Temas para DOUTORADO 1 Orientador: Alberto Badino Junior
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica TÍTULO: Avaliação do processo de fermentação alcoólica extrativa em biorreatores
pneumáticos utilizando CO2 como gás de arraste
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 (stripping) com
gases para a remoção do etanol durante a fermentação. Neste trabalho propõe-se avaliar o
processo de fermentação alcoólica extrativa em biorreatores pneumáticos utilizando CO2
como gás de arraste. Preliminarmente serão analisados 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, bem como o
emprego de dispositivo de geração de microbolhas. 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 de produção e produtividade em etanol.
PALAVRAS-CHAVE: etanol 1G, processo integrado, fermentação extrativa, CO2,
biorreatores pneumáticos.
2 Orientador: Alberto Badino Junior ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
TÍTULO: Produção de celulases por Aspergillus Niger a partir de liquefeito de bagaço de
cana de açúcar
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. Sabe-se que a produção de celulases por fungos
filamentosos pode ser realizada por cultivos em fermentação submersa ou em estado sólido.
Independente da forma de cultivo, a biomassa pode ser utilizada como fonte de carbono do
meio nutriente e atuar como indutor para a síntese enzimática. Estudos recentes revelaram
que a utilização de biomassa liquefeita no cultivo aumenta significativamente a produção de
enzimas, configurando-se como uma potencial estratégia na redução dos custos destes
catalisadores biológicos. O presente tema de doutorado tem como objetivo principal estudar a
liquefação de materiais lignocelulósicos para sua aplicação no cultivo de Aspergillus niger a
fim de selecionar a condição que maximize a produção enzimática. Serão avaliados diferentes
substratos e os efeitos de diferentes estratégias de alimentação na etapa de liquefação da
biomassa. Em seguida, serão realizados cultivos de Aspergillus niger variando-se a
temperatura e a carga de sólidos liquefeito adicionada no meio visando a produção de
celulases. O extratos enzimáticos serão utilizados na hidrólise do substrato de forma a obter
substrato para a produção de etanol por Saccharomyces cerevisiae.
PALAVRAS-CHAVE: Etanol 2G, celulases, fungos filamentosos, liquefação.
3 Orientador: Alberto Badino Junior ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
TÍTULO DO TEMA: Título: Influência de aspectos geométricos na hidrodinâmica e na
transferência de oxigênio de biorreatores airlift de circulação interna utilizando Fluidodinâmica
Computacional (CFD)
RESUMO:
Os biorreatores pneumáticos são equipamentos que vêm adquirindo importância relevante no ramo da Biotecnologia devido as suas características como ausência de selo mecânico, baixo custo e baixo consumo de potência, tornando-se alternativas promissoras aos biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado em bioprocessos, incluindo os de produção de celulases por fungos filamentosos. Estudos avaliando a influência de parâmetros geométricos têm sido realizados com o intuito de se melhorar o desempenho destes equipamentos no que se refere à hidrodinâmica e transferência de massa. Embora novas geometrias de biorreatores airlift tenham sido propostas, há a necessidade de estudos mais aprofundados, no intuito de se obter equipamentos com geometrias mais adequadas que melhorem a hidrodinâmica e a transferência de oxigênio desses equipamentos visando sua utilização em bioprocessos de interesse. A Fluidodinâmica Computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) vem apresentando uma evolução em termos de aplicação industrial nos últimos anos. Os códigos computacionais disponíveis na atualidade são fáceis de usar e possibilitam a obtenção de respostas de alta qualidade para as mais diferentes operações e equipamentos. Dentre as inúmeras possiblidades de aplicação, o projeto de equipamentos apresenta-se como destaque, pois a CFD permite a obtenção de resultados para equipamentos de diferentes características geométricas e operando em diferentes condições sem a necessidade de construção de unidades pilotos, reduzindo custos e tempo de projeto. Isso posto, o presente projeto tem como objetivo avaliar a influência de parâmetros geométricos, como o ângulo de abertura da região de mistura e a fração de líquido na mesma região, no desempenho de biorreatores airlift de circulação interna de seções transversais circular e quadrada, utilizando-se fluidos Newtonianos e não-Newtonianos, com bagaço de cana de açúcar e fibras de celulose, para simular caldos de fermentação envolvendo microrganismos filamentosos para a produção de celulases. Os resultados experimentais em conjunto com aplicação de técnicas numéricas possibilitarão avanços em variáveis importantes para o processo, como por exemplo a retenção gasosa global e o cisalhamento, comparando-se resultados simulados e experimentais para as geometrias retangular e cilíndrica e assim possibilitando a indicação da configuração mais indicada para o biorreator.
PALAVRAS-CHAVE: biorreatores, hidrodinâmica, transferência de oxigênio, celulases,
etanol 2G.
4 Orientador: Adilson José da Silva ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
TÍTULO DO TEMA: Construção racional de uma fábrica celular para produção de
L-aspartato
RESUMO
Produtos de valor agregado tais como aminoácidos, ácidos orgânicos e outras
especialidades obtidas por processos fermentativos movimentam um mercado global
estimado em US$ 22 bilhões. Dentre eles, o ácido aspártico (37,4 mil ton, 2013) é
destacado pelo Dep. de Energia dos EUA e pela Agência Internacional de Energia como
um potencial coproduto em biorrefinarias. O L-aspartato é usado na produção de aspartame
e de ácido poliaspártico. Como bloco construtor, pode ser convertido em diversas classes
de moléculas com aplicações na indústria química e farmacêutica. É produzido
industrialmente por rota enzimática, utilizando fumarato (derivado de rota petroquímica) e
amônia, mas o alto custo do fumarato tem limitado a entrada de novos produtores no
mercado. A produção de ácido aspártico por E. coli, por sua vez, é um nicho ainda
inexplorado na literatura. Este tema de doutorado propõe a utilização de ferramentas da
Engenharia Metabólica e da Biologia de Sistemas para, através de modificações genéticas,
direcionar o metabolismo de células de E. coli para a produção e acúmulo de ácido
aspártico, e realizar a caracterização da linhagem produtora por abordagens ômicas.
Partindo do modelo metabólico em escala genômica construído para E. coli, o metabolismo
da bactéria será explorado in silico utilizando o software Optflux para identificar os alvos
para modificação genética. Técnicas de engenharia genética serão usadas para deleção e
sub- ou superexpressão de genes para construção de células sobreprodutoras de ácido
aspártico. A cepa resultante será cultivada em biorreator operado em modo contínuo para
caracterização da linhagem em termos de produção de metabólitos intra e extracelulares
(por meio de emprego de substrato marcado com 13C). As amostras coletadas serão
também utilizadas para determinação da concentração de biomassa (por densidade ótica e
massa seca), de glicerol, de ácidos orgânicos e do produto de interesse (por HPLC). Assim,
ao final, pretende-se chegar à construção de uma linhagem de E. coli cujas alterações
metabólicas implementadas lhe transformem em uma fábrica celular para produção
eficiente de L-aspartato.
