PROAMB - Doutorado (Teses)
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Item Biorrefinaria multiproduto do bagaço de malte : uma análise integrada das plataformas de extração de proteína seguida da produção de ácidos graxos voláteis por digestão anaeróbia.(2023) Fonseca, Yasmim Arantes da; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Silva, Silvana de Queiroz; Santos, André Bezerra dos; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Guimarães, Valeria Monteze; Dragone, Solange Ines Mussatto; Herrera Adarme, Oscar FernandoO bagaço de malte (BM) representa 85% do total de resíduos produzidos durante o processo de fabricação de cerveja, com um volume global de produção anual superior a 38 Mton. No Brasil, a maior parte desse resíduo agroindustrial é usado como suplementação nutricional para animais. Entretanto, no contexto da economia circular, essa biomassa pode ser fracionada para a obtenção de múltiplos produtos, dentre os quais as proteínas e os ácidos graxos voláteis (AGVs). Assim, nesse estudo foi avaliado o pré-tratamento alcalino sob pressão reduzida (PAPR) para extrair proteínas do bagaço de malte bruto, além da produção de ácidos carboxílicos por digestão anaeróbia a partir da fração sólida pré-tratada. A condição ótima do PAPR (T = 70oC, P = 455 mBar, t = 1 h e [NaOH] = 180 mmol L−1) foi capaz de remover 80% das proteínas do BM. Além disso, a condição otimizada foi seletiva (76,8%), teve uma pegada de carbono estimada reduzida (0,43 g CO2 g proteína extraída −1) e requer um tempo curto de reação (1 h). A remoção das proteínas do bagaço de malte não afetou o uso posterior da fração sólida para a produção de AGVs, como mostraram os resultados dos testes de digestão anaeróbia realizados com bagaço de malte in natura (BM-N) (cAGVs = 8005,3 mg L −1 ) e pré-tratado (BM-P) (cAGVs = 8126.6 mg L −1). O esterco bovino pré-tratado termicamente foi o melhor inóculo para a produção de AGVs a partir do BM, quando comparado aos tratamentos ácido, alcalino e com 2-bromoetanosulfato. A condição otimizada (T = 25oC e pH = 9) para a produção de AGVs a partir da fração sólida do bagaço de malte produziu 7900 mg L −1 de AGVs. Nos testes de fermentação, Clostridiaceae e Peptostreptococcaceae foram os membros mais abundantes nos reatores alimentados com BM-N. Por outro lado, nos reatores alimentados com BM-P a comunidade microbiana foi dominada pelas famílias Bacteroidaceae e Oscillospiraceae, que juntas representaram mais de 52% dos microrganismos identificados. A análise do ciclo de vida das tecnologias emergentes mostrou os pontos críticos para melhorar a atratividade das plataformas investigadas, quando comparada ao business as usual. A plataforma 2 (proteínas, gás natural e fertilizantes) foi a que apresentou menores emissões na categoria aquecimento global (2,4 kg CO2-eq). Para a plataforma multiproduto 3 (proteínas, AGVs, gás natural e fertilizantes) (10,0 kg CO2-eq) sugere-se que os estudos futuros concentrem os seus esforços em aumentar a eficiência de conversão da digestão anaeróbia visando a produção de AGVs.Item Dinâmica de elementos de resistência a antibióticos no tratamento biológico de dejetos de suinocultura.(2022) Pereira, Andressa Rezende; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de; Santiago, Aníbal da Fonseca; Teixeira, Mônica Cristina; Moreira, Ivone Cristina Vaz; Kunz, AirtonO tratamento biológico de dejetos de suinocultura, atividade pecuária de extrema relevância para a economia do Brasil, é empregado de forma a reduzir o impacto ambiental negativo gerado por tal atividade. Entretanto, a presença de antibióticos nos dejetos pode provocar efeitos na produção de biogás e causar a seleção de bactérias resistentes, que podem compartilhar seus genes de resistência a antibióticos (GRAs) nestes ambientes, alertando sobre este problema de saúde pública. Neste contexto um sistema de tratamento dejetos da produção de suínos, composto por um biodigestor seguido por três lagoas facultativas, foi monitorado e avaliado quanto à remoção de poluentes orgânicos usuais, antibióticos e GRAs (blaTEM, ermB, qnrB, sul1 e tetA). O monitoramento do sistema revelou que o biodigestor contribuiu com a remoção mediana de 70% do conteúdo orgânico, enquanto as lagoas facultativas se destacaram na retenção de 74% dos sólidos carreados da etapa anaeróbia, além de favorecer a assimilação/volatilização da amônia. O antibiótico norfloxacina, detectado e quantificado por cromatografia líquida acoplada à espectrometria de massas, apresentou-se na faixa de < 0,79 a 60,55 μg L-1 . Não foi observada redução significativa da concentração ao longo do sistema de tratamento. No entanto, o sistema parece favorecer a retenção de norfloxacina, por adsorção ao lodo das unidades. Para os elementos genéticos, quantificados de forma absoluta por qPCR, observaram-se