Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Descending pain modulation in a Kaolin-induced hydrocephalus rat model

Pain transmission at the spinal cord is modulated by descending actions that arise from supraspinal areas which collectively form the endogenous pain control system. Two key areas involved of the endogenous pain control system have a circunventricular location, namely the periaqueductal grey (PAG) and the locus coeruleus (LC). The PAG plays a crucial role in descending pain modulation as it conveys the input from higher brain centers to the spinal cord. As to the LC, it is involved in descending pain inhibition by direct noradrenergic projections to the spinal cord. In the context of neurological defects, several diseases may affect the structure and function of the brain. Hydrocephalus is a congenital or acquired disease characterized by an enlargement of the ventricles which leads to a distortion of the adjacent tissues, including the PAG and LC. Usually, patients suffering from hydrocephalus present dysfunctions in learning and memory and also motor deficits. It remains to be evaluated if lesions of the periventricular brain areas involved in pain control during hydrocephalus may affect descending pain control and, herein, affect pain responses. The studies included in the present thesis used an experimental model of hydrocephalus (the rat injected in the cisterna magna with kaolin) to study descending modulation of pain, focusing on the two circumventricular regions referred above (the PAG and the LC). In order to evaluate the effects of kaolin injection into the cisterna magna, we measured the degree of ventricular dilatation in sections encompassing the PAG by standard cytoarquitectonic stanings (thionin staining). For the LC, immunodetection of the noradrenaline-synthetizing enzyme tyrosine hydroxylase (TH) was performed, due to the noradrenergic nature of the LC neurons. In general, rats with kaolin-induced hydrocephalus presented a higher dilatation of the 4th ventricle, along with a tendency to a higher area of the PAG. Due to the validated role of detection the c-fos protooncogene as a marker of neuronal activation, we also studied neuronal activation in the several subnuclei which compose the PAG, namely the dorsomedial, dorsolateral, lateral and ventrolateral (VLPAG) parts. A decrease in the numbers of neurons immunoreactive for Fos protein (the product of activation of the c-fos protooncogene) was detected in rats injected with kaolin, whereas the remaining PAG subnuclei did not present changes in Fos-immunoreactive nuclei. Increases in the levels of TH in the LC, namely at the rostral parts of the nucleus, were detected in hydrocephalic animals. The following pain-related parameters were measured, namely 1) pain behavioural responses in a validated pain inflammatory test (the formalin test) and 2) the nociceptive activation of spinal cord neurons. A decrease in behavioral responses was detected in rats with kaolin-induced hydrocephalus was detected, namely in the second phase of the test (inflammatory phase). This is the phase of the formalin test in which the motor behaviour is less important, which is important since a semi-quantitative analysis of the motor performance of rats injected with kaolin indicates that these animals may present some motor impairments. Collectively, the results of the behavioral studies indicate that rats with kaolin-induced hydrocephalus exhibit hypoalgesia. A decrease in Fos expression was detected at the superficial dorsal layers of the spinal cord in rats with kaolin-induced hydrocephalus, further indicating that hydrocephalus decreases nociceptive responses. It remains to be ascertained if this is due to alterations in the PAG and LC in the rats with kaolin-induced hydrocephalus, which may affect descending pain modulation. It remains to be evaluated what are the mechanisms underlying the increased pain inhibition at the spinal dorsal horn in the hydrocephalus rats. Regarding the VLPAG, the decrease in neuronal activity may impair descending modulation. Since the LC has higher levels of TH in rats with kaolininduced hydrocephalus, which also appears to increase the noradrenergic innervation in the spinal dorsal horn, it is possible that an increase in the release of noradrenaline at the spinal cord accounts for pain inhibition. Our studies also determine the need to study in detail patients with hydrocephalus namely in what concerns their thresholds to pain and to perform imaging studies focused on the structure and function of pain control areas in the brain.

RuSe Electrocatalysts and Single Wall Carbon Nanohorns Supports for the Oxygen Reduction Reaction

Selenium modified ruthenium electrocatalysts supported on carbon black were synthesized using NaBH4 reduction of the metal precursor. Prepared Ru/C electrocatalysts showed high dispersion and very small averaged particle size. These Ru/C electrocatalysts were subsequently modified with Se following two procedures: (a) preformed Ru/carbon catalyst was mixed with SeO2 in xylene and reduced in H2 and (b) Ru metal precursor was mixed with SeO2 followed by reduction with NaBH4. The XRD patterns indicate that a pyrite-type structure was obtained at higher annealing temperatures, regardless of the Ru:Se molar ratio used in the preparation step. A pyrite-type structure also emerged in samples that were not calcined; however, in this case, the pyrite-type structure was only prominent for samples with higher Ru:Se ratios. The characterization of the RuSe/C electrocatalysts suggested that the Se in noncalcined samples was present mainly as an amorphous skin. Preliminary study of activity toward oxygen reduction reaction (ORR) using electrocatalysts with a Ru:Se ratio of 1:0.7 indicated that annealing after modification with Se had a detrimental effect on their activity. This result could be related to the increased particle size of crystalline RuSe2 in heat-treated samples. Higher activity of not annealed RuSe/C catalysts could also be a result of the structure containing amorphous Se skin on the Ru crystal. The electrode obtained using not calcined RuSe showed a very promising performance with a slightly lower activity and higher overpotential in comparison with a commercial Pt/C electrode. Single wall carbon nanohorns (SWNH) were considered for application as ORR electrocatalysts' supports. The characterization of SWNH was carried out regarding their tolerance toward strong catalyzed corrosion conditions. Tests indicated that SWNH have a three times higher electrochemical surface area (ESA) loss than carbon black or Pt commercial electrodes.

