ISEP - DM – Biorrecursos
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- 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.
- Maximizing Spirulina's value in a biorefinery approachPublication . Santos, Carolina Ascenso dos; Caetano, Nidia de SáWith the pressing global environmental challenges there is an increasing need for sustainable and circular bioresource management. This thesis explores the multifaceted potential of Spirulina in various sectors, leading to the idealisation of a biorefinery. The study begins by assessing Spirulina’s properties, culture conditions and applications that boost its potential for a sustainable biorefinery development, emphasizing its versatility in producing high-value compounds and its contributions to several industrial sectors. Experimentally, Spirulina was cultivated and high-value compounds, such as lipids, phycocyanin and antioxidants, were obtained with the use of eco-friendly extraction methods. Additionally, Spirulina was incorporated as a functional ingredient in butter. Sensorial analyses were conducted revealing positive consumer acceptance and the potential for Spirulina to enhance the nutritional profile of everyday foods. Then, Spirulina was tested as an organic soil corrective. Through comparative tests, it was shown that Spirulina improved germination, by 150%, and plant growth, underscoring its potential in promoting sustainable agricultural practices. Finally, aggregating the results and inputs from the literature, the concept of a Spirulina-based biorefinery was explored, identifying viable process routes and multiple processes integration, such as the reuse of waste streams. The results indicate that with strategic process optimization, Spirulina-based biorefineries could contribute significantly to reducing environmental negative impact while offering economically viable solutions, supporting a circular bioeconomy.
- Valorização do resíduo industrial carbonato de cálcio numa perspetiva de sustentabilidade e economia circularPublication . Vila Cova, Cláudia Filipa Silva; Morais, Simone BarreiraNum cenário marcado pela crescente produção de resíduos e pelo uso insustentável de recursos naturais, a busca por alternativas circulares torna-se cada vez mais urgente. A indústria do açúcar enfrenta o desafio de gerir os seus resíduos de forma eficaz, minimizando os impactos ambientais e otimizando os seus processos. Neste contexto, a presente tese dedica-se a investigar estratégias, alinhadas com os princípios da sustentabilidade e da economia circular, para a valorização do carbonato de cálcio nas lamas de carbonatação obtidas durante a produção de açúcar. Para tal, foram caracterizadas as propriedades físico-químicas do resíduo, avaliados métodos de processamento e de reutilização em diferentes contextos industriais. O estudo sobre o aproveitamento das lamas de carbonatação da RAR revelou que estas atendem aos requisitos legais para uso agrícola e como corretivo alcalinizante, embora o seu teor médio de humidade de 29% limite as aplicações industriais. A opção mais viável é o uso como corretivo de solos ácidos. Diversos setores industriais demonstraram interesse, mas as lamas precisam de pré-tratamento, especialmente secagem, para cumprir às especificações desses setores. Testes laboratoriais reduziram a humidade para 0,57%, próximo do valor requerido por algumas indústrias, com um secador rotativo sendo adequado para este processo. A viabilidade económica mostrou ganhos anuais significativos ao vender as lamas ao natural para uso agrícola, eliminando custos de gestão de resíduos. Contudo, a secagem requer investimentos e sua viabilidade depende fortemente do preço de venda do produto final. Recomenda-se, assim, manter as parcerias para uso agrícola, realizar testes piloto de secagem e aprofundar estudos de mercado para identificar setores que valorizem o carbonato de cálcio seco. Explorar a integração energética e otimização de processos também é essencial. Há potencial para transformar as lamas de um passivo ambiental num produto de valor agregado, começando pelo uso agrícola e avançando conforme a procura do mercado. Trabalhos futuros devem focar-se em estudos de mercado, otimização do pré-tratamento das lamas, estratégias de marketing eficazes e parcerias para promover a valorização de resíduos e a economia circular na indústria do açúcar.
