Engineering thermostable fungal cellobiohydrolases

Meeting the world's growing energy demands while protecting our fragile environment is a challenging issue. Second generation biofuels are liquid fuels like long-chain alcohols produced from lignocellulosic biomass. To reduce the cost of biofuel production, we engineered fungal family 6 cellobiohydrolases (Cel6A) for enhanced thermostability using random mutagenesis and recombination of beneficial mutations. During long-time hydrolysis, engineered thermostable cellulases hydrolyze more sugars than wild-type Cel6A as single enzymes and binary mixtures at their respective optimum temperatures. Engineered thermostable cellulases exhibit synergy in binary mixtures similar to wild-type cellulases, demonstrating the utility of engineering individual cellulases to produce novel thermostable mixtures. Crystal structures of the engineered thermostable cellulases indicate that the stabilization comes from improved hydrophobic interactions and restricted loop conformations by proline substitutions. At high temperature, free cysteines contribute to irreversible thermal inactivation in engineered thermostable Cel6A and wild-type Cel6A. The mechanism of thermal inactivation in this cellulase family is consistent with disulfide bond degradation and thiol-disulfide exchange. Enhancing the thermostability of Cel6A also increases tolerance to pretreatment chemicals, demonstrated by the strong correlation between thermostability and tolerance to 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. Several semi-rational protein engineering approaches – on the basis of consensus sequence analysis, proline stabilization, FoldX energy calculation, and high B-factors – were evaluated to further enhance the thermostability of Cel6A.

Alternative trajectories for decarbonizing urban transportation

4 p.

Chelation-enforced metal-arene interactions : insights into substrate binding and catalysis by late transition metal complexes

Understanding and catalyzing chemical reactions requiring multiple electron transfers is an endeavor relevant to many outstanding challenges in the field of chemistry. To study multi-electron reactions, a terphenyl diphosphine framework was designed to support one or more metals in multiple redox states via stabilizing interactions with the central arene of the terphenyl backbone. A variety of unusual compounds and reactions and their relevance toward prominent research efforts in chemistry are the subject of this dissertation.

Chapter 2 introduces the para-terphenyl diphosphine framework and its coordination chemistry with group 10 transition metal centers. Both mononuclear and dinuclear compounds are characterized. In many cases, the metal center(s) are stabilized by the terphenyl central arene. These metal–arene interactions are characterized both statically, in the solid state, and fluxionally, in solution. As a proof-of-principle, a dinickel framework is shown to span multiple redox states, showing that multielectron chemistry can be supported by the coordinatively flexible terphenyl diphosphine.

Chapter 3 presents reactivity of the terphenyl diphosphine when bound to a metal center. Because of the dearomatizing effect of the metal center, the central arene of the ligand is susceptible to reactions that do not normally affect arenes. In particular, Ni-to-arene H-transfer and arene dihydrogenation reactions are presented. Additionally, evidence for reversibility of the Ni-to-arene H-transfer is discussed.

Chapter 4 expands beyond the chelated metal-arene interactions of the previous chapters. A dipalladium(I) terphenyl diphosphine framework is used to bind a variety of exogenous organic ligands including arenes, dienes, heteroarenes, thioethers, and anionic ligands. The compounds are structurally characterized, and many ligands exhibit unprecedented bindng modes across two metal centers. The relative binding affinities are evaluated spectroscopically, and equilibrium binding constants for the examined ligands are determined to span over 13 orders of magnitude. As an application of this framework, mild hydrogenation conditions of bound thiophene are presented.

Chapter 5 studies nickel-mediated C–O bond cleavage of aryl alkyl ethers, a transformation with emerging applications in fields such as lignin biofuels and organic methodology. Other group members have shown the mechanism of C–O bond cleavage of an aryl methyl ether incorporated into a meta-terphenyl diphosphine framework to proceed through β-H elimination of an alkoxide. First, the electronic selectivity of the model system is examined computationally and compared with catalytic systems. The lessons learned from the model system are then applied to isotopic labeling studies for catalytic aryl alkyl ether cleavage under dihydrogen. Results from selective deuteration experiments and mass spectrometry draw a clear analogy between the mechanisms of the model and catalytic systems that does not require dihydrogen for C–O bond cleavage, although dihydrogen is proposed to play a role in catalyst activation and catalytic turnover.

Appendix A presents initial efforts toward heterodinuclear complexes as models for CO dehydrogenase and Fischer Tropsch chemistry. A catechol-incorporating terphenyl diphosphine is reported, and metal complexes thereof are discussed.

