Produção de bioetanol a partir de um resíduo orgânico proveniente da central de compostagem da LIPOR

Mestrado em Engenharia Química

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.

Steroselective synthesis of imidazolidin-4-ones from α-amino amides of the antimalarial primaquine and substituted benzaldehydes

Imidazolidin-4-ones are commonly employed as skeletal modifications in bioactive oligopeptides, either as proline surrogates or for protection of the N-terminal amino acid against aminopeptidase-catalysed hydrolysis . We have been working on the synthesis of imidazolidin-4-ones of the antimalarial primaquine , through acylation of primaquine with an α-amino acid and subsequent reaction of the resulting α-aminoamide with a ketone or aldehyde. Thus, when using racemic primaquine, an optically pure chiral α-amino acid and an aldehyde as starting materials, four imidazolidin-4-one diastereomers are to be expected (Scheme 1). However, we have recently observed that imidazolidin-4-one synthesis was stereoselective when 2-carboxybenzaldehyde (2CBA)* was used, as only two diastereomers were produced2. Computational studies have shown that the imine formed prior to ring closure had, for structures derived from 2CBA, a quasi-cyclic rigid structure2. This rigid conformation is stabilized by an intramolecular hydrogen bond involving the C=O oxygen atom of the 2-carboxyl substituent in 2CBA and the N-H group of the α-amino amide moiety2. These findings led us to postulate that the 2-carbonyl substituent in the benzaldehyde moiety was the key for the stereoselective synthesis of the imidazolidin-4-ones2.

Estudo da obtenção de gelatina a partir de raspa Wet-Blue da indústria de curtumes

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Controlo de águas do processo e optimização da produção de papel

Na Fábrica de Papel da Ponte Redonda fabricam-se sacos de papel multi-folhas e papel reciclado do tipo Kraft. Tendo em consideração a primeira actividade, é de grande interesse optimizar o processo de fabrico de papel com vista a incorporara a máxima taxa de papel produzido internamente nas diferentes camadas dos sacos de papel. Os papéis de maior interesse são os do tipo Fluting e Liners, tendo sido produzidos em 2010 um total de 4,9 mil toneladas, ou seja 90% de todo o papel fabricado em 2010, correspondendo a a 4 mil toneladas de papéis do tipo Liners e 0,9 mil toneladas para os papéis do tipo Fluting. Nos papéis do tipo Liners incluem-se os papéis do tipo Test-Liner e Kraft-Liner, representando em termos produtivos valores idênticos. No âmbito deste trabalho, em que se pretendeu controlar as águas do processo e optimizar a produção de papel, foram introduzidos uma unidade de flutuação e um sistema que permitisse regular a consistência da suspensão fibrosa à entrada da máquina do papel, e foram ainda estudadas as possibilidades de adição de produtos químicos para melhorar as características da pasta assim como um tratamento microbiológico mais eficaz para todo o processo. Para se avaliar se as medidas implementadas teriam um impacto positivo na qualidade desses dois tipos de papéis, desenvolveu-se o trabalho em duas fases: a primeira envolve a introdução de um sistema de flutuação e de um sistema de controlo de consistência da pasta, assim como a selecção de produtos químicos a adicionar ao processo. A segunda fase consistiu na avaliação do efeito destas medidas nas características do papel fabricado. Para o efeito foram escolhidos dois tipos de papel e de diferentes gramagens, nomeadamente Test-Liner de 80 g/m2 e Fluting de 110 g/m2. Introduziu-se um flutuador com o objectivo de tratar parte das águas do processo de fabrico com vista a serem reutilizadas em determinadas aplicações possíveis para a qualidade da água obtida (lavagens e água do processo), de modo a conseguir-se uma poupança de água, assim como aproveitar-se as lamas resultantes, ricas em fibra de celulose, para utilizá-las como matéria-prima. Foi introduzido um regulador de consistência no processo da Ponte Redonda com o objectivo de alimentar de uma forma constante a consistência da pasta à entrada da máquina do papel proporcionando uma melhor formação da folha, devido à ligação entre fibras, na direcção máquina e direcção transversal. Esse sistema inovador é um Regulador de Consistência que vem proporcionar à máquina do papel uma alimentação em fibra mais constante. O fabrico de papel apenas a partir de fibras de celulose não permitirá obter um papel com as características desejadas para a sua utilização. Para corrigir estas deficiências, são adicionados produtos químicos para atribuir ou melhorar as propriedades dos papéis. Desta forma considerou-se interessante introduzir no processo um agente de retenção numa fase posterior à preparação da pasta e antes da chegada à máquina de papel, de forma a melhorar as características da suspensão fibrosa. Assim foi implementado um sistema cuja eficácia foi avaliada. Concluiu-se que com a sua implementação a máquina de papel apresentou melhores resultados na drenagem e na turbidez da água removida, significando uma água com menor teor de matéria suspensa e dissolvida, devido à melhor agregação das fibras dispersas na suspensão fibrosa, levando a um aumento da drenagem e consequentemente melhor eficiência das prensas e secaria. Foi também elaborado um estudo para introdução de um sistema de tratamento microbiológico em todo o processo de fabrico de papel, devido à existência de microorganismos prejudiciais ao seu fabrico. Concluiu-se que a água clarificada proveniente do flutuador apresentou qualidade aceitável para os objectivos pretendidos. No entanto, considerando a eficiência de 26,5% na remoção de sólidos suspensos será necessário mais algum tempo de utilização da água clarificada, cerca de um ano, para avaliar se esta terá algum efeito prejudicial nos equipamentos. Verificou-se que devido à existência de microrganismos em todo o processo de fabrico de papel será necessário efectuar lavagens aos tinões, tanques e circuitos com alguma regularidade, aproveitando-se as paragens do processo assim como implementar um sistema de tratamento microbiológico mais eficaz. Em resultado das medidas implementadas concluiu-se que os papéis produzidos apresentaram melhorias, tendo-se obtido melhores resultados em todos os ensaios de resistência. No papel do tipo Test-Liner destacam-se os bons resultados nos ensaios de superfície, Cobb60 e rebentamento. No caso do parâmetro do Cobb60, foi um resultado surpreendente visto que por norma este tipo de papéis reciclados não suportam este ensaio. Concluiu-se também que as medidas implementadas proporcionaram uma melhor agregação e ligação entre fibras, e melhor formação da folha na máquina do papel proporcionando aos papéis propriedades físico-mecânicas mais interessantes.

