ISEP - DM – Biorrecursos
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- Desenvolvimento de processos para a produção de polímeros naturais a partir de subprodutos da indústria agrícolaPublication . MAGALHÃES, FRANCISCO DE ALMEIDA E; Morais, Simone BarreiraThis thesis explored the valorization of agricultural by-products as a sustainable feedstock for the production of protein-based biopolymers, focusing on the influence of pre-treatments in the extraction of protein. Ethanol-washing, water-washing, acid and alkaline pre-treatments were conducted for two byproducts to evaluate their impact on protein yield and purity. Analytical techniques including Fourier transform infrared spectroscopy, sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and high-performance liquid chromatography were employed to evaluate both protein integrity and total amino acid content. Injection molding was also conducted as an application test. Results indicated that ethanol-washing provided the highest extraction yields (12.84 % for subproduct A and 16.53 % for sub-product B) yet the lowest protein purity (45.17 % for by-product A and 36.86 % for by-product B), while alkaline pre-treatment and acid pre-treatments respectively produced purer protein isolates for by-product A and B (74.07 % for A and 61.16 % for B). Sequential combinations of pre-treatments showed potential to enhance impurities removal, but failed to achieve higher total amino acid content and process yields. Preliminary injection molding trials demonstrated the feasibility of using the protein isolates, though challenges such as moisture limited performance. Overall, the study highlights that pre-treatment selection plays a decisive role in balancing yield and protein quality, with alkaline pre-treatment emerging as the most promising approach for biopolymer application for by-product A.
- Remoção de fosfatos em águas com recurso a conchas de bivalvesPublication . FERREIRA, EDUARDO MANUEL PEREIRA; Silva, Luís Manuel Sousa da; Galán Díaz, Juan JoséA eutrofização resultante da presença excessiva de fosfatos em meios aquáticos constitui um dos principais desafios ambientais atuais, tornando essencial o desenvolvimento de soluções de tratamento sustentáveis e de baixo custo. Neste contexto, o presente trabalho avaliou o potencial de utilização de resíduos de conchas de bivalves, nomeadamente de ostra (Crassostrea spp.) e de mexilhão (Mytilus spp.), como adsorventes alternativos para a remoção de fosfatos em solução aquosa, que trazem a possibilidade de uma reutilização como fertilizantes para a agricultura. A metodologia integrou ensaios cinéticos de deposição química, caracterização morfológica e composicional por microscopia eletrónica de varrimento com análise de dispersão de energia (SEM-EDS) e modelação matemática do processo. Os ensaios cinéticos evidenciaram a influência significativa da granulometria e do tipo de concha, revelando que a ostra fragmentada em partículas de 1–2 mm apresentou maior capacidade de remoção e taxas de deposição química mais rápidas. A caracterização SEM-EDS corroborou estes resultados, demonstrando que a ostra possui superfícies mais rugosas, heterogéneas e ricas em carbonato de cálcio, em contraste com as superfícies mais homogéneas e compactas observadas no mexilhão. O modelo matemático aplicado mostrou boa concordância com os dados experimentais (R² > 0,98), permitindo a extração de parâmetros cinéticos relevantes, área descoberta inicial, A₀, coeficiente global de transferência de massa, kₘₐₛₛₐ, e capacidade de deposição, γ, ainda que se reconheça o seu carácter simplista. De forma integrada, os resultados estabeleceram um padrão de desempenho claro, possível comprovar com as taxas de remoção, em que a concentração inicial para as conchas de mexilhão era de 47,64 mg/L, para a granulometria mais fina, e 47,77 mg/L para a granulometria maior, e para as conchas era de 46,34 mg/L, para a granulometria mais fina, e 50,07 mg/L para a granulometria maior: ostras 1–2 mm, com 90% de remoção, seguidas das ostras 4–8 mm, 75% de remoção, as quais apresentam resultados próximos às conchas de mexilhão 1–2 mm, 66% de remoção, enquanto os mexilhões de 4–8 mm, 57% de remoção, acabam por apresentar os resultados mais baixos, confirmando a ostra fragmentada em granulometria fina como o material mais promissor. Estes resultados validam a utilização de resíduos de conchas como materiais adsorventes de baixo custo, contribuindo para a valorização de subprodutos da indústria aquícola e para o desenvolvimento de soluções sustentáveis no tratamento de águas contaminadas por fosfatos.
