município de Pradópolis-SP. Este resíduo será aplicado como substrato em dois reatores anaeróbios de leito fluidizado (RALF) com biofilme, separados, em condições de temperatura termofílicas de 60°C a 70°C, pH ideal para produção de hidrogênio de 5,5 e para a produção de metano de 7,0, e condições de tempos de detenção hidráulica (TDH) variáveis para cada um dos reatores. O presente trabalho visa avaliar diferentes TDH e temperaturas na faixa termofílica do reator, com o intuito de estabelecer condições ideais de funcionamento do sistema à taxa de produção de biohidrogênio e biometano gerados a partir de processos fermentativos.
PALAVRAS-CHAVE: Biocombustíveis; Biohidrogênio; Biometano; Fermentação escura, RALF, Vinhaça.
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.
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise 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 tese de doutorado, 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 sendo financiado pela FAPESP. Se incentivará a realização de estágio sanduíche em universidade da Europa.
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: Hidrogenação de CO2 para produção de combustíveis líquidos
RESUMO:
O dióxido de carbono (CO2) é largamente produzido na queima de combustíveis, principalmente de origem fóssil, e em processos químicos industriais, como a fermentação de glicose por leveduras. Isto resulta no acúmulo maciço de CO2 na atmosfera e, consequentemente, no aumento do efeito estufa. Uma possibilidade para diminuir os níveis de CO2 na atmosfera e minimizar seus efeitos é empregar este gás abundante e de baixo custo como matéria-prima para a síntese catalítica de combustíveis e outros produtos químicos de interesse comercial. A hidrogenação do CO2 pode levar à formação de metano, etano, etileno, parafina, formaldeído, ácido fórmico, éter dimetílico, metanol, álcoois com dois ou mais carbonos e gasolina.
No presente trabalho, propõem-se investigar a hidrogenação de CO2 e CO sobre catalisadores mono e bimetálicos suportados em óxidos, visando o entendimento do efeito das propriedades químicas e físicas de catalisadores na cinética e no mecanismo da reação de hidrogenação de CO2 e CO.
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise PROFESSOR: José Mansur Assaf
TÍTULO: Novas estruturas óxidas para produção de H2
RESUMO:
O biogás gerado na fermentação anaeróbia de resíduos orgânicos industriais e domésticos tem como principais constituintes o metano e o dióxido de carbono. Se liberados para a atmosfera, estes gases contribuem para agravar o efeito estufa. Por outro lado, com auxílio de catalisadores, podem gerar uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, denominada gás de síntese, que é matéria-prima para a produção de combustíveis de alto valor agregado.
O gás de síntese também pode ser gerado a partir do metano e CO2 contidos no gás natural. Apesar da origem fóssil desta matéria-prima, combustíveis obtidos a partir dela adicionam menor carga poluente à atmosfera quando comparados ao diesel e gasolina do petróleo e são considerados bons combustíveis para uma etapa de transição para energia verde.
Óxidos com estruturas do tipo perovskita e pirocloro serão preparados e caracterizados, visando aplicação em reações para produção de hidrogênio e gás de síntese, usando o gás natural e o biogás como reagentes.
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.
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
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: Jose Maria Correa Bueno
TÍTULO: Desenvolvimento Estrutural de Membradas com Catalisadores à Base de Óxidos Metálicos Suportados para a Desidrogenação Oxidativa do Etano e Propano
RESUMO: O presente projeto tem por objetivo desenvolvimento estrutural de membranas com catalisadores de óxidos metálicos suportados para a Desidrogenação do Etano e Propano com o CO2.
Hidrocarbonetos como eteno e propeno são importantes para a petroquímica e a sua produção a partir dos respectivos hidrocarbonetos saturados é ainda um desafio, principalamente pelo baixo rendimento em processos convencionais devido à baixa concentração dos reagentes e as propriedades termodinâmicas da reação de oxidação.