Estudo da influência das condições de armazenamento nas propriedades e composição do biodiesel

O objectivo deste trabalho era a determinação da influência das condições de armazenamento do biodiesel nas suas propriedades e composição. Para isso foi produzido biodiesel a partir de óleo alimentar usado e armazenado em diferentes condições. O biodiesel foi colocado em frascos de vidro e dividido em três grupos diferentes de temperatura. O primeiro foi colocado a uma temperatura de 6ºC (frigorifico) com frascos fechados e expostos ao ar e água. O segundo grupo foi colocado a uma temperatura de 40ºC (banho termostático) com frascos fechados, abertos ao ar e abertos ao ar e água. O terceiro e ultimo grupo foi colocado à temperatura ambiente (18,6

Flow amperometric determination of carbofuran and fenobucarb

A simple, rapid, and precise amperometric method for quantification of N-methylcarbamate pesticides in water samples and phytopharmaceuticals is presented. Carbofuran and fenobucarb are the target analytes. The method is developed in flow conditions providing the anodic oxidation of phenolic-based compounds formed after alkaline hydrolysis. Optimization of instrumental and chemical variables is presented. Under the optimal conditions, the amperometric signal is linear for carbofuran and fenobucarb concentrations over the range of 1.0*10-7 to 1.0*10-5 molL-1, with a detection limit of about 2 ngmL-1. The amperometric method is successfully applied to the analysis of spiked environmental waters and commercial formulations. The proposed method allows 90 samples to be analysed per hour, using 500 mL of sample, and producing wastewaters of low toxicity. The proposed method permits determinations at the mgL 1 level and offers advantages of simplicity, accuracy, precision, and applicability to coloured and turbid samples, and automation feasibility.

Copper, nickel and zinc removal by peanut hulls: batch and column studies in mono, tri-component systems and with real effluent

The main goal of this research study was the removal of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) from aqueous solutions using peanut hulls. This work was mainly focused on the following aspects: chemical characterization of the biosorbent, kinetic studies, study of the pH influence in mono-component systems, equilibrium isotherms and column studies, both in mono and tri-component systems, and with a real industrial effluent from the electroplating industry. The chemical characterization of peanut hulls showed a high cellulose (44.8%) and lignin (36.1%) content, which favours biosorption of metal cations. The kinetic studies performed indicate that most of the sorption occurs in the first 30 min for all systems. In general, a pseudo-second order kinetics was followed, both in mono and tri-component systems. The equilibrium isotherms were better described by Freundlich model in all systems. Peanut hulls showed higher affinity for copper than for nickel and zinc when they are both present. The pH value between 5 and 6 was the most favourable for all systems. The sorbent capacity in column was 0.028 and 0.025 mmol g-1 for copper, respectively in mono and tri-component systems. A decrease of capacity for copper (50%) was observed when dealing with the real effluent. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit.