PALAVRAS-CHAVE: E. coli, Ácido Aspártico, Biologia de Sistemas, Engenharia
Metabólica, Fluxômica.
5 Orientador: Antonio Carlos Luperni Horta ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica/Simulação e Controle de Processos
TÍTULO: Cultivo de microalgas em fotobiorreator
RESUMO: As microalgas são fontes naturais de biomassa, ácidos graxos insaturados,
carotenoides, xantofilas, vitaminas, proteínas, minerais e enzimas; compostos de grande
importância comercial. A otimização de processos de produção desses microrganismos é de
grande interesse econômico. Para maximizar a formação de biomassa microalgal e seus
produtos é necessário otimizar as condições operacionais do fotobiorreator de acordo com as
demandas do respetivo microrganismo, tais como fornecimento de dióxido de carbono,
oxigênio, luz, pH, fotoperíodo e temperatura adequados. A Chlamydomonas acidófila é uma
forte candidata para produção de biomassa, pois suporta um pH ácido, ideal para combater
contaminações e com baixo custo de controle. Pode ser usada no conceito de biorrefinarias,
aproveitando um subproduto abundante como dióxido de carbono para crescimento celular e
acúmulo de biomassa. O objetivo deste trabalho é otimizar as condições operacionais do
fotobiorreator airlift de forma a maximizar a produção de biomassa microalgal. Como
objetivos secundários serão desenvolvidos: i) Modelos matemáticos da formação de
biomassa e consumo de substrato; ii) Otimização do meio de cultivo; iii) Implementação de
controlador automático de luz utilizando Arduino; iv) Produção de artigos científicos.
PALAVRAS-CHAVE: Fotobiorreator, Microalga, Airlift
6 Orientador: Antonio Jose Gonçalves da Cruz ÁREA DE PESQUISA: Análise e Simulação de Processos Químicos
TÍTULO DO TEMA: Etanol 2G: modelagem matemática das etapas de pré-tratamento,
hidrólise e fermentação
RESUMO:
No Brasil, o processamento da cana-de-açúcar gera uma grande quantidade de
resíduos agrícolas. Para cada tonelada de cana processada são gerados cerca de 280 kg de
resíduos, divididos entre aproximadamente de 140 kg de palha e 140 kg de bagaço (b.s).
Com o Decreto Federal n. 2.661/98 que estabelece o fim gradativo da queima da cana-de-
açúcar, uma grande quantidade dessa palha estará disposta nos campos. A palha da cana-
de-açúcar consiste em uma biomassa lignocelulósica residual, constituída basicamente de
celulose (40%), hemicelulose (30%) e lignina (25%). A produção do etanol de segunda
geração (E2G) envolve as etapas de pré-tratamento e hidrólise da biomassa, fermentação
dos açúcares resultantes, e a etapa de recuperação do etanol (destilação). A dificuldade de
se converter os carboidratos presentes no material lignocelulósico em açúcares
fermentescíveis é atribuída à complexidade da parede celular, por essa razão há a
necessidade da realização de um pré-tratamento prévio a fermentação. O pré-tratamento é
uma das etapas operacionais mais relevantes e tem por finalidade alterar ou remover a
lignina e a hemicelulose, aumentar a área superficial e diminuir o grau de polimerização e
cristalinidade da celulose. A fermentação é a etapa onde os açúcares obtidos são
convertidos por leveduras a etanol. O presente tema de Doutorado tem como objetivo
realizar a modelagem matemática e a simulação dessas três importantes etapas da produção
de E2G. Para essa finalidade o trabalho prevê uma extensa busca por dados da literatura, e
também a utilização de dados obtidos no grupo de pesquisa. Os modelos matemáticos
desenvolvidos serão implementados em pacotes computacionais (Scilab ou MatLab). Os
parâmetros dos modelos matemáticos desenvolvidos serão estimados empregando métodos
clássicos, como por exemplo, Levenberg-Marquardt.
PALAVRAS-CHAVE: Etanol lignocelulósico; Modelagem matemática; Cinética;
Ajuste de parâmetros
7 Orientador: Claudio Alberto Torres Suazo Área de Pesquisa: Engenharia Bioquimica
Titulo do tema : Produção de células tronco mesenquimais (CTMs) em larga escala em biorreatores de ultima geração
RESUMO: Cultivo, expansão e utilização de células tronco é a área de conhecimento que mais destaque vem tendo dentro da
Biotecnologia. 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 no mais moderno tipo de biorreator atualmente lançado no mercado de aplicações biotecnológicas. Trata
biorreator Wave, mais conhecido como biorreator de onda, que simula o comportamento de ondas no mar para aumento da
área de troca de oxigênio entre o ar e o meio de cultura. Espera-se com essa estratégia de cultivo conseguir a expansão
intensificada in vitro de células tronco mesenquimais (CTMs). Como um dos grandes problemas em termos de cultivo de
células animais é o fornecimento de oxigênio, serão feitos vários experimentos para avaliar o desempenho desse biorreator em
condições bem monitoradas e controladas. Os resultados de cada experimento em termos de densidade celular, células viáveis e
não-viáveis, 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, permitirá fazer uma seleção criteriosa de condições ótimas para operação do biorreator com tecnologia
wave. Estas informações serão de crucial importância para a operação prática, real, do biorreator em condições de alta
produtividade.
PALAVRAS-CHAVE: células animais, células tronco mesenquimais, biorreator wave, cultivo de células
8 Orientador: Cristiane Sanchez Farinas ÁREA DE PESQUISA: Engenharia bioquímica
TÍTULO Tema 1: Desenvolvimento de bioprocesso para produção de ácidos
orgânicos visando à aplicação na obtenção de biofertilizantes
RESUMO: Fertilizantes químicos fosfatados são utilizados em todo o mundo para
melhorar a produtividade agrícola. Entretanto, o processo de produção destes fertilizantes
envolve altos custos e pode causar danos ambientais, gerando a necessidade de desenvolver
novos processos tecnológicos para produção de fertilizantes. Microrganismos produtores
de ácidos orgânicos estão sendo relatados como potentes solubilizantes de fosfatos
inorgânicos e alguns estudos recentes relatam o cultivo destes microrganismos para
solubilização de rocha fosfática. Nesse contexto, o desenvolvimento de novas estratégias
de cultivo de microrganismos para otimizar a produção de ácidos orgânicos utilizando
como matéria-prima resíduos agroindustriais de baixo custo possui um grande potencial
para contribuir para o aproveitamento de rochas fosfáticas abundantes no país. Dessa
forma, o objetivo deste projeto de doutorado é estudar o desenvolvimento de um
bioprocesso para a produção de ácidos orgânicos e sua aplicação na obtenção de
biofertilizantes a base de fosfato utilizando resíduos agroindustriais como fonte de carbono.