- Cálculo da pegada de carbono de adesivos hotmeltPublication . FIDALGO, DAVID DO NASCIMENTO; Martins, Florinda FigueiredoOs adesivos hotmelt são materiais termoplásticos utilizados para unir dois substratos após a sua fusão. Estes adesivos podem ser utilizados em inúmeras indústrias, como a de embalagens, construção, cuidados de saúde, entre outros, distinguindo-se dos restantes tipos de adesivos pela ausência de solventes na sua composição. Tendo em conta a crescente preocupação das indústrias com a sustentabilidade, este estudo foi realizado em parceria com a Colquímica Adhesives com o objetivo de implementar uma metodologia para determinar a pegada de carbono dos adesivos hotmelt produzidos pela empresa, desde o “berço até ao portão” (Cradle to Gate), ou seja, desde a extração das matérias-primas utilizadas até à saída da fábrica. Para isso, foram recolhidas informações em relação às matérias-primas e materiais de embalagem utilizados, bem como do processo de produção do adesivo. Para auxiliar o cálculo, foi utilizado um software de avaliação de ciclo de vida gratuito, o openLCA 2.4.0. Como caso de estudo, foi selecionado um adesivo hotmelt, designado neste projeto como PE3, e a sua pegada de carbono foi calculada para cada fábrica da empresa. Os resultados obtidos demonstraram que o adesivo apresentou uma pegada de carbono média de 3,35 kg de CO2eq por kg de adesivo produzido, considerando as três unidades de produção da empresa. Ficou ainda evidente que a fase do ciclo de vida do produto que contribuiu mais para esta categoria de impacto foi a extração e produção das matérias-primas utilizadas, representando em média cerca de 89,9% da pegada de carbono, devendo ser o foco prioritário de estudos futuros para a redução da pegada de carbono dos produtos produzidos pela empresa.
- Modelação e otimização da extração de compostos bioativos de bagaço de uvaPublication . FERNANDES, ANDRÉ FILIPE ALVES; Soares, Cristina Maria DiasA indústria vinícola é uma das mais importantes atividades económicas em Portugal. O setor vitivinícola gera subprodutos substanciais, como o bagaço de uva, que representam desafios ambientais. Estes subprodutos são ricos em polifenóis, que apresentam reconhecidos benefícios para a saúde, tornando-os valiosos para aplicações sustentáveis. Neste estudo avaliou-se o potencial do bagaço de uva como fonte de antioxidantes para incorporação em produtos alimentares, com foco na otimização da sua extração através de técnicas sustentáveis. Inicialmente, foi utilizado um desenho fatorial fracionado de dois níveis para identificar os fatores mais significativos que influenciam o teor de polifenóis totais (TPC) na extração convencional do bagaço de uva Tinta Miúda. Com base nestes dados, aplicou-se a metodologia de superfície de resposta (RSM) para determinar as condições ótimas de extração. Por fim, técnicas avançadas de extração, incluindo a extração assistida por ultrassons (UAE), a extração assistida por micro-ondas (MAE) e a extração em água subcrítica (SWE), foram aplicadas aos bagaços de uva Tinta Miúda e Cerceal Branco. O TPC, o poder antioxidante através da redução de ferro (FRAP) e a atividade de eliminação de radicais livres do ácido 2,2’-azino-bis(3-etilbenzotiazolino-6-sulfónico) (ABTS) foram determinados para avaliar as propriedades antioxidantes. A análise estatística revelou que a temperatura, a concentração de solvente, o rácio e o tempo, são os fatores estatisticamente mais significativos que influenciam o TPC na extração convencional. As condições otimizadas para a extração convencional foram rácio