Tecnologias e Processos (mais) Limpos. João G. Crespo

Tecnologias e Processos

(mais) Limpos

A Engenharia usando os princípios de

Química Verde

Uso de solventes menos poluentes (e.g., Fluidos

supercríticos, Líquidos Iónicos)

Processos (bio)catalíticos

com minimização de formação de subprodutos

Processos selectivos com uso de materiais

inteligentes (e.g., Membranas)

Valorização de subprodutos industriais e

matérias primas renováveis

Monitorização e controlo de processos em tempo

real

Extracção com fluidos supercríticos e

processos com membranas

Extracção de compostos bioactivos

de elevado valor acrescentado

Origem: Resíduos do processamento do

azeite

o quê? Esqualeno; Extractos naturais ricos em

Hidroxitirosol

como? Dióxido de carbono supercrítico;

Processos com membranas

Patentes internacionais

Micro-nano dispositivos para implantes e

libertação controlada de fármacos

PNIPAAm impregnado num “scaffold” de quitosano.

Poli(N-isopropilacrilamida), PNIPAAm, um hidrogel

termo-sensível com aplicações em libertação de fármacos,

engenharia de tecidos e membranas inteligentes foi

sintetizado em CO2 supercrítico com diferentes

percentagens de agente reticulante.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 5 Dias % " S w el li n g " 0 10 20 30 40 50 T em p er a tu ra ( ºC ) 2.5 % agente reticulante 1.0 % agente reticulante Temperatura (ºC)

A polimerização in-situ de NIPAAm em scCO₂ para a

impregnação e/ou revestimento de estruturas porosas de

quitosano produz dispositivos porosos secos e sem

contaminantes, capazes de alterar as propriedades de superfície de uma forma rápida e reversível sob acção de estímulos externos.

com agente reticulante sem agente reticulante

Capacidade inteligente de inchar e de contrair

dos hidrogéis com diferente reticulação

sintetizados no interior dos microporos dos “scaffolds” de quitosano, por variação da temperatura.

Interacções enzima/matriz sol-gel

Correlação das propriedades de uma enzima imobilizada em matrizes sol-gel com as

características das matrizes, preparadas com diferentes funcionalizações e aditivos.

Utilização de espectroscopias de fluorescência, de ressonância magnética nuclear, de infra-vermelho em reflectância difusa, mutagénese dirigida, microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de raios-X, microscopia óptica.

Colaborações intra-REQUIMTE, com IST/UTL, com ITQB/UNL, com outros Sectores da FCT e da UNL.

Micrografia de matriz sol-gel com adição de zeólito NaA.

Visualização da proteína corada com uma sonda fluorescente.

Estrutura da enzima modelo, retirada do Protein Data bank.

Desenvolvimento de membranas “inteligentes”

no fraccionamento de biomoléculas

Exposição à luz Ausência de luz

Cis-trans isomerization of retinal

Alteração controlada das características químicas e físicas da membrana:

Alteração do carácter hidrofóbico

Alteração do tamanho de poro

Mimetização dos sistemas biológicos

Fluxo de permeado

Redução da colmatação membranar

Melhor selectividade

Aumento do fluxo de permeado

Membrana modificada

Carrageenan/pectin film with mica flakes

SEM POM

Carrageenan/pectin film with mica flakes

SEM POM

Desenvolvimento de filmes biodegradáveis

para embalagens alimentares

Materiais biodegradáveis obtidos a partir subprodutos agrícolas, resíduos de indústrias alimentares e de recursos naturais de baixo valor

Podem ser usados na produção de filmes, mas é necessário que as suas propriedades mecânicas e a permeabilidade a gases e vapor de água sejam adequadas.

A permeabilidade pode ser alterada por inclusão de materiais inertes (micas ou argilas) e compostos reactivos (ácido ascorbico ou hidróxido de cálcio que interactuem com o oxigénio e com o dióxido de carbono, respectivamente).

Produção, extracção, caracterização e utilização

de polissacáridos de origem bacteriana

•

(glicerol)

Projecto:

Produção de Biopolímeros a partir de Glicerol, Sub-produto da Produção do Biodiesel. ENERSIS, 2005-2008. Filmes biodegradáveis para embalagens Libertação controlada de fármacos Extracção Utilização

Bioprodução

de PHA Extracção

Biopolímero

Produção de polihidroxialcanoatos (PHA) a partir

de sub-produtos Industriais



Melaços



Soro de leite



Sub-produtos do

biodiesel (glicerol)

Sustainable Microbial and Biocatalytic Production of Advanced Functional Materials. EU Integrated Project. Contract nº 026515-2; 2006-2008

.