reduções significativas de até 2,8 logs, atribuídas especialmente ao biodigestor. Entretanto, o sistema de tratamento de dejetos parece atuar de forma seletiva sobre a comunidade bacteriana, removendo de forma mais expressiva bactérias que não transportam GRAs. A fim de avaliar a presença de potenciais patógenos bacterianos resistentes a antibióticos, uma análise da diversidade microbiana baseada no sequenciamento do RNAr 16S foi realizada ao longo do sistema de tratamento. Esta revelou uma forte associação entre as famílias Moraxellaceae, Streptococcaceae, membros não-identificados da ordem Clostridiales, Lactobacillaceae e Enterobacteriaceae com os GRAs monitorados, indicando que estas famílias podem ser suas possíveis portadoras. Adicionalmente, investigaram-se os efeitos do antibiótico norfloxacina na produção de metano, bem como sua remoção durante a digestão anaeróbia, em ensaios de bancada. Os resultados revelaram que concentrações superiores a 500 μg L-1 de norfloxacina promoveram acúmulo de ácidos graxos voláteis nos reatores, mas apenas na maior concentração testada (150 mg L -1 ) verificou-se inibição de 13% na produção de metano. Além disso, a modelagem cinética de decaimento do antibiótico confirmou que a adsorção foi o principal mecanismo de remoção. Assim, com base nos resultados deste trabalho, foi possível constatar que o sistema de tratamento controla o efeito negativo da norfloxacina sobre a digestão anaeróbia, assimilando as flutuações das concentrações advindas do dejeto e promovendo sua adsorção, com pequeno impacto na produção de metano. No entanto, a presença e resiliência de genes de resistência a antibióticos na fração líquida tratada é preocupante, recomendando-se um maior controle do teor orgânico e sólidos no efluente final, a fim de reduzir a disseminação de GRAs após disposição no ambiente.Item Inativação de Escherichia coli em sistemas microalga bactéria.(2023) Silva, Ludymyla Marcelle Lima; Santiago, Aníbal da Fonseca; Lanna, Maria Célia da Silva; Santiago, Aníbal da Fonseca; Lanna, Maria Célia da Silva; Machado, Marina de Medeiros; Silva, Silvana de Queiroz; Rodrigues, Isabel Cristina Braga; Oliveira Júnior, Ênio Nazaré de; Reis, Alberto José Delgado dosEsta pesquisa foi sobre o tema de inativação de Escherichia coli em sistemas microalgas bactérias, que é um sistema simplificado de tratamento de água residuária e de produção de biomassa algal. Tal biomassa pode ser utilizada para diferentes fins, dentre eles a geração de bioenergia. A avaliação do sistema focou nos fatores que influenciam no processo de inativação e a alteração da concentração final de E. coli afluente aos sistemas microalgas bactérias. Diodos emissores de luz sem a emissão de radiação ultravioleta foram a fonte de iluminação nas diferentes etapas da pesquisa. Na primeira etapa da pesquisa foi utilizada água residuária sintética e foram avaliadas diferentes condições de iluminação. O experimento permitiu verificar que sob níveis de radiação fotossintética ativa (PAR) houve inativação de E. coli e que a mesma não ocorreu devido à falta de nutrientes. Na segunda etapa da pesquisa os sistemas microalgas bactérias foram utilizados como pós-tratamento do efluente de um reator anaeróbico de fluxo ascendente (UASB), o qual é amplamente aplicado em países em desenvolvimento, uma vez que se trata de uma opção operacionalmente simples e barata. O experimento em escala de laboratório avaliou a influência do pH, oxigênio e ação das microalgas no processo de inativação. Foi possível concluir que as microalgas desempenham um papel de destaque no processo de inativação de E. coli. Na terceira etapa foi utilizado um sistema microalga bactéria ensaiado em uma lagoa de alta taxa piloto. Avaliou-se a formação de espécies reativas de oxigênio intracelular das microalgas e constatou-se que estas estão relacionados ao processo de inativação de E. coli. O mecanismo de desinfecção nos sistemas microalgas bactérias é um processo complexo com múltiplas etapas atuando simultaneamente que resultam na inativação dos microrganismos.Item Preparação de adsorvente de bagaço de cana-de-açúcar heterossubstituído e aplicação na remoção de metais tóxicos.