a 1:50 g/mL, concentração de solvente a 50%, tempo a 60 min, temperatura a 55°C. Entre as técnicas de extração testadas, destacam-se os seguintes resultados: para a Tinta Miúda, os valores mais elevados obtidos foram: em TPC, 3,64E+01 mg GAE/g dw para UAE 70% durante 20 min e 3,28E+01 mg GAE/g dw para SWE a 150 °C e 10 bar; em ABTS, 5,30E+01 mg GAE/g dw para SWE a 150 °C e 20 bar e 5,27E+01 mg GAE/g dw para MAE a 40 °C durante 10 min; em FRAP, 5,12E+01 mg GAE/g dw para UAE 70%/20 min, 5,08E+01 mg GAE/g dw para SWE 150 °C /10 bar e 5,31E+01 mg GAE/g dw para SWE 150 °C /20 bar. Para o Cerceal Branco, em TPC os valores foram de 4,68E+01 mg GAE/g dw para UAE 70%/20 min e 4,20E+01 mg GAE/g dw para SWE 150 °C/10 bar; em ABTS, destacou-se a MAE a 40 °C/10 min com 1,01E+02 mg GAE/g dw; em FRAP, os valores variaram de 5,19E+01 mg GAE/g dw para ESL a 5,32E+01 mg GAE/g dw para UAE 70%/20 min, com a SWE 150 °C/10 bar a apresentar 4,86E+01 mg GAE/g dw. Este estudo destaca a variação da atividade antioxidantes entre as variedades de bagaço testadas, sublinha o seu potencial como uma fonte valiosa e sustentável de antioxidantes naturais e enfatiza o papel das técnicas de extração na valorização dos subprodutos da vinificação para aplicações em alimentos funcionais.
- Caracterização e avaliação bioquímica de produtos marinhos para determinação de origem geográfica e qualidade nutricionalPublication . AZEREDO, BEATRIZ JORGE MAGALHÃES DE; Ferreira, Maria João Dantas Ramalhosa; Soares, Cristina Maria DiasSeafood fraud, particularly the mislabelling of geographic origin, undermines consumer trust and sustainable fisheries management. This study developed an integrated framework combining consumer insights, nutritional profiling, and amino acid (AA)-based chemometric analysis to authenticate the origin of Trachurus trachurus from the Portuguese coast. A consumer survey (n=102) revealed high awareness of seafood mislabelling (68%) but low selfefficacy in detecting origin (56%), underscoring a clear demand for scientific verification. Biochemically, gravimetric analysis of n-hexane extracts revealed that neutral lipid content varied significantly by region, ranging from 13.5% (Peniche) to 18.2% (Sines) on a dry weight basis. The crude protein content, determined by the Kjeldahl method, was consistently high (76.2–80.2%), with Olhão, Peniche, and Sines forming a distinct high-protein cluster. From 150 individual fish, High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) with methanesulfonic acid hydrolysis, optimised to preserve labile AAs, quantified 17 proteinogenic AAs via pre-column derivatization (OPA/FMOC) and fluorescence detection, with pronounced geographical variations observed in glutamic acid, aspartic acid, and proline. Multivariate analysis confirmed distinct location-based clustering in the AA profiles. To build a predictive authentication tool, machine learning models were developed and compared. A supervised Linear Discriminant Analysis (LDA) model achieved 82.7 ± 4.4% cross-validation accuracy, outperforming a Random Forest (RF) classifier (76.0 ± 7.8%), and demonstrated 66.7% accuracy on an independent test set. The top discriminative AAs for origin were glutamic acid, aspartic acid, tyrosine, tryptophan, and isoleucine. These results confirm that AA profiles serve as a robust biochemical fingerprint for geographical authentication. This research provides a practical, science-based framework to enhance traceability systems, thereby supporting sustainable fisheries and restoring consumer confidence in seafood supply chains.