Produção de biodiesel por transesterificação

de óleos vegetais

MEMBRANE METHANOL SOYBEAN OIL 1 1 1 2 3 4567 8 9 1 10 2 3 4567 8 9 1 1 0 Reactor de membrana Membrana catalítica

Despolimerização catalítica de resíduos de

materiais plásticos

Preparação dos catalisadores Cristalization Calcination Washing Mixing Spray Drier Post exchange Filtration Cristalization Calcination Washing Mixing Spray Drier Post exchange Filtration

Preparação dos catalisadores

Parceiros:

REQUIMTE

Petrobrás, Brasil

Patente:

E. Falabella Souza-Aguiar, A. Figueirado Costa, I.M.F.L. Fonseca, A.M.M. Ramos, J. Vital, M.B.B. de Almeida, Processo Para A Despolimerização De Polímeros Acrílicos Via Pirólise Catalítica, Patente Brasileira INIPI 0000220401925436, 10/03/2005

Carvão activado

Remoção de metais em fase líquida usando o carvão activado

Cr 58 mg/g _{28 mg/g}Fe Cu 32 mg/g Ni 15 mg/g Co 18 mg/g

Instalação piloto para a obtenção do carvão activado

Mistura de resíduos para obtenção de carvão activado

Project NATO Science for Peace

Biomassa Carvão bituminoso Resíduos de petróleo

25% 25% 50%

NATO

NATO NATO SfPSfPprojectproject977984977984 NATO SfPSfPprojectproject977984977984

Remoção de metais em fase líquida

usando carvão activado

Remoção de poluentes aniónicos em

bio-reactor de membranas de permuta iónica

24.5 ppb 50 ppm Limites regulamentados 3.6 ±1.1 ppb 100 ppb ClO₄ -0.3 ±0.2 ppm 60 ppm NO₃ -Concentrações na água tratada Concentrações na água poluida Aniões Poluentes

IEMB

Água Poluida Água Tratada Alimentação ao Biorreator

Effluent do Biorreactor

Circuito Biológico

Circuito da Água Módulo de Membranas

Nanofiltração – Dinâmica de Fluidos

Computacional (CFD)



A polarisação da concentração num módulo de membranas foi estudada

por dinâmica de fluidos computacional (CFD). Foram identificados os

melhores espaçadores, que possibilitam uma melhor transferência de

massa para uma menor energia consumida

Bio(Nano)Tecnologia



Design Molecular (Proteína-Receptor)



Síntese Combinatorial

BIOSEPARAÇÃO

BIOSENSORES

Miniaturização de bibliotecas combinatoriais (Fundação Calouste Gulbenkian)

Biosensores Acústicos (Institute of Biotechnology, University of Cambridge)

Nutracêuticos Proteínas

Monitorização de alterações estruturais e funcionais

de proteínas induzidas por ultrafiltração

Interacções proteína-membrana Tensão de corte dentro dos poros Agitação Interacções proteína-proteína Tensão de corte tangencial Fluorescência 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 A c ti v id a d e H R P -4 C [ ( ∆∆∆∆ CP / ∆∆∆∆ t ) / C P e ro x *1 0 9] / m o lPro d .s -1 .m g -1 Pe ro x TMP (bar)

Enzymatic activity of feed

Membrana PES Membrana RC Ret Ret 100 kDa 30 kDa 30 kDa 10 kDa

2. Alterações funcionais da peroxidase

300 320 340 360 380 400 420 0 20 40 60 80 100 120 In te n s id a d e d e F lu o re s c ê n c ia ( a .u .) λλλλem(nm)

1. Alterações estruturais da peroxidase

Proteína antes da ultrafiltração Proteína após ultrafiltração pe_rm ea do_s retido Alim entaç_ão Triptofano

sonda intrínseca fluorescente

Objectivos

Identificação das condições operacionais

que permitem a minimização do impacto do processo de ultrafiltração

Desenvolvimento de novos materiais

de membranas ou membranas com superfície modificada

Horseradish peroxidase

Heme group

Sistemas biológicos híbridos

semi-paramétricos

…a ponte entre duas Ciências

efm1 efm2 efm3

efm4

Biomass synthesis:0.0208 Glc + 0.0377 Gln + 0.0133 Ala Xv(Europa et al. 2003)

Product synthesis: 0.0104 Gln + 0.0112 Ala IgG1-IL2 (www.rcsb.org)

efm5 efm6

efm1 efm2 efm3

efm4

Biomass synthesis:0.0208 Glc + 0.0377 Gln + 0.0133 Ala Xv(Europa et al. 2003)

Product synthesis: 0.0104 Gln + 0.0112 Ala IgG1-IL2 (www.rcsb.org)

efm5 efm6

“Systems Biology”

Engenharia de Bioprocessos

Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB) Instituto de Biologia Experimental e Tecnológica (IBET)

De forma a melhorar…

Conhecimento metabólico Produtividade