Obtenção de consórcio de bactérias fotoheterotróficas geradoras de H2 visando sua produção em reator anaeróbio em batelada

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Ethanol and Water Adsorption on Close-Packed 3d, 4d, and 5d Transition-Metal Surfaces: A Density Functional Theory Investigation with van der Waals Correction

Nowadays, there is a great interest in the economic success of direct ethanol fuel cells; however, our atomistic understanding of the designing of stable and low-cost catalysts for the steam reforming of ethanol is still far from satisfactory, in particular due to the large number of undesirable intermediates. In this study, we will report a first-principles investigation of the adsorption properties of ethanol and water at low coverage on close-packed transition-metal (TM) surfaces, namely, Fe(110), Co(0001), Ni(111), Cu(111), Ru(0001), Rh(111), Pd(111), Ag(111), Os(0001), Ir(111), Pt(111), and Au(111), employing density functional theory (DFT) calculations. We employed the generalized gradient approximation with the formulation proposed by Perdew, Burke, and Erzenholf (PBE) to the exchange correlation functional and the empirical correction proposed by S. Grimme (DFT+D3) for the van der Waals correction. We found that both adsorbates binds preferentially near or on the on top sites of the TM surfaces through the 0 atoms. The PBE adsorption energies of ethanol and water decreases almost linearly with the increased occupation of the 4d and 5d d-band, while there is a deviation for the 3d systems. The van der Waals correction affects the linear behavior and increases the adsorption energy for both adsorbates, which is expected as the van der Waals energy due to the correlation effects is strongly underestimated by DFT-PBE for weak interacting systems. The geometric parameters for water/TM are not affected by the van der Waals correction, i.e., both DFT and DFT+D3 yield an almost parallel orientation for water on the TM surfaces; however, DFT+D3 changes drastically the ethanol orientation. For example, DFT yields an almost perpendicular orientation of the C-C bond to the TM surface, while the C-C bond is almost parallel to the surface using DFT +D3 for all systems, except for ethanol/Fe(110). Thus, the van der Waals correction decreases the distance of the C atoms to the TM surfaces, which might contribute to break the C-C bond. The work function decreases upon the adsorption of ethanol and water, and both follow the same trends, however, with different magnitude (larger for ethanol/TM) due to the weak binding of water to the surface. The electron density increases mainly in the region between the topmost layer and the adsorbates, which explains the reduction of the substrate work function.

EFFECTS OF ADDING LANTHANUM TO Ni/ZrO2 CATALYSTS ON ETHANOL STEAM REFORMING

EFFECTS OF ADDING LANTHANUM TO Ni/ZrO2 CATALYSTS ON ETHANOL STEAM REFORMING. The catalytic performance of Ni/ZrO2 catalysts loaded with different lanthanum content for steam reforming of ethanol was investigated. Catalysts were characterized by BET surface area, X-ray diffraction, UV-vis spectroscopy, temperature programmed reduction, and X-ray absorption fine structure techniques. Results showed that lanthanum addition led to an increase in the degree of reduction of both NiO and nickel surface species interacting; with the support, due to the higher dispersion effect. The best catalytic performance at 450 degrees C was found for the Ni/2LZ catalyst, which exhibited an effluent gaseous mixture with the highest H-2 yield.

Ethanol steam reforming over rhodium and cobalt-based catalysts: Effect of the support

The effect of support on the properties of rhodium and cobalt-based catalysts for ethanol steam reforming was studied in this work, by comparing the use of magnesia, alumina and Mg-Al oxide (obtained from hydrotalcite) as supports. It was found that metallic rhodium particles with around 2.4-2.6 nm were formed on all supports, but Mg-Al oxide led to the narrowest particles size distribution; cobalt was supposed to be located on the support, affecting its acidity. Rhodium interacts strongly with the support in the order: alumina> Mg-Al oxide > magnesia. The magnesium-containing catalysts showed low ethene selectivity and high hydrogen selectivity while the alumina-based ones showed high ethene selectivity, assigned to the Lewis sites of alumina. The Mg-Al oxide-supported rhodium and cobalt catalyst was the most promising sample to produce hydrogen by ethanol reforming, showing the highest hydrogen yield, low ethene selectivity and high specific surface area during reaction. Copyright (C) 2011, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

