TEMAS PARA DOUTORADO 1º SEMESTRE DE 2015

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1 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 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 H 2. 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 H 2, 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 H 2 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

2 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 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 = 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.

3 ÁREA DE PESQUISA: Controle Ambiental / CFD PROFESSOR: José Antônio Silveira Gonçalves TÍTULO: Simulação da dispersão de poluentes particulados na atmosfera terrestre 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 humanas; Deposição de partículas; Fluidodinâmica Computacional (CFD)

4 ÁREA DE PESQUISA: Reatores e Catálise PROFESSOR: José Mansur Assaf TÍTULO DO TEMA: Catalisadores heterogêneos para produção de biodiesel. 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

5 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 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 O 2 e H 2 O) 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 (CO 2 ) 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

6 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 O 2, H 2 O e CO 2 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.

7 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 TiO 2 A degradação de compostos orgânicos recalcitrantes ao tratamento biológico é um desafio que se coloca atualmente. Neste projeto será estudada a tecnologia fotoeletroquímica para a degradação de compostos orgânicos com a geração simultânea de hidrogênio, cuja produção como sub-produto do processo é interessante pois pode torná-lo economicamente mais atraente. Neste projeto de doutorado propõe-se estudar a síntese e caracterização de nanotubos de titânio (NTi) para a obtenção de eletrodos para o processo fotoeletrocatalítico. Neste processo, a reação anódica será utilizada para a degradação de um composto orgânico poluente enquanto a reação catódica será utilizada para a produção de hidrogênio. Serão feitas tentativas de se dopar os NTi com nitrogênio com a finalidade de se obter atividade fotoeletrocatalítica na região de radiação visível, que corresponde à maior parte da radiação solar. Os NTi serão sintetizados eletroquimicamente sobre a superfície de uma placa de titânio e os eletrodos obtidos serão caracterizados por técnicas como difratometria de raios- X, espectrometria fotoelétrica de raios-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 de efluentes, fotoeletrocatálise, reatores fotocatalíticos, nanotubos de titânio

8 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.