(2021) Teodoro, Filipe Simoes; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Silva, Luís Henrique Mendes da; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Silva, Luís Henrique Mendes da; Soares, Liliane Catone; Nogueira, André Esteves; Vieira, Melissa Gurgel Adeodato; Azevedo, Eduardo Ribeiro deA poluição das águas superficiais e subterrâneas causada por metais tóxicos é uma séria preocupação global, tanto no âmbito ambiental quanto no que diz respeito à saúde humana. O excesso desses elementos em corpos d’água apresenta sérios riscos para as diversas formas de vida, inclusive a humana, devido à sua elevada toxicidade e carcinogenicidade, resultando em bioacumulação ao longo da cadeia alimentar. Dentre os métodos de remediação destes contaminantes, a adsorção é uma das técnicas que tem sido amplamente estudada devido à fácil implementação e elevada eficiência. Nos últimos anos, grandes esforços têm sido dedicados à busca de novos adsorventes derivados de biomassa vegetal, visto que estes materiais são de grande abundância na natureza, sendo que alguns deles são tratados como resíduos e descartados no meio ambiente. Este trabalho tem como objetivo a preparação de um adsorvente à base de bagaço de cana-de-açúcar (BSeP) utilizando dois anidridos (succínico e piromelítico) por meio de uma reação em única etapa para aplicação na remoção de íons Cu(II) e Zn(II) de soluções aquosas propositalmente contaminadas. A modificação química foi avaliada por meio de experimentos exploratórios e de um planejamento fatorial 23 , cujas variáveis independentes foram temperatura (T), tempo de reação com anidrido succínico (tAS) e fração molar de anidrido succínico (χAS), sendo as variáveis resposta as capacidades de adsorção de Cu(II) e Zn(II). Estes experimentos apontaram para a melhor condição de síntese em 100ºC, 1 h de reação com anidrido succínico e χAS de 0,62. O bagaço de cana modificado foi caracterizado por ganho de massa, pHPCZ, análise elementar (C, H e N), espectroscopia na região do infravermelho, análise termogravimétrica, difração de raios-X, ressonância magnética nuclear de carbono 13 em estado sólido, microscopia eletrônica de varredura juntamente com espectrometria de energia dispersiva de raios-X. O adsorvente foi utilizado em experimentos de adsorção/dessorção mono e bicomponente de Cu(II) e Zn(II) em batelada e em coluna de leito fixo. Os estudos de adsorção em batelada revelaram que o pH de melhor adsorção dos íons metálicos foi de 5,5. Os dados de cinética monocomponente foram modelados com os modelos de Boyd, difusão intrapartícula (DIP) e de difusão de superfície homogênea (HSDM) e as isotermas monocomponente foram modeladas com os modelos de Langmuir e Sips. As capacidades máximas de adsorção (Qmax) obtidas nos experimentos monocomponente foram de 1,19 e 0,95 mmol g-1 para Cu(II) e Zn(II), respectivamente. Foram realizados três ciclos de adsorção/dessorção monocomponente em coluna de leito fixo, os quais mostraram que a adsorção em contínuo de Cu(II) e Zn(II) é um processo de remediação tecnicamente viável. Os modelos de Thomas e Bohart-Adams foram utilizados para descrever a adsorção monocomponente em coluna de leito fixo com Qmax igual à 0,92 e 0,81 mmol g-1 para adsorção de Cu(II) e Zn(II), respectivamente. As medidas de calorimetria de titulação isotérmica e os parâmetros termodinâmicos indicaram que as variações de entalpia do processo de adsorção foram positivas, evidenciando um processo endotérmico e entropicamente dirigido. Estudos bicomponente em batelada foram realizados em três diferentes proporções molares de Cu(II) e Zn(II) (1:1, 3:1 e 1:3). Os dados de cinética e isoterma bicomponente foram modelados com os modelos de Corsel e RAST (Real Adsorbed Solution Theory), respectivamente. Os dados experimentais e os parâmetros obtidos nestes modelos demonstraram que a presença de Cu(II) influenciou antagonicamente na adsorção de Zn(II) em todas as proporções estudadas. Já a adsorção de Cu(II) em BSeP só foi afetada na proporção 1:3 (Cu:Zn). A adsorção bicomponente em coluna de leito fixo também foi realizada nas três proporções Cu(II):Zn(II) e o modelo de difusão no filme e no poro foi ajustado às curvas de ruptura. Os experimentos de mistura mostraram que o Cu(II) possui maior afinidade pelos sítios de adsorção que o Zn(II), causando a substituição destes íons adsorvidos, caracterizando o fenômeno de overshooting. Os experimentos para determinação da estequiometria da adsorção mostraram que a adsorção de um íon metálico envolve a interação com dois sítios de adsorção.Item Otimização de parâmetros de construção e operação de células de energia microbiana aplicadas à remoção de sulfato.(2021) Rodrigues, Isabel Cristina Braga; Leão, Versiane Albis; Leão, Versiane Albis; Lobo, Fernanda Leite; Sancinetti, Giselle Patrícia; Nucci, Edson Romano; Teixeira, Mônica CristinaA tecnologia das células de energia microbiana (CEM) explora a capacidade de alguns microorganismos transferirem os elétrons produzidos durante a oxidação da matéria orgânica para um anodo, na forma de uma célula eletroquímica. Nesta tese foram estudadas CEM visando a remoção de sulfato e concomitante geração de potencial elétrico e remoção de DQO. O foco principal do trabalho foi estudar o impacto dos seguintes parâmetros de engenharia, nas respostas citadas: (i) utilização de carvão de ossos como material de preenchimento da câmara anódica; (ii) tipo de fonte de carbono; (iii) relação DQO/SO4 