Identification of atmospheric pollutants control mechanisms during co-combustion of coal and non-toxic wastes

Doctoral dissertation for Ph.D. degree in Sustainable Chemistry

The agroindustrial residue valorisation with high pressure CO2 within biorefinery concept

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

Lime mortars with ceramic wastes: characterization of components and their influence on the mechanical behaviour

Considering the fundamental importance of preserving the built heritage and of ensuring the good performance achieved by incorporating ceramic particles in lime mortars in ancient times, it is important to study solutions that use materials the available today, in order to produce mortars intended to repair and replace the old ones. Solutions incorporating industrial ceramic waste might be profitable for several reasons, namely for economic, environmental and technical aspects. In this paper, seven ceramic waste products collected from ceramics factories are characterized. Their mineralogy, dimensional features and pozzolanicity were determined. Three of these products, with different particle size fractions (obtained directly from milling, dust only and fragment fractions only), were selected, incorporated into air lime mortars, and their mechanical strength was determined. In the present work, evidence of mechanical efficiency, when common sand or air lime were partially replaced by ceramic wastes, was made clear, drawing attention to the sustainability of this type of mortars, hence, encouraging further research.

Valorization of agroindustrial waste

The main objective of this work is the valorization of residues from agro-industry giving them an added value. The valorization was performed by using a "green" and sustainable solvent - supercritical fluid, in this case carbon dioxide. Two residues and one biomass were used to produce two different final products, thereby emphasizing the versatility of the waste recovery - spent coffee grounds and microalgae Chlorella protothecoides to produce biodiesel, and tomato pomace to extract carotenoids. In the first part of this work it was demonstrated the possibility to obtain a conversion of coffee spent grounds oil into biodiesel, through an enzymatic transesterification reaction, of 98.01% with the following operating conditions: molar ratio oil:methanol 1:24, residence time 0.8 min, pressure 25 MPa, temperature 313,15K. In this first phase, it was also used the microalgae Chlorella protothecoides, a biomass, to produce biodiesel and favorable results were obtained with this green process compared with a traditional process - basic catalysis / acid. In the second part of this work, by an extraction with supercritical CO2 it was obtained 3.38% oil from tomato pomace under the following conditions: pressure 35.1 MPa, temperature 313,15K. It was found that this oil contains various carotenoids: β-carotene, lutein and lycopene. The latter is present in larger amount.

Chlorite Dismutase from perchlorate reducing bacteria. A potential biocatalyst to eliminate chlorinated species from polluted water resources and industrial wastes

Magnetospirillum (M.) sp. strain Lusitani, a perchlorate reducing bacteria (PRB), was previously isolated from a wastewater treatment plant and phylogenetic analysis was performed to classify the isolate. The DNA sequence of the genes responsible for perchlorate reduction and chlorite dismutation was determined and a model was designed based on the physiological roles of the proteins involved in the pcr-cld regulon. Chlorite dismutase (Cld) was purified from Magnetospirillum sp. strain Lusitani cells grown in anaerobiosis in the presence of perchlorate. The protein was purified up to electrophoretic grade using HPLC techniques as a 140 kDa homopentamer comprising five ~28 kDa monomers. Steady-state kinetic studies showed that the enzyme follows a Michaelis-Menten model with optimal pH and temperature of 6.0 and 5°C, respectively. The average values for the kinetic constants KM and Vmax were respectively 0.56 mM and 10.2 U, which correspond to a specific activity of 35470 U/mg and a turnover number of 16552 s-1. Cld from M. sp. strain Lusitani is inhibited by the product chloride, but not by dioxygen. Inhibition constants KiC= 460 mM and KiU= 480 mM indicated that sodium chloride is a weak mixed inhibitor of Cld, with a slightly stronger competitive character. The X-ray crystallography structure of M. sp. strain Lusitani Cld was solved at 3.0 Å resolution. In agreement with cofactor content biochemical analysis, the X-ray data showed that each Cld monomer harbors one heme b coordinated by a histidine residue (His188), hydrogen-bonded to a conserved glutamic acid residue (Glu238). The conserved neighboring arginine residue (Arg201) important for substrate positioning, was found in two different conformations in different monomers depending on the presence of the exogenous ligand thiocyanate. UV-Visible and CW-EPR spectroscopies were used to study the effect of redox agents, pH and exogenous ligands on the heme environment.

