Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

The impact of biofuels for road traffic on air quality : a modelling approach

The selection of the energy source to power the transport sector is one of the main current concerns, not only relative with the energy paradigm but also due to the strong influence of road traffic in urban areas, which highly affects human exposure to air pollutants and human health and quality of life. Due to current important technical limitations of advanced energy sources for transportation purposes, biofuels are seen as an alternative way to power the world’s motor vehicles in a near-future, helping to reduce GHG emissions while at the same time stimulating rural development. Motivated by European strategies, Portugal, has been betting on biofuels to meet the Directive 2009/28/CE goals for road transports using biofuels, especially biodiesel, even though, there is unawareness regarding its impacts on air quality. In this sense, this work intends to clarify this issue by trying to answer the following question: can biodiesel use contribute to a better air quality over Portugal, particularly over urban areas? The first step of this work consisted on the characterization of the national biodiesel supply chain, which allows verifying that the biodiesel chain has problems of sustainability as it depends on raw materials importation, therefore not contributing to reduce the external energy dependence. Next, atmospheric pollutant emissions and air quality impacts associated to the biodiesel use on road transports were assessed, over Portugal and in particular over the Porto urban area, making use of the WRF-EURAD mesoscale numerical modelling system. For that, two emission scenarios were defined: a reference situation without biodiesel use and a scenario reflecting the use of a B20 fuel. Through the comparison of both scenarios, it was verified that the use of B20 fuels helps in controlling air pollution, promoting reductions on PM10, PM2.5, CO and total NMVOC concentrations. It was also verified that NO2 concentrations decrease over the mainland Portugal, but increase in the Porto urban area, as well as formaldehyde, acetaldehyde and acrolein emissions in the both case studies. However, the use of pure diesel is more injurious for human health due to its dominant VOC which have higher chronic hazard quotients and hazard indices when compared to B20.

A computational study of ionic liquids used in the production of fuels and biofuels

For the past decades it has been a worldwide concern to reduce the emission of harmful gases released during the combustion of fossil fuels. This goal has been addressed through the reduction of sulfur-containing compounds, and the replacement of fossil fuels by biofuels, such as bioethanol, produced in large scale from biomass. For this purpose, a new class of solvents, the Ionic Liquids (ILs), has been applied, aiming at developing new processes and replacing common organic solvents in the current processes. ILs can be composed by a large number of different combinations of cations and anions, which confer unique but desired properties to ILs. The ability of fine-tuning the properties of ILs to meet the requirements of a specific application range by mixing different cations and anions arises as the most relevant aspect for rendering ILs so attractive to researchers. Nonetheless, due to the huge number of possible combinations between the ions it is required the use of cheap predictive approaches for anticipating how they will act in a given situation. Molecular dynamics (MD) simulation is a statistical mechanics computational approach, based on Newton’s equations of motion, which can be used to study macroscopic systems at the atomic level, through the prediction of their properties, and other structural information. In the case of ILs, MD simulations have been extensively applied. The slow dynamics associated to ILs constitutes a challenge for their correct description that requires improvements and developments of existent force fields, as well as larger computational efforts (longer times of simulation). The present document reports studies based on MD simulations devoted to disclose the mechanisms of interaction established by ILs in systems representative of fuel and biofuels streams, and at biomass pre-treatment process. Hence, MD simulations were used to evaluate different systems composed of ILs and thiophene, benzene, water, ethanol and also glucose molecules. For the latter molecules, it was carried out a study aiming to ascertain the performance of a recently proposed force field (GROMOS 56ACARBO) to reproduce the dynamic behavior of such molecules in aqueous solution. The results here reported reveal that the interactions established by ILs are dependent on the individual characteristics of each IL. Generally, the polar character of ILs is deterministic in their propensity to interact with the other molecules. Although it is unquestionable the advantage of using MD simulations, it is necessary to recognize the need for improvements and developments of force fields, not only for a successful description of ILs, but also for other relevant compounds such as the carbohydrates.