2- e (iv) tipo de membrana separadora. A utilização do carvão de ossos e o tipo de fonte de carbono foram inicialmente estudados em uma etapa de triagem utilizando o planejamento fatorial completo 22. Nesta etapa, a utilização de lactato como fonte de carbono gerou uma densidade de potência média de 13,3 mW m-3 (com ou sem carvão na câmara anódica), enquanto com lactose, a CEM com carvão atingiu 5,6 mW m-3 e a CEM sem carvão não ultrapassou 0,8 mW m-3 durante todo o ensaio. No caso da remoção de DQO e SO4 2-, as CEM com carvão também mostraram os melhores resultados, com destaque para a lactose como fonte de carbono, alcançando 95% de remoção de DQO e 90% de remoção de SO4 2-. Em seguida, diferentes membranas separadoras foram testadas e, neste caso, foi aplicada análise de componentes principais (PCA), a qual indicou que as maiores contribuições para a geração de potencial foram referentes às membranas de microfiltração e látex, ambas atingindo 26,7 mW m-3. Definida a utilização do carvão de ossos na câmara anódica e a lactose como fonte de carbono, seguiu-se à otimização da massa de carvão utilizada e da relação DQO/SO4 2- para as respostas (i) geração de potencial elétrico; (ii) remoção de DQO e (iii) remoção de SO4 2-. A etapa de otimização foi aplicada para ambas as construções (membrana de microfiltração e látex) e foi utilizada a metodologia da superfície de respostas com planejamento Doehlert. As análises estatísticas mostraram que é possível aumentar a densidade de potência volumétrica em até 42% em relação à triagem e atingir remoções de sulfato acima de 1400 mg L-1 (70%), em CEM com membrana de microfiltração. E no caso da CEM com membrana de látex, houve um incremento de 20% na densidade de potência volumétrica e a remoção de sulfato chegou a 1800 mg L-1 (90%) No entanto, a remoção de DQO não foi otimizada, em ambos os casos, mas alcançou remoções da ordem de 70%. A partir das condições otimizadas, foi feita a determinação dos ácidos graxos voláteis sendo proposto um mecanismo preliminar para a degradação da lactose e interação entre a remoção de sulfato e a geração de eletricidade. A glicose oriunda da lactose é fermentada a butirato e este é consumido na redução de sulfato, gerando acetato que é utilizado preferencialmente pelos micro-organismos eletrogênicos. Esse processo foi incialmente acompanhado da elevação nos potenciais elétricos. Esta observação sugere que a presença de BRS homoacetogênicas em CEM é fundamental para a geração do acetato usado na eletrogênese. Por fim, o efluente das CEM foi utilizado para precipitar arsênio, sendo alcançado 80% de remoção deste metaloide. Esta tese mostrou a versatilidade dos sistemas bioeletroquímicos, em especial das células de energia microbianas no tratamento de efluentes complexos concomitante à geração direta de eletricidade.Item Efeitos da tilosina na digestão anaeróbia do resíduo avícola : produção de biogás, resistência a antibióticos e comunidade microbiana.(2021) Paranhos, Aline Gomes de Oliveira; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Kunz, Airton; Araújo, Juliana Calábria de; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Afonso, Robson José de Cássia FrancoInserido em um contexto de saúde única e economia circular, o presente trabalho avalia o potencial energético da cama de aviário na produção de biogás, aliado a formas de reduzir a concentração de tilosina – um dos principais antibióticos utilizados no setor avícola – e genes de resistência antimicrobiana (GRAs) presentes nesse resíduo. Para tanto, quatro capítulos de resultados são apresentados nesta tese. No primeiro deles (capítulo 5), foram avaliados o potencial metanogênico e a viabilidade energética do uso da cama de aviário, além das influências exercidas pelo tipo de biomassa nela presente e da razão Alimento/Microrganismo (A/M) na co-digestão anaeróbia em fase sólida (SS-AD) de esterco de aves e biomassa lignocelulósica. Visto a frequente utilização de aditivos promotores de crescimento em frangos de corte, o segundo capítulo de resultados (capítulo 6), descreve o desenvolvimento e validação de um método para extração e análise de tilosina na cama de aviário por HPLC-UV e HPLC-MS/MS. Uma vez quantificada na cama de aviário, o capítulo 7 investigou a influência da concentração de tilosina na produção de metano, além de avaliar a cinética de degradação deste antibiótico, e os microrganismos envolvidos, nas principais etapas da digestão anaeróbia (hidrólise/acidogênese; acetogênese; metanogênese). Por fim, o capítulo 8 avalia o uso do pré-tratamento hidrotérmico (PTH) seguido da digestão anaeróbia, como forma de maximizar o potencial energético da cama de aviário e minimizar o teor de tilosina e GRAs presentes no resíduo. Os resultados do capítulo 5 mostram que as mais elevadas produções de metano foram