TEMAS PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE

TEMAS PARA DOUTORADO – 1º SEMESTRE DE 2015
ÁREA DE PESQUISA: CONTROLE AMBIENTAL
PROFESSOR: Edson Luiz Silva
TÍTULO: Efeito da concentração de substrato na produção de hidrogenio a partir de
glicerina bruta em reator anaeróbio de leito fluidificado operado sob condições
mesofílicas
RESUMO:
Atualmente a busca por fontes limpas de combustíveis de modo sustentável já é
realidade. Devido ao elevado rendimento energético e por produzir apenas água na sua
combustão, o hidrogênio, vem sendo considerado como possível substituto aos combustíveis
fósseis. Diante das diversas formas de produção do hidrogênio, a via fermentativa
acidogênica constitui-se em boa alternativa, pois além de não necessitar de energia luminosa
também é capaz de realizar o tratamento biológico de efluentes líquidos junto à produção de
H2.
A produção biológica de hidrogênio é realizada por reatores que possuem diversas
configurações, nos estudos realizados foram utilizados: reator UASB, reator de leito fixo e
reator de leito fluidificado (RALF). Dentre esses o RALF se destaca pela na sua grande
concentração de biomassa e elevada transferência de massa. Uma diversidade de substratos
pode ser utilizada na produção de hidrogênio por meio de processos fermentativos, entre eles
destacam-se: glicose, sacarose, xilose, águas residuárias de soro de queijo, vinhaça e
glicerol.
Conjunto a necessidade de se produzir uma nova fonte de energia, o glicerol bruto
vem sendo uma alternativa na produção biológica de H2, já que esse resíduo representa 10%
da produção de biodiesel. Dessa forma a produção biológica de hidrogênio a partir do
glicerol bruto torna-se uma maneira sustentável e atrativa de produção energética. Este
trabalho teve como principal objetivo, a determinação de um TDH tá ótimo para produção de
H2 em RALF, bem como outros metabólitos, a partir de glicerol puro e glicerina bruta. A
concentração de ambos os substratos será variada de 10 a 30 g.L-1 e a temperatura à 30 o C. A
variação do TDH foi entre 14 e 1h para ambos os reatores.
PALAVRAS-CHAVE: hidrogênio, glicerol bruto, RALF, condições mesofílicas, biodiesel
ÁREA DE PESQUISA: CONTROLE AMBIENTAL
PROFESSOR: Edson Luiz Silva
TÍTULO: Estudo comparativo entre a produção de hidrogênio e de metano a partir de
soro de queijo 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 (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 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, soro de leite,
sistema em 2 estágios.
ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental / CFD
PROFESSOR: José Antônio Silveira Gonçalves
TÍTULO: Simulação da dispersão de poluentes particulados na atmosfera terrestre
RESUMO:
Aerossóis atmosféricos impactam de forma decisiva no clima do nosso planeta. São
formados de fontes naturais e antropogênicas, e circulam na atmosfera terrestre. Pode-se
encontrar no Brasil, por exemplo, areia do deserto do Saara. A NASA vem estudando
aerossóis atmosféricos desde de sua fundação; entretanto, no Brasil, são poucos grupos de
pesquisa dedicados a esse tema.
O propósito dessa pesquisa é desenvolver modelos e simulações em computador de
processos de formação, dispersão, deposição e suspensão de particulados na atmosfera.
Este trabalho faz parte de um projeto conjunto do DEQ/UFSCar com o Instituto de
Tecnologia de Karlshure (KIT) (em fase de elaboração), cujo objetivo é a modelagem da
trajetória e dispersão de partículas em aerossóis. O doutorando deverá ter disponibilidade
para passar pelo menos um ano em Karlshure, Alemanha, pois é possível que parte de seus
trabalhos seja desenvolvida naquela Universidade. Conhecimento de Inglês é absolutamente
imprescindível; conhecimento da língua Alemã é desejável mas não obrigatório.
PALAVRAS-CHAVE: Vias respiratórias
Fluidodinâmica Computacional (CFD)
humanas;
Deposição
de
partículas;
ÁREA DE PESQUISA: Reatores e Catálise
PROFESSOR: José Mansur Assaf
TÍTULO DO TEMA: Catalisadores heterogêneos para produção de biodiesel.