PALAVRAS-CHAVE: biofertilizantes, fermentação, biorretores, cultivo microbiano
9 Orientador: Cristiane Sanchez Farinas ÁREA DE PESQUISA: Engenharia bioquímica
TÍTULO Tema 2: Aplicação de técnicas de espectroscopia para o monitoramento dos
inibidores de hidrolisados de biomassa lignocelulósica
RESUMO: Os hidrolisados de biomassa lignocelulósica utilizados como substratos para a
produção de biocombustíveis e outros produtos químicos, dentro do conceito de
biorefinarias, frequentemente contêm quantidades elevadas de compostos fenólicos que
inibem e desativam enzimas e também influenciam negativamente o crescimento
microbiano nos processos fermentativos. A quantificação desses compostos inibidores
podem ajudar a compreender as limitações destes bioprocessos e promover o
desenvolvimento de processos mais eficientes, robustos e tolerantes a esses compostos.
Neste projeto de doutorado será avaliado o uso de técnicas de espectroscopia para
monitorar os compostos fenólicos e demais inibidores presentes no hidrolisado do bagaço
de cana-de-açúcar. Diferentes concentrações de compostos fenólicos provenientes de
misturas sintéticas e reais serão quantificadas em hidrolisados provenientes de bagaço de
cana submetidos a diferentes pré-tratamentos. Espera-se como resultado deste projeto, o
desenvolvimento de um método que permita monitorar os compostos fenólicos em tempo
real, contribuindo para a implementação de estratégias de controle de processo que
minimizem o impacto negativo destes inibidores.
PALAVRAS-CHAVE: inibidores, fenólicos, hidrolisados, espectroscopia, etanol 2G
10 Orientador: Dilson Cardoso ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
TEMA 1: Estudo de sílicas com propriedades básicas visando a produção do
Biodiesel
PALAVRAS
CHAVE:
Biodiesel, Catálise heterogênea, Catálise básica
Interesterificação, Sílicas Híbridas, Transesterificação
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)
11 Orientador: Edson Luiz Silva ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental
TÍTULO: Estudo comparativo entre a produção de hidrogênio e de metano a partir de
glicerol usando reator de leito fluidificado 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 fluidificado (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.
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 glicerol (DQO = 10.000 mg/L) como substrato em reatores anaeróbios de leito fluidificado 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, glicerol,
sistema em 2 estágios.
12 Orientador: Ernesto Antonio Urquieta-González ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
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 minerais 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 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 ou sólidos
mesoporosos ordenados. Na avaliação dos catalisadores será utilizada linha de testes do
Laboratório de Catálise do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. A pesquisa
faz parte de Projeto CEPID/PITE sendo financiado pela FAPESP. Se incentivará a
realização de estágio sanduíche em universidade da Europa.
PALAVRAS-CHAVE: catálise heterogênea, síntese orgânica, peneiras moleculares
13 Orientador: Ernesto Antonio Urquieta-González ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
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 em processos de hidrodessulfirização ou oxidessulfurização
de hidrocarbonetos.
- Catalisadores à base de óxidos de metais de transição e/ou metais nobres aplicados ao
abatimento de óxidos de nitrogênio ou monóxido de carbono em emissões industriais
Nos estudos, se realiza o controle das propriedades físico-químicas dos catalisadores
mais adequadas à aplicação nos processos mencionados, compreendendo o uso de difração
de raios-X, ressonância magnética nuclear, microscopia eletrônica de varredura e de
transmissão, análises termogravimétricas, redução com hidrogênio a temperatura
programada, espectroscopia no infravermelho, entre outras. A avaliação dos catalisadores é
realizada utilizando unidades de reação especialmente montadas no Laboratório de Reatores
e Catálise do Departamento de Engenharia Química. No contexto acima, a pesquisa a
definir como tese de doutorado envolverá a realização de estágio sanduíche em
universidade no exterior.
PALAVRAS-CHAVE: catálise heterogênea, craqueamento, hidrodessulfurização,
oxidessulfurização, abatimento de NOx e CO
14 Orientador: João Batista Oliveira dos Santos ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise
TÍTULO: Geração de energia, hidrogênio e captura de CO2 via reações cíclicas.
RESUMO: Chemical looping combustion (CLC) é uma tecnologia para a produção de
energia com captura de CO2. CLC foi inicialmente proposto para aumentar a eficiência
térmica em plantas geradoras de energia e, em seguida, foi utilizado também como um
processo para a separação de CO2. A principal diferença entre CLC e tecnologias
convencionais de combustão é que o contato direto entre o ar e o combustível é eliminado.
Neste caso, o CO2 é obtido sem diluição com nitrogênio. Na tecnologia CLC, o oxigênio
utilizado na combustão é proveniente de ciclos de redução e oxidação de um material sólido
tipo metal/óxido (MyOx/MyOx-1).
Chemical looping reforming (CLR) utiliza o mesmo conceito empregado na CLC, mas o
produto produzido é o hidrogênio. O processo CLC ou CLR ocorre, em geral, em dois reatores
de leito fluidizado em que ocorre a oxidação do sólido em um reator e a posterior redução do
sólido no outro reator. O processo CLC foi demonstrado para a combustão do gás natural em
protótipos para a geração de energia na faixa entre 1 e 50 kW. Os principais problemas
encontrados foram a baixa estabilidade do metal/óxido e a baixa taxa de oxidação e redução
do sólido. Portanto, pesquisas são necessárias para o desenvolvimento de sólidos
(MyOx/MyOx-1) com as seguintes características: elevada taxa de oxidação-redução, baixa taxa
de atrito e fragmentação, baixo custo, elevada eficiência de combustão e elevada estabilidade.
A proposta deste trabalho é desenvolver materiais com as qualidades necessárias para
aplicações em processos envolvendo CLC, CLR e outras classes de reações cíclicas. Os
materiais utilizados (NiO/ZrO2, NiO/Fe2O3, NiO/MgAl2O4 e NiO/CeO2) serão preparados
por impregnação, mistura úmida e por coprecipitação. Os materiais serão carcaterizados por
adsorção de N2, difração de raios x, microscopia eletrônica de varredura e transmissão,
redução a temperatura programada e análise termogravimétrica.
As reações de CLC serão realizadas em reator contínuo com fluxo de CH4 na etapa de
redução e com fluxo de 10% O2/He na etapa de redução. As reações serão realizadas nas
temperaturas de 700 ºC, 800 ºC e 900 ºC, sendo que cerca de 30 ciclos de redução-oxidação
serão medidos. Os produtos formados durante os experimentos serão analisados por
espectrometria de massas. As caracterizações serão realizadas antes e após as reações com o
objetivo de verificar alterações na estrutura do material.
