Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.

Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.

Concentration of human pollution tracers with ionic liquids

The main objective of the present thesis consists on the development of an analytical preconcentration technology for the concomitant extraction and concentration of human pollution tracers from wastewater streams. Due to the outstanding tunable properties of ionic liquids (ILs), aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs can provide higher and more selective extraction efficiencies for a wide range of compounds, being thus a promising alternative to the volatile and hazardous organic solvents (VOCs) typically used. For that purpose, IL-based ABS were employed and adequately characterized as an one-step extraction and concentration technique. The applicability of IL-based ABS was verified by their potential to completely extract and concentrate two representative pharmaceutical pollution tracers, namely caffeine (CAF) and carbamazepine (CBZ), from wastewaters. The low concentration of these persistent pollutants (usually found in μg·dm-3 and ng·dm-3 levels, respectively) by conventional analytical equipment does not permit a proper detection and quantification without a previous concentration step. Preconcentration methods commonly applied are costly, timeconsuming, with irregular recoveries and make use of VOCs. In this work, the ABS composed of the IL tetrabutylammonium chloride ([N4444]Cl) and the salt potassium citrate (K3[C6H5O7]) was investigated while demonstrating to be able to completely extract and concentrate CAF and CBZ, in a single-step, overcoming thus the detection limit of the applied analytical equipment. Finally, the hydrotropic effect responsible for the ability of IL-based ABS to extract and concentrate a wide variety of compounds was also investigated. It was shown that the IL rules the hydrotropic mechanism in the solubility of CAF in aqueous solutions, with an increase in solubility up to 4-fold. Moreover, the proper selection of the IL enables the design of the system that leads to a more enhanced solubility of a given solute in the IL-rich phase, while allowing a better extraction and concentration. IL-based ABS are a promising and more versatile technique, and are straightforwardly envisaged as selective extraction and concentration routes of target micropollutants from wastewater matrices.

Structural characterization and biological activity of polysaccharides from infusions used in the popular tradition