- O Efeito da Combinação do Lean e Economia Circular na Performance Empresarial em PortugalPublication . Correia, Ivo Martins Correia; Sá, José Carlos Vieira de SáO avanço tecnológico e o crescimento exponencial da população atraem hoje sérias preocupações ambientais e sociais a nível global. A Economia Circular, surgiu como um conceito para abordar estas questões, propondo um sistema de ciclo fechado em contraste com o sistema linear. Embora o conceito tenha um grande potencial, ainda reside o desafio da sua adaptação nos sectores industriais e organizacionais, sobretudo nas PME. Com o avanço tecnológico surgem novos métodos e técnicas que promovem o combate aos problemas hoje apresentados, mas que exigem uma mudança completa no sistema existente assim como mão de obra qualificada. Esta investigação explora a combinação do Lean com Economia Circular e de que forma a associação dos conceitos favorece o panorama organizacional em Portugal. O estudo permite perceber em que nível se encontra a maturidade da prática circular em vários setores e se o Lean e a Economia Circular associados, algo que teoricamente colide, se complementam e formam sistemas eficazes. Através de um inquérito que resultou numa amostra pertinente para análise de 77 inquiridos de empresas portuguesas, foram validados modelos de hipótese com base nas respostas dos inquiridos, a possibilidade da associação do Lean e Economia Circular contribuírem positivamente para o Desempenho Operacional e Competitividade da Empresa. O inquérito demonstrou maioritariamente que a Economia Circular está em ascendente em Portugal, sendo que já se verifica a nível das PME’s práticas Circulares regulares. O estudo confirmou que a filosofia Lean e a Economia Circular tem um impacto positivo no Desempenho Operacional e Competitividade da Empresa sendo que através de regressão linear os resultados conferem modelos de variáveis positivos.
- Síntese Verde de Nanopartículas de Prata Utilizando Cascas de Laranja (Citrus sinensis)Publication . Teixeira, Lídia Marisa Macedo; Morais, Simone BarreiraRecently, silver nanoparticles (Ag-NPs) derived from biological sources act as an alternative route to reduce heavy chemicals and high costs of energy of physical and chemical approaches. In pursuit of a greener route, this thesis aimed to synthesize Ag-NPs from a green solventmediated orange peel (OP) extract. A screening of four types of natural deep eutectic solvents (NADES) and water OP extracts was reported by evaluating antioxidant activity and Total Phenolic Content (TPC). Water-assisted OP extract was ultimately chosen for Ag-NPs by presenting high TPC (90.7 mg GAE/g OP) and Trolox Equivalent Antioxidant Capacity (TEAC) (3.2 mg TE/g OP); besides, production of NADES was time-consuming and exhibited high viscosity and acidic properties. Ag-NPs were synthesized at 25 ºC in alkaline medium and monitored for 24 hours. Different ratios of Ag+ :TPC content were tested (varying from 0.75-12). Accordingly, Ag+ concentration was kept constant and OP extract volume decreased with an increase in ratio. A gradually colorless to brownish tone appeared after 15 minutes, indicating formation of AgNPs. UV-VIS Spectroscopy (UV-VIS) revealed surface plasmon resonance (SPR) peaks in the region 407-412 nm, related to Ag-NPs absorption band. In addition, a peak at 280 nm associated with UV absorption of polyphenols was reported in all samples, suggesting OP extracts were not capable of completely reducing Ag+ to Ag0 . Dynamic Light Scattering (DLS) data confirmed AgNPs with an average hydrodynamic diameter of 99-112 nm and a polydisperse index of 0.210- 0.263, revealing monodisperse nature of Ag-NPs. Moreover, Ag-NPs confirmed high stability due to a zeta potential value of -21.0 mV. Studied ratios did not show significant differences in particle size characterization but a trend in antioxidant activities was established. TPC and TEAC of Ag-NPs was lower in comparison to H2O-assisted OP extract due to interaction of the reducing agents in the bioreduction; it is also noted that bigger ratios present higher TPC and TEAC content, and vice-versa. Overall results suggested the great potential of OP as a biological source of phenolics for green Ag-NPs synthesis.