As reações de CLR serão realizadas no mesmo sistema reacional utilizado na CLC. O CH4
será utilizado como agente redutor e a água como oxidante. A proposta deste trabalho é
empregar também o etanol como agente redutor, visto que o etanol é uma matéria prima
renovável e que o Brasil domina a tecnologia de produção e distribuição
. PALAVRAS-CHAVE: energia, CO2, hidrogênio.
15 Orientador: José Mansur Assaf ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
Tema 1 – Hidrogenação de CO e CO2 para produção de combustíveis líquidos
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.
16 Orientador: José Mansur Assaf ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
Tema 2 – Novas estruturas óxidas para produção de H2
Utilizando matérias-primas fósseis como o gás natural e renováveis como o biogás, com
auxílio de
catalisadores, pode-se 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.
Apesar da origem fóssil do gás natural, 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.
O biogás é 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.
Óxidos com estruturas do tipo perovskita 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.
17 Orientador: José Maria Correa Bueno ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
TÍTULO: Estudo das transformações estruturais de catalisadores de a base de Fe-Ni em
condições redutora e de reforma de derivados da biomassa para geração de H2
RESUMO:
Este projeto tem o objetivo de desenvolver catalisadores para a geração de hidrogênio
utilizando reações de reforma a vapor com as principais moléculas que compõem o bio-
óleo. Um dos desafios é alcançar um catalisador resistente a deposição de carbono com
potencial para aplicação tecnológica. Para alcançar os objetivos, pretende-se desenvolver e
aperfeiçoar técnicas de para a caracterização detalhada de propriedades estruturais e
eletrônicas in situ e a correlação dessas com o desempenho catalítico. Pretende-se encontrar
os efeitos de i) a importância da natureza do metal e suporte; e iii) sobre a influencia do
suporte no caminho reacional para a formação de H2.
Os catalisadores a base de Ni, usado industrialmente para reforma do metano, quando
aplicados a reforma de moléculas menos estáveis apresenta alta atividade para acumulo de
carbono na superfície, o qual desativa o catalisador. A formação de liga influencia a
deposição de carbono sobre a superfície do catalisador durante a reação de reforma, Estas
espécies de óxido na superfície das partículas devem auxiliar na oxidação do carbono
formado sobre a superfície de metais, a qual seria representada pelas reações M0+ H2O↔
MO + H2 e C-M0 + MO↔ CO + 2M0. Espera-se assim que o estudo científico do problema
e de como os pontos chave citados afetam a estabilidade levará ao entendimento da reação e
consequentemente a catalisadores estáveis para reforma a vapor do etanol.
Pretende-se com os resultados adquirir conhecimento detalhado da relação entre as
propriedades estruturais e químicas do catalisador a nível atômico e as condições de
operação do reator, necessárias para a operação estável de um reator para a geração de
hidrogênio, com alta atividade, seletividade e estabilidade. Portanto, pretende-se
desenvolver um catalisador com potencial para aplicação tecnológica.
PALAVRAS-CHAVE: Catalisador, Hidrogênio, reforma a vapor
18 Orientador: José Maria Correa Bueno ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
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 [1-3]. 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], 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 % .
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 . 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,. Chem. Rev. 101 (2001) 953
PALAVRAS-CHAVE: Catalise, hidrogenação do CO2, síntese do metanol
.
19 Orientador: José Maria Correa Bueno ÁREA DE PESQUISA: Catálise e Reatores Químicos
TÍTULO: Desenvolvimento Estrutural de Catalisadores para Produção de Etileno Via
Conversão Direta no Acoplamento Oxidativo do Metano
RESUMO: Embora o metano seja usado atualmente em aplicações importantes como a
geração de H2 para a síntese de NH3, seu potencial para a produção de etileno ou de
combustíveis de hidrocarbonetos líquidos ainda não foi completamente explorado. As
enormes reservas de metano, encontradas freqüentemente em regiões remotas, podem servir
como matéria-prima para a produção desses produtos químicos. Além disso, a utilização de
biogás (gás rico em CH4 e CO2) de aterros sanitários e do tratamento de águas residuárias é
muito importante para um desenvolvimento sustentável e demanda avanços tecnológicos.
Os métodos diretos para a conversão do metano em produtos desejados (como etano
e etileno, produtos do acoplamento oxidativo do metano) têm a vantagem de pular a etapa
de formação do gás de síntese, que é de alto custo, pois a reforma é um processo que
consome grande quantidade de energia. Na reação de acoplamento oxidativo, metano e
oxigênio reagem em temperaturas elevadas, ≥ 700oC (a maior dificuldade é a quebra da
primeira ligação C–H), formando etileno, sendo a reação altamente exotérmica e bem
favorecida do ponto de vista termodinâmico. Porém isso pode levar a limitações de
transferência de massa, reações paralelas em fase homogênea ou reações consecutivas em
geral. O grande problema do acoplamento oxidativo está na obtenção de conversão e
seletividade em etileno em níveis economicamente atraentes, onde o processo direto
progrida a um estágio comercial, além da estabilidade dos catalisadores. O presente projeto
tem por objetivo desenvolvimento estrutural de catalisadores para a reação de acoplamento
oxidativo do metano de diferentes fontes com conversão direta a etileno, na busca de
maiores seletividades e rendimentos, bem como uma maior compreensão das reações na
superfície dos catalisadores.
PALAVRAS-CHAVE: Acoplamento Oxidativo do Metano; Biogás; Etileno;
Caracterizações in situ e operando.
20 Orientador: José Teixeira Freire ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados
TÍTULO DO TEMA 1: Desenvolvimento e otimização energética de um leito de
jorro com sistema de recuperação de calor do ar de exaustão, operando sob
condições de intermitência.
RESUMO: Dentre os diferentes equipamentos e métodos atualmente disponíveis
para a realização do processo de secagem, o leito de jorro tem se destacado por
proporcionar altas taxas de transferência de calor e massa, resultantes do alto grau
de mistura entre fases e das taxas de recirculação de sólidos no leito, o que
possibilita que o leito de jorro seja empregado em uma ampla variedade de
processos químicos e físicos, bem como secagem de pastas e sólidos particulados,
recobrimento, reações químicas e pirólise. Apesar de suas vantagens, o leito de
jorro tem apresentado algumas limitações que dificultam e tornam a sua aplicação
em escala industrial restrita. Tais desvantagens têm motivado o estudo e a
aplicação de diferentes configurações e geometrias, bem como a utilização de
metodologias de processamento distintas, a fim de que sejam superadas as
limitações. Desta maneira, destacam-se duas metodologias que não têm sido
exploradas no leito de jorro e combinadas podem representar uma alternativa
promissora do ponto de vista energético para a aplicação do equipamento no setor
industrial: a recuperação do calor perdido no ar de exaustão e a intermitência. O ar
de exaustão, além do potencial energético, possui também alto potencial para
remoção da umidade uma vez que não se encontra completamente saturado,
principalmente tratando-se do caso específico do leito de jorro. Já a intermitência,
consiste basicamente em uma metodologia que envolve a variação das condições
operacionais de secagem com o tempo. A aplicação da intermitência variando-se a
vazão do ar de secagem, além do menor consumo energético e maior eficiência,
propicia também a conciliação das vantagens pertinentes ao leito fixo com as
propriedades características do leito de jorro. Portanto, o estudo e a análise
detalhada dos fenômenos de transferência de calor e massa envolvendo a
aplicação destas técnicas no leito de jorro são de grande importância,
principalmente em situações onde almeja-se uma aplicação industrial. Diante de
tal contexto, o objetivo deste projeto de doutorado consistirá no desenvolvimento
de um leito de jorro com um sistema de recuperação de calor do ar de exaustão,
para que seja operado com a combinação da metodologia de intermitência e com a
inserção de dispositivos do tipo tubo draft, além da realização de uma otimização
energética do processo por meio da análise criteriosa dos fenômenos de
transferência envolvidos no sistema.