The use of plants with medicinal purposes is an ancient practice still very common in developing regions, and is rapidly spreading in industrialized countries. This fact is evidenced by the large number of ethnobotanical studies found in the literature referring that these plants are often used as decoctions and infusions. In most studies the reported biological activities are attributed to the presence of phenolic compounds, due to their antioxidant properties, and to polysaccharides, with its anti-tumoral properties. In “Trás-os-Montes” region, some of the most popular infusions used by the popular medicine are prepared with the dried leaves of Fraxinus angustifolia, the dried shoots of Mentha suaveolens, and the dried inflorescences of Pterospartum tridentatum. However, there are no studies about the polysaccharides present in these infusions. Thus, through the structural characterization of the polysaccharides present in the infusions of F. angustifolia, M. suaveolens, and P. tridentatum, the present PhD thesis intends to evaluate the possible relation between polysaccharides and the immunostimulatory activity that these infusions might present. In a preliminary phase, infusions of F. angustifolia were prepared according to the popular tradition, and it was observed that the obtained water soluble material contained approximately 85% of material non-retained in C18 cartridges, with hydrophilic characteristics, with the remaining 15% comprising retained-material with hydrophobic characteristics. It was also shown that the infusions only contained between 2 and 4% of high molecular weight material (HMWM), which comprised approximately 30% of carbohydrate material. Sugar and methylation analysis of the HMWM suggested the presence of pectic polysaccharides, together with type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. However, the amount of material obtained is to low for the fractionation, and structural analysis of the polysaccharides present. The 4 h decoction, divided in two periods of 2 h, with water renewal, allowed to increase the HMWM yield, relatively to the infusions traditional infusions. It was also observed that the decoction also allowed to increase the HMWM proportion of carbohydrate material, due to an increase in the proportion of uronic acid present, although the neutral sugar residues seemed to be detected in similar proportions. Therefore, in all the experiments subsequently performed, the HMWM used was obtained through the decoction of F. angustifolia dried leaves, M. suaveolens dried shoots, and P. tridentatum dried inflorescences. x After the fractionation, through ethanol precipitation, and anion exchange chromatography, of the polysaccharides from the HMWM obtained by the decoction of the vegetable material of the distinct studied plants, it was observed the presence of high proportions of pectic polysaccharides, containing type I arabinogalactans, together with minor proportions of type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. The presence of pectic polysaccharides in the extracts from F. angustifolia was also evidenced through endo-polygalacturonase treatment, and ESI-MS and ESI-MS/MS experiments. The detection of linked pentose and uronic acid residues, also seemed to suggest the presence of xylogalacturonan domains in the pectic polysaccharides from F. angustifolia. The extracts from F. angustifolia dried leaves also contained type II arabinogalactans that exhibited a higher structural diversity than those detected in the M. suaveolens, and P. tridentatum extracts, particularly in the substitution degree of the galactan backbone, and in the extension of the (1→5)-Araf side chains. Moreover, for all the plants studied, it was also observed that the type II arabinogalactans, extracted during the 2nd 2h of the extraction process, exhibited a substitution degree of the galactan backbone higher than those extracted during the 1st 2h. The extracts from P. tridentatum dried inflorescences contained higher proportions of mannans, and also of xyloglucans, both presenting a substitution degree higher than those, which were detected in lower proportion in the extracts of F. angustifolia and M. suaveolens. Through ESI-MS and ESI-MS/MS it was possible to evidence that the mannans present in the extracts of P. tridentatum presented acetyl groups on the O-2 of the mannosyl residues. It was also evidenced that the P. tridentatum mannans were more extensively acetylated than the mannans detected in the coffee infusion, LBG, and other non-conventional mannan sources. Moreover, it was detected the presence of oligosaccharides comprising hexose residues linked to non acetylated pentose residues, suggesting the possible presence of arabinose residues in the mannans from P. tridentatum extracts. The immunostimulatory activity of three fractions isolated from the extracts of F. angustifolia, M. suaveolens, and P. tridentatum, was tested and an increase in the NO production by macrophages, without compromising their cellular viability, was observed. The type I, and type II arabinogalactans detected in the extracts from F. angustifolia, and M. suaveolens seem to have contributed for the observed immunostimulatory activity. For the fraction from P. tridentatum, the mannans acetylation, and the presence of type I, and type II arabinogalactans seemed to contribute for the macrophage immunostimulatory activity observed. The possible presence of storage xyloglucans from the inflorescences seeds, also seems to have contributed for the immunostimulatory activity registered when the macrophages were stimulated with higher extract concentrations. The results obtained allow to conclude that the extracts of F. angustifolia dried leaves, M. suaveolens dried shoots, and P. tridentatum dried inflorescences contained high proportions of pectic polysaccharides, exhibiting type I arabinogalactans, together with other polysaccharides, such as type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. This polysaccharide mixture seems to have contributed to the immunostimulatory activity of fractions isolated from the extracts of the studied plants. Therefore, as the same type of polysaccharides seem to be present in the decoctions and in the infusions, it seems possible that the polysaccharides might contribute for the therapeutic properties frequently associated by the popular tradition to the infusions of these plants.

Extração de blocos graníticos nas pedreiras de Cinza Ariz e Amarelo Macieira da empresa Polimagra – Granitos, S.A

A perfuração em maciços rochosos desempenha um papel fundamental na área da exploração e extração de rocha ornamental, nomeadamente em granitos. Para esse efeito, e como irá ser abordado neste trabalho, são utilizados pela empresa Polimagra – Granitos, S.A, nas pedreiras que explora, dois sistemas de perfuração: perfuração hidráulica e perfuração pneumática. Sendo um dos objetivos deste trabalho perceber qual o tipo de perfuração que apresenta maior rentabilidade, torna-se importante perceber as principais características dos dois sistemas de perfuração em estudo. Para isso, com a realização deste estágio curricular na empresa Polimagra – Granitos, S.A, foi possível comparar as principais diferenças dos dois sistemas utilizados, através do acompanhamento dos trabalhos de lavra em pedreiras, da cronometragem de tempos de perfuração em maciço rochoso granítico e da realização de um estudo de fracturação nas pedreiras de Cinza Ariz e Amarelo Macieira. Durante este tempo do estágio foi ainda possível acompanhar os diferentes métodos de transformação utilizado sobre os diferentes granitos obtidos, nas instalações fabris da empresa Polimagra – Granitos, S.A. De destacar ainda, e dentro da área da transformação do granito, a utilização de um sistema robótico de tecnologia de ponta, para corte, acabamento e embalamento de produtos em granito.