- Fitorremediação de nutrientes em excesso na Ribeira da Costa/CourosPublication . MARTINS, ANA RITA TEIXEIRA; Gonçalves, Ana Clara Fortio Mourato Teixeira Grosso; Morais, Simone BarreiraA crescente pressão antrópica sobre os sistemas fluviais urbanos tem conduzido a fenómenos de degradação ecológica e eutrofização, exigindo soluções sustentáveis e eficazes para a melhoria da qualidade da água. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a eficácia de três espécies de macrófitos, T. latifolia L., J. effusus L. e I. pseudacorus L., na remoção de nutrientes (nitratos, azoto amoniacal e fósforo) através de ensaios laboratoriais controlados, e a sua posterior aplicação em contexto real, na Ribeira da Costa/Couros, Guimarães, como estratégia de reabilitação ecológica. Os resultados laboratoriais demonstraram que T. latifolia, I. pseudacorus e J. effusus foram particularmente eficazes na remoção de nitratos, com taxas de remoção de 100% em todos os casos, comparativamente aos 33,4% observados no grupo controlo, resultando em diferenças estatisticamente significativas. Relativamente ao fósforo, J. effusus obteve uma taxa de remoção de 100%, I. pseudacorus de 98,5% e T. latifolia de 96,0% em contraste com os 71,1% registados no controlo. Quanto ao fosfato, J. effusus revelou novamente uma remoção completa (100%), seguida por I. pseudacorus com 98,5% e T. latifolia com 96,1%, superando significativamente os 65,7% do grupo sem plantas. As diferenças estatisticamente significativas na remoção de fósforo e fosfato foram observadas apenas entre I. pseudacorus e J. effusus em comparação com o grupo controlo. Relativamente ao azoto amoniacal, observaram-se taxas mais moderadas, com T. latifolia a alcançar 87,8%, I. pseudacorus 86,1% e J. effusus 85,3%, comparativamente aos 77,4% do grupo controlo, não tendo sido detetadas diferenças estatisticamente significativas neste parâmetro. A análise visual confirmou o desenvolvimento das plantas ao longo do ensaio, com maior vigor observado em T. latifolia e I. pseudacorus. Em contexto real, verificou-se um crescimento satisfatório das espécies em zonas da ribeira com menor perturbação humana, embora tenha sido observada a proliferação de espécies invasoras e o desaparecimento dos macrófitos introduzidos em zonas mais expostas. Os resultados de monitorização da água apontam para uma manutenção da qualidade da mesma, sem alterações significativas, o que reforça a importância da densidade de plantação, tempo de maturação e controlo de variáveis externas, como descargas ilegais, carga contaminante e presença de espécies exóticas. Estes resultados validam o potencial da fitorremediação com macrófitos como ferramenta de reabilitação ecológica urbana e destacam a necessidade de abordagens integradas e de longo prazo para garantir a sua eficácia.