PALAVRAS-CHAVE: intermitência, secagem, leito de jorro.
21 Orientador: José Teixeira Freire ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados
TÍTULO DO TEMA 2: SECAGEM DE MATERIAL ALIMENTÍCIO
RESUMO: A SECAGEM É UMA DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS MAIS
ONEROSAS NOS PROCESSOS COM MATERIAL ALIMENTÍCIO. A BUSCA
POR SECADORES E PELA OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE SECAGEM É
CONSTANTE NESSE RAMO INDUSTRIAL. EXISTEM INUMEROS
MATERIAIS NECESSITANDO DE SE ANALISAR COM MAIS
FUNDAMENTAÇÃO O SEU PROCESSO DE SECAGEM. OS MATERAIS
VÃO DE PASTAS E SUSPENSÕES A SOLIDOS QUASE RÍGIDOS. PARA
CADA ESTADO FÍSICO DESSES MATERIAIS, EXISTE UMA
METODOLOGIA E UM TÍPO ESPECIFICO DE ANALISE. NO MOMENTO O
CENTRO DE SECAGEM DO DEQ UFSCAR TEM VARIOS
EQUIPAMENTOS DE SECAGEM EM FUNCIONAMENTO ASSIM COMO
DIVERSOS MATERIAIS PRECISANDO DE ESTUDO, COMO POR
EXEMPLO, A CEVADA, O MALTE VERDE PARA A FABRICAÇÃO DA
CERVEJA, BERINJELA, SUCO DE LIMÃO, COMDIMENTOS DE UM
MODO GERAL, ETC. O ALUNO QUE OPTAR POR ESSE TEMA,
INICIALMENTE TERÁ QUE DECIDIR POR UM MATERIAL ESPECÍCO
ENTRE OS JÁ CATALOGADOS PELO CENTRO OU TRAZENDO A IDEIA
DE UM MOVO MATERIAL, HÁ TAMBÉM A POSSÍBILIDADE DE
DESENVOLVIMENTO DE UM SECADOR ESPECIAL PARA O MATERIAL
SELECIONADO. OS ESTUDOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR E
MASSA RELACIONADOS AO PROCESSO SERÃO DESENVOLVIDOS
VISANDO A SUA SIMULAÇÃO E VERIFICAÇÃO.
PALAVRAS-CHAVE: ALIMENTOS, SECAGEM, SECADORES
22 Orientador: Luís Augusto Martins Ruotolo ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados
TÍTULO: Desenvolvimento de Novas Tecnologias para a Obtenção de Água Potável e
Tratamento de Águas Residuais
RESUMO:
O grupo de pesquisa onde será desenvolvido esse projeto de doutorado atua no
desenvolvimento de materiais, equipamentos e processos que visam o tratamento de água
para consumo e também o tratamento de águas residuais visando seu reuso. Essas
pesquisas são desenvolvidas no Laboratório de Tecnologias Ambientais do DEQ/UFSCar
(http://www.latea.deq.ufscar.br/). O tema de pesquisa específico será decidido de comum
acordo segundo a disponibilidade do grupo de pesquisa. Abaixo é dada uma breve descrição
das linhas de pesquisa.
Utilizando-se de conceitos como sustentabilidade e waste-to-product são
desenvolvidos carvões ativados a partir de resíduos industriais para posterior aplicação em
adsorção de compostos orgânicos poluentes e também para a preparação de eletrodos que
são utilizados para a dessalinização de águas salobras através de processos de eletrossorção.
O uso do elétron como reagente limpo em reações eletroquímicas para a
descontaminação de efluentes aquosos contendo compostos orgânicos poluentes e/ou metais
pesados também é estudado no que concerne ao desenvolvimento de reatores e processos.
Em ambos os casos, a água pode ser recuperada para reuso, contudo, no caso dos metais
pesados, os mesmos podem ser recuperados na forma metálica e reaproveitados. No caso da
degradação de orgânicos, há ainda a possibilidade de produção de H2 como subproduto do
processo. A eletroquímica pode também ser utilizada para o reaproveitamento do CO2 para
a produção de combustíveis (entre eles o etanol) através do desenvolvimento de reatores e
processos eletrocatalíticos avançados.
Visando a utilização da luz solar em processos de degradação de compostos
orgânicos poluentes, no Latea é estudado o desenvolvimento de fotocatalisadores ativos
tanto quando irradiados com luz UV quanto visível. A fim de que esses materiais possam
ser aplicados para a degradação de compostos orgânicos poluentes (com produção
simultânea de H2), são estudados e desenvolvidos processos e reatores fotocatalíticos e
fotoeletrocatalíticos.
PALAVRAS-CHAVE: engenharia eletroquímica, adsorção, eletrossorção fotocatálise,
dessalinização, degradação de poluentes orgânicos, remoção/recuperação de metais
pesado
23 Orientador: Maria do Carmo Ferreira ÁREA DE PESQUISA: Sistemas Particulados
TÍTULO: ANÁLISE DO PROCESSO DE SECAGEM DE FOLHAS
AROMÁTICAS EM DIFERENTES CONFIGURAÇÕES RESUMO: Folhas aromáticas e fitoterápicas são importantes matérias-primas em indústrias alimentícias, de cosméticos e farmacêuticas. Folhas de louro (Laurus nobilis) e oliveira (Olea europaea L.) são exemplos de ervas aromáticas com propriedades condimentares e medicinais cuja secagem ainda foi pouco investigada. No Centro de Secagem do DEQ/UFSCar está em desenvolvimento um secador rotativo com características inovadoras para a secagem convectiva de folhas, que foi testado na secagem de ramos de hortelã e se mostrou muito promissor. Dando continuidade a este trabalho, o objetivo deste projeto é analisar a secagem de ervas fitoterápicas no secador rotativo desenvolvido e avaliar o processo em comparação com outras configurações de secagem, como a secagem em leitos fixos com ar aquecido (estufa e esteira transportadora) e com aquecimento por micro-ondas. Os resultados serão analisados visando compreender como as características das folhas, a forma de contato e o método de fornecimento de calor afetam o processo de secagem e a qualidade do produto seco. A partir da análise e dos dados obtidos, pretende-se também propor uma modelagem matemática para a descrição do processo de secagem, baseada em equações fundamentais de conservação de massa e energia. PALAVRAS-CHAVE: caracterização, transferência de calor e massa .