New and low cost plastic membrane electrode with low detection limits for sulfadimethoxine determination in aquaculture waters

Sulfadimethoxine (SDM) is one of the drugs, often used in the aquaculture sector to prevent the spread of disease in freshwater fish aquaculture. Its spread through the soil and surface water can contribute to an increase in bacterial resistance. It is therefore important to control this product in the environment. This work proposes a simple and low-cost potentiometric device to monitor the levels of SDM in aquaculture waters, thus avoiding its unnecessary release throughout the environment. The device combines a micropipette tip with a PVC membrane selective to SDM, prepared from an appropriate cocktail, and an inner reference solution. The membrane includes 1% of a porphyrin derivative acting as ionophore and a small amount of a lipophilic cationic additive (corresponding to 0.2% in molar ratio). The composition of the inner solution was optimized with regard to the kind and/or concentration of primary ion, chelating agent and/or a specific interfering charged species, in different concentration ranges. Electrodes constructed with inner reference solutions of 1 × 10−8 mol/L SDM and 1 × 10−4 mol/L chromate ion showed the best analytical features. Near-Nernstian response was obtained with slopes of −54.1 mV/decade, an extraordinary detection limit of 7.5 ng/mL (2.4 × 10−8 mol/L) when compared with other electrodes of the same type. The reproducibility, stability and response time are good and even better than those obtained by liquid contact ISEs. Recovery values of 98.9% were obtained from the analysis of aquaculture water samples.

Novel biosensing device for point-of-care applications with plastic antibodies grown on Au-Screen Printed Electrodes

A gold screen printed electrode (Au-SPE) was modified by merging Molecular Imprinting and Self-Assembly Monolayer techniques for fast screening cardiac biomarkers in point-of-care (POC). For this purpose, Myoglobin (Myo) was selected as target analyte and its plastic antibody imprinted over a glutaraldehyde (Glu)/cysteamine (Cys) layer on the gold-surface. The imprinting effect was produced by growing a reticulated polymer of acrylamide (AAM) and N,N′-methylenebisacrylamide (NNMBA) around the Myo template, covalently attached to the biosensing surface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) studies were carried out in all chemical modification steps to confirm the surface changes in the Au-SPE. The analytical features of the resulting biosensor were studied by different electrochemical techniques, including EIS, square wave voltammetry (SWV) and potentiometry. The limits of detection ranged from 0.13 to 8 μg/mL. Only potentiometry assays showed limits of detection including the cut-off Myo levels. Quantitative information was also produced for Myo concentrations ≥0.2 μg/mL. The linear response of the biosensing device showed an anionic slope of ~70 mV per decade molar concentration up to 0.3 μg/mL. The interference of coexisting species was tested and good selectivity was observed. The biosensor was successfully applied to biological fluids.

Produção de biodiesel a partir de pastas de gordura e resíduo de glicerol

O principal objectivo deste trabalho consistiu na produção de biodiesel a partir de resíduos fornecidos pela Empresa SOCIPOLE, S.A. Esta, forneceu, pastas de gordura (depósito formado nos óleos usados), só aproveitadas pela empresa para a produção de sabões, e resíduo de glicerol proveniente da produção de biodiesel. Com as pastas de gordura, foi feito um estudo onde se variaram alguns parâmetros, tais como: o tipo de reactor, catalisador, temperatura, agitação, tempo de reacção, razão molar gordura:metanol e condições de secagem. O estudo mais pormenorizado foi efectuado com o NaOH, como catalisador. Foram feitos vários ensaios para os tempos de reacção de 30minutos, 1hora e 2horas, a 65ºC e razão molar gordura:metanol 1:6, tendo-se obtido respectivamente 86,7; 88,1 e 87,5% para o teor de ésteres. No caso da resina catiónica forte como catalisador, aparentemente não houve reacção ao fim de 12h, enquanto no ensaio que utilizou o ácido sulfúrico, o teor de ésteres foi de 82,6%, ao fim de 12h com razão molar gordura:metanol igual a 1:11. Quanto à produção de biodiesel a partir do resíduo de ácidos gordos resultante da purificação do resíduo de glicerol, foi feito um estudo preliminar usando diferentes catalisadores, uma resina catiónica forte, ácido sulfúrico e zircónia sulfatada. Este resíduo continha cerca de 60% de ácidos gordos e aproximadamente 39% de ésteres metílicos. Dos três catalisadores usados, o que permitiu obter maior teor de ésteres foi a zircónia sulfatada, tendo-se obtido 82,9% trabalhando a 60ºC durante 18horas com agitação de 230rpm e razão molar ácidos gordos:metanol de 1:12 . O ensaio em que se obteve menor percentagem de ésteres (56,4%) foi com resina catiónica. Com as duas matérias-primas obteve-se sempre um teor de ésteres, no produto final, abaixo dos 96,5% estabelecidos pela Norma Europeia EN 14103. Estes resultados reflectem provavelmente a composição complexa das matérias-primas. As pastas de gordura podem conter compostos não esterificáveis, solúveis no biodiesel, ou mais dificilmente esterificáveis nas condições operacionais usadas. Já o resíduo de ácidos gordos apresenta uma cor escura o que indica a existência de compostos corados, talvez polímeros. Portanto, para se tirar conclusões fundamentadas é necessário fazer análises mais completas das pastas de gordura e do resíduo de ácidos gordos, assim como ao biodiesel produzido de forma a identificar as possíveis contaminações existentes nos produtos com esta proveniência.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.