RESUMO:
O crescente interesse pela produção de combustíveis provenientes de matériasprimas renováveis tem incentivado estudos que propiciem a geração de uma tecnologia
nacional neste campo. Entre este, pode-se destacar o biodiesel, que é produzido através da
reação entre um óleo vegetal (ou uma gordura animal) com álcoois (como metanol ou
etanol). No entanto, por si só, esta reação é muito lenta e precisa ser acelerada através da
adição de catalisadores. Estes catalisadores podem ser ácidos ou básicos e o processo pode
ser homogêneo (reagentes e catalisador na mesma fase, geralmente líquida) ou heterogêneo
(reagentes e produtos na fase líquida e catalisador na fase sólida). Enquanto o processo
homogêneo já é aplicado industrialmente, o heterogêneo, que pode apresentar várias
vantagens (facilidade de manutenção dos equipamentos, reaproveitamento dos catalisadores,
pureza dos produtos, operação contínua dos reatores), está em desenvolvimento nos
laboratórios de indústrias e universidades.
Neste projeto, pretende-se desenvolver catalisadores sólidos para aplicação em
processos heterogêneos de produção de biodiesel capazes de operar em condições brandas
de temperatura e tempos curtos.
PALAVRAS-CHAVE: biodiesel, catálise heterogênea
ÁREA DE PESQUISA: Reatores Químicos Heterogêneos e Catálise
PROFESSOR: José Maria Corrêa Bueno
TÍTULO: Desenvolvimento Estrutural de Catalisadores à Base de Óxidos Metálicos
Suportados para a Desidrogenação Oxidativa do Propano
RESUMO: O presente projeto tem por objetivo desenvolvimento estrutural de catalisadores
de óxidos metálicos suportados para a Desidrogenação Oxidativa do Propano utilizando
diferentes oxidantes (em especial o CO 2, além do O2 e H2O) na busca de maior seletividade e
rendimento de propileno, bem como uma maior compreensão do funcionamento dos
catalisadores.
Alcenos leves como o propileno são importantes blocos de construção em uma
infinidade de aplicações (petro) químicas e as “tecnologias de produção de propileno”, como
a desidrogenação do propano têm sido investigadas. A desidrogenação oxidativa (ODH) de
propano por oxigênio molecular permite diminuir significativamente a temperatura da
reação, contornando o indesejável craqueamento térmico para alcanos mais leves e inibir
efetivamente a deposição de coque, mas conduz a perdas significativas de seletividade a
propileno devido à profunda oxidação a óxidos de carbono e tem baixo rendimento em razão
das características de inflamabilidade da composição de alimentação. Para contornar este
problema, o dióxido de carbono (CO2) tem sido proposto como oxidante mais suave na
ativação de alcanos leves, cujas espécies produzidas por esta dissociação pode modificar o
estado de oxidação dos átomos da superfície dos catalisadores e podem participar
diretamente na oxidação de hidrocarbonetos além de servir como um meio de fornecimento
de calor para a reação, como um diluente para aumentar a conversão de equilíbrio e como
um agente para a remoção do coque formado no catalisador. O entendimento dos
mecanismos destas reações catalíticas e o processo de ativação da molécula oxidante (CO 2)
são peças-chave para o domínio desta tecnologia e o objetivo deste estudo.
A maioria dos catalisadores relatados para a ODH de parafinas leves é baseada em
óxidos de vanádio suportado ou mássico, que são ativos em muitas reações de oxidação
parcial embora a seletividade para o produto desejado seja muitas vezes reduzida. Nossos
estudos prévios e dados da literatura mostram que a ativação da molécula de propano e da
molécula do oxidante na superfície do catalisador, assim como o processo de reoxidação do
mesmo são peças-chave no desempenho do catalisador e no entendimento desta reação e,
portanto, no avanço desta tecnologia.
Dependendo da reação, características do catalisador como a coordenação de metal,
propriedades redox e ácido-base influenciam a seletividade diferentemente. Nanocompósitos
de alguns óxidos duplos com características redox conduz à formação de centros ácidos mais
fracos que aqueles existentes nos óxidos individuais. A presença de sítios redox e de acidez
ao mesmo tempo, é necessária para a ativação de propano e a seletividade a propileno é
fortemente dependente dos teores de cada óxido e da interação entre eles. Várias técnicas de
caracterização são usadas na descrição destas características e considerando principalmente
que os catalisadores são dinâmicos, ou seja, são dependentes da atmosfera e temperatura de
reação, medidas in situ e operando podem nos fornecer informações importantes em
condições reais de reação, tais como os tipos de ligação presentes, o estado de oxidação dos
elementos, a simetria, cristalinidade e geometria locais.
