A carregar...
Projeto de investigação
Low-emissions system towards green fuels and high added-value bioactive compounds production based on Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery
Financiador
Autores
Publicações
Otimização da produção de biocombustíveis líquidos a partir da copirólise de resíduos plásticos e de pneus
Publication . Pires, André Alexandre Gonçalves; Pinto, Filomena; Costa, Paula Alexandra da Conceição
Satisfazer a crescente procura energética mundial é um dos maiores desafios que a humanidade atravessa atualmente. O aumento da poluição constitui outro grande problema que merece atenção por parte dos governos mundiais e público em geral. O processo de copirólise pode ser muito útil na solução desta situação, uma vez que permite o aproveitamento de resíduos e a sua transformação em biocombustível. Existe bastante informação sobre o processo de pirólise uma vez que já vem sendo estudado há muitos anos, no entanto, dependendo dos produtos a pirolisar, essa informação pode tornar-se escassa. Posto isto, não foi encontrado nenhum estudo de copirólise de resíduos de plástico, borracha de pneu e óleo de lubrificante usado, que constituem o objeto de estudo desta dissertação. O objetivo principal é o de pirolisar misturas destes resíduos com diferentes composições e avaliar a sua influência no rendimento dos produtos sólidos, líquidos e gasosos bem como na composição destes. Para tal, foram realizados ensaios experimentais numa autoclave, sob uma atmosfera de reação de azoto e sendo a pressão inicial a atmosférica. A temperatura de reação foi 420 ºC, a taxa de aquecimento foi 16 ºC/min e o tempo de residência foi 30 minutos. Estes parâmetros foram definidos com base na literatura e também na realização de ensaios preliminares. A quantidade de pneu favorece a produção de sólido, em detrimento da produção gasosa e líquida. O rendimento líquido variou entre 70,5 e os 82,3 %, o sólido entre 15,3 e 27,7 % e o gasoso entre 1,9 e 3,5 %. O uso de borracha de pneu implica a libertação de enxofre durante o processo de pirólise. Por este motivo, o produto gasoso recolhido foi amostrado por um processo de retenção de enxofre. Em média, quanto mais borracha se utiliza, maior a libertação de enxofre. O gás foi analisado através de cromatografia gasosa, tendo-se observado que a sua composição apresentava essencialmente alcanos, em particular, metano mas também etano, propano e propeno. O teor em alcanos diminuiu com o aumento do número de átomos de carbono. A borracha de pneu e o óleo favoreceram a produção destes compostos. O poder calorífico superior do gás variou entre 48,80 e 54,16 MJ/kg e o índice de Wobbe variou entre 55,04 e 60,84 MJ/Nm3. Tanto um como o outro, aparentaram aumentar consoante a quantidade de pneu e de óleo e diminuir com a quantidade de polipropileno. Os líquidos recolhidos foram submetidos a uma destilação de modo a obter duas frações, T [ºC] < 150 e 150 < T [ºC] < 270, respetivamente. Todas as curvas de destilação ficaram situadas entre curvas típicas da gasolina e a do gasóleo. A temperatura a que cada líquido começou a destilar aproximou-se à da gasolina. A análise cromatográfica efetuada aos líquidos, mostrou que ambos os destilados, apresentaram uma maior concentração de ramificados e cíclicos e uma menor concentração de alcenos. Por último, calculou-se o poder calorífico superior das duas frações sendo este mais elevado para o 1º destilado (entre 25,99 e 35,64 MJ/kg) do que para o 2º (9,89 e 14,74 MJ/kg).
Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
Publication . Salgado, Francisco Maria Rodrigues; Alves, Susana Paixão; Reis, Ana Maria Gonçalves
Os combustíveis fósseis abriram novas portas para a humanidade ao permitir o uso de mais energia,
primeiro do carvão, seguido do petróleo e gás natural. A queima de combustíveis fósseis é o maior
contribuinte para a poluição atmosférica e uma preocupação para a saúde pública (Candelone et al.,
2021), devido à emissão de dióxido de enxofre, partículas finas de sulfatos metálicos, entre outros.
De modo a controlar a emissão destas substâncias, diversos países têm imposto limites para a quantidade
de enxofre presente nos combustíveis fosseis e combustíveis de nova geração. Várias técnicas têm sido
então desenvolvidas para remover o enxofre destes combustíveis, sendo a hidrodessulfurização (HDS),
a mais utilizada pela indústria petrolífera. Tendo esta vários problemas, são necessárias alternativas,
sendo uma delas a biodessulfurização (BDS) (Mohebali & Ball, 2008a). A BDS pode ser uma opção ou
uma tecnologia suplementar para dessulfurizar os combustíveis fósseis, através do uso de
microrganismos com capacidade de desulfurização. No entanto, para aplicar a BDS à escala industrial
ainda é necessário ultrapassar alguns obstáculos.
