Controlo de reacções de polimerização em miniemulsão através de técnicas de espectroscopia NIR e Raman

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Investigation of the regulation mechanisms for bioplastics production from industrial residues

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Conversão catalítica de etanol sobre carvões activados

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Study of nuclear reactions relevant for astrophysics by Micro-AMS

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Física

Optimização da produção biológica de polihidroxialcanoatos por aplicação de processos de separação com membranas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Understanding the microbial ecology and ecophysiology of enhanced biological phosphorus removal processes through metabolic modelling and experimental studies

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

Reactores biológicos de membranas no tratamento de águas residuais. Estudo prévio - mbr compacto

O aumento da população mundial, principalmente em zonas de escassez de água, intensifica o aumento da sua procura para usos domésticos, industriais, e agrícolas. A reutilização de águas residuais pode ser apresentada como um contributo alternativo a esta procura, nomeadamente para fins não potáveis, podendo ser tratadas a níveis de qualidade que permitam a sua utilização adequada neste contexto, sendo uma medida, a longo prazo, competitiva do ponto de vista técnico económico. Neste âmbito, é efectuado um estudo sobre a aplicabilidade de Bioreactores de Membranas, denominados MBR, no tratamento de águas residuais e sua reutilização, sendo efectuado um estudo prévio para um sistema MBR compacto, dimensionado para 50 habitantes equivalentes tendo-se chegado a um tanque com 11 m3 divido em duas zonas, uma de equalização com 3 m3 e um reactor biológico com 8 m3. As membranas seleccionadas foram membranas de ultrafiltração PURON® da KOCH, devido ao seu sistema de limpeza inovador e eficiente, assim como às suas garantias de bom funcionamento. Por último fez-se uma análise com o objectivo de comparar sumariamente em várias vertentes (espaço, funcionalidades, custos, aumento de capacidades, arranque e produção de lamas) um sistema MBR, compacto ou não, com outros sistemas de tratamento. Esta dissertação tem como principais conclusões, que é possível um sistema MBR compacto ser produzido com um custo capital dentro dos limites comerciais, comparativamente a outras soluções compactas onde, no entanto, a solução MBR é sempre mais dispendiosa em termos de Total Cost of Ownership que qualquer outro sistema, apresentando no entanto sempre vantagens em termos da relação qualidade do efluente final e espaço ocupado.

Evaluation of uv spectrophotometry for estimation of nitrite and nitrate in nitrified urine

Water is a limited resource for which demand is growing. Contaminated water from inadequate wastewater treatment provides one of the greatest health challenges as it restricts development and increases poverty in emerging and developing countries. Therefore, the connection between wastewater and human health is linked to access to sanitation and to human waste disposal. Adequate sanitation is expected to create a barrier between disposed human excreta and sources of drinking water. Different approaches to wastewater management are required for different geographical regions and different stages of economic governance depending on the capacity to manage wastewater. Effective wastewater management can contribute to overcome the challenges of water scarcity. Separate collection of human urine at its source is one promising approach that strongly reduces the economic and load demands on wastewater treatment plants (WWTP). Treatment of source-separated urine appears as a sanitation system that is affordable, produces a valuable fertiliser, reduces pollution of water resources and promotes health. However, the technical realisation of urine separation still faces challenges. Biological hydrolysis of urea causes a strong increase of ammonia and pH. Under these conditions ammonia volatilises which can cause odour problems and significant nitrogen losses. The above problems can be avoided by urine stabilisation. Biological nitrification is a suitable process for stabilisation of urine. Urine is a highly concentrated nutrient solution which can lead to strong inhibition effects during bacterial nitrification. This can further lead to process instabilities. The major cause of instability is accumulation of the inhibitory intermediate compound nitrite, which could lead to process breakdown. Enhanced on-line nitrite monitoring can be applied in biological source-separated urine nitrification reactors as a sustainable and efficient way to improve the reactor performance, avoiding reactor failures and eventual loss of biological activity. Spectrophotometry appears as a promising candidate for the development and application of on-line nitrite monitoring. Spectroscopic methods together with chemometrics are presented in this work as a powerful tool for estimation of nitrite concentrations. Principal component regression (PCR) is applied for the estimation of nitrite concentrations using an immersible UV sensor and off-line spectra acquisition. The effect of particles and the effect of saturation, respectively, on the UV absorbance spectra are investigated. The analysis allows to conclude that (i) saturation has a substantial effect on nitrite estimation; (ii) particles appear to have less impact on nitrite estimation. In addition, improper mixing together with instabilities in the urine nitrification process appears to significantly reduce the performance of the estimation model.

