panorama geral do requimte na área das tecnologias limpas e sustentabilidade ambiental josé paulo...
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Panorama geral do REQUIMTE
na área das
Tecnologias Limpas e Sustentabilidade Ambiental
José Paulo Mota
Processos sustentáveis são processos industriais ou cadeias
processuais caracterizadas pela utilização eficiente de matérias
primas, recursos energéticos e fontes de água.
Sustentabilidade
Processos sustentáveis são processos industriais ou cadeias
processuais caracterizadas pela utilização eficiente de matérias
primas, recursos energéticos e fontes de água.
Estes processos são desenvolvidos tendo em consideração a
minimização do impacto ambiental e segurança intrínseca da
operação, sem no entanto comprometer a sua viabilidade
económica.
Sustentabilidade
Processos sustentáveis são processos industriais ou cadeias
processuais caracterizadas pela utilização eficiente de matérias
primas, recursos energéticos e fontes de água.
Estes processos são desenvolvidos tendo em consideração a
minimização do impacto ambiental e a segurança intrínseca da
operação, sem, no entanto, comprometer a sua viabilidade
económica.
Num sentido lato, a sustentabilidade significa a garantia do
fornecimento de mercadorias ou de produtos de especialidade a
um mercado cada vez mais exigente, independentemente das
limitações resultantes de restrições inesperadas, sejam elas
sociais, económicas ou ecológicas.
Sustentabilidade
REQUIMTE & Sustentabilidade
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
REQUIMTE & Sustentabilidade
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Fluidos supercríticos
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Fluidos supercríticos
Os solventes orgânicos utilizados nas industrias química e
farmacêutica são frequentemente substâncias perigosas ou
nocivas (por exemplo hidrocarbonetos clorados).
Estes solventes são muito voláteis, difíceis de eliminar e nocivos
para a saúde humana e para o meio ambiente.
Fluidos supercríticos
Os solventes orgânicos utilizados nas industrias química e
farmacêutica são frequentemente substâncias perigosas ou
nocivas (por exemplo hidrocarbonetos clorados).
Estes solventes são muito voláteis, difíceis de eliminar e nocivos
para a saúde humana e para o meio ambiente.
O dióxido de carbono supercrítico (scCO2) é uma alternativa
benigna aos solventes orgânicos convencionais.
O scCO2 é um fluido supercrítico porque é mantido a uma
temperatura e a uma pressão superiores aos seus valores críticos,
numa região em que, apesar de não ser gás nem líquido, retém as
propriedades solventes de um líquido e as propriedades de
transporte de um gás.
Fluidos supercríticos
Apesar do CO2 ser um gás de estufa, ele pode ser obtido em
grandes quantidades por via fermentativa ou combustão. A
disponibilidade imediata, aliada à facilidade com que pode ser
extraído e reciclado, fazem do scCO2 uma perspectiva promissora
em várias aplicações industriais.
Uma outra vantagem da utilização de fluidos supercríticos em
síntese orgânica é a possibilidade do ajuste das suas proprie-
dades termodinâmicas através da simples manipulação da
pressão e/ou temperatura.
Fluidos supercríticos no REQUIMTE
No REQUIMTE extrai-se
esqualeno de resíduos
provenientes do azeite
(O esqualeno é um com-
posto usado na indústria
cosmética)
Unidade piloto de extracção supercrítica
Fluidos supercríticos no REQUIMTE
Recuperam-se extractos
naturais ricos em hidroxi-
tirosol provenientes dos
resíduos do azeite
O hidroxitirosol é um
antioxidante potente
Unidade piloto de extracção supercrítica
Fluidos supercríticos no REQUIMTE
Remove-se tricloroanisol
das rolhas de cortiça
(O tricloroanisol é o
componente responsável
pelo “mau gosto” da
cortiça virgem)
Unidade piloto de extracção supercrítica
Polímeros biodegradáveis
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Polímeros biodegradáveis
Projecto de valorização de sub-produtos agrícolas ou resíduos de
indústrias alimentares para a produção de materiais biodegradá-
veis de alto valor acrescentado: aproveitamento do soro do
queijo (EU IP n.º 026515-2; 2006-2008).
Outros resíduos que foram valorizados com sucesso usando uma
tecnologia análoga são os melaços e o glicerol.