24 Orientador: Mônica Lopes Aguiar ÁREA DE PESQUISA: CONTROLE AMBIENTAL
TÍTULO DO TEMA: Desenvolvimento de novos meios filtrantes com nanofibras, para aumentar a eficiência de coleta de nanopartículas em ambientes internos.
RESUMO: O processo de filtração utilizando meios filtrantes fibrosos é
bastante utilizado para a remoção de micropartículas de uma corrente de ar devido
à simplicidade de uso, o baixo custo operacional e as altas eficiências de coleta,
mas para partículas submicrônicas o estudo ainda é escasso internacionalmente.
Para alcançar altas eficiências de coleta de partículas com baixas quedas de
pressão, novas tecnologias na fabricação dos meios filtrantes estão surgindo,
como os filtros com nanofibras. Para a produção das nanofibras existem diversas
técnicas, entre elas o método de eletrofiação (eletrospinning) que é muito
utilizado por ser simples e versátil. É um método que utiliza força eletrostática
para a obtenção de fibras com superfície de contato muito maior do que as
produzidas normalmente. No entanto, a aplicação das nanofibras na filtração de
ar é uma tecnologia relativamente recente e, ainda não desenvolvida pelos
fabricantes de meios filtrantes nacionais. Os meios filtrantes existentes no
mercado brasileiro são importados e possuem custo elevado. Uma das
dificuldades na produção desses meios filtrantes é o ajuste e controle dos vários
parâmetros que influenciam a produção das nanofibras, como a concentração do
polímero, a taxa de solvente, o tempo de deposição das nanofibras no substrato, a
distância do coletor e a voltagem de deposição. O domínio no conhecimento da
produção de meios filtrantes contendo nanofibras torna possível a sua otimização
visando a obtenção de altas eficiências na faixa de partículas nanométricas e
baixas queda de pressão. Com base nisso, o objetivo deste projeto é desenvolver a
tecnologia de produção de meios filtrantes com nanofibras para remover
nanopartículas presentes no meio ambiente empregando a técnica de
eletrospinning. Após a produção dos meios filtrantes fibrosos, eles serão
caracterizados fisicamente e posteriormente serão medidas as eficiências de coleta
para partículas na faixa nanométrica com a finalidade de avaliar como as
características das nanofibras influenciam na coleta de nanopartículas.
PALAVRAS-CHAVE: Filtração de gases; nanofibras; nanopartículas;
caracterização, porosidade.
25 Orientador: Paulo Waldir Tardioli ÁREAS DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica :LabEnz: Engenharia Enzimática
TÍTULO: Recuperação e produção enzimática de compostos de valor econômico a partir de
subprodutos do processamento da indústria de soja
RESUMO: O processamento da soja em uma planta industrial, na qual são produzidos óleo
de soja e concentrado/isolado proteico, gera resíduos com potencial biotecnológico para
produção de produtos de valor comercial. Dentre esses resíduos, destaca-se o destilado da
desodorização (DD) do óleo de soja, composto por ácidos graxos livres (45,38%),
triglicerídeos (18,45%), diglicerídeos (4,85%), esqualeno (1.83%), ésteres graxos de esterol
(3.91%), tocoferol (6,40%), esteróis livres (5.36%) e outros compostos em menor quantidade
(hidrocarbonetos, aldeídos, cetonas, pesticidas, herbicidas e produtos oriundos da quebra de
tocoferóis e fitosteróis livres, totalizando 15,23%)1,2. Tocoferol (também conhecido como
vitamina E) requer uma pureza de pelo menos 60% e ser livre de ácidos graxos para ser
comercializado. Fitosteróis (compostos similares ao colesterol) são substâncias benéficas à
saúde, podendo ser incorporado na dieta para fins de redução de níveis de colesterol no
sangue, por exemplo2. Neste contexto, os objetivos deste trabalho são: (i) recuperação de
tocoferol e esterol utilizando técnicas apropriadas (extração com solventes, cristalização,
separação em membranas ou separação em colunas contendo matrizes funcionalizadas com
ciclodextrinas - compostos cíclicos de glicose contendo uma cavidade hidrofóbica) e (ii)
hidrólise enzimática de triglicerídeos e diglicerídeos, seguida da separação dos ácidos graxos
livres para utilização como matéria-prima para a produção de ésteres etílicos de ácidos
graxos (biodiesel) e ésteres graxos de açúcares (surfactantes/emulsificantes). Como
biocatalisadores serão utilizadas lipases imobilizadas pelo grupo de pesquisa do
LabEnz/DEQ-UFSCar com robustez apropriada às etapas de hidrólise e esterificação. Como
receptores de grupos acil serão utilizados etanol, na síntese de ésteres etílicos de ácidos
graxos, e monossacarídeos (preferencialmente xilose), na síntese de ésteres graxos de
açúcares.
1. Gunawan et al. Separation and purification os squalene from soybean oil deodorizer
distillate. Sep. Purif. Tehcnol. (2008), 60:128-135.
2. De Pretto et al. Possibilities for producing energy, fuels, and chemicals from soybean: a biorefinery concept. Waste Biomass Valor. Submitted
PALAVRAS-CHAVE: resíduos da soja, biodiesel,
surfactantes/emulsificantes, catálise enzimática, lipase.
26 Orientadora: Raquel de Lima Camargo Giordano ÁREAS DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica :LabEnz: Engenharia Enzimática
TÍTULO: Imobilização de Beta xilosidase recombinante: aplicação na produção 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 Saccharomycescerevisiae, 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
sistema catalítico é composto de xilanases, glicose isomerase e
S.cerevisiaecoimobilizados no mesmo suporte (microambiente) onde entra
oligômeros-matéria-prima e sai etanol-produto. Beta-xilosidase é a xilanase
reponsável pela hidrólise de xilobiose a xilose. Os complexos de xilanases que vêm
sendo estudados contêm quantidades limitadas dessa enzima e sua adição pode
melhorar muito o desempenho do processo. Este tema de doutorado foca na
imobilização de Beta-xilosidase recombinante produzida in-house e a influência da
adição dessa enzima no processo que vem sendo estudado.
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.