obtidas na co-digestão de esterco de aves e biomassa lignocelulósica na razão A/M de 0,5 gSV. gSV-1 , e que o conteúdo de lignina presente na biomassa pode afetar a acessibilidade dos microrganismos à fração holocelulósica e prejudicar, indiretamente, a produção de metano. Na melhor condição avaliada, o uso de dejetos de aves em SS-AD foi capaz de suprir 53,2% da demanda térmica gasta com lenha em uma típica granja. Os dados apresentados no capítulo 6 confirmam a adequação do método analítico desenvolvido, e mostram que tilosina foi detectada em cama de aviário de galpões de recria e produção nas concentrações médias de 135 μg.kg-1 e 265 μg.kg-1 , respectivamente. Os resultados do capítulo 7 indicam que a presença de tilosina em concentrações inferiores à 20 mg.kg-1 na cama de aviário, não afetou a produção de metano em SS-AD, enquanto que a partir desse teor até 80 mg.kg-1 , apresentou um efeito estimulante na produção de metano (aumento de 45,2%). A biodegradação desse antibiótico, por sua vez, foi efetivamente realizada (> 75%) em todas as etapas da digestão anaeróbia. Entretanto, a etapa metanogênica se sobressaiu e a alta taxa de degradação observada é resultado do efeito cometabólico exercido pela adição de acetato e da atuação sintrófica entre os microrganismos envolvidos. Finalmente, o capítulo 8 mostra que, o uso do PTH à 80ºC, seguido pela digestão anaeróbia em único estágio, favoreceu a produção de metano de maneira a suprir a demanda energética do pré-tratamento, e produzir um excedente de energia térmica equivalente a 33,6% da demanda térmica gasta com lenha em uma típica granja. Além disso, o processo combinado (PTH/SS-AD) foi eficiente (91,6%) na remoção de tilosina e dos GRAs ermB, intI1, sul1 e tetA, presentes na cama de aviário.Item Obtenção de biogás a partir da co-digestão anaeróbia de resíduos do processo de produção de bioetanol de primeira e segunda geração.(2020) Herrera Adarme, Oscar Fernando; Aquino, Sergio Francisco de; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Zaiat, Marcelo; Rodrigues, Fábio de Ávila; Silva, Silvana de Queiroz; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius AlvesNeste trabalho foi avaliada a co-digestão anaeróbia (AcD) dos subprodutos da biorefinaria da cana-de-açúcar, especificamente, hidrolisado hemicelulósico (HH) (obtido pelo pré-tratamento hidrotérmico do bagaço da cana (SB)), vinhaça (gerada durante o processo de produção de etanol de primeira geração), extrato de levedura (YE) (que pode ser obtidos a partir de leveduras descartadas) e cinzas volantes de bagaço de cana (SBFA), usando experimentos de potencial bioquímico de metano (PBM). As melhores condições experimentais da AcD em batelada (proporção de mistura de 25-75% de HH-vinhaça; 1,0 g L-1 YE; 15 g L-1 SBFA e 100-0% de HH-vinhaça, 1,5 g L-1 YE; 45 g L-1 SBFA) levaram à produção de 0,279 e 0,267 Nm3 de CH4 por kg de demanda química de oxigênio (DQO) removida com um excedente de energia de 0,43 e 0,34 MJ kg SB-1, respectivamente. Realizaram-se experimentos de adsorção utilizando SBFA mostrando que é possível adsorver até 61,71 e 58,21 mg g-1 de 5-hidroximetil-2- furfuraldeído e 2-furfuraldeído, reduzindo assim a toxicidade do substrato e melhorando a produção de biogás durante a AcD dos subprodutos mencionados. Posteriormente, dois sistemas anaeróbios mesofílicos alimentados continuamente com a mistura de HH e vinhaça e inoculados com SBFA e YE foram utilizados para validar os dados obtidos em batelada. Um novo reator anaeróbio de leito estruturado de estágio único (nSBR) foi comparado com um sistema acidogênico-metanogênico de dois estágios, formado por um reator acidogênico de leito estruturado (ASTBR) seguido por um reator metanogênico UASB. A carga orgânica (OLR) (de 0,9 a 10,8 g COD L-1 d-1) aplicada em estes sistemas foi atingida pela fixação do tempo de retenção hidráulica (HRT) nos reatores (17,5 h em nSBR; 6 h no ASTBR e 19,9 h no UASB) e a alteração da concentração de DQO da alimentação por meio de diluição. Os resultados mostraram a viabilidade do uso de um sistema de dois estágios (ASTBR / UASB) no tratamento de uma mistura HH-vinhaça, levando a uma remoção global de DQO superior a 80% e um rendimento de metano de 0,245 Nm3 CH4 kg de COD-1r. Por sua vez, o sistema de estágio único (nSBR) levou a 65% da remoção da DQO e 0,205 Nm3 CH4 kg de COD-1r de rendimento de metano. Análises da comunidade microbiana do lodo coletado dos reatores anaeróbios em diferentes condições operacionais mostraram mudanças estruturais e relacionais entre as comunidades microbianas dominantes, pertencentes aos gêneros Clostridium, 8 Bacteroides, Desulfovibrio, Lactobacillus, Lactococcus, Longilinea, Methanosaeta, Pleomorphomonas e Syntrophus, e as condições cinéticas, hidrodinâmicas e de performance dos sistemas anaeróbios. Ambos sistemas, único (nSBR) e duplo (ASTBRUASB) estagio, exibiram estabilidade a longo prazo de operação (240 dias) com baixo acúmulo de AGV (média de 550 mgL-1 no nSBR e 625 mgL-1 no UASB). Finalmente, para cenários que consideram uma biorrefinaria de cana-de-açúcar integrada, uma avaliação técnico-econômica e ambiental foi realizada mostrando que o rendimento de metano é o parâmetro mais sensível. O melhor cenário mostrou, que usando um sistema anaeróbio de dois estágios para o substrato estudado e considerando o uso de 50% do excedente do bagaço para a produção de etanol, foi possível atingir uma taxa interna de retorno (TIR), um retorno sobre o investimento (ROI) e um período de payback de 26%, 89,05% e 5,36 anos, respectivamente. Indicadores de impacto ambiental como pegada de carbono, que variou de 12,3 a 50,02 g CO2/MJ e % de redução de emissões (de 42,7 a 85,9%) para etanol 2G e processo de produção de biogás foram obtidos em todos os cenários. Assim, os resultados evidenciaram a importância do investimento em P&D e da implementação de Políticas de Biocombustíveis, principalmente para produção de etanol 2G (bagaço disponível), e também para a co-digestão anaeróbia de subprodutos buscando atingir objetivos de economia circular e viabilidade global da bioferinaria de cana de açúcar integrada.Item Cloração de agrotóxicos : remoção, identificação de "novos" subprodutos de desinfecção e avaliação de toxicidade.(2021) Barros, André Luis Corrêa de; Afonso, Robson José de Cássia Franco; Afonso, Robson José de Cássia Franco; Zanella, Renato; Moreira, Renata Pereira Lopes; Rúbio, Karina Taciana Santos; Taylor, Jason GuyA presença de agrotóxicos em águas superficiais e subterrâneas tem sido alvo de preocupação entre a comunidade científica nas últimas décadas. Além da possibilidade de causar desequilíbrios graves na biota, essas substâncias podem chegar aos sistemas de abastecimento público e contribuir para o aumento do risco à saúde humana pelo consumo da água potável. Deste modo, o objetivo do presente estudo foi avaliar a degradação dos agrotóxicos fipronil, metribuzin e bentazone em sistemas de cloração, identificar os possíveis subprodutos formados, propondo uma possível rota de degradação e, por fim, mensurar os possíveis efeitos tóxicos por meio de ensaios biológicos in vitro, in vivo e in silico. A primeira etapa do trabalho consistiu em avaliar a degradação dos agrotóxicos em soluções aquosas de 20 µg/L frente às reações de cloração com concentração de cloro livre de 2,0 mg/L, tipicamente empregada em estações de tratamento de água (ETAs). Por meio de cromatografia líquida de alta eficiência acoplada à espectrometria de massas sequencial (HPLC-MS/MS) foi possível quantificar a concentração dos agrotóxicos em diferentes tempos de contato com o cloro (0 a 240 min). O fipronil e o metribuzim foram muito reativos, com tempos de meia vida (t1/2) de 2,08 e 29,5 minutos, respectivamente. Por outro lado, o bentazone mostrou-se mais recalcitrante, sendo degradado apenas 20% desse herbicida, mesmo após 4 horas de contato com o cloro livre. Em uma segunda etapa do trabalho, soluções de fipronil, metribuzin e bentazone foram preparadas em concentrações mais elevadas, 2,0, 10,0, e 10,0 mg/L, respectivamente. As soluções foram submetidas à cloração com a adição de 3 mg de cloro livre para cada 1 mg de carbono presente na solução de cada agrotóxico. As soluções resultantes foram utilizadas para avaliar a mineralização dos agrotóxicos, a formação dos subprodutos de desinfecção (DBPs) e para mensurar os possíveis efeitos tóxicos das soluções por ensaios biológicos. Para todos os agrotóxicos, a mineralização, mesmo após 24 horas de exposição ao cloro, foi negligenciável, indicando, portanto, que a degradação gerou outros compostos orgânicos como subprodutos. Identificou-se, por meio de cromatografia líquida de ultra alta eficiência acoplada à espectrometria de massas de alta resolução (UHPLC-HRMS), a formação de 6, 17 e 4 DBPs nos processos de cloração dos agrotóxicos fipronil, metribuzin e bentazone, respectivamente. As soluções foram analisadas por meio testes de toxicidade aguda por Artemia salina, estrogenicidade por leveduras em ensaios do tipo gene-reporter e viabilidade celular por ensaio de MTT. Além disso, ferramentas computacionais de predição de toxicidade (métodos in sílico) foram empregadas para mensurar, por meio de modelos matemáticos, a mutagênicidade e toxicidade de desenvolvimento para animais e humanos dos subprodutos identificados. O fipronil mostrou-se tóxico para os ensaios de Artemia salina com aumento da mortalidade dos microcrustáceos após 24 horas de contato com o cloro. Em ensaios in silico, os DBPs formados demonstraram ser potencialmente mais mutagênicos e tóxicos ao desenvolvimento que o composto original. Já o metribuzin, apresentou um leve acréscimo