Toxicity measurement techniques for building materials with wastes

The innovative Horizon 2020 program sponsored by the European Union (EU) aims to promote and develop processes of waste integration in construction materials. However, several potential health hazards caused by building materials have been identified and, there-fore, there is an ongoing need to develop new recycling methods for hazardous wastes and effi-cient barriers in order to prevent toxic releases from the new construction solutions with wastes. This paper presents an overview that focus on two main aspects: the identification of the health risks related to radioactivity and heavy metals present in building materials and identification of these toxic substances in new construction solutions that contain recycled wastes. Different waste materials were selected and distinct methodologies of toxicity evaluation are presented to analyse the potential hazardous, the feasibility of using those wastes and the achievement of op-timal construction solutions involving wastes.

Can oil, plastic and RAP wastes have a new life in novel asphalt mixtures?

The pavement recycling allows to reuse reclaimed asphalt pavement (RAP) or other waste materials in new asphalt mixtures for road construction or rehabilitation, thus re-ducing the use of virgin materials (aggregates and bitumen). Thus, the main aim of this study is to minimize the use of natural resources through the reuse of three waste materials: HDPE, mo-tor oil and RAP. Different amounts of waste motor oil and HDPE were added to an asphalt binder with 50% aged bitumen. The best solutions to produce the modified binders (4.5 to 5.0% HDPE and 10 % waste motor oil) performed as well as a conventional bitumen although they only used 35 % of virgin bitumen. Asphalt mixtures with 50 % RAP were produced with the selected modified binders, improving some characteristics in comparison with conventional asphalt mixtures. In conclusion, these wastes can revive in new asphalt mixtures.

Study of the interaction between asphalt and plastic wastes in new polymer modified binders (PMB)

The aim of this study is evaluating the interaction between several base pen grade asphalt binders (35/50, 50/70, 70/100, 160/220) and two different plastic wastes (EVA and HDPE), for a set of new polymer modified binders produced with different amounts of both plastic wastes. After analysing the results obtained for the several polymer modified binders evaluated in this study, including a commercial modified binder, it can be concluded that the new PMBs produced with the base bitumen 70/100 and 5% of each plastic waste (HDPE or EVA) results in binders with very good performance, similar to that of the commercial modified binder.

Development of bioplastics from agro-wastes

Poster

Valorization of agro-industrial wastes towards the production of rhamnolipids

In this work, oil mill wastewater (OMW), a residue generated during olive oil extraction, was evaluated as an inducer of rhamnolipid production. Using a medium containing as sole ingredients corn steep liquor (10%, v/v), sugarcane molasses (10%, w/v) and OMW (25%, v/v), Pseudomonas aeruginosa #112 produced 4.5 and 5.1 g of rhamnolipid per liter in flasks and reactor, respectively, with critical micelle concentrations as low as 13 mg/l. Furthermore, in the medium supplemented with OMW, a higher proportion of more hydrophobic rhamnolipid congeners was observed comparing with the same medium without OMW. OMW is a hazardous waste which disposal represents a serious environmental problem; therefore, its valorization as a substrate for the production of added-value compounds such as rhamnolipids is of great interest. This is the first report of rhamnolipid production using a mixture of these three agro-industrial by-products, which can be useful for the sustainable production of rhamnolipids.