- From chestnut waste to biocomposite prototype candle holderPublication . Silva, Simão Baptista da; Domingues, Valentina Maria FernandesThis dissertation focuses on the production of biocomposites using non-commercial chestnut waste, a byproduct of the chestnut industry in Portugal from Sortegel, with the specific aim of creating a functional, sustainable, and biodegradable alternative to conventional plastic products. Chestnut with shell, rich in lignin, cellulose, and starch, was used as both matrix and reinforcement. After optimizing the composition of chestnut-based materials to enhance their mechanical properties, water resistance, thermal behavior, and degradability, the next goal was to apply these findings by developing a practical product—a candle holder—using a customdesigned press created for this purpose. Using a Box-Behnken Design (BBD) model, the optimal mechanical composition for the biocomposite was identified as 70% chestnut, 0% glycerol, and 120 °C. Water interaction tests demonstrated that shellac-treated composites exhibited superior water resistance, absorbing significantly less water compared to the glycerol-containing and chestnut-only composites. Regarding thermal conductivity tests, it was confirmed that the chestnut-based composite acts as a thermal insulator. Thermal analysis revealed that the addition of glycerol improved flexibility by reducing the glass transition temperature. Both chestnut-based composites, with and without shellac, fully degraded within 120 days, confirming their degradability. Finally, a Life Cycle Assessment (LCA) was conducted to evaluate and ensure that the most functional composition is also the most sustainable. The LCA compared chestnut-based candle holders to both traditional polyethylene (PE) products and the current practice of burning non-commercial chestnut waste for energy generation. The results demonstrated that the process of producing candle holders from chestnut waste offers a viable alternative with significant environmental benefits, particularly in certain categories when compared to PE, with the scenario—73% chestnut without glycerol or shellac at 120°C—emerging as the most environmentally favorable. This dissertation highlights the potential of chestnut waste for eco-friendly biocomposites, with the candle holder offering a sustainable, functional, and degradable alternative. Further optimization and broader applications are crucial to maximizing environmental and economic benefits.
- Desenvolvimento de uma célula de combustível enzimática de glicose/O2 baseada em papelPublication . Pinto, Ricardo Jorge Fraga; Morais, Simone BarreiraA crescente preocupação com as mudanças climáticas e a necessidade de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa têm aumentado a procura por soluções energéticas mais limpas e sustentáveis, assim como a utilização de materiais mais amigos do ambiente e reutilizáveis. Neste contexto, a presente dissertação propõe o desenvolvimento de uma célula de biocombustível enzimática de glicose/O₂ (EBFC), utilizando papel como substrato para os elétrodos, minimizando e reduzindo o uso de material, com o intuito de aumentar a sustentabilidade ambiental no fabrico de dispositivos analíticos. A EBFC é composta por dois bioelétrodos, com imobilização das enzimas glicose desidrogenase (bioânodo) e bilirrubina oxidase (biocátodo). A seleção do nanomaterial adequado para a construção dos elétrodos foi realizada utilizando voltametria cíclica (CV), uma técnica eletroquímica que permite comparar a eficiência de diferentes nanomateriais em termos de transferência eletrónica e atividade de oxidaçãoredução. Foram testados dois nanomateriais de carbono (carbono mesoporoso e negro de fumo), bem como dois solventes diferentes na sua dispersão, nomeadamente N,Ndimetilformamida (DMF) e dodecil sulfato de sódio (SDS) tendo-se verificado que o carbono mesoporoso, dispersado em DMF, apresentou o melhor desempenho, sendo então selecionado para a construção dos biossensores. Este material demonstrou uma capacidade superior de imobilização de enzimas, facilitando a transferência direta de eletrões e aumentando a eficiência dos processos redox. Os bioelétrodos desenvolvidos com base neste nanomaterial foram inicialmente caracterizados como biossensores para os seus substratos (glicose e O2) usando as técnicas CV e amperometria. No caso do biossensor de glicose, foram alcançados resultado com uma sensibilidade de 3,33 μA/mM e um limite de deteção (LOD) de 0,049 mM. Já no biossensor de oxigénio, obteve-se uma sensibilidade de 32,54 μA/mM, com um LOD de 0,002 mM. A célula de combustível enzimática glicose/O2 foi então construída usando o bioelétrodo papel(MC)/GDH, como ânodo, e bioelétrodo papel(MC)/BOx, como cátodo. As curvas de polarização da célula de combustível permitiram analisar o seu desempenho energético. A potência máxima gerada pela célula foi de 0,13 μW na presença de glicose, um valor baixo, mas suficiente para aplicações em biossensores de baixo consumo energético. Apesar da potência gerada ser relativamente baixa, a EBFC desenvolvida demonstra um elevado potencial para ser utilizada como um biossensor autossuficiente na determinação de glicose, especialmente em dispositivos biomédicos portáteis. Esta tecnologia inovadora representa um passo importante na criação de soluções sustentáveis e ecológicas para a monitorização de saúde, alinhando-se com as exigências atuais de energias renováveis e dispositivos autossustentáveis.