Degradação do perfil bioquímico de um concentrado de Nannochloropsis sp. durante o seu período de validade

As algas do género Nannochloropsis são microalgas marinhas que apresentam um perfil bioquímico único, principalmente no que é respeitante a lípidos, e uma vasta gama de compostos bioativos que possibilitam a sua aplicabilidade comercial em várias áreas biotecnológicas, destacando-se a alimentação e nutrição humana, indústria cosmética e farmacêutica, produção de biocombustíveis e a sua utilização em aquacultura. Em aquacultura, são usadas maioritariamente microalgas vivas, cuja produção representa elevados custos. Tem havido assim uma pesquisa de dietas alternativas, entre as quais os concentrados de microalgas se apresentam promissores. Os desafios atuais das empresas produtoras de concentrados de microalgas prendem-se com a conservação e armazenamento destes concentrados. Assim, neste trabalho foi proposto o estudo da influência da refrigeração, congelação e adição de conservantes a PhytoBloom Green Formula®, concentrado de Nannochloropsis sp. comercializado pela empresa Necton S.A., com o objetivo de averiguar a variação de parâmetros bioquímicos e organoléticos com a exposição do concentrado aos diferentes métodos de conservação. Pretendia-se assim observar se estes processos podem ser usados para aumentar o tempo de prateleira do concentrado em estudo. Para tal, foram avaliadas amostras recolhidas em três pontos temporais e analisados os seguintes parâmetros: perfil de ácidos gordos, quantificação de hidroperóxidos lipídicos, quantificação espectrofotométrica de clorofila a e carotenóides, bem como parâmetros organoléticos. Inicialmente, foi efetuada uma avaliação de diferentes parâmetros organoléticos, não se observando variações relevantes entre amostras das diferentes condições. Assim, foi posteriormente realizada a avaliação bioquímica. Primeiramente, foi efetuada a quantificação de ácidos gordos por GC-FID das diferentes amostras, nas quais não se observou diferenças significativas entre as condições experimentais. Foi também efetuado um ensaio de FOX II, que permitiu avaliar o grau de peroxidação lipídica de cada amostra por quantificação de hidroperóxidos lipídicos formados. As amostras nas quais houve adição de conservantes apresentaram um teor menor de hidropéroxidos lipídicos, permitindo inferir que a ação dos conservantes com propriedades antioxidantes permitiu uma melhor conservação da amostra. Quando se determinou a concentração de clorofila a e de carotenóides verificou-se que, em ambos os casos, a congelação conduziu a uma estabilização da concentração destes pigmentos. No entanto, os melhores resultados foram obtidos usando a combinação de congelação com adição de conservantes. Estes resultados, embora promissores, carecem de uma confirmação por um novo estudo, completando com análises com maior rigor e sensibilidade associados, no sentido de se verificar qual o método mais vantajoso para a extensão do tempo de prateleira de PhytoBloom Green Formula®.

Degradação do perfil bioquímico de um concentrado de Nannochloropsis sp. durante o seu período de validade

As algas do género Nannochloropsis são microalgas marinhas que apresentam um perfil bioquímico único, principalmente no que é respeitante a lípidos, e uma vasta gama de compostos bioativos que possibilitam a sua aplicabilidade comercial em várias áreas biotecnológicas, destacando-se a alimentação e nutrição humana, indústria cosmética e farmacêutica, produção de biocombustíveis e a sua utilização em aquacultura. Em aquacultura, são usadas maioritariamente microalgas vivas, cuja produção representa elevados custos. Tem havido assim uma pesquisa de dietas alternativas, entre as quais os concentrados de microalgas se apresentam promissores. Os desafios atuais das empresas produtoras de concentrados de microalgas prendem-se com a conservação e armazenamento destes concentrados. Assim, neste trabalho foi proposto o estudo da influência da refrigeração, congelação e adição de conservantes a PhytoBloom Green Formula®, concentrado de Nannochloropsis sp. comercializado pela empresa Necton S.A., com o objetivo de averiguar a variação de parâmetros bioquímicos e organoléticos com a exposição do concentrado aos diferentes métodos de conservação. Pretendia-se assim observar se estes processos podem ser usados para aumentar o tempo de prateleira do concentrado em estudo. Para tal, foram avaliadas amostras recolhidas em três pontos temporais e analisados os seguintes parâmetros: perfil de ácidos gordos, quantificação de hidroperóxidos lipídicos, quantificação espectrofotométrica de clorofila a e carotenóides, bem como parâmetros organoléticos. Inicialmente, foi efetuada uma avaliação de diferentes parâmetros organoléticos, não se observando variações relevantes entre amostras das diferentes condições. Assim, foi posteriormente realizada a avaliação bioquímica. Primeiramente, foi efetuada a quantificação de ácidos gordos por GC-FID das diferentes amostras, nas quais não se observou diferenças significativas entre as condições experimentais. Foi também efetuado um ensaio de FOX II, que permitiu avaliar o grau de peroxidação lipídica de cada amostra por quantificação de hidroperóxidos lipídicos formados. As amostras nas quais houve adição de conservantes apresentaram um teor menor de hidropéroxidos lipídicos, permitindo inferir que a ação dos conservantes com propriedades antioxidantes permitiu uma melhor conservação da amostra. Quando se determinou a concentração de clorofila a e de carotenóides verificou-se que, em ambos os casos, a congelação conduziu a uma estabilização da concentração destes pigmentos. No entanto, os melhores resultados foram obtidos usando a combinação de congelação com adição de conservantes. Estes resultados, embora promissores, carecem de uma confirmação por um novo estudo, completando com análises com maior rigor e sensibilidade associados, no sentido de se verificar qual o método mais vantajoso para a extensão do tempo de prateleira de PhytoBloom Green Formula®.