Production of biohydrogen from dark fermentation of organic wastes

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Especies nativas del Centro de Argentina: potencial agroindustrial y perspectivas para la producción de energía y biocombustibles

La región centro de Argentina posee una elevada riqueza de especies nativas y endémicas, con potencial valor agroindustrial. Flourensia campestris y F. oolepis (Asteraceae), conforman comunidades denominadas "chilcales". Son reconocidas por sus usos tradicionales como aromática, tintórea, medicinal y para leña -en especial raíz- y presentan potencial aplicación en la agroindustria como insecticida, antimicrobiana, antifúngica y aleloquímica. Trabajos realizados en nuestro laboratorio con extractos acuosos de hojas secas de F. campestris demostraron un potente efecto herbicida sobre semillas de Lactuca sativa. Mediante el fraccionamiento biodirigido por CC y técnicas espectrales (GC-MS, IR, 1H-RMN, 13C-RMN, 2D-RMN) se pudo identificar la estructura molecular del ácido hamanásico ((4S, 8S)–7–carboxi–8–hidroxi- 1(2), 12(13)-dien-bisaboleno). Su presencia en F. campestris, y su actividad biológica, no habían sido descriptos con anterioridad y sugieren un potencial herbicida natural. En ambas especies se puede apreciar a simple vista su alto contenido en resinas, compuestos propuestos para reemplazar a los hidrocarburos en la fabricación de pinturas, pegamentos y adhesivos. Estudios preliminares en nuestro laboratorio señalan un contenido de entre un 20-40 % de resinas en la biomasa aérea de Flourensia, sin embargo, no existen al presente estudios sobre su composición química ni sobre su potencial aplicación industrial. Por otro lado, el desarrollo de cultivos energéticos, para la generación de electricidad por combustión de biomasa, constituye uno de los objetivos principales dentro de las políticas de energías renovables a nivel nacional (programa GENREN) y mundial. Las especies con mayor aptitud deben poseer altas tasas de crecimiento y un alto grado de tolerancia de adversidades bióticas y abióticas, lo que permitiría cultivarlos en áreas marginales para la agricultura tradicional, hechos que coinciden con las especies de Flourensia en estudio. Asimismo, el tratamiento térmico o pirólisis de biomasa proveniente de la agricultura es una de las alternativas de reutilización de la misma con distintos fines. Este pasivo ecológico puede ser transformado en productos de alto valor agregado. En base a lo expuesto, el objetivo general de este proyecto es investigar en las dos especies vegetales endémicas de Argentina y abundantes en la provincia de Córdoba, las características de los metabolitos secundarios en relación a su potencial aplicación agroquímica (herbicidas naturales), la composición de sus resinas para uso industrial y su rendimiento como materia prima de alta densidad energética para la cogeneración de electricidad y producción de biocombustible, en función del desarrollo de una agricultura sustentable. Para ello, el proyecto propone incrementar el rendimiento de la purificación de ácido hamanásico e identificar y cuantificar su presencia en otros órganos de F. campestris y en F.oolepis, con el objetivo de evaluar su efecto herbicida, mediante bioensayos en cápsulas de Petri, en especies cultivables y malezas. Los usos potenciales de las resinas se estudiarán en base a la identificación de sus compuestos químicos mediante su extracción y análisis espectrales (CG-MS). A través de la determinación del poder calorífico, contenido de cenizas y de nitrógeno de la biomasa aérea de las especies, se evaluará su rendimiento energético para emplear como biocombustible sólido en la cogeneración eléctrica, mientras que con la aplicación del método fast pyrolysis y análisis por CG-MS, se determinará su aplicación o su posterior modificación de acuerdo a las características del bio-oil deseado. El destino energético de las especies propuestas permitiría iniciar de manera rápida la etapa de domesticación y puesta en cultivo, y avanzar en el desarrollo de aplicaciones industriales más sofisticadas, como el aprovechamiento de sus propiedades bioactivas o el desarrollo de productos industriales basados en sus metabolitos secundarios.