Appendix B highlights some structurally characterized terphenyl diphosphine complexes that either do not thematically belong in the research chapters or proved to be difficult to reproduce. These compounds show unusual coordination modes of the terphenyl diphosphine from which other researchers may glean insights.

Decarbonising urban transportation

18 p.

Boundary-layer transition on a slender cone in hypervelocity flow with real gas effects

The laminar to turbulent transition process in boundary layer flows in thermochemical nonequilibrium at high enthalpy is measured and characterized. Experiments are performed in the T5 Hypervelocity Reflected Shock Tunnel at Caltech, using a 1 m length 5-degree half angle axisymmetric cone instrumented with 80 fast-response annular thermocouples, complemented by boundary layer stability computations using the STABL software suite. A new mixing tank is added to the shock tube fill apparatus for premixed freestream gas experiments, and a new cleaning procedure results in more consistent transition measurements. Transition location is nondimensionalized using a scaling with the boundary layer thickness, which is correlated with the acoustic properties of the boundary layer, and compared with parabolized stability equation (PSE) analysis. In these nondimensionalized terms, transition delay with increasing CO₂ concentration is observed: tests in 100% and 50% CO₂, by mass, transition up to 25% and 15% later, respectively, than air experiments. These results are consistent with previous work indicating that CO₂ molecules at elevated temperatures absorb acoustic instabilities in the MHz range, which is the expected frequency of the Mack second-mode instability at these conditions, and also consistent with predictions from PSE analysis. A strong unit Reynolds number effect is observed, which is believed to arise from tunnel noise. N_Tr for air from 5.4 to 13.2 is computed, substantially higher than previously reported for noisy facilities. Time- and spatially-resolved heat transfer traces are used to track the propagation of turbulent spots, and convection rates at 90%, 76%, and 63% of the boundary layer edge velocity, respectively, are observed for the leading edge, centroid, and trailing edge of the spots. A model constructed with these spot propagation parameters is used to infer spot generation rates from measured transition onset to completion distance. Finally, a novel method to control transition location with boundary layer gas injection is investigated. An appropriate porous-metal injector section for the cone is designed and fabricated, and the efficacy of injected CO₂ for delaying transition is gauged at various mass flow rates, and compared with both no injection and chemically inert argon injection cases. While CO₂ injection seems to delay transition, and argon injection seems to promote it, the experimental results are inconclusive and matching computations do not predict a reduction in N factor from any CO₂ injection condition computed.

Evolução da produção, reservas e dos preços do petróleo, gás natural e biocombustíveis: a importância dos biocombustíveis no cenário mundial

Este trabalho tem como objetivo estudar a indústria do petróleo, gás natural e biocombustíveis no contexto brasileiro e no mundial. Visa também analisar as vantagens e desvantagens dos biocombustíveis e seu possível impacto na indústria do petróleo, assim como os principais indicativos e projeções da indústria do petróleo, como reserva, produção, preço e consumo, através de coleta de dados e geração de gráficos pesquisados e comparados de grandes agências e empresas de energia. Os biocombustíveis podem ser um grande aliado da indústria do petróleo tendo em vista a duração das reservas mundiais de hidrocarbonetos. O uso dos biocombustíveis implicará no desenvolvimento de tecnologias renováveis e de reutilização de materiais antes descartados, trazendo benefício a toda sociedade. A indústria do petróleo é impactada pelas flutuações no mercado internacional e pela demanda, assim como pela manipulação da produção de combustíveis fósseis pelos países produtores. Esses aspectos apresentados interligados criam uma complexa indústria que a presente dissertação se propõe a analisar.

Oxy anion-accelerated rearrangements

The alkali metal salts of 1,5-hexadien-3-ols undergo accelerated Cope rearrangements to the enolates of δ, ε-unsaturated carbonyl compounds. The generality of the rearrangement was investigated in numerous systems, particularly acyclic cases, and the effect of changes in substituents, counterions, solvents, and geometrical structures were noted and discussed. Applications of this methodology in synthesis included the synthesis of the insect pheromone frontalin, the preparation of selectively monoprotected 1,6-dicarbonyl compounds from 4-methoxy- and 4-phenylthio-1,5-hexadien-3-ols, and the construction of complex ring structures such as a D-homo-estratetraenone derivative.