- CO2 valorisation for methanol production: exploring the key role of supports in the catalytic performancePublication . Mendes, Inês Carolina de Vasconcelos; Silva, Paula Cristina Pereira; Constantino, DâniaGlobal warming, caused mainly by the increase in carbon dioxide emissions from fossil fuels, calls for sustainable solutions such as carbon capture and utilisation (CCU). CO2 can be used to produce fuels and chemicals, such as methanol, which is widely used in industrial synthesis and, recently, as a marine fuel. The production of methanol through the hydrogenation of CO2 supports the circular economy. The research community is focussing on improving cost-effectiveness through innovative catalysts, advances in reactors and better process integration. This dissertation focused on the development and study of different supported catalysts for the synthesis of methanol from CO2. Different catalysts were developed based on copper and zinc supported on alumina and alumina doped with silica using: incipient wetness impregnation and precipitation methods. Their catalytic performance was assessed in a fixed bed reactor for 8 hours, using optimum conditions obtained from a parametric study previously performed (250ºC, 30 bar, H2/CO2 ratio of 3 and GHSV of 2.8 L∙gcat -1∙h-1). The C20Z10A (P) catalyst, based on 20% by mass of copper, 10% by mass of zinc supported alumina prepared by precipitation, showed promising results, with copper-normalised time yield (CTY) values (1.04 molCO₂∙gCu -¹∙s-¹) and selectivity for methanol (7.9%). The best selectivity obtained was 12.8 per cent with the C20Z10S10 (P) catalyst, based on 20 per cent by mass of copper, 10 per cent by mass of zinc supported on alumina doped with 10 per cent by mass of silica prepared by precipitation. Although this was the material with the highest selectivity for methanol, its CTY was only 0.51 molCO₂∙gCu -¹∙s-¹. Compared to the reference material, TMC-3/1, (22.9 %), the selectivities obtained were lower. The use of aluminosilicates with 40% silica by mass as a support did not positively influence the catalyst. C20Z10A (P) should be investigated in detail, as it could be a promising catalytic system to be used in catalytic films to be integrated into a new microstructure reactor, also known as NetMIX.
- Potential of marine macroalgae as a source of iodine and natural antioxidants: their use in inhibiting lipid peroxidation reactions in food productsPublication . Santos, Francisca Filipa Pereira Leite dos; Soares, Cristina Maria DiasThe deterioration of food quality due to lipid peroxidation poses a significant challenge in the food industry. This study evaluates the effectiveness of seaweed extracts as natural antioxidants in preventing lipid oxidation during the accelerated ageing of oils used in canned fish. Ten seaweeds were selected: four brown (Fucus vesiculosus, Himanthalia elongata, Eisenia bicyclis, and Undaria pinnatifida); two green (Ulva Lactuca, and Codium tomentosum); and 4 red (Palmaria palmata, Gracilaria gracilis, Chondrus cripus, and Porphyra dioica). Solid-liquid extraction (SLE) was used to optimize extraction conditions, followed by subcritical water extraction (SWE) at 140°C and 190°C, and ultrasound-assisted extraction (UAE) for 10 and 20 minutes. The extracts were analyzed for phenolic compounds and antioxidant capacity. Olive and sunflower oils were tested for lipid oxidation and accelerated ageing tests were conducted on sunflower oil with the seaweed extracts. The results were compared to a control and BHTtreated oil. Brown seaweeds consistently showed the best antioxidant performance, significantly reducing lipid oxidation, while red seaweeds were less effective. Sensory analysis indicated less rancidity in oils treated with brown macroalgae. These findings suggest that brown seaweeds have strong potential as natural antioxidants, offering a possible replacement for synthetic antioxidants in food preservation. Further research is needed to optimize extract concentration, assess nutritional impacts, and examine long-term effects on the shelf life of canned fish.