na toxicidade para Artemia salina após 24 horas de contato com o cloro. Em ensaios de estrogenicidade, o metribuzin demostrou atividade estrogênica após ser clorado em qualquer tempo de contato avaliado, com equivalente estradiol variando de 0,061 a 6,71 µg/L. Os ensaios in silico também demostraram a formação de DBPs potencialmente mais mutagênicos e tóxicos ao desenvolvimento que o composto precursor. Por fim, o bentazone e seus DPBs mostraram efeitos tóxicos similares em ensaios in vitro envolvendo células de hepatocarcinoma humano e nas predições de toxicidade de desenvolvimento por método in silico.Item Uso de éster misto de bagaço de cana na remoção de Co2+ e Ni2+ de soluções aquosas em batelada e em coluna de leito fixo.(2019) Almeida, Francine Tatiane Rezende de; Gil, Laurent Frédéric; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Gil, Laurent Frédéric; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Gil, Rossimiriam Pereira de Freitas; Xavier, Amália Luísa Pedrosa; Cardoso, Marcus Vinícius Cangussu; Soares, Liliane Catone; Baeta, Bruno Eduardo LoboNeste trabalho foi preparado um novo material derivado do bagaço da cana-de-açúcar. Esse material foi aplicado como adsorvente para a remoção de Co2+ e Ni2+ de soluções aquosas em sistemas mono e bicomponente em batelada e em coluna de leito fixo. O material (BST) foi preparado por meio da dupla esterificação do bagaço de cana com os anidridos succínico (AS) e trimelítico (AT) em uma reação de uma única etapa (one-pot). Realizou-se uma etapa de triagem para a síntese do BST, por meio de um planejamento experimental completo do tipo 23. As variáveis independentes investigadas foram tempo, temperatura e fração molar de AS (χAS). As respostas avaliadas foram capacidade de adsorção de Co2+ e Ni2+ (qCo2+ e qNi2+), ganho de massa (pgm) e quantidade total de funções ácido carboxílico introduzidas (nT,COOH). O material BST obtido a partir das melhores condições de síntese foi caracterizado por pgm, nT,COOH, análise elementar de C, H e N, espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica, ressonância magnética nuclear (RMN) de 13C no estado sólido, relaxometria por RMN, difração de raios-X (DRX), área superficial específica, distribuição de tamanho dos poros, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e pH do ponto de carga zero (pHPCZ). A melhor condição resultante do planejamento experimental (100ºC, 660 min e χAS de 0,2) produziu um material com pgm de 57,1%, nT,COOH de 4,48 mmol g-1 e qCo2+ e qNi2+ de 0,90 e 0,96 mmol g-1 , respectivamente. Os estudos de adsorção em batelada foram realizados em diferentes tempos de contato, valores de pH e concentrações iniciais das soluções contendo os íons metálicos. O modelo de Redlich-Peterson foi o que melhor se ajustou aos dados de equilíbrio para a adsorção monocomponente em batelada de ambos os íons e as capacidades máximas de adsorção (Qmax,est) estimadas por esse modelo foram 1,16 e 1,29 mmol g-1 para Co2+ e Ni2+ (pH 5,75, 25ºC), respectivamente. O modelo RAST (Real Adsorbed Solution Theory), implementado com o modelo de isoterma de Sips, foi o que melhor se ajustou aos dados de equilíbrio bicomponente em batelada para as proporções molares 1:1 e 2:1 (pH 5,75, 25ºC). Todos os modelos analisados (RAST-Sips e RAST-Langmuir) apresentaram falta de ajuste aos dados de equilíbrio bicomponente em batelada para a proporção molar 1:2. Realizou-se um estudo de dessorção monocomponente em batelada, obtendo-se valores de eficiências de dessorção e de readsorção próximos à 100%, possibilitando a recuperação dos íons metálicos e do adsorvente BST. Os valores de variação da entalpia padrão de adsorção (∆adsH) obtidos por titulação calorimétrica isotérmica (ITC) foram de 8,03 e 6,94 kJ mol- 1 para adsorção de Co2+ e Ni2+ , respectivamente. Foram realizados cinco ciclos sucessivos de adsorçãodessorção monocomponente em coluna de leito fixo, não ocorrendo redução significativa nos valores de Qmax,Co2+ e Qmax,Ni2+, resultando em elevadas eficiências de dessorção e readsorção em todos os ciclos. O modelo de Bohart-Adams foi o que melhor se ajustou aos dados da adsorção monocomponente em coluna de leito fixo para ambos os íons metálicos com Qmax,est igual à 0,95 e 1,02 mmol g-1 para adsorção de Co2+ e Ni2+, respectivamente. A adsorção bicomponente em coluna de leito fixo foi investigada por meio de um planejamento experimental de mistura. O Ni2+ apresentou maior afinidade pelos sítios de adsorção do BST. Os valores de Qmax,total foram próximos a 1,00 mmol g-1 em todos experimentos do planejamento de mistura. O modelamento das curvas de ruptura obtidas possibilitou afirmar que os mecanismos de convecção predominaram, com número de Péclet (Pe) >> 10 e, na maioria dos sistemas estudados, a resistência à difusão dentro das partículas foi maior que a