Enrichment of a PHA producing microbial community in a continuous bioreactor setup

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biosynthetic polyesters, biodegradable and biocompatible making them of great interest for industrial purposes. The use of low value substrates with mixed microbial communities (MMC) is a strategy currently used to decrease the elevated PHA production costs. PHA production process requires an important step for selection and enrichment of PHA-storing microorganisms which is usually carried out in a Sequencing Batch Reactor (SBR). The aim of this study was to optimize the PHA accumulating culture selection stage using a 2-stage Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR) system. The system was composed by two separate feast and famine bioreactors operated continuously, mimicking the feast and famine phases in a SBR system. Acetate was used as carbon source and biomass seed was highly enriched in Plasticicumulans acidivorans obtained from activated sludge. The system was operated under two different sets of conditions (setup 1 and 2), maintaining a system total retention time of 12 hours and an OLR of 2.25 Cmmol/L.h-1. An average PHB-content of 3.3 % wt was obtained in setup 1 and 4.8% wt in setup 2. Several other experiments were performed in order to better understand the continuous system behaviour, using biomass from the continuous system. With the fed-batch experiment a maximum of 8.1% PHB was stored and the maximum substrate uptake and specific growth rates obtained in the growth experiment (1.15 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.53 Cmol Cmol-1.h-1) were close to the ones from continuous system (1.12 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.59 Cmol Cmol-1.h-1). The microbial community was characterized trough microscopic visualization, Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) analysis and Fluorescent in situ hybridization (FISH). The last studied performed mimicked the continuous system by building up a SBR system with all the same operational conditions while adding an extra acetate dosage during the 12 h cycle, simulating the substrate passing from the feast to the famine reactors under continuous operation. It was shown that possibly the continuous system was not able to efficiently select for PHB storing organisms under the operational conditions imposed, although the selected culture was capable of consuming the substrate and grow fast. This main conclusion might have resulted from two major factors affecting the system performance: the ammonium concentration in the Feast reactor and the amount of substrate leaching from the Feast to the Famine reactor.

Conceção, simulação e validação experimental de sondas de correntes induzidas para ensaios não destrutivos de geometrias tubulares

Os Ensaios Não destrutivos de (END) por Correntes Induzidas (CI) são uma das principais técnicas utilizadas na inspeção de tubagens, nomeadamente em caldeiras e permutadores de calor. Apesar de ser uma técnica comum e com muitos anos de experiência acumulada, existem algumas condições onde persistem dificuldades, como é o caso da deteção de micro defeitos com orientação tangencial. Por outro lado, assiste-se atualmente a uma exigência cada vez maior do ponto de vista da fiabilidade dos sistemas e sondas de CI. Um exemplo particular dessa exigência é a inspeção de um perfil com geometria tubular em aço inox 316LN (JK2LB), o qual constitui as bobinas poloidais do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). O objetivo central deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente diferentes tipos de sondas de CI para a deteção de micro defeitos no interior de componentes de geometria tubular, com vista a reduzir o limiar de detetabilidade dos defeitos com orientação tangencial, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção. Foram concebidas, produzidas e validadas experimentalmente quatro novas sondas de CI e foram replicadas três configurações já existentes. Foram realizadas simulações numéricas das diferentes sondas, sob diferentes condições de inspeção e criaram-se os meios laboratoriais adequados para a realização dos END. Os resultados experimentais mostraram que as novas sondas desenvolvidas permitem detetar com clareza defeitos tangenciais com 2 mm de comprimento e 0.5 mm de profundidade, o que está claramente abaixo do limiar de detetabilidade das sondas convencionais constituídas por bobinas toroidais. As simulações numéricas permitiram descrever e caracterizar com sucesso alguns fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. Em termos genéricos, foi estabelecido um importante conhecimento processual dos END por CI de geometrias tubulares.