Desenvolvimento e optimização de um meio de cultura para produção de biomassa algal em larga escala

Dissertação de mest., Aquacultura e Pescas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2009

A produção de bioetanol e a mitigação dos gases de efeito de estufa: o contributo das culturas energéticas no regadio de Alqueva

Dissertação mest., Gestão Sustentável dos Espaços Rurais, Universidade do Algarve, 2008

Produção de bioetanol a partir de resíduos industriais de alfarroba: cinética de inibição do etanol para diferentes concentrações do nutriente limitante. Fermentação com recirculação de células livres e células imobilizadas

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2012

Produção de "single cell oil" por Yarrowia lipolytica : seleção de meios de cultura

Com o crescimento económico e populacional, as necessidades energéticas globais aumentam diariamente. Juntamente com a percepção de que os combustíveis fósseis são finitos e com uma progressiva consciência ambiental, os biocombustíveis são vistos como a alternativa a seguir. A produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleos vegetais aumenta a deflorestação e o custo de bens alimentares. Como alternativa, surgem os óleos de origem microbiana – single cell oil (SCO) - acumulados principalmente como triacilgliceróis, a mesma forma dos óleos vegetais, podendo ser utilizados para biodiesel ou como lípidos de alto valor acrescentado. Contudo, a utilização de microrganismos para síntese de lípidos está limitada pelos custos associados ao processo de produção. Este bioprocesso torna-se economicamente mais favorável quando resíduos obtidos a baixo custo são utilizados como fonte de carbono. Assim, o objectivo deste trabalho foi estudar a possibilidade de utilização de subprodutos de diversas indústrias (glicerol bruto e banha de porco) e glicerol puro na produção de SCO, utilizando a levedura Yarrowia lipolytica. Foram realizados ensaios em batch em matraz de 500 mL, matraz de 1000 mL e biorreator de 2 L, de modo a estudar qual o melhor substrato e concentração para produção de SCO. Verificou-se que a banha é o substrato mais eficaz para a acumulação de gordura pela estirpe Y. lipolytica W29, seguida do glicerol bruto, enquanto o glicerol puro mostrou ser a fonte de carbono menos adequada. Encontrou-se um intervalo de concentração de glicerol bruto para produção de SCO, enquanto que a concentração de banha no meio não afeta a acumulação de gordura pelas células. Os ácidos gordos preferencialmente acumulados pelas células em meio com banha e glicerol bruto foram o ácido oleico e o linoleico, respetivamente. Nos meios com glicerol puro e bruto observou-se a produção de ácido cítrico, o que não se verificou em meio com banha.

Definição do modo de operação, descontínuo ou semi-descontínuo, para produção de bioetanol utilizando um novo substrato misto pela levedura Kluyveromyces sp.

Dissertação de mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

New synthetic methodologies for the transformation of biomass derived intermediates to valuable molecules

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Produção de biohidrogénio por bactérias a partir de resíduos fermentescíveis

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Produção de biodiesel a partir de óleos alimentares usados por via alcalina : o caso de estudo da FCT-UNL

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, para obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Estudo comparativo da utilização do biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados e do gasóleo numa frota industrial