Polímeros biodegradáveis
Aproveitamento do soro do queijo
Extracção do conteúdo proteico por nanofiltração e osmose
reversa
Industria alimentar
Proteínas
Polímeros biodegradáveis
Aproveitamento do soro do queijo
O resíduo é valorizado por via fermentativa para a produção de
PHA PHA
O poli-hidroxialcanoato é um
polímero biodegradável de
alto valor acrescentado
(fermentador)
Polímeros biodegradáveis
Aproveitamento do soro do queijo
O resíduo é valorizado por via fermentativa para a produção de PHA
Após extracção do PHA intracelular, este pode ser utilizado na
indústria alimentar (embalagens biodegradáveis) e em medicina
(implantes biocompativeis)
PHA
(fermentador)
Membranas catalíticas
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Membranas catalíticas
As membranas poliméricas são utilizadas em reactores catalíticos,
que combinam reacção química com a capacidade de separação
selectiva da membrana.
No REQUIMTE desenvolveram-se novos catalisadores
heterogéneos através da dispersão numa matriz polimérica de
diversos materiais porosos, nomeadamente zeólitos, carvões
activados e silicas mesoporosas.
Estas membranas catalíticas têm sido utilizadas com sucesso em
diversas reacções de química fina como, por exemplo, a
hidratação e oxidação de olefinas terpénicas e reacções de
esterificação e transesterificação.
Membranas catalíticas: exemplo concreto
A transesterificação é o processo mais utilizado actualmente para
a produção de biodiesel. As moléculas dos óleos vegetais são
compostas por um éster de três ácidos gordos ligados a uma
molécula de glicerol (triacilgliceróis).
A transesterificação consiste em catalisar a reacção do óleo
vegetal com um álcool simples para remoção do glicerol. Este
processo deixa o óleo mais fino e reduz a sua viscosidade.
No REQUIMTE fez-se a transesterificação de óleo de soja em
membranas poliméricas funcionalizadas com ácido sulfónico. O
reactor catalítico de membrana funciona como um contactor, com
uma câmara para o óleo e outra para o álcool (metanol).
Membranas catalíticas: exemplo concreto
O reactor de membrana permite a remoção contínua de glicerol,
deslocando o equilíbrio no sentido dos produtos (intensificação).
Permite a utilização dos reagentes em quantidade
estequiométrica, o que reduz o volume do reactor
Aumenta consideravelmente a actividade catalítica
relativamente ao reactor batch
MEMBRANE
METHANOL
SOYBEAN OIL
1 1 12
3
45 6
7
8
9
1 102
3
45 6
7
8
91 1 0
Bioreactores com membrana
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Bioreactores com membrana
Bioremediação: remoção de poluentes iónicos em bioreactor de
membrana com permuta iónica (patente WO 01/40118 A1, 2003).
O conceito baseia-se em dois compartimentos separados por uma
membrana com biofilme suportado. O compartimento biológico
contém contra-iões para permuta iónica dos poluentes iónicos
presentes no compartimento de
água e nutrientes para a
respectiva biodegradação
através do biofilme.
Bioreactores com membrana
Bioremediação: remoção de poluentes iónicos em bioreactor de
membrana com permuta iónica (patente WO 01/40118 A1, 2003).
O conceito baseia-se em dois compartimentos separados por uma
membrana com biofilme suportado. O compartimento biológico
contém contra-iões para permuta iónica dos poluentes iónicos
presentes no compartimento de água
e nutrientes para a respectiva
biodegradação através do
biofilme.
Poluentes bioremediados com
sucesso: nitratos, percloretos,
brometos, mercúrio na forma
catiónica
Biocombustíveis derivados da celulose
Tecnologias limpas Fluidos supercríticos Líquidos iónicos
Novos materiais inteligentes e mais eficientes Polímeros biodegradáveis Hidrogéis bioactivos inteligentes Membranas catalíticas
Intensificação processual Biorectores com membrana Membrana+PSA; leito móvel simulado compacto
Redução do impacto ambiental e emissões poluentes Remoção de compostos orgânicos e metais pesados
Fontes de energia alternativas Biocombustíveis derivados da celulose
Biocombustíveis derivados da celulose
Processo MTHP (methyl tetra hydro pyran): síntese de
biocombustível derivado da celulose usando um líquido iónico
como dissolvente (patente WO 2008/053284 A1).
A celulose é a matéria-prima mais disponível proveniente da
agricultura. A produção anual de celulose é de 40 biliões de
toneladas e o stock actual é cerca de 700 biliões de toneladas.