Neste trabalho pretende-se a desenvolver membranas catalíticas que permitam a promoção da reação de oxidação com CO2 e separação dos produtos. Neste sistema o uso de CO2 possibilita a manipulação de mistura com alta concentração do hidrocarboneto em relação ao processo convencional de oxidação com O2. O uso de membranas permite a separação do produto, deslocando assim a composição de equilíbrio da reação em relação a reação quando realizada em reatores convencionais.
PALAVRAS-CHAVE: Desidrogenação Oxidativa do Propano; Dióxido de Carbono; Catalisadores de Ni suportados; Caracterizações in situ e operando.
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.
ÁREA DE PESQUISA: Simulação e Controle de Processos Químicos PROFESSOR: José Maria Corrêa Bueno
TÍTULO DO TEMA: Modelagem e Simulação de uma Célula a Combustível a Glicerol
RESUMO: As vantagens das células a combustível como fontes de energia mais limpas, silenciosas e eficientes têm sido demonstradas, e células a combustível de membrana trocadora de prótons (do inglês, PEMFC) são atualmente um dos mais promissores destes dispositivos. Embora uma PEMFC trabalhando com oxigênio no cátodo e hidrogênio no ânodo apresente boa eficiência, o hidrogênio pode não ser a melhor escolha como combustível. O uso de combustíveis líquidos tais como álcoois (metanol ou etanol) e polióis, por outro lado, pode ser vantajoso. Novas tecnologias de células a combustível estão em desenvolvimento, as quais podem ser convenientes para o uso de tais compostos como combustível. A célula a combustível alcalina de membrana sólida (do inglês, SAMFC), por exemplo, é uma hibridização de uma célula a combustível de eletrólito polimérico sólido com uma célula a combustível alcalina. Polióis tais como glicerol e etileno glicol são menos tóxicos do que o metanol. O glicerol, em particular, é gerado durante a produção de bioetanol e biodiesel. A oxidação direta de glicerol em uma célula a combustível pode não só conduzir à produção de energia eléctrica, mas também à formação de produtos que normalmente são difíceis e caros de produzir a partir de outros processos. Todavia, o desempenho elétrico de células a combustível tem de ser melhorado. Este desempenho depende não só da atividade catalítica dos catalisadores, mas também de parâmetros operacionais da célula a combustível, tais como a composição e a concentração da solução de combustível, limitações fluidodinâmicas, temperatura de trabalho da célula, etc. A modelagem matemática é uma ferramenta importante para o estudo e desenvolvimento de células a combustível. Dentro deste contexto, a dinâmica dos fluidos computacional (do inglês, CFD), baseada na solução de equações fenomenológicas de conservação (massa, momento, espécies, ...) em uma grade computacional usando metodologias de elementos finitos, pode ser utilizada para modelar células a combustível. O objetivo deste trabalho é desenvolver modelo fenomenológico para um ânodo de glicerol em uma célula a combustível unitária oxigênio
/
glicerol+NaOH, implementá-lo em um software de CFD e realizar simulações apropriadas. O software utilizado poderá ser o CFX. CFX é um software comercial usado para simular o fluxo de fluidos em uma variedade de aplicações comerciais. Buscar-se-á, com este trabalho, disponibilizar uma ferramenta que permita a realização de estudos visando à otimização do desempenho elétrico de uma célula trabalhando com glicerol como combustível.ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados PROFESSOR: José Teixeira Freire
Título: Secagem de pasta em leito de jorro: experimentação e desenvolvimento de um sensor virtual para “determinação” da umidade do sólido
RESUMO:
A secagem de pasta em leito de jorro vem sendo desenvolvida, pelo centro de secagem, a mais de duas decadas. Diversas estruturas e modos de operação desse leito já foram construidos e muitas delas estão ainda em operação. Um dos principais problemas ainda existe é o de como se medir, on-line, a umidade do pó que é produzido no processo. Essa umidade é determinante para a utilização posterior desse produto. Sensores físicos de umidade em solidos são caros e de dificil implementação em leitos de secagem de pastas. Uma alternativa é utilizar a combinação de medidas facilmente obtidas com modelos, desde de ajustes como redes neurais, até puramente teóricos.