Avaliação de tecnologias de redução de volume das lamas produzidas em ETAR

O adequado tratamento da água residual revela-se de extrema importância na preservação dos recursos naturais e da qualidade de vida. Esse tratamento é caracterizado pela produção de subprodutos que incluem resíduos removidos da água residual e lama produzida no tratamento da mesma. Ao longo do tempo, as directrizes europeias têm vindo a ser cada vez mais restritivas quanto aos valores limite que determinam a qualidade de emissão da água residual ou de deposição da lama, por forma a minimizar os impactes negativos no local de recepção dos mesmos e redução dos custos de transporte, no caso da lama, pelo que a ETAR deve ser planeada de forma a garantir o cumprimento da legislação em vigor, de acordo com a qualidade da água residual afluente à estação. O tratamento na estação divide-se em linha de fase líquida e sólida. No tratamento convencional da fase sólida, a lama é tratada segundo a sequência de etapas espessamento, estabilização e desidratação. Nesta dissertação será dada especial relevância à linha de fase sólida, com o intuito de apresentar, caracterizar e comparar as tecnologias (além do tratamento convencional) que se encontram em fase experimental ou já implantadas em ETAR e têm como objectivo a redução do volume da lama produzida. Será desenvolvida uma aplicação informática de apoio à decisão quanto à tecnologia indicada, de acordo com as variáveis seleccionadas pelo utilizador. As tecnologias dividem-se em: processos biológicos, hidrólise, oxidação avançada, química, térmica e mecânica. Nos biológicos a redução do volume da lama pode ser garantida pela predação dos microrganismos, pela manutenção/inibição do metabolismo e pela alteração/introdução de um reactor biológico na estação. A hidrólise é optimizada após doseamento de enzimas ou por aumento da temperatura. A oxidação avançada é caracterizada pelas tecnologias de ozonização, processo de Fenton, oxidação por ar húmido e oxidação electroquímica. A tecnologia química depende da adição de reagente ácido, alcalino ou outro. A tecnologia mecânica abrange a sonificação, o moinho de rotação, o reactor de homogeneização, a aplicação de campo eléctrico, a aplicação de radiação gama, recurso a técnicas centrífugas e aplicação de pressão na lama. A elevação da temperatura de reacção por meio convencional, por aplicação de radiação de micro-ondas ou garantindo o ciclo de congelamento/aquecimento pertencem à tecnologia térmica. Estas tecnologias podem ser aplicadas numa fase anterior ou posterior da estabilização da lama por forma a melhorar a biodegradabilidade dos compostos orgânicos e reduzir o número de microrganismos viáveis. As tecnologias actuam por meio de libertação de energia, radiação ou pressão no sentido de garantir os objectivos descritos e podem ser aplicadas individualmente ou combinadas (sistema híbrido). Assim o consumo energético, o incremento de matéria orgânica e a capacidade de redução da quantidade de lama são factores que devem ser considerados na escolha da melhor tecnologia que se adequa a cada ETAR.

Desenvolvimento de membranas catalíticas ácidas para a metanólise do ácido palmítico: estudo do efeito da reticulação

A produção de biodiesel tem sido afectada, ao nível dos custos de produção, pela falta de matérias-primas adequadas que não entrem em competição com a indústria alimentar. A matéria-prima original para a produção de biodiesel é o óleo de soja alimentar, porém a sua utilização origina problemas significativos a nível político e económico. Desta forma, a indústria do biodiesel encontra-se empenhada na modificação para matériasprimas alternativas e de baixo custo. Contudo, estas matérias-primas apresentam elevados níveis de ácidos gordos livres, sendo por isso necessária a eliminação dos ácidos gordos livres. Neste trabalho experimental é proposta a metanólise do ácido palmítico catalisada por membranas poliméricas catalíticas ácidas, utilizadas num reactor de membrana com pervaporação simultânea. Este processo é uma alternativa á destilação reactiva visto que permite a integração da reacção e da separação numa única operação, pelo que é possível a optimização energética, a maximização da conversão e a eliminação de solventes de extracção. Foi efectuado o estudo cinético da reacção de esterificação catalisada pelo catalisador KIT-6 sulfonado. Este catalisador foi caracterizado por titulação ácido-base. Prepararam-se membranas catalíticas compósitas por dispersão do KIT-6 sulfonado em matrizes de poli(álcool vinílico) reticulado com glutaraldeído ou hexametilenodiisocianato. As membranas foram caracterizadas por medição de ângulos de contacto, percentagem de inchamento e por FTIR. Os efeitos do tipo de reticulante e da percentagem de reticulação nas propriedades de transporte e de sorção das membranas, foram estudados em reactor bacth, com as membranas cortadas em pedaços. Os elevados períodos de indução apresentados pelas curvas cinéticas obtidas sugerem que a água formada na reacção afecta de forma pronunciada as propriedades de transporte das membranas. Esta hipótese foi suportada pelo bom ajuste dum modelo cinético-difusional aos pontos experimentais. Por fim, foi testada uma membrana em reactor de membrana com pervaporação simultânea, utilizando azoto seco como gás de varrimento.