New catalysts for the water gas shift reaction at middle-temperature

H2 demand is continuously increasing since its many relevant applications, for example, in the ammonia production, refinery processes or fuel cells. The Water Gas Shift (WGS) reaction (CO + H2O = CO2 + H2 DeltaH = -41.1 kJ.mol-1) is a step in the H2 production, reducing significantly the CO content and increasing the H2 one in the gas mixtures obtained from steam reforming. Industrially, the reaction is carried out in two stages with different temperature: the first stage operates at high temperature (350-450 °C) using Fe-based catalysts, while the second one is performed at lower temperature (190-250 °C) over Cu-based catalysts. However, recently, an increasing interest emerges to develop new catalytic formulations, operating in a single-stage at middle temperature (MTS), while maintaining optimum characteristics of activity and stability. These formulations may be obtained by improving activity and selectivity of Fe-based catalysts or increasing thermal stability of Cu-based catalysts. In the present work, Cu-based catalysts (Cu/ZnO/Al2O3) prepared starting from hydrotalcite-type precursors show good homogeneity and very interesting physical properties, which worsen by increasing the Cu content. Among the catalysts with different Cu contents, the catalyst with 20 wt.% of Cu represents the best compromise to obtain high catalytic activity and stability. On these bases, the catalytic performances seem to depend on both metallic Cu surface area and synergetic interactions between Cu and ZnO. The increase of the Al content enhances the homogeneity of the precursors, leading to a higher Cu dispersion and consequent better catalytic performances. The catalyst with 20 wt.% of Cu and a molar ratio M(II)/M(III) of 2 shows a high activity also at 250 °C and a good stability at middle temperature. Thus, it may be considered an optimum catalyst for the WGS reaction at middle temperature (about 300 °C). Finally, by replacing 50 % (as at. ratio) of Zn by Mg (which is not active in the WGS reaction), better physical properties were observed, although associate with poor catalytic performances. This result confirms the important role of ZnO on the catalytic performances, favoring synergetic interactions with metallic Cu.

Produzione di bioidrogeno in dark fermentation da scarti dell'industria agroalimentale mediante l'impiego di batteri ipertermofili

La presente tesi di dottorato ha come argomento la produzione d’idrogeno per via fermentativa sfruttando il metabolismo anaerobico di particolari batteri estremofili del genere Thermotoga. In questo lavoro, svolto in seno al progetto Bio-Hydro, sfruttando reattori batch da 116 mL, è stato selezionato il ceppo migliore di Thermotoga fra i quatto ceppi testati: T. neapolitana. Una volta individuato il candidato batterico migliore è stato individuato il valore ottimale di pH (8.5 a t.amb) per la produzione d’idrogeno. Un intenso lavoro è stato svolto sul medium di coltura permettendone la minimizzazione e rendendolo così economicamente sostenibile per il suo utilizzo nel reattore da 19L; in questo caso il glucosio è stato completamente sostituito con due sottoprodotti agroindustriali individuati in precedenza, il melasso di barbabietola e il siero di latte. Sono stati poi eliminati i gravosi micronutrienti e le vitamine. È stata sfruttata la capacità di T. neapolitana di produrre biofilm e sono stati testati 4 diversi supporti in vetro sinterizzato e ceramici, tali test hanno permesso di individuare Biomax come supporto migliore. Sono stati svolti studi sul metabolismo di T. neapolitana volti ad individuare le concentrazioni inibenti di ogni substrato testato, l’inibizione da prodotto (idrogeno) e l’inibizione da ossigeno. Tutte queste prove hanno dato le conoscenze di base per la conduzione di esperienze su reattore da 19L. L’innovativo reattore di tipo SPCSTR è stato interamente studiato, progettato e costruito presso il DICMA. dell’Università di Bologna. La conduzione di esperienze batch su SPCSTR ha dato la possibilità di verificare il funzionamento del nuovo tipo d’impianto. Presso il Wageningen UR (NL), è stata svolta la selezione del miglior ceppo di Caldicellulosisruptor fra 3 testati e del miglior supporto per la produzione d’idrogeno; è stato poi costruito testato e condotto in continuo l’innovativo reattore CMTB.

Hypertonic NaCl infusions affect milk composition in goats

The capability of goats to maintain milk production during water deprivation is remarkable and not yet fully understood. The aim of the present study was to investigate whether intravenous infusions of hypertonic NaCl cause release of both vasopressin and oxytocin and whether the peptides, in combination with the hyperosmolality, affect milk flow and milk composition. Six Swedish domestic landrace goats in their first to third lactation were milked every 30 min during experiments. Hypertonic NaCl (HNaCl) or isotonic NaCl (IsoNaCl) were infused for 90 min. Goats were not allowed to drink during infusions. Plasma vasopressin concentration increased during HNaCl infusions, and did not change in response to IsoNaCl infusions. Plasma oxytocin concentration did not change during either infusion. Milk flow was maintained during the infusions. Milk fat concentration decreased in the three samples taken before onset of the infusions, but then increased gradually during HNaCl infusions, while it continued to fall during the IsoNaCl infusions. Milk osmolality followed the rise in plasma osmolality during the HNaCl infusions and did not change in IsoNaCl experiments. Milk lactose concentration increased throughout both series of experiments, the concentration being higher during HNaCl infusions. Milk protein concentration did not change during HNaCl infusions, but fell in the IsoNaCl experiments. It is concluded that the hyperosmolality in combination with elevated plasma vasopressin levels did not disturb the secretory activity of the mammary cells, but rather facilitated emptying of the alveolar milk. Such a mechanism may help to explain the sustained milk production in water deprived goats.