Electroanalytical determination of oxadiazon and characterization of its base-catalyzed ring-opening products

The electrochemical behavior of the hydrolysis products of oxadiazon was studied by cyclic and square-wave voltammetry using a glassy carbon electrode. Maximum currents were obtained at pH 12.8 in an aqueous electrolyte solution containing 30% ethanol and the current did not decrease with time showing that there was little adsorption of the reaction products on the electrode surface. The hydrolysis products of oxadiazon were identi®ed, after isolation and puri®cation, as 1-trimethylacetyl-2-(2,4-dichloro-5-isopropoxyphenyl)-2-ethoxycarbonylhydrazine (Oxa1) and 1-trimethylacetyl-2-(2,4-dichloro-5-isopropoxyphenyl) hydrazine (Oxa2) with redox potentials 0.6Vand 70.1V (vs. Ag=AgCl), respectively. Based on the electrochemical behavior of 1-trimethylacetyl-2-(2,4-dichloro-5-isopropoxyphenyl) hydrazine (Oxa2) a simple electroanalytical procedure was developed for the determination of oxadiazon in commercial products used in the treatment of rice crops in Portugal that contain oxadiazon as the active ingredient. The detection limit was 161074 M, the mean content and relative standard deviation obtained for seven samples of two different commercial products by the electrochemical method were 28.4 0.8% (Ronstar) and 1.9 0.2% (Ronstar GR), and the recoveries were 100.3 5.4% and 101.1 5.3 %, respectively.

Voltammetric oxidation of drugs of abuse III. Heroin and metabolites

The oxidative behavior of heroin in aqueous solution is reported. In order to identify its oxidation peaks, several metabolites, 6-monoacetylmorphine, 3-monoacetylmorphine and norheroin, were synthesized and their electrochemical behavior studied using differential pulse voltammetry. The anodic waves observed for heroin correspond to the oxidation of the tertiary amine group and its follow-up product (secondary amine), and to the oxidation of the phenolic group obtained from hydrolysis, at alkaline pHs, of the 3-acetyl group. The results enabled a new oxidative mechanism for heroin to be proposed in which a secondary amine, norheroin, and an aldehyde are obtained. The voltammetric behavior of 6-monoacetylmorphine and morphine was found to be similar demonstrating that the presence of an acetyl substituent on the 6-hydroxy group does not have a relevant influence on the peak potential of the wave resulting from oxidation of the 3-phenolic group.

Amperometric and spectrophotometric determination of carbaryl in natural waters and commercial formulations

The work presented describes the development and evaluation of two flow-injection analysis (FIA) systems for the automated determination of carbaryl in spiked natural waters and commercial formulations. Samples are injected directly into the system where they are subjected to alkaline hydrolysis thus forming 1-naphthol. This product is readily oxidised at a glassy carbon electrode. The electrochemical behaviour of 1-naphthol allows the development of an FIA system with an amperometric detector in which 1-naphthol determination, and thus measurement of carbaryl concentration, can be performed. Linear response over the range 1.0×10–7 to 1.0×10–5 mol L–1, with a sampling rate of 80 samples h–1, was recorded. The detection limit was 1.0×10–8 mol L–1. Another FIA manifold was constructed but this used a colorimetric detector. The methodology was based on the coupling of 1-naphthol with phenylhydrazine hydrochloride to produce a red complex which has maximum absorbance at 495 nm. The response was linear from 1.0×10–5 to 1.5×10–3 mol L–1 with a detection limit of 1.0×10–6 mol L–1. Sample-throughput was about 60 samples h–1. Validation of the results provided by the two FIA methodologies was performed by comparing them with results from a standard HPLC–UV technique. The relative deviation was <5%. Recovery trials were also carried out and the values obtained ranged from 97.0 to 102.0% for both methods. The repeatability (RSD, %) of 12 consecutive injections of one sample was 0.8% and 1.6% for the amperometric and colorimetric systems, respectively.