Especies nativas del Centro de Argentina: potencial agroindustrial y perspectivas para la producción de energía y biocombustibles

La región centro de Argentina posee una elevada riqueza de especies nativas y endémicas, con potencial valor agroindustrial. Flourensia campestris y F. oolepis (Asteraceae), conforman comunidades denominadas "chilcales". Son reconocidas por sus usos tradicionales como aromática, tintórea, medicinal y para leña -en especial raíz- y presentan potencial aplicación en la agroindustria como insecticida, antimicrobiana, antifúngica y aleloquímica. Trabajos realizados en nuestro laboratorio con extractos acuosos de hojas secas de F. campestris demostraron un potente efecto herbicida sobre semillas de Lactuca sativa. Mediante el fraccionamiento biodirigido por CC y técnicas espectrales (GC-MS, IR, 1H-RMN, 13C-RMN, 2D-RMN) se pudo identificar la estructura molecular del ácido hamanásico ((4S, 8S)–7–carboxi–8–hidroxi- 1(2), 12(13)-dien-bisaboleno). Su presencia en F. campestris, y su actividad biológica, no habían sido descriptos con anterioridad y sugieren un potencial herbicida natural. En ambas especies se puede apreciar a simple vista su alto contenido en resinas, compuestos propuestos para reemplazar a los hidrocarburos en la fabricación de pinturas, pegamentos y adhesivos. Estudios preliminares en nuestro laboratorio señalan un contenido de entre un 20-40 % de resinas en la biomasa aérea de Flourensia, sin embargo, no existen al presente estudios sobre su composición química ni sobre su potencial aplicación industrial. Por otro lado, el desarrollo de cultivos energéticos, para la generación de electricidad por combustión de biomasa, constituye uno de los objetivos principales dentro de las políticas de energías renovables a nivel nacional (programa GENREN) y mundial. Las especies con mayor aptitud deben poseer altas tasas de crecimiento y un alto grado de tolerancia de adversidades bióticas y abióticas, lo que permitiría cultivarlos en áreas marginales para la agricultura tradicional, hechos que coinciden con las especies de Flourensia en estudio. Asimismo, el tratamiento térmico o pirólisis de biomasa proveniente de la agricultura es una de las alternativas de reutilización de la misma con distintos fines. Este pasivo ecológico puede ser transformado en productos de alto valor agregado. En base a lo expuesto, el objetivo general de este proyecto es investigar en las dos especies vegetales endémicas de Argentina y abundantes en la provincia de Córdoba, las características de los metabolitos secundarios en relación a su potencial aplicación agroquímica (herbicidas naturales), la composición de sus resinas para uso industrial y su rendimiento como materia prima de alta densidad energética para la cogeneración de electricidad y producción de biocombustible, en función del desarrollo de una agricultura sustentable. Para ello, el proyecto propone incrementar el rendimiento de la purificación de ácido hamanásico e identificar y cuantificar su presencia en otros órganos de F. campestris y en F.oolepis, con el objetivo de evaluar su efecto herbicida, mediante bioensayos en cápsulas de Petri, en especies cultivables y malezas. Los usos potenciales de las resinas se estudiarán en base a la identificación de sus compuestos químicos mediante su extracción y análisis espectrales (CG-MS). A través de la determinación del poder calorífico, contenido de cenizas y de nitrógeno de la biomasa aérea de las especies, se evaluará su rendimiento energético para emplear como biocombustible sólido en la cogeneración eléctrica, mientras que con la aplicación del método fast pyrolysis y análisis por CG-MS, se determinará su aplicación o su posterior modificación de acuerdo a las características del bio-oil deseado. El destino energético de las especies propuestas permitiría iniciar de manera rápida la etapa de domesticación y puesta en cultivo, y avanzar en el desarrollo de aplicaciones industriales más sofisticadas, como el aprovechamiento de sus propiedades bioactivas o el desarrollo de productos industriales basados en sus metabolitos secundarios.

Finca-Museo agroindustrial San Julián : proyecto para la difusión y la conservación del patrimonio industrial de Guatemala

Disseny d'un espai multidisciplinar que permeti l'interpretació del Patrimoni Industrial i Cultural de la Finca agroindustrial de San Julián (Guatemala), amb l'objectiu de fomentar la difusió i la conservació del Patrimonio Industrial del país