Biocombustíveis derivados da celulose
O processo patentado consiste na dissolução da celulose,
presente em cana de açúcar triturada, num líquido iónico
contendo uma pequena quantidade de água necessária à hidrólise
para conversão da celulose em glucose.
No mesmo reactor, a glucose é desidratada na forma de isómeros
de hidroximetil piranona (HMP), através da perda de três
moleculas de água
A lignina sólida é separada por filtração
O HMP é extraído do líquido filtrado usando um solvente
apropriado
Biocombustíveis derivados da celulose
O biocombustível obtido por este processo consiste essencial-
mente numa mistura de isómeros de 2-metil tetra hidropirano
(MTHP).
O
H
O
H
HO
H
H
OHH
OH
O
H
O
H
HO
H
H
OHHO
OH
O
H
HO
H
HO
H
OH
OHHH
OH
O
OH
O
O
Biocombustíveis derivados da celulose
A maior parte do solvente é reciclada por destilação e o resíduo
da destilação é hidrogenado em reactor de leito fixo com um
catalisador selectivo
A reutilização do líquido iónico é fácil, porque ele é estável até
200ºC.
O catalisador de hidrogenação tem um tempo de vida longo e
pode ser facilmente regenerado.
Biocombustíveis derivados da celulose
EtanolÓleo
vegetalMTHP
Petróleo bruto
Produção – toneladas por hectar & por ano de colheita
80 3 80
Produção – toneladas por hectar & por ano de consumo de combustível
5 1 10
Entalpia de combustão – GJoule/ton 30 36 38 40
Custos de produção da colheita – USD/hectar.ano
2400 1200 2400
Custos de produção da colheita – USD/ton combustível.ano (USD/GJoule)
480 (16) 1200 (36) 240 (6.3)
Custo da matéria prima – USD/barril de combustível
80 200 40 140
Comparação dos custos do combustível favorece o MTHP
Conclusões
O REQUIMTE tem cumprido na íntegra o seu mission statement,
Em particular, o Lab. Assoc. tem demonstrado excelência nos
seguintes tópicos relevantes para esta sessão temática:
Desenvolvimento de tecnologias limpas
Síntese de materiais biocompatíveis e biodegadáveis
Intensificação processual
Desenvolvimento de processos sustentáveis
Desenvolvimento de tecnologias para redução do impacto
ambiental e emissões poluentes
Aproveitamento de fontes de energia alternativas
Hidrogéis bioactivos inteligentes
O Poli(N-isopropilacrilamida), PNIPAAm, é um hidrogel termo-
sensível com aplicações em libertação de fármacos, engenharia
de tecidos e membranas inteligentes. No REQUIMTE o PNIPAAm
foi sintetizado em scCO2 com diferentes percentagens de agente
reticulante.
Hidrogéis bioactivos inteligentes
A polimerização in-situ do NIPAAm em scCO2, para a impre-
gnação e/ou revestimento de estruturas porosas de quitosano,
produz dispositivos porosos secos e sem contaminantes, capazes
de alterar as propriedades de superfície de uma forma rápida e
reversível sob acção de estímulos externos.
Hidrogéis bioactivos inteligentes
Estes hidrogéis, sintetizados no interior dos microporos dos
“scaffolds” de quitosano, têm a capacidade inteligente de expandir
e de contrair por variação da temperatura ou do pH.
(efeito da adição de ácido acético)
Hidrogeis bioactivos inteligentes
A variação do volume dos hidrogéis altera a acessibilidade do
meio aquoso o que permite a sua utilização em separação de
proteínas e na libertação controlada de fármacos.
0
25
50
75
100
Pe
rme
ab
le F
lux
(%
)
20 40
Temperature (ºC)
Thermoresponsive (BSA)Non Thermoresponsive (BSA)Thermoresponsive (LYS)
Separação de proteínas em membrana de polisulfona
Hidrogeis bioactivos inteligentes
A variação do volume dos hidrogéis altera a acessibilidade do
meio aquoso o que permite a sua utilização em separação de
proteínas e na libertação controlada de fármacos.
Libertação de Ibuprofen (scaffold de quitosano)
Regras de ouro:
Não faças o que não sabes fazer bem.
Não fales sobre o que não sabes (...!).
Sustentabilidade & “Bom senso”