Electroanalytical study of the pesticide ethiofencarb

A detailed study of voltammetric behavior of ethiofencarb (ETF) is reported using glassy carbon electrode (GCE) and hanging mercury drop electrode (HMDE). With GCE, it is possible to verify that the oxidative mechanism is irreversible, independent of pH, and the maximum intensity current was observed at +1.20 V vs. AgCl/Ag at pH 1.9. A linear calibration line was obtained from 1.0x10-4 to 8.0x10-4 mol L-1 with SWV method. To complete the electrochemical knowledge of ETF pesticide, the reduction was also explored with HMDE. A well-defined peak was observed at –1.00V vs. AgCl/Ag in a large range of pH with higher signal at pH 7.0. Linearity was obtained in 4.2x10-6 and 9.4x10-6 mol L-1 ETF concentration range. An immediate alkaline hydrolysis of ETF was executed, producing a phenolic compound (2-ethylthiomethylphenol) (EMP), and the electrochemical activity of the product was examined. It was deduced that it is oxidized on GCE at +0.75V vs. AgCl/Ag with a maximum peak intensity current at pH 3.2, but the compound had no reduction activity on HMDE. Using the decrease of potential peak, a flow injection analysis (FIA) system was developed connected to an amperometric detector, enabling the determination of EMP over concentration range of 1.0x10-7 and 1.0x10-5 mol L-1 at a sampling rate of 60 h-1. The results provided by FIA methodology were performed by comparison with results from high-performance liquid chromatography (HPLC) technique and demonstrated good agreement with relative deviations lower than 4%. Recovery trials were performed and the obtained values were between 98 and 104%.

Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

Quantificação de polifosfatos no bacalhau. Validação de um método de análise

O bacalhau (Gadus morhua) faz parte da dieta alimentar dos portugueses há vários séculos, sendo atualmente, um dos maiores consumidores deste peixe a nível mundial. Após o processo de salga, esta espécie possui características únicas como a consistência, cheiro, paladar e cor amarela. É precisamente devido à coloração do peixe que alguns produtores da Islândia, Noruega e Dinamarca requisitaram às autoridades da União Europeia (UE) a aprovação da utilização de polifosfatos no processo de salga húmida do bacalhau. Os polifosfatos são aditivos alimentares bastante usados no processamento do pescado pois previnem a oxidação dos lípidos e proteínas do músculo do bacalhau, evitando assim a indesejada mudança de cor do peixe. Apesar dos esforços da Associação dos Industriais do Bacalhau (AIB) e do governo português para a rejeição da proposta nórdica, tal não se verificou. Deste modo, no início do próximo ano já será possível a venda na UE de bacalhau com fosfatos. A quantificação do teor de fosfatos no bacalhau é geralmente efetuada por Espetrofotometria de absorção molecular no ultravioleta-visível (UV-Visível). Esta quantificação é baseada no método de determinação do fósforo total, através da hidrólise dos fosfatos a ortofosfatos com posterior medição da cor amarela, gerada pela reação destes com uma solução de molibdato-vanadato. O objetivo desta dissertação foi a validação de um método de análise para a quantificação dos polifosfatos no bacalhau. O método validado foi o descrito na norma NP 4495 para produtos de pesca e aquicultura. O desenvolvimento deste trabalho foi realizado em laboratório acreditado para águas e produtos alimentares (Equilibrium - Laboratório de Controlo de Qualidade e de Processos Lda, L0312). Foi ainda determinada a influência do teor de cloreto de sódio na quantificação dos polifosfatos e o teor de humidade, uma vez que este pode afetar o produto durante a sua comercialização. No processo de validação do método foram estudados diversos parâmetros, tais como a seletividade, linearidade, sensibilidade, limite de quantificação e precisão. Pela análise dos resultados obtidos conclui-se que o método para determinação de fosfatos no bacalhau se encontra validado, uma vez que satisfaz todas as especificações determinadas para cada parâmetro de validação avaliado.

SPE-LC-FD Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Monohydroxy Derivatives in Cephalopods

A new analytical methodology, based on liquid chromatography with fluorescence detection (LC-FD), after extraction, enzymatic hydrolysis, and solid-phase extraction (SPE) through Oasis HLB cartridges, was developed and validated for the simultaneous determination of three monohydroxy derivatives of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The optimized analytical method is sensitive, accurate, and precise, with recoveries between 62 and 110% and limits of detection of 227, 9, and 45 ng/g for 1-hydroxynaphthalene, 2-hydroxyfluorene, and 1-hydroxypyrene, respectively. Their levels were estimated in different cephalopod matrices (edible tissues and hemolymph). The methodology was applied to samples of the major cephalopod species consumed worldwide. Of the 18 samples analyzed, 39% were contaminated with 1-hydroxynaphthalene, which was the only PAH metabolite detected. Its concentration ranged from 786 to 1145 ng/g. This highly sensitive and specific method allows the identification and quantitation of PAH metabolites in forthcoming food safety and environmental monitoring programs.