Thermochemical estimates of the energetics of anionpromoted alkoxide fragmentations were made, and in all cases heterolytic cleavage was favored over hemolytic cleavage by 8.5-53 kcal/mol. The implication of these and other thermochemical estimates is that the anionic oxy-Cope rearrangement occurs via a concerted mechanism rather than a dissociation-recombination process. The concepts of anion-induced bond weakening were successfully applied to an accelerated [1,3]-shift of a dithiane fragment in a cyclohexenyl system. Trapping experiments demonstrated that > 85% of the [1,3]-shift occurred within a solvent cage. Attempts at promoting an intramolecular ene reaction using the potassium salts of 2,7-octadien-1-o1 and 2,8-nonadien-1-o1 were unsuccessful. A general review of anion-promoted bond reorganizations and anion substituent effects is also presented.

O Direito Internacional dos Investimentos: o caso do mercado brasileiro de biocombustíveis

A dissertação trata sobre o Direito dos Investimentos. O texto busca reconhecer os princípios mais importantes do Direito dos Investimentos, bem como verificar como esta disciplina tem sido aplicada a área de energia. Como estudo de casos, será analisado o mercado brasileiro de biocombustíveis. Em uma primeira parte o texto aborda o histórico e desenvolvimento do Direito dos Investimentos, demonstrando as modificações ocorridas ao longo do tempo e apresentando os principais questionamentos e tendências adotadas durante esta jornada. O segundo capítulo trata sobre os princípios do Direito dos Investimentos, suas aplicações e algumas controvérsias acerca da aplicação destes. O terceiro capítulo aborda o Direito dos Investimentos em matéria de energia, destacando definições, tendências atuais e casos relevantes para o International Energy Law, que se relacionam intimamente a atuação de investidores estrangeiros. Finalmente, no último capítulo o mercado brasileiro de biocombustíveis será analisado sob o prisma dos conceitos trabalhados nos capítulos anteriores, com foco nas questões relacionadas aos investidores e em que medida a regulação governamental pode ser considerada adequada à luz do Direito dos Investimentos.

Biocombustíveis, governança global e comércio internacional: Rumo a um novo paradigma energético?

Considerando-se este importante momento de transição em que as tradicionais matrizes energéticas são paulatinamente substituídas por um conjunto de fontes renováveis, das quais os biocombustíves sobressaem-se pela capacidade de contribuir para o meio ambiente, trazendo igualmente benefícios econômicos e sociais a seus produtores; o presente trabalho visa contribuir para o panorama energético global que se começa a se delinear. Diante da impotência do Estado em lidar hodiernamente com determinadas questões, testemunha-se a participação de atores privados (organizações não governamentais, empresas transnacionais e sociedade civil, entre outros) atuando como vetores na transmissão de compromissos internacionais junto a estruturas nacionais para a solução de problemas comuns da humanidade. A essa nova arquitetura jurídica e política convencionou-se designar de governança global. Diante da inexistência de uma governança energética global que opere no interesse de países importadores, exportadores e investidores do setor de energia, agindo também como promotora de desenvolvimento social e econômico junto a países em desenvolvimento; e, por fim, em face da ausência de uma regulação internacional exclusiva na área energética, o presente estudo se dedica a investigar as possibilidades de disciplinamento do comércio internacional dos biocombustíveis. Admitindo-se o relevante desempenho que o Brasil detém na produção e exportação deste produto, inclusive na área tecnológica, a presente tese busca identificar o foro adequado, condições justas de produção, investimento, concessão de subsídios, adoção de medidas técnicas, de compra e venda, concorrência entre outros itens que o tema relaciona.

Avaliação de catalisadores à base de estanho visando à produção de biodiesel

Atualmente, existe um crescente interesse por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis. O biodiesel é uma fonte alternativa de combustível bastante atrativa em relação ao diesel em decorrência de seus benefícios ambientais. A obtenção de biodiesel é geralmente realizada através de reações de transesterificação de óleos vegetais com álcool de cadeia curta. Entretanto, também se pode produzi-lo através da esterificação de ácidos graxos livres utilizando-se matérias-primas de baixa qualidade como rejeitos industriais, domésticos ou gorduras animais. O estudo de catalisadores que melhorem os resultados destas reações tem importante papel no desenvolvimento da produção de biodiesel. Normalmente, utilizam-se catalisadores básicos como o NaOH, nas reações de transesterificação. No entanto, o uso destes catalisadores causa impactos ambientais, além de promover a reação de saponificação quando a matéria-prima apresenta teores significativos de acidez, reduzindo o rendimento e dificultando a separação de fases. Este trabalho apresenta o estudo de catalisadores ácidos, à base de estanho, com ênfase especial no sulfato de estanho II, voltados para utilização na reação de esterificação de cargas contendo elevados teores em ácidos graxos. Avaliou-se a influência das variáveis: temperatura, concentração do catalisador, tipo de sistema reacional, quantidade de etanol, tipo de álcool, acidez, natureza dos ácidos graxos e temperatura de calcinação. Uma comparação entre os catalisadores, a questão da reutilização do catalisador e das mudanças proporcionadas pelo tratamento térmico ao qual foram submetidos também foram analisadas. Dentre os catalisadores estudados, os de sulfato de estanho mostraram maior atividade catalítica frente à reação estudada, os mais promissores sendo os calcinados até a temperatura de 500C. O principal motivo para os altos rendimentos encontrados foi associado ao comportamento pseudo-homogêneo do SnSO4, que se solubiliza, acidificando o meio reacional durante as reações de esterificação