A definição de teores mínimos de incorporação de biocombustíveis, constitui objeto de discussão entre grupos pro-desenvolvimento e ambientalistas. Esses últimos argumentam que as consequências da utilização desta fonte energética ainda são desconhecidas. Além disso, alegam que a produção de biocombustíveis é, em parte, responsável pelo aumento no preço dos alimentos, encoraja a conversão de florestas em monoculturas e conduz à exploração de trabalhadores em países em desenvolvimento (PEDs). Para responder à dependência energética dos combustíveis de origem fóssil, e ajudar a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, sobretudo no sector dos transportes, o biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados têm sido apontado como uma “solução verde” capaz de minimizar o problema das alterações climáticas e valorizar um resíduo, e simultaneamente conferir ao setor energético um pouco mais de independência. De forma a desmistificar e clarificar um pouco estas premissas, a presente dissertação pretende fazer um estudo de avaliação do impacto da utilização do biodiesel, nomeadamente no que diz respeito às emissões gasosas. Posteriormente realizou-se, tomando como referência uma pequena frota industrial existente, uma análise comparativa dos consumos e emissões dos principais poluentes decorrentes da utilização do biodiesel em diferentes percentagens de incorporação no gasóleo, comparativamente ao gasóleo puro. O trabalho culmina com uma abordagem técnica sobre o comportamento de um veículo equipado com um motor de ignição por compressão, utilizando como biocombustível o biodiesel.

Viabilidade económica e energética do biodiesel produzido a partir de Chlorella vulgaris

Contemporaneamente o Homem depara-se com um dos grandes desafios que é o de efetivar a transição para um futuro sustentável. Assim, o setor da energia tem um papel fundamental neste processo de transição, com principal enfoque no setor dos automóveis, sendo este um setor que contribui com elevadas quantidades de gases de efeito estufa libertados para a atmosfera. Também a escassez dos recursos petrolíferos constitui um ponto fundamental no tema apresentado. Com a necessidade de combater esses problemas é que se tem vindo a tentar desenvolver combustíveis renováveis e neutros quanto às emissões. A primeira geração de biocombustíveis obtidos através de culturas agrícolas terrestres preenche em parte esses requisitos, porém, não atinge os valores da procura e ainda competem com a produção de alimentos. Daí o interesse na aposta de uma segunda geração de biocombustíveis produzidos de fontes que não pertencem à cadeia alimentar e são residuais mas, que mesmo assim não permitem satisfazer as necessidades de matériaprima. A terceira geração de biocombustíveis vem justamente responder a estas questões pois assenta em matérias-primas que não competem pela utilização do solo agrícola nem são usadas para fins alimentares, tendo produtividades areais substancialmente superiores às que as culturas convencionais ou biomassas residuais conseguem assegurar. A matéria prima de terceira geração são portanto as microalgas, cujas produtividades em biomassa são extremamente elevadas, para além de produtividades muito superiores em lípidos, hidratos de carbono e/ou outros produtos de valor elevado. No entanto, este tipo de produção de biocombustível ainda enfrenta alguns problemas técnicos que o tornam num processo dispendioso para competir economicamente com outros tipos de produção de biodiesel. Na linha do que foi dito anteriormente, este trabalho apresenta um estudo de viabilidade económica e energética do biodiesel produzido através da Chlorella vulgaris, apresentando as técnicas e resultados de cultivo da Chlorella vulgaris e posteriormente de produção do biodiesel através dos lípidos obtidos através da mesma. Para melhorar a colheita das microalgas, que é uma das fases mais dispendiosas, testou-se o aumento de pH e a adição de um floculante (Pax XL-10), sendo que o primeiro não permitiu obter resultados satisfatórios, enquanto o segundo permitiu obter resultados de rendimento na ordem dos 90%. Mesmo com a melhoria da etapa da colheita, o preço mínimo do biodiesel produzido a partir do óleo de Chlorella vulgaris, com as condições ótimas de cultivo e produtividades máximas encontradas na literatura, foi de 8,76 €/L, pois, na análise económica, o Pax XL-10 revelou-se extremamente caro para utilizar na floculação de microalgas para obtenção de um produto de baixo valor, como é o biodiesel. A não utilização da floculação reduz o preço do biodiesel para 7,85 €/L. O que se pode concluir deste trabalho é que face às técnicas utilizadas, a produção de biodiesel Chlorella vulgaris apenas, não é economicamente viável, pelo que para viabilizar a sustentabilidade do processo seria ainda necessário desenvolver mais esforços no sentido de otimizar a produção de biodiesel, eventualmente associando-a à produção de um outro biocombustível produzido a partir da biomassa extraída residual e/ou da recuperação de outros produtos de maior valor.