27 Orientador: Roberto de Campos Giordano TÍTULO DO TEMA: Algoritmos para identificação de fluxoma metabólico em estado
pseudo-estacionário aplicados ao controle avançado de biorreatores
RESUMO: O uso de microrganismos para a produção de biocombustíveis, produtos
farmacêuticos e alimentícios requer a condução do bioprocesso sob o controle rigoroso de
vários fatores, incluindo as condições de cultivo (pH e temperatura) e o fornecimento de
nutrientes importantes, como a fonte de carbono e o oxigênio, de forma a direcionar o
metabolismo celular para o produto de interesse e maximizar a sua formação. A
manutenção de uma elevada transferência de oxigênio é fundamental para atender à alta
demanda celular em cultivos aeróbios, de maneira que a formação de biomassa seja
estimulada e a síntese de produtos metabólicos indesejados minimizada. Por outro lado,
apesar da inegável relevância industrial dos cultivos aeróbios, uma outra classe de
bioprocessos também merece atenção: a dos cultivos em condições microaerófilas ou sob
limitação por oxigênio. Produtos como etanol 1G e 2G; 2-3 butanodiol; vacinas contra
organismos patogênicos como H. influenzae, S. pnemoniae, N. meningiditis e outros
dependem da manutenção das condições microaeróbias para maximizar sua obtenção. Da
mesma forma, bioprocessos como a biorremediação e o tratamento de águas residuárias
requerem condições microaerófilas. No Laboratório de Desenvolvimento e Automação de
Bioprocessos (LaDABio) do DEQ/UFSCar estratégias de controle avançado, envolvendo
um conjunto de variáveis manipuladas, vêm sendo implementadas para viabilizar os
chamados cultivos de alta densidade celular e para otimização dinâmica de cultivos em
microaeração.
Este tema de Tese enfoca o desenvolvimento e implementação de um sistema de controle
inovador, atuando sobre os fluxos de O2 e substrato. De fato, com a disseminação de
modelos metabólicos reconstruídos em escala genômica, é possível, a priori, simular in
silico o metabolismo de um organismo, em estado pseudo-estacionário, identificando a
faixa de fluxos que favorecem a formação do produto de interesse. Esse enfoque,
utilizando as informações de fluxos em tempo real para controle do biorreator, é, até onde
vai nosso conhecimento, abordagem inédita na literatura. Esta linha de pesquisa vem se
desenvolvendo em colaboração com o LaFaC, coordenado pela Profa. Zengirolami.
Mais especificamente, o trabalho de doutorado enfocará a implementação de várias
técnicas baseadas em inteligência computacional (redes neurais, sistemas fuzzy, redes
neuro-fuzzy) e/ou de interpoladores multilineares para, em tempo real, estimar fluxos
metabólicos de substratos (incluindo oxigênio) que maximizem a produção das moléculas
de interesse, a partir de simulações realizadas off line por modelos em escala genômica.
Essa metodologia será testada em diferentes sistemas, atualmente em estudo no grupo. O
primeiro exemplo de aplicação será o controle de cultivos microaerófilos de S. cerevisae
para produção de etanol 1G-2G.
PALAVRAS-CHAVE: Controle avançado de biorreatores, modelos metabólicos em
escala genômica, etanol 1G-2G
28 Orientador Rodrigo Béttega ÁREA DE PESQUISA: SISTEMAS PARTICULADOS
TÍTULO: SIMULAÇÃO NUMÉRICA COMPUTACIONAL DE LEITOS
MÓVEIS UTILIZANDO CFD-DEM
RESUMO: A utilização de técnicas computacionais para a descrição dos
fenômenos de transporte em leito de jorro tem se tornado cada vez mais presente
no estudo de aplicações práticas para este equipamento. A Fluidodinâmica
Computacional (CFD – Computacional Fluid Dynamics) apresenta como uma das
vantagens principais permitir a obtenção de resultados para equipamentos de
diferentes características geométricas e operando em diferentes condições sem a
necessidade de construção de unidades pilotos. Diversos trabalhos da literatura
vêm demonstrando que a simulação a partir de técnicas CFD-DEM pode promover
melhores resultados acerca da circulação dos sólidos e da interação entre os
mesmos. Entretanto, poucos trabalhos abordam fenômenos de transferência de
calor e quantidade de movimento acoplados. Neste contexto, a proposta para este
trabalho é incorporar a técnica DEM às simulações de secadores de leitos móveis
buscando resultados simulados acerca da transferência de quantidade de
movimento, calor e massa nos mesmos. Neste contexto, a apresente proposta de
trabalho objetiva alcançar avanços no âmbito de projeto e dimensionamento do
leito de jorro aplicado à operação de secagem a partir de simulações CFD-DEM. O
modelo e o procedimento numérico definidos a partir deste estudo, além de
importantes do ponto de vista da avaliação fenomenológica da secagem no
equipamento, podem contribuir diretamente com os estudos acerca do aumento de
escala em leitos de jorro. Considerando a complexidade do leito de jorro, este
modelo certamente contribuirá com demais sistemas que envolvam leitos móveis
aplicados aos mais diferentes processos.
PALAVRAS-CHAVE: CFD, DEM, LEITOS MÓVEIS
29 Orientador: Ruy de Sousa Junior TÍTULO: Modelagem Matemática para Sínteses Enzimáticas de Biossurfactantes e
Aromas Catalisadas por Lipases Imobilizadas em Diferentes Suportes
RESUMO: Lipases são enzimas versáteis que catalisam reações de hidrólise,
esterificação e transesterificação. Reações de esterificação de ácidos graxos com
carboidratos ou álcoois de cadeia curta rendem produtos de grande interesse
comercial: ésteres graxos de açúcares (biossurfactantes) e aromas, respectivamente.
Todavia, devido ao seu alto custo de produção e à sua instabilidade operacional, a
utilização de enzimas na forma solúvel não é economicamente atrativa. Uma
alternativa para contornar esses problemas é a imobilização de enzimas sobre
suportes sólidos. A produção de aromas (acetato de butila, acetato de hexila,
acetato de isoamila, butirato de butila e butirato de etila) e de biossurfactantes (por
esterificação de ácidos graxos, como oleico e láurico, e carboidratos como frutose,
xilose e lactose), por enzimas imobilizadas, tem sido avaliada no LabEnz-UFSCar.
Por outro lado, a modelagem matemática semi-mecanística das reações enzimáticas
pode ser uma ferramenta útil para a simulação e análise da viabilidade econômica
dos processos, principalmente quando se leva em conta o conceito de biorrefinaria,
em que os produtos (biossurfactantes, por exemplo), podem ser obtidos a partir de
subprodutos de outros processos de produção.
Neste contexto, este trabalho tem como objetivo a modelagem cinética de diversos
processos reacionais na produção de aromas e biossurfactantes. Para isto, utilizar-
se-ão dados cinéticos levantados no LabEnz-UFSCar. Será utilizado software in
house para a aplicação do método clássico de ajuste de parâmetros de Levenberg
Marquardt, e rotina no Matlab para ajustes de parâmetros pelo método de busca
global Simulated Annealing. A análise estatística dos parâmetros ajustados
permitirá uma melhor compreensão de seus valores nominais. Para avaliação das
regiões de confiança paramétricas, poderá ser utilizado o método clássico que
emprega a matriz variância-covariância.