Otimização do processo de endurecimento superficial de aços de baixa liga

O objetivo deste trabalho é a aplicação de um Planejamento Fatorial Completo, ferramenta estatística que auxiliará a obter dados empíricos para otimizar um tratamento termoquímico, a cementação. Partindo-se de um levantamento da profundidade de camada cementada e da dureza de uma corrente de aço de baixo teor de carbono, usada para amarração, e para resistir à abrasão reproduziu-se uma nova cementação, variando-se seus parâmetros de influência, para se alcançar o ponto ótimo, definindo o melhor aço e o melhor processo. Foram realizados dois planejamentos, um fatorial 2 e dois 2, comparando o comportamento do processo na prática em relação aos resultados teóricos de uma simulação computacional, que permite a obtenção das curvas de enriquecimento de carbono, baseado na segunda Lei de Fick, para várias condições de contorno. Os perfis teóricos de cementação apresentaram valores de profundidade efetiva próximos aos valores obtidos experimentalmente, evidenciando o planejamento realizado.

Estudo de pirólise catalítica de biomassa em escala piloto para melhoramento da qualidade do bio-óleo

A pirólise rápida é um processo para conversão térmica de uma biomassa sólida em altos rendimentos de um produto líquido chamado de bio-óleo. Uma das alternativas para geração de um bio-óleo com menor teor de oxigênio é uso de catalisadores nos reatores de pirólise, ao invés de um inerte, num processo chamado de pirólise catalítica. O objetivo deste trabalho foi testar catalisadores comerciais, um ácido e outro básico, em uma unidade piloto de leito fluidizado circulante. O catalisador ácido utilizado foi o Ecat, proveniente de uma unidade industrial de craqueamento catalítico fluido (FCC), e como catalisador básico foi utilizado uma hidrotalcita. Os resultados foram comparados com testes utilizando um material inerte, no caso uma sílica. Uma unidade piloto de FCC do CENPES foi adaptada para realizar os testes de pirólise catalítica. Após fase de modificação e testes de condicionamento, foi comprovada a viabilidade na utilização da unidade piloto adaptada. Contudo, devido a limitações operacionais, maiores tempos de residência tiveram que ser aplicados no reator, configurando o processo como pirólise intermediária. Foram então realizados testes com os três materiais nas temperaturas de 450C e 550C. Os resultados mostraram que o aumento do tempo de residência dos vapores de pirólise teve um impacto significativo nos rendimentos dos produtos quando comparada com o perfil encontrado na literatura para pirólise rápida, pois devido ao incremento das reações secundárias, produziu maiores rendimentos de coque e água, e menores rendimentos de bio-óleo. O Ecat e a hidrotalcita se apresentaram mais efetivos em termos de desoxigenação. O primeiro apresentou maiores taxas de desoxigenação via desidratação e a hidrotalcita apresentou maior capacidade para descarboxilação. Contudo, o uso de Ecat e hidrotalcita não se mostrou adequado para uso em reatores de pirólise intermediária, pois acentuou ainda mais as reações secundárias, gerando um produto com alto teor de água e baixo teor de compostos orgânicos no bio-óleo, além de produzirem mais coque. À temperatura de 450C estes efeitos foram mais pronunciados. Em termos de caracterização química, a condição de pirólise intermediária apontou para a produção de bio-óleos com perfil fenólico, sendo a sílica o que proporcionou os melhores rendimentos, principalmente a temperatura de 550C, sendo superiores aos encontrados na literatura. Analisando as composições dos bio-óleos sob a ótica da produção de biocombustíveis, nenhum dos materiais testados apresentou rendimentos consideráveis em hidrocarbonetos. De maneira geral, a sílica foi o que proporcionou os melhores resultados em termos de rendimento e qualidade do bio-óleo. Sua menor área superficial e sua característica de inerte se mostraram mais adequados para o processo de pirólise intermediária, onde a contribuição das reações secundárias em fase gasosa é elevada em função do tempo de residência no reator