transferência de massa no filme, com valores do número de Biot (Bi) maiores do que 30. Os experimentos para elucidação do mecanismo de adsorção dos íons Co2+ e Ni2+ no BST indicaram que a remoção desses íons ocorreu por meio da troca iônica. O estudo de adsorção em coluna de leito fixo a partir de uma solução sintética do processo hidrometalúrgico, mostrou que a capacidade de adsorção do Ni2+ (Qmax = 1,08 mmol g-1) (íon presente em maior concentração) manteve-se inalterada mesmo na presença dos outros íons, além de ter sido obtida uma eficiência de remoção dos íons Co2+, Cu2+, Mg2+ e Mn2+ acima de 56%.Item Modelagem e otimização da adsorção de metais tóxicos em coluna de leito-fixo utilizando bagaço de cana-de-açúcar modificado quimicamente como adsorvente.(2018) Xavier, Amália Luísa Pedrosa; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Gil, Laurent Frédéric; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Cadaval Junior, Tito Roberto Sant'Anna; Mesquita, Patrícia da Luz; Aquino, Sergio Francisco de; Leão, Versiane Albis; Gil, Laurent FrédéricNo presente trabalho avaliou-se a adsorção de Cu 2+, Co 2+ e Ni2+, em sistema mono- e multicomponente, em uma coluna de leito fixo utilizando o bagaço de cana de açúcar modificado quimicamente com anidrido trimelítico (BAT) como adsorvente. O estudo foi feito de forma otimizada por meio da utilização do planejamento experimental do tipo composto central, analisando as condições ótimas para as respostas (variáveis dependentes): capacidade máxima de adsorção (Qmax), uso efetivo do leito (H) e eficiência do processo (EPads) na adsorção de cada metal (adsorção monocomponente). Também foi avaliado o efeito da presença de outros metais na capacidade de adsorção do íon metálico de interesse na adsorção em coluna de leito fixo (adsorção multicomponente - Cu 2+, Co 2+ e Ni2+) por meio do planejamento experimental de mistura. Além disso, foi realizada a modelagem matemática das curvas de ruptura obtidas nos experimentos mono- e multicomponente e o estudo do efeito da composição de uma solução de processo sintética na capacidade de remoção dos metais de interesse (Cu 2+, Co 2+ e Ni2+) pelo BAT. A reutilização do BAT em ciclos de adsorção/dessorção consecutivos, o mecanismo de interação estabelecida entre os sítios de adsorção e os íons metálicos, além dos parâmetros termodinâmicos relacionados ao processo de adsorção também foram determinados. Os resultados dos experimentos monocomponente mostraram que os efeitos da concentração (mmol/L) e do tempo espacial (min) interferem de forma semelhante na adsorção dos íons de Cu2+, Co2+ e Ni2+ pelo BAT, obtendo menor ponto de ruptura (tb) para as condições de maior concentração e menor tempo espacial, e maior tb para a condição oposta em todos os ensaios de adsorção. Porém o Ni2+ é adsorvido mais rapidamente, seguido do Co2+ e Cu2+, cujos tempos de exaustão máximos, dentre os ensaios realizados, foram 250, 440 e 850 min para Ni2+, Co2+ e Cu2+, respectivamente. O Cu2+ obteve a maior Qmax (1,060 mmol/g) e o Co2+ a menor Qmax (0,800 mmol/g). As maiores EPads foram obtidas na adsorção de Cu2+ e Co2+, com 76% em ambos e a maior H, de 2,50 cm, foi obtida na adsorção de Cu2+ e Ni2+. Ambos os modelos, de Thomas e de Bohart-Adams, apresentaram bons ajustes aos dados experimentais em todos os ensaios, porém devido aos elevados valores das constantes de Langmuir de cada metal, podese dizer que o modelo de Bohart-Adams representa melhor os sistemas estudados. Os resultados dos experimentos de mistura mostraram que o Cu2+ possui maior afinidade pelo BAT, sendo o Ni2+ e Co2+ substituídos por ele, causando o fenômeno de overshooting em suas curvas de ruptura. A ordem de afinidade foi Cu2+ > Ni2+ > Co2+, que está de acordo com a série de IrvingWilliams. A maior Qmax total foi de 1,088 mmol/g no experimento bicomponente Cu-Co, e a menor Qmax total, de 0,787 mmol/g, foi obtida no experimento bicomponente Co-Ni. Pelos modelamentos das curvas de ruptura dos experimentos de mistura foi possível verificar que os mecanismos de convecção predominaram (Pe >> 10) na maioria dos casos, porém os metais apresentaram diferentes taxas de transferência de massa e etapas limitantes na adsorção em coluna de leito fixo em cada caso, onde Bi apresentou um valor mínimo de 3 e máximo de 100 e η um mínimo de 0,09 e máximo de 1,50. Estes resultados sugerem que é necessário avaliar a adsorção em sistemas dinâmicos antes de promover a aplicação em larga escala ao se utilizar resíduos agroindústrias como bioadsorventes. O estudo com a solução sintética multicomponente mostrou que os íons Cu2+, Co2+ e Ni2+ são adsorvidos preferencialmente pelo BAT. O mecanismo de interação determinado foi de troca iônica e os estudos termodinâmicos mostraram que os sistemas de adsorção são entropicamente dirigidos na condição padrão.