PALAVRAS-CHAVE: modelagem; cinética enzimática; biossurfactantes e aromas
30 Orientadora: Teresa Cristina Zangirolami ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
TÍTULO DO TEMA 1: Produção de etanol 2G por processo SHIF em reator de leito
fixo utilizando levedura selvagem e recombinante
RESUMO
A fermentação alcoólica da glicose é processo consolidado, havendo linhagens da
levedura Saccharomyces cerevisiae adaptadas ao ambiente industrial, robustas e aptas a
suplantar a competição com microrganismos contaminantes. Entretanto, a fermentação
das pentoses (fundamentalmente xilose) continua sendo um grande desafio industrial. O
aproveitamento da fração hemicelulósica da biomassa é importante para viabilizar
economicamente a produção industrial de bioetanol. S. cerevisiae não metaboliza xilose,
mas assimila seu isômero, a xilulose. Assim, para viabilizar a fermentação alcoólica da
fração hemicelulósica, a presente proposta explora a rota SHF/SHIF - Simultaneous
(Hydrolysis) Isomerization and Fermentation - utilizando tanto levedura selvagem quanto
recombinante. Nesta abordagem, as etapas reacionais são combinadas em uma só
partícula biocatalítica: hidrólise enzimática de xilana e/ou xilooligômeros (oriundos de
pré-tratamento conveniente da biomassa) através de enzimas (xilanases e beta-xilosidase)
imobilizadas no biocatalisador, gerando xilose; que pode ser imediatamente fermentada a
etanol por S. cerevisiae modificada geneticamente (que metabolize xilose), coimobilizado
na mesma partícula; ou, alternativamente, pode-se coimobilizar a enzima glicose
isomerase, isomerizando xilose a xilulose, a qual é metabolizada tanto por S. cerevisiae
não modificada geneticamente, como por S. cerevisiae modificada – também
coimobilizada no mesmo biocatalisador. Os experimentos serão realizados utilizando o
reator de leito fixo, contendo o biocatalisador, sob operação contínua, para produção de
etanol 2G a partir de xilose e hidrolisado de hemicelulose. O desenvolvimento do tema
envolverá principalmente: i) o uso de técnicas de imobilização de enzimas e a
caracterização dos derivados obtidos; ii) a otimização do pool de enzimas no
biocatalisador; iii) a otimização das condições de alimentação (concentração de xilose,
xilooligoômeros e vazão) e de aeração no reator de leito fixo para minimizar a formação
de xilitol e maximizar a seletividade em etanol. O acompanhamento dos cultivos será
feito por retirada de amostras e medida da concentração de açúcares, etanol e xilitol (por
cromatografia líquida de alta eficiência). A viabilidade celular (contagem de células
coradas por azul de metileno) será avaliada ao final dos cultivos. A implementação de
sistema de monitoramento online da produção de gás carbônico também está prevista,
com possível desenvolvimento de estratégia de controle automático para a microaeração.
PALAVRAS-CHAVE: Saccharomyces cerevisiae, hemicelulose, processo SHIF, etanol
2G.
31 Orientadora: Teresa Cristina Zangirolami ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
TÍTULO DO TEMA 2: Controle do fornecimento de O2 baseado em fluxos metabólicos
aplicado à produção de etanol 1G e 2G
RESUMO: Produtos como etanol 1G e 2G; 2-3 butanodiol e isobutanol; dentre outros, dependem
da manutenção das condições microaerófilas para maximizar sua obtenção. Devido à baixa
concentração de oxigênio dissolvido (COD) inerente às condições microaeróbias, o controle
convencional feedback, baseado na medida da concentração de O2 dissolvido não é adequado para o
problema de controle do fornecimento de O2 em condições limitadas, pois requer o uso de sensores
in situ altamente sensíveis, que são caros, de curta durabilidade e pouco robustos. No presente
projeto, um sistema de controle baseado no controle dos fluxos de O2 e substrato será implementado
no processo de produção de etanol 1G e 2G com a levedura S. cerevisiae. A concepção da presente
proposta se baseia na aplicação de estratégias avançadas de controle de bioprocessos em sincronia
com os progressos recentes da Biologia de Sistemas. De fato, são os fluxos metabólicos que
governam o conjunto de reações metabólicas que ocorrem dentro da célula. Com a disseminação de
modelos metabólicos reconstruídos em escala genômica, é possível, a priori, simular in silico o
metabolismo de um organismo, identificando a faixa de fluxos que favorecem a formação do
produto de interesse. A estratégia experimental proposta para o desenvolvimento do trabalho
envolve estudos in silico do metabolismo de S. cerevisiae, que serão realizados com as fontes de
carbono mais relevantes para a produção de etanol 1G e 2G (sacarose, glicose e xilose). O modelo
metabólico em escala genômica iND750 modificado, o software Optflux e o método de otimização
pFBA (parsimonious Flux Balance Analysis) para maximizar a formação de etanol (função
objetivo) serão empregados para avaliar a resposta do metabolismo frente a diferentes níveis de
limitação por oxigênio impostos. A capacidade preditiva do modelo será avaliada por meio da
comparação dos fluxos simulados com valores dos fluxos calculados a partir dos dados obtidos em
cultivos preliminares utilizando as mesmas fontes de carbono. O modelo metabólico validado será
então utilizado para mapeamento completo do metabolismo de S. cerevisiae em condições
microaerófilas, gerando as matrizes dos fluxos metabólicos simulados (MFMS). Os resultados
simulados armazenados nas MFMS serão utilizados para treinamento de redes neurais de
prospecção que serão empregadas na estratégia de controle proposta durante cultivos conduzidos em
batelada alimentada. O software SUPERSYS_FERM utilizará os fluxos fornecidos (saídas) para
manipular as vazões de ar e nitrogênio e a vazão da bomba de alimentação. Os cultivos serão
realizados em biorreator tipo tanque agitado de 5 L, equipado com fluxômetros, banho
termostatizado, sensor de capacitância (para estimativa online da concentração de células viáveis) e
outros acessórios, utilizando meio de cultivo definido em pH 6,0 e temperatura de 31 oC. A
composição do gás de saída será monitorada por analisadores de gás carbônico e oxigênio. Serão
realizados separadamente cultivos com as fontes de carbono frutose, sacarose, xilose e hidrolisado
de hemicelulose. O acompanhamento dos cultivos será feito por retirada de amostras e medida da
viabilidade celular (contagem de células coradas por azul de metileno); da concentração de
biomassa (leitura de densidade ótica e método gravimétrico); da concentração de açúcares, etanol e
metabólitos (por cromatografia líquida de alta eficiência).
PALAVRAS-CHAVE: Saccharomyces cerevisiae, modelos metabólicos, controle de bioprocessos.
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