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
ÁREAS DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica PROFESSOR: Paulo Waldir Tardioli
TÍTULO: Compósitos reticulados de lipases e micropartículas magnéticas como biocatalisadores para a síntese de biodiesel em reator de fluxo em vórtices usando sistema bifásico orgânico-aquoso
RESUMO: A produção enzimática de biodiesel tem se tornado realidade com duas unidades industriais em operação desde 2014 nos EUA (Blue Sun Energy e Viesel Fuel) usando lipases da Novozymes® (Callera Trans L®). O processo enzimático permite a utilização de matéria-prima com qualquer concentração de ácidos graxos livres e menor custo de energia comparado ao processo químico convencional. As plantas operam com uma formulação líquida de lipase (0,7% do óleo), metanol (1,5 equivalente) e água (2%), a 35ºC e 20-24 horas de reação. Nesse processo, a enzima é recuperada numa fase pesada (após duas etapas de separação) e reutilizada, metanol é adicionado gradualmente para prevenir inativação da enzima (perda da ordem de 15% ocorre devido inativação e perda física nas etapas de separação), e o reator requer mistura eficiente, pois a enzima atua na interface óleo-água da emulsão formada pela adição de pequena quantidade de água. Este tema pretende contribuir nessa área, estudando alternativas para facilitar a separação e reduzir perdas do biocatalisador e reduzir o tempo reacional. As alternativas propostas são o uso de compósitos de lipases e micropartículas magnéticas de sílica visando facilitar a separação e reuso do biocatalisador, uso de etanol hidratado visando reduzir a inativação do biocatalisador e uso de reator de fluxo em vórtice, o qual promove agitação eficiente com baixas tensões de cisalhamento, reduzindo danos ao biocatalisador. Micropartículas magnéticas de sílica, além de facilitar a separação do biocatalisador por aplicação de campo magnético, pode contribuir para a formação de micro-emulsão e favorecer acil-migração (migração de ácidos graxos da posição sn-2 do triglicerídeo para as posições sn-1/sn-3), necessária para conversão total de triglicerídeos em ésteres etílicos de ácidos graxos, favorecendo, portanto, altos rendimentos em menor tempo reacional. Além disso, a funcionalização da superfície da sílica com grupos hidrofóbicos pode contribuir para a ativação de lipases que possuem tampa (oligopeptídeo que cobre o sítio ativo da enzima), a qual sofre modulação entre as formas aberta (lipase ativa) e fechada (lipase inativa).
PALAVRAS-CHAVE: biodiesel, reator de fluxo em vórtice, lipase, micropartículas de sílica
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica ORIENTADOR: Raquel de Lima Camargo Giordano
TÍTULO: Hidrólise controlada do leite para redução de propriedades alergênicas RESUMO:
A hipersensibilidade às proteínas do leite de vaca é uma das principais causas de alergias alimentares, as quais afetam principalmente crianças. O leite de vaca contém mais de 20 proteínas com potencial alergênico já descrito, sendo que α-lactoalbumina e β-lactoglobulina são as mais importantes, em especial a segunda, pois não existe no leite humano. Diversos trabalhos reportam que hidrólise parcial dessas proteínas reduz seu potencial alergênico, mas nenhum hidrolisando proteínas diretamente no leite. O uso de enzimas imobilizadas covalentemente a suportes insolúveis permite sua reutilização e fácil separação do produto, com redução dos custos do processo. O grupo LabEnz, liderado pelos Profs. Raquel L. C. Giordano e Paulo W. Tardioli, tem ampla experiência nos processos de hidrólise de proteínas do leite, utilizando enzimas imobilizadas. Nesse cenário, este estudo tem como objetivo investigar a viabilidade técnica da geração de um leite com potencial alergênico reduzido, através da hidrólise das principais proteínas alergênicas, mantendo suas características físicas e organolépticas e qualidades adequadas para consumo, usando endoproteases imobilizadas. Estudos preliminares realizados com enzima solúvel mostraram produção de leite com sensível redução do peso molecular de suas proteínas e manutenção de suas características visuais, uma indicação, portanto, de viabilidade desta proposta. Neste estudo, se pretende inicialmente gerar produtos com tamanho controlado de peptídeos para serem submetidos a testes de redução de alergenecidade. Confirmada essa redução, serão estudados diferentes processos, usando-se diferentes endoproteases, protocolos de imobilização e modelos de reatores.