Este trabalho centra-se então na bactéria Gordonia alkanivorans estirpe 1B que foi isolada de amostras
de solo contaminadas com petróleo, nos terrenos atualmente pertencentes ao Parque das Nações (Lisboa,
Portugal).
Nos últimos anos, vários trabalhos demonstraram o potencial da bactéria G. alkanivorans estirpe 1B
para a biodessulfurização de combustíveis (Alves et al., 2015; Alves & Paixão, 2011), através da via 4S
(Alves et al., 2007).
Para reduzir os custos de produção de biocatalizadores, um dos problemas da BDS, torna-se importante
procurar fontes de carbono alternativas, baratas e sustentáveis como os resíduos agroindustriais (Alves
& Paixão, 2014b; Paixão et al., 2020). Neste contexto, tendo em conta a natureza frutofílica desta
bactéria, foram exploradas fontes de carbono agroindustriais ricas em frutose (ex: medronho,
tupinambo) (Silva, 2012; Silva et al., 2013, 2015; Alves & Paixão, 2014a, 2014b; Pacheco et al., 2019).
Um dos principais objetivos deste trabalho foi então a valorização de um resíduo (STFr), de fabricantes
de compota de medronho, como fonte de carbono alternativa para o cultivo de G. alkanivorans estirpe
1B.
O primeiro passo do trabalho foi produzir licores ricos em açúcares (fru/glu) a partir de resíduos de
medronho (STFr liquor). O primeiro lote de medronho (lote #1) resultou num licor rico em açúcares,
contendo 110 g/L de açúcares totais e 3,72 g/L de compostos fenólicos. Mais dois lotes de licor foram
também produzidos (lote #2: 107 g/L de açúcares totais e 3,15 g/L de fenólicos; lote #3: 66 g/L de
açúcares totais e 4,12 g/L de fenólicos).
Com o primeiro licor (STFr liquor - lote #1), foi realizado um ensaio preliminar para avaliar o potencial
para crescimento e a atividade de dessulfurização da G. alkanivorans estirpe 1B, em frasco agitado, com
14 g/L açúcares totais (fru/glu). Utilizando este licor como fonte de carbono e sulfatos, houve um
pequeno crescimento, indicativo de uma concentração inicial de enxofre.
No geral, esses resultados indicam que alguns nutrientes, como o enxofre, foram limitantes, permitindo
apenas alguma formação de biomassa no início. Portanto, às 125 h de crescimento, 300 µM de DBT
foram adicionados ao meio de cultura. Nestas condições, por volta das 149 h, a estirpe 1B foi capaz de
crescer, consumir os açúcares e produzir biomassa, atingindo uma taxa máxima de crescimento (µmax)
de 0.091 h-1
.
Uma vez que mesmo após a adição de DBT existiu uma fase latência de perto de 24 h, foi realizado um
ensaio de destoxificação do licor para mitigar o efeito inibitório deste licor no crescimento da estirpe
1B. Diferentes concentrações de carvão ativado foram testadas (1 a 4% CA), de modo a selecionar a
quantidade mínima necessária à destoxificação. Estes 4 licores foram então testados como fonte de carbono, para cultivar a estirpe 1B em frasco agitado.
Nestas condições, a estirpe 1B, foi capaz de crescer, consumir todos os açúcares e DBT. Diminuindo a
fase de latência para 15 h para 1% CA e 10 h para ≥2% CA. A fase exponencial foi mantida até às 69 h
para todas as condições, atingindo uma DO máxima de 13,5 para o licor tratado com 4% CA. Da mesma
forma, as taxas máximas de crescimento (µmax) também aumentaram com o aumento da % CA, atingindo
um µmax de 0,119 h-1
; bem como as taxas de consumo de açúcares totais, com 0,175 g/L/h para 4% de
CA.
Referente à biodessulfurização, o 2-HBP foi detetado primeiro nos licores resultantes dos tratamentos
com mais CA (3 e 4%), obtendo também os valores mais elevados de máximo 2-HBP produzido (8.83
- 8.88 µM/h, 4 e 3% CA respetivamente). Comparando os diferentes parâmetros metabólicos para os 4
licores destoxificados, o melhor tratamento parece ser a destoxificação com 4% de CA.
O próximo passo foi realizar ensaios de biodessulfurização, de modo a comparar a utilização do licor
não tratado (STFr liquor) e do licor tratado com 4% CA (Detox STFr liquor) com a utilização de
açúcares comerciais (glu+fru) para crescimento da estirpe 1B em frasco agitado, partindo de uma
concentração de açúcares de 9 g/L e 300 µM de DBT como fonte de enxofre.
Relativamente aos resultados de biodessulfurização, o 2-HBP foi detetado primeiro tanto na cultura com
o licor destoxificado como na cultura com açúcares comerciais. Ao utilizar açúcares comerciais foi
possível obter o máximo de concentração de 2-HBP, assim como a taxa de produção mais alta (305 µM
e 11.611 µM/h, respetivamente). No entanto, a taxa específica máxima de dessulfurização, q2-HBP, foi
obtida com o licor tratado (5.72 µmol/g(peso seco)/h).