The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Valorization of olive pomace through combination of biocatalysis with supercritical fluid technology

A supercritical carbon dioxide (scCO2) based oil extraction method was implemented on olive pomace (alperujo), and an oil yield of 25,5 +/- 0,8% (goil/gdry residue) was obtained. By Soxhlet extraction with hexane, an oil extraction yield of 28,9 +/- 0,8 % was obtained, which corresponds to an efficiency of 88,4 +/- 4,8 % for the supercritical method. The scCO2 extraction process was optimized for operating conditions of 50 MPa and 348,15 K, for which an oil loading of 32,60 g oil/kg CO2 was calculated. As a proof of concept, olive pomace was used as feedstock for biodiesel production, in a process combining the use of lipase as a catalyst with the use of scCO2 as a solvent, and integrating the steps of oil extraction, oil to biodiesel transesterification and subsequent separation of the latter. In the conducted experiments, FAME (fatty acid methyl ester) purities of 90% were obtained, with the following operating parameters: an oil:methanol molar ratio of 1:24; a residence time of 7,33 and 11,6 mins; a pressure of 40 MPa; a temperature of 313,15 K; and Lipozyme (Mucor miehei; Sigma-Aldritch) as an enzyme. However, oscillations of FAME purity were registered throughout the experiments, which could possibly be due to methanol accumulation in the enzymatic reactor. Finally, the phenolic content of olive pomace, and the effect of the drying process – oven or freeze-drying – and the extraction methods – hydro-alcoholic method and supercritical method – on the phenolic content were analysed. It was verified that the oven-drying process on the olive pomace preserved 90,1 +/- 3,6 % of the total phenolic content. About 62,3 +/- 5,53% of the oven-dried pomace phenolic content was extracted using scCO2 at 60 MPa and 323,15 K. Seven individual phenols – hydroxytyrosol, tyrosol, oleuropein, quercetin, caffeic acid, ferulic acid and p-coumaric acid – were identified and quantified by HPLC.

Impact of carbon/nitrogen feeding strategy on polyhydroxyalkanoates production using mixed microbial cultures

Polyhydroxyalkanoates (PHA) production using mixed microbial cultures (MMC) requires a multi-stage process involving the microbial selection of PHA-storing microorganisms, typically operated in sequencing batch reactors (SBR), and an accumulation reactor. Since low-cost renewable feedstocks used as process feedstock are often nitrogen-deficient, nutrient supply in the selection stage is required to allow for microbial growth. In this context, the possibility to uncouple nitrogen supply from carbon feeding within the SBR cycle has been investigated in this study. Moreover, three different COD:N ratios (100:3.79, 100:3.03 and 100:2.43) were tested in three different runs which also allowed the study of COD:N ratio on the SBR performance. For each run, a synthetic mixture of acetic and propionic acids at an overall organic load rate of 8.5 gCOD L-1 d-1 was used as carbon feedstock, whereas ammonium sulfate was the nitrogen source in a lab-scale sequence batch reactor (SBR) with 1 L of working volume. Besides, a sludge retention time (SRT) of 1 d was used as well as a 6 h cycle length. The uncoupled feeding strategy significantly enhanced the selective pressure towards PHA-storing microorganisms, resulting in a two-fold increase in the PHA production (up to about 1.3 gCOD L-1). A high storage response was observed for the two runs with the COD:N ratios (gCOD:gN) of 100:3.79 and 100:3.03, whereas the lowest investigated nitrogen load resulted in very poor performance in terms of polymer production. In fact, strong nitrogen limitation caused fungi to grow and a very poor storage ability by microorganisms that thrived in those conditions. The COD:N ratio also affected the polymer composition, indeed the produced poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) showed a variable HV content (1-20 %, w/w) among the three runs, lessening as the COD:N increased. This clearly suggests the possibility to use the COD:N ratio as a tool for tuning polymer properties regardless the composition of the feedstock.