PALAVRAS-CHAVE: proteases, alergenecidade, caseína, hidrólise, imobilização multipontual.
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
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 PROFESSOR: Roberto de Campos Giordano
TÍTULO: Desenvolvimento de plataforma computacional para análise tecno-econômica e otimização de biorrefinaria no ambiente EMSO
RESUMO:
A implantação em escala industrial de biorrefinarias, entendidas como plantas produzindo simultaneamente biocombustíveis avançados (a partir de resíduos de biomassa) e biomolécuas de maior valor agregado, ainda não está consolidada em nível mundial. Para tanto, é indispensável dispor de ferramentas computacionais robustas, provendo análises tecno-econômicas consistentes do processo integrado. Essas análises devem ser baseadas em modelos simplificados de processos reais – mas que capturem suas características tipicamente não-lineares. Este tema pretende explorar o conhecimento do LaDABio em termos dos processos envolvidos em biorrefinarias baseadas em cana-de-açúcar, no ambiente brasileiro, para implementar abordagem inovadora de análise tecno-econômica integrada à solução dos balanços de massa e energia do processo global.
PALAVRAS-CHAVE: etanol de segunda geração; biocombustíveis de aviação; síntese de building blocks por rotas bioquímicas; análise tecno-econômica de biorrefinarias; simulador de processos EMSO.
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.
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica PROFESSOR: Teresa Cristina Zangirolami
TÍTULO DO TEMA: Biorrefinaria Virtual da Produção de Proteína por E. coli recombinante
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 desbalanceamento de fluxos e esgotamento de precursores intracelulares. Como consequência, tanto o crescimento e a viabilidade celular assim como a própria síntese da proteína recombinante são afetados, reduzindo a produtividade do processo. Após a finalização do cultivo, a biomassa é submetida a uma série de operações de downstream (rompimento, precipitação, cromatografia etc) para obtenção do bioproduto puro. Estudos já realizados mostraram que as estratégias de cultivo adotadas influenciam não só a produção de proteína durante o cultivo, mas também o rendimento das etapas de purificação, reforçando a necessidade de integração das etapas produção-purificação para a otimização global do processo. Além disso, as etapas de purificação têm grande impacto no custo do bioproduto, de forma que a otimização do processo deve levar em consideração tanto a maximização da quantidade de proteína pura obtida como a minimização do custo do processo global. Os principais objetivos do presente trabalho são: i) comparar diferentes estratégias de cultivo e protocolos de purificação em termos de produtividade e custo da proteína de interesse pura; ii) identificar estratégias de cultivo e protocolos de purificação mais promissores. O desenvolvimento do estudo proposto será iniciado com a integração das etapas de produção e purificação utilizando o software EMSO (Environment for Modelling, Simulation and Optimisation). As diferentes configurações (produção-purificação) já estudadas experimentalmente serão simuladas no referido software para estimativa do custo do produto de interesse. Para as condições de produção (cultivos) mais favoráveis à recuperação da proteína com custo mínimo, serão realizados experimentos de validação em biorreator em colaboração com aluno de mestrado (responsável pelos cultivos) e com pesquisadores do Instituto Butantan (responsáveis pelos estudos de purificação da proteína).
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.