Produção de açúcares a partir da palha de cana-de-açúcar para a produção de etanol

A crescente demanda por tecnologias que produzam biocombustíveis de maneira sustentável vem incentivando a utilização de diversos materiais lignocelulósicos para tal finalidade. O objetivo deste trabalho foi comparar o potencial de produção de açúcares (glicose e xilose) da palha e do bagaço de cana-de-açúcar. Inicialmente, as duas biomassas foram caracterizadas, mostrando percentuais muito similares de celulose e hemicelulose (42,1% e 22,6% para o bagaço e 39,2% e 22,7% para a palha, respectivamente). Isto evidencia potenciais similares de produção de açúcares. Posteriormente, foram realizados experimentos em laboratório para comparar os resultados de rendimento de xilose e produção de furfural após as reações de hidrólise ácida das duas biomassas, com o intuito de verificar se este processo, comumente utilizado para o bagaço, pode ser utilizado para a palha. As variáveis que foram avaliadas foram a concentração de ácido (0,5-3,0%m/m), o tempo reacional (15-60min) e a relação sólido-líquido (RSL - 0,1-0,2m/m). Concentrações de 42,72g/L e de 41,31g/L de xilose foram encontradas para a palha e para o bagaço, respectivamente, alcançando rendimentos de xilose superiores a 80%, em reações em laboratório. Também foram realizados ensaios de hidrólise ácida em planta piloto e de hidrólise enzimática em laboratório para avaliar os resultados de rendimento de glicose da palha. Os resultados de rendimento de xilose e produção de inibidores para estas reações foram avaliados e comparados com os dados obtidos em laboratório. Concentrações de 35,2g/Lde xilose e de 27,3g/L de glicose foram encontradas para a palha, alcançando rendimentos de xilose próximos a 100% e de glicose superiores a 64%, em reações de pré-tratamento em planta piloto e em reações de hidrólise enzimática em laboratório. Os resultados evidenciaram que as variáveis concentração de ácido e relação sólido:líquido são as mais influenciam na produção de xilose e glicose

Impacto do uso de biocombustíveis na qualidade do ar da cidade do Rio de Janeiro um estudo de simulação

A frota de veículos movidos por biocombustíveis tem aumentado nos últimos dez anos e com isso as emissões para a atmosfera nas cidades têm sofrido alterações. Devido a esta problemática, estudos com modelos de previsão de emissões são o foco deste trabalho. Alguns modelos, homologados por agências de regulamentação de alguns países ou comunidades, servem de base para as análises de risco com auxílio de simulação.O objetivo geral deste trabalho é avaliar o impacto do uso de biocombustíveis na qualidade do ar na cidade do Rio de Janeiro e estudar cenários de qualidade do ar, em função do aumento da quantidade de biodiesel e álcool adicionada ao diesel e gasolina. Nesta dissertação, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, compostos orgânicos voláteis e ozônio são os principais poluentes estudados para a cidade do Rio de Janeiro. A avaliação de cenários foi realizada empregando um modelo de qualidade do ar com base no modelo de trajetórias OZIPR e no modelo químico SAPRC. Os resultados demonstram que o aumento do uso de biodiesel diminui a concentração de ozônio na atmosfera em relação ao caso base estudado, em 10,23% utilizando a mistura BE Diesel, em 5,28% utilizando a mistura B20 e apenas 0,33% utilizando a mistura B10. Isso de fato acontece pois o biodiesel possuiu mais oxigenados na sua estrutura. O estudo revelou o aumento nas emissões e concentrações de NOx na troposfera da cidade do Rio de Janeiro, para as mistura de BE- Diesel, B20 e o B10 em relação ao caso base, foram de 5,66%, 2,83% e 0% respectivamente. Em especial na cidade do Rio de janeiro existe um consumodo O3 pelo NO presente na atmosfera urbana. A redução na concentração de CO para as misturas de BE- Diesel, B20 e o B10 em relação ao caso base, foram de 13,11%, 6,56% e 4,12% respectivamente. O aumento da disponibilidade de oxigênio presente no biodiesel produz uma melhor queima do combustível, contribuindo para uma menor concentração de CO na troposfera