Biogeochemical investigations on sediment core MD04-2876

Modern seawater profiles of oxygen, nitrate deficit, and nitrogen isotopes reveal the spatial decoupling of summer monsoon-related productivity and denitrification maxima in the Arabian Sea (AS) and raise the possibility that winter monsoon and/or ventilation play a crucial role in modulating denitrification in the northeastern AS, both today and through the past. A new high-resolution 50-ka record of d15N from the Pakistan margin is compared to five other denitrification records distributed across the AS. This regional comparison unveils the persistence of east-west heterogeneities in denitrification intensity across millennial-scale climate shifts and throughout the Holocene. The oxygen minimum zone (OMZ) experienced east-west swings across Termination I and throughout the Holocene. Probable causes are (1) changes in ventilation due to millennial-scale variations in Antarctic Intermediate Water formation and (2) postglacial reorganization of intermediate circulation in the northeastern AS following sea level rise. Whereas denitrification in the world's OMZs, including the western AS, gradually declined following the deglacial maximum (10-9 ka BP), the northeastern AS record clearly witnesses increasing denitrification from about 8 ka BP. This would have impacted the global Holocene climate through sustained N2O production and marine nitrogen loss.

Experimental analysis of direct thermal methane cracking

The analysis of the viability of Hydrogen production without CO2 emissions is one of the most challenging activities that have been initiated for a sustainable energy supply. As one of the tracks to fulfil such objective, direct methane cracking has been analysed experimentally to assess the scientific viability and reaction characterization in a broad temperature range, from 875 to 1700 ?C. The effect of temperature, sweeping/carrier gas fraction proposed in some concepts, methane flow rate, residence time, and tube material and porosity has been analysed. The aggregation of carbon black particles to the reaction tube is the main technological show-stopper that has been identified.

Pre-investigation of water electrolysis for flexible energy storage at large scales: the case of the Spanish power system

This report analyzes the basis of hydrogen and power integration strategies, by using water electrolysis processes as a means of flexible energy storage at large scales. It is a prospective study, where the scope is to describe the characteristics of current power systems (like the generation technologies, load curves and grid constraints), and define future scenarios of hydrogen for balancing the electrical grids, considering the efficiency, economy and easiness of operations. We focus in the "Spanish case", which is a good example for planning the transition from a power system holding large reserve capacities, high penetration of renewable energies and limited interconnections, to a more sustainable energy system being capable to optimize the volumes, the regulation modes, the utilization ratios and the impacts of the installations. Thus, we explore a novel aspect of the "hydrogen economy" which is based in the potentials of existing power systems and the properties of hydrogen as energy carrier, by considering the electricity generation and demand globally and determining the optimal size and operation of the hydrogen production processes along the country; e.g. the cost production of hydrogen becomes viable for a base-load scenario with 58 TWh/year of power surplus at 0.025 V/kWh, and large number electrolyzer plants (50 MW) running in variable mode (1-12 kA/m2)

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.

Concepção de um receptor de cavidade para concentração de energia solar para aplicação em reatores químicos.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos.

Ni-CeO2/C Catalysts with Enhanced OSC for the WGS Reaction

In this work, the WGS performance of a conventional Ni/CeO2 bulk catalyst is compared to that of a carbon-supported Ni-CeO2 catalyst. The carbon-supported sample resulted to be much more active than the bulk one. The higher activity of the Ni-CeO2/C catalyst is associated to its oxygen storage capacity, a parameter that strongly influences the WGS behavior. The stability of the carbon-supported catalyst under realistic operation conditions is also a subject of this paper. In summary, our study represents an approach towards a new generation of Ni-ceria based catalyst for the pure hydrogen production via WGS. The dispersion of ceria nanoparticles on an activated carbon support drives to improved catalytic skills with a considerable reduction of the amount of ceria in the catalyst formulation.

Quantum dynamics with stochastic gauge simulations

The general idea of a stochastic gauge representation is introduced and compared with more traditional phase-space expansions, like the Wigner expansion. Stochastic gauges can be used to obtain an infinite class of positive-definite stochastic time-evolution equations, equivalent to master equations, for many systems including quantum time evolution. The method is illustrated with a variety of simple examples ranging from astrophysical molecular hydrogen production, through to the topical problem of Bose-Einstein condensation in an optical trap and the resulting quantum dynamics.