Assim, o objetivo deste projeto é a preparação de catalisadores à base de óxidos
metálicos suportados, modificando suas propriedades como capacidade de oxi-redução,
labilidade de oxigênio e acidez/basicidade de sítios ativos a partir de diferentes preparações e
diferentes suportes. O desempenho dos catalisadores suportados será avaliado na
desidrogenação oxidativa do propano utilizando O2, H2O e CO2 como oxidantes, além de se
conduzir experimentos de caracterizações in situ, a fim de se compreender o papel destas
composições de catalisadores na ativação das moléculas reagentes e elucidar aspectos do
mecanismo reacional.
PALAVRAS-CHAVE: Desidrogenação Oxidativa do Propano; Dióxido de Carbono;
Catalisadores de Ni suportados; Caracterizações in situ e operando.
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 raiosX, espectrometria fotoelétrica de 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.
PALAVRAS-CHAVE: tratamento
fotocatalíticos, nanotubos de titânio
de
efluentes,
fotoeletrocatálise,
reatores
ÁREA DE PESQUISA: Engenharia Bioquímica
PROFESSOR: Teresa Cristina Zangirolami (orientadora)
Co-orientador: Adilson José da Silva
TÍTULO DO TEMA: Produção de metionina em E. coli: caracterização de linhagens
adaptadas/recombinantes por Biologia de Sistemas
RESUMO
Produtos de valor agregado tais como os aminoácidos têm ganhado popularidade nos
mercados mundiais sob a forma de aditivos ou suplementos nutricionais. A metionina é um
desses aminoácidos, devido à sua importância na suplementação de rações de aves.
Atualmente, a produção de metionina é feita por via química. Contudo, este processo requer
vários passos de separação e purificação devido ao uso de materiais intermediários tóxicos.
A presente proposta se insere em projeto de pesquisa desenvolvido em parceria com o Dpto.
de Engenharia Biológica da Universidade do Minho (Portugal), no qual a metionina é
sintetizada em E. coli modificada geneticamente a partir do glicerol não refinado gerado
como subproduto da produção de biodiesel. Inicialmente, técnicas de evolução adaptativa
serão empregadas para a obtenção de mutantes capazes de crescer no glicerol não refinado.
Em paralelo, baseado nos resultados das otimizações in silico, recursos de biologia
molecular serão utilizados para gerar uma cepa sobre-produtora de metionina. A cepa
construída será caracterizada em cultivos em biorreator, permitindo a determinação de
rendimento e produtividade no produto de interesse. Tendo como objetivo geral o
desenvolvimento de uma fábrica celular baseada em E. coli para a produção de L-metionina,
os seguintes objetivos específicos são destacados para a presente proposta: i) aplicar
estratégias de evolução adaptativa para promover a adaptação da E. coli aos resíduos
glicerol não refinado; ii) obter dados adequados para os cálculos de fluxômica e
metabolômica, que serão usados para a caracterização das linhagens mutantes assim como
para o aprimoramento e a validação do modelo. O desenvolvimento da presente proposta
envolverá inicialmente a realização de cultivos contínuos em mini-biorreatores para
caracterização da linhagem adaptada ao glicerol não refinado em termos de produção de
exo-metabólitos e metabólitos intracelulares (por meio de emprego de glicerol marcado
como substrato). Após a construção da linhagem geneticamente modificada para a produção
de metionina pelo Grupo de Biologia Molecular, serão realizados novos experimentos de
evolução adaptativa e de caracterização da nova linhagem. Durante os cultivos, amostras
serão coletadas para a determinação da concentração de biomassa (por densidade ótica e
massa seca), de glicerol, de ácidos orgânicos e do nível de expressão de metionina (por
cromatografia líquida de alta performance). Para os cálculos de fluxômica, a biomassa
gerada nos cultivos com glicerol marcado será analisada por Espectrometria de Massa
(serviço a ser contratado). A composição da fase gasosa será avaliada por analisador de
gases. A presente proposta se insere em projeto de pesquisa em avaliação pela FAPESP, com
perspectiva de bolsa de Doutorado da FAPESP para alunos com excelente desempenho
acadêmico.
PALAVRAS-CHAVE: rE. coli, síntese de metionina, Biologia de Sistemas.