A informação obtida nos diferentes ensaios em frasco agitado permitiu otimizar as condições de cultura
para usar o licor do resíduo de medronho (STFr liquor/ Detox STFr liquor) como fonte de carbono numa
cultura contínua, realizando vários ensaios em quimiostato.
Num primeiro ensaio em quimiostato, utilizando um licor de resíduo de medronho (STFr liquor – lote
#3) como fonte carbono, contendo 5,4 g/L de açúcares redutores, realizado a uma taxa de diluição de
0,04 h-1
(cultura STFr L1), obteve-se um consumo completo de açúcar, produzindo células com
capacidade de dessulfurização (4,32 µmol(2-HBP)/g(peso seco)/h). Aumentando a taxa de diluição para 0,05
h
-1
(cultura STFr L2), com o mesmo licor (5,4 g/L de açúcares redutores), deu-se uma redução na
atividade de biodessulfurização para 1,843 µmol(2-HBP)/g(peso seco)/h. Por esta razão, a cultura com o licor
após tratamento com 4% CA (4,72 g/L açúcares redutores) foi realizada com uma taxa de diluição de
0,04 h-1 (cultura DTX STFr L).
Nos ensaios de BDS com resting cells a maior produção de 2-HBP foi alcançada com células do estado
estacionário STFr L1, atingindo 212,68 µM, com uma taxa específica (q2-HBP) de 6.499 µmol/g(peso seco)/h.
Estes ensaios mostram que é possível usar um resíduo agroindustrial para produzir células saudáveis
que podem dessulfurizar.
De modo a viabilizar economicamente todo este processo é necessário aproveitar produtos secundários
que a célula possa produzir. Neste caso são produzidos pigmentos e surfactantes que podem ser
aproveitados após a dessulfurização e beneficiar o processo tornando-o mais economicamente viável.
Relativamente à quantificação dos carotenoides produzidos pela estirpe 1B, primeiro foram realizados
testes combinando os solventes tradicionalmente usados (ex: acetato de etilo) com líquidos iónicos (LIs)
(Silva et al., 2016; Fernandes et al., 2018).
Neste contexto, para avaliar o potencial dos LIs na eficiência da extração de carotenoides da estirpe 1B,
foi realizado um grupo de ensaios para testar 19 LIs combinados com acetato de etilo (AcE, solvente
conhecido pela sua elevada capacidade de extração). Dos 19 LIs testados, apenas 10 foram capazes de
formar um sistema bifásico e extrair os carotenoides. Com base no valor de carotenoides totais obtidos,
selecionaram-se os dois LIs que originaram as maiores extrações. Testes posteriores confirmaram a maior eficiência do LI #18 como co-solvente para extrair carotenoides e, procedeu-se à otimização do
método de extração usando LI #18/ AcE com recurso a dois desenhos experimentais sequencias (#ED1
e #ED2), baseados na distribuição de Doehlert (Doehlert, 1970) para dois factores (X1 = volume IL#18
volume; X2 = volume Ac. etilo).
Utilizando este novo método de extração otimizado (50 µL de IL#18 + 1125 µL de AcE), avaliou-se a
produção de carotenoides totais na biomassa produzida nas culturas em quimiostato (EEs: STFr L1,
DTX STFr L e mistura fru/glu), acima referidas. Na cultura com o STFr liquor (EE STFr L1), como
fonte carbono alternativa, a estipe 1B produziu 338 μgCarotenoides/g(peso seco); na cultura com o detox STFr
liquor (EE DTX STFr L) produziu 106 μgCarotenoides/g(peso seco) e na cultura com os açúcares comerciais
(fru/glu) produziu 125 μgCarotenoides/g(peso seco). Estes são resultados promissores para a obtenção de
pigmentos microbianos para aplicação na indústria agro-alimentar.
Para além da produção de carotenoides, também foi avaliada a produção de BS/BE nas diferentes
culturas em quimiostato. As atividades de emulsificação mais elevadas foram conseguidas nos EEs:
STFr L1 (EA = 8 U/mL) e DTX STFr L (EA = 7,69 U/mL), partindo de 5 g/L de fonte de carbono
inicial.
Em geral, os resultados obtidos neste trabalho demonstraram o potencial da utilização de licor de resíduo
de medronho (STFr liquor) como fonte de carbono alternativa para o processo de dessulfurização do
DBT pela estirpe 1B. No entanto, mais estudos de otimização/aumento de escala são necessários para
avaliar a sua aplicabilidade técnico-económica para a dessulfurização de combustíveis fósseis/óleos de
pirólise.
Unidades organizacionais
Descrição
Palavras-chave
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
3599-PPCDT
Número da atribuição
PTDC/EAM-AMB/30975/2017