Viabilidade do biodiesel de microalgas: otimização de técnicas de extração

Os problemas relacionados com o consumo energético e as emissões de poluentes relativas ao setor dos transportes representam seguramente a maior preocupação ao nível Europeu no que respeita aos gases com efeito de estufa e à poluição atmosférica. Uma das formas de resolver/minimizar estes problemas é através da aposta em combustíveis alternativos. Em particular, os biocombustíveis poderão ser uma alternativa interessante aos combustíveis convencionais. As microalgas, como matéria-prima para produção de biodiesel, apresentam-se com excelentes perspetivas de futuro e com vantagens competitivas no campo das energias renováveis. É nesta perspetiva que se enquadra o presente trabalho, cujos objetivos consistiram na extração de biodiesel a partir de microalgas secas (Nannochloropsis gaditana e Scenedesmus sp.) e na otimização das respetivas técnicas de extração lipídica. Verificou-se que, em função dos métodos e condições utilizadas, a espécie Nannochloropsis gaditana apresenta um potencial de produção de biodiesel superior à espécie Scenedesmus sp. (eficiências de extração de 24,6 (wt.%) e 9,4 (wt.%) respetivamente). Um método de rotura celular conjugado com o processo de extração lipídica via solvente orgânico é essencial, pois conseguiu-se um acréscimo de 42% no rendimento de extração, sendo 10 minutos o tempo ideal de operação. Solventes como o metanol e sistema de solventes diclorometano/metanol mostraram ser mais eficazes quando se pretende extrair lípidos de microalgas, com valores de eficiência de remoção de 30,9 (wt.%) e 23,2 (wt.%) respetivamente. De forma a valorizar os resultados obtidos no processo de extração recorreu-se à sua conversão em biodiesel através da transesterificação catalítica ácida, onde se obteve uma eficiência de conversão de 17,8 (wt.%) para a espécie Nannochloropsis gaditana.

Extração de ácidos triterpénicos a partir da casca de eucalipto utilizando líquidos iónicos

Os recursos renováveis têm sido um forte alvo de investigação científica nos últimos anos, onde o aproveitamento de biomassa e seus resíduos para a obtenção de compostos de valor acrescentado, combustíveis e energia têm sido abordados no conceito de biorrefinaria integrada. As indústrias de papel geram quantidades significativas de resíduos, nomeadamente a casca de eucalipto que é atualmente queimada para a geração de energia. De forma a valorizar este resíduo, a presente dissertação teve como objetivo extrair compostos triterpénicos, a partir casca externa de Eucalyptus globulus, utilizando solventes de extração alternativos - soluções aquosas de líquidos iónicos (LIs) – para substituir os solventes orgânicos actualmente utilizados. Os ácidos triterpénicos apresentam um elevado interesse na indústria cosmética, farmacêutica e alimentar graças às suas propriedades antiinflamatórias, antitumurais, entre outras. Primeiramente, caracterizou-se a casca externa de Eucalyptus globulus, e posteriormente procedeu-se ao estudo de solubilidade de ácido ursólico (AU, utilizado como molécula modelo) a 25 ºC em soluções aquosas de LIs e surfactantes de modo a selecionar os solventes mais eficientes para a extração. Deste trabalho conclui-se que a capacidade surfactante das soluções aquosas de LIs, particularmente [C4C1im][C8H17SO4], [C16C1im]Cl e [C14C1im]Cl, desempenham um papel fundamental para a solubilização de AU em água, podendo aumentar quase 16000 vezes a sua solubilidade, e permitiu recuperar cerca de 89% deste composto com simples adição de água como anti-solvente. Por fim, compararam-se as quantidades de ácidos triterpénicos extraídas a partir da casca de eucalipto com soluções aquosas de [C14C1im]Cl, metanol e com extração em soxhlet com diclorometano.