- Otimização da gestão do resíduo proveniente da etapa de desarenamento da ETAR de Valongo, Campo e Sobrado e da ETAR de Ermesinde e AlfenaPublication . Caetano, Inês Santos; Figueiredo, Sónia Adriana Ribeiro da CunhaAs Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) são fundamentais para garantir a saúde pública e o equilíbrio dos ecossistemas, uma vez que permitem o tratamento de águas residuais e a sua devolução segura ao meio hídrico. Porém, nas atividades decorrentes da exploração das ETAR são geradas grandes quantidades de resíduos, destacando-se as lamas, os gradados e as areias, sendo os dois últimos, geralmente, encaminhadas para aterro sanitário. Os princípios preconizados na legislação levantam a necessidade de encontrar alternativas à deposição dos resíduos em aterro sanitário, dando prioridade à prevenção, reutilização e valorização dos mesmos. Assim, o presente projeto teve como objetivo principal a otimização da gestão dos resíduos provenientes da etapa de desarenamento da ETAR de Valongo, Campo e Sobrado e da ETAR de Ermesinde e Alfena. Neste trabalho foi estudada a viabilidade de valorização deste resíduo na construção civil e em processos de co-compostagem. Para tal, numa primeira fase, efetuou-se um pré-tratamento aos resíduos das duas instalações, com vista à redução da matéria orgânica presente para avaliar a possibilidade da sua reutilização (por exemplo, na construção civil). A valorização (por exemplo, através da co-compostagem) foi também avaliada, tendo sido analisados alguns parâmetros considerados críticos para o processo de compostagem, tais como pH, teor de humidade, razão C/N e razão C/N/P. Procedeu-se a uma caraterização dos resíduos e seus respetivos eluatos de acordo com a Norma EN 12457-4. Foram também efetuados ensaios de pré-tratamento que consistiram na realização de lavagens com água residual tratada e água de abastecimento da rede pública. Para ambos os resíduos, verificouse que o ensaio de lixiviação (eluato) foi o que apresentou uma maior quantidade de matéria orgânica lixiviada, e após as lavagens, os valores de carbono orgânico total (COT) na fase líquida foram de 20000 e de 2037 mg/kg matéria seca, para os resíduos da ETAR de Valongo, Campo e Sobrado e da ETAR de Ermesinde e Alfena, respetivamente. Nos ensaios em foi utilizada água residual tratada foi possível obter resíduos com menor teor de COT (em base seca) do que naqueles em foi usada água da rede pública, 44,66 % no resíduo de Valongo, Campo e Sobrado e 6,10 % no de Ermesinde e Alfena. Concluiu-se que as lavagens efetuadas não permitiram extrair matéria orgânica suficiente de forma a cumprir os requisitos exigidos para sua utilização na construção civil. A introdução de um lavador de areias HUBER Coanda RoSF4/1 na ETAR de Ermesinde e Alfena, permitiria a remoção de matéria orgânica para valores inferiores a 3 %, valor máximo admitido para a incorporação em camadas não-ligadas em pavimentações. Sob o ponto de vista económico, a aquisição do lavador de areias seria amortizada ao fim de 6 anos. No que diz respeito à valorização orgânica, verificou-se que o resíduo de Valongo, Campo e Sobrado apresentava um valor de pH de 5,62 e uma razão C/N/P (140,4:8,3:1), que se enquadram nos intervalos de valores de referência, respetivamente 5 a 7,5 e 100:10:1 a 200:2:1. No resíduo de Ermesinde e Alfena apenas o parâmetro pH (7,20) se encontra dentro da gama adequada. No entanto, os restantes parâmetros poderão ser equilibrados pela incorporação de outro resíduo, nomeadamente, lamas de ETAR, através do processo de co-compostagem. O encaminhamento dos resíduos de ambas as unidades de tratamento para co-compostagem permitiria a poupança de, pelo menos, 4 618,8 € por ano. Assim, as sugestões apresentadas permitiriam a minimização do impacte relacionado com a geração e gestão de resíduos de desarenamento, seguindo os princípios da economia circular. Além disso, originariam uma redução de custos, o que poderia gerar novas oportunidades económicas.
- Produção de um laminado ecofriendly com aplicação na indústria da higienePublication . Ribeiro, Filipa Fonseca; Freitas, Susana Maria Ribeiro e Sousa Mendes deAs fraldas descartáveis contribuem para uma melhoria significativa da qualidade de vida, aumentando o conforto e higiene do bebé e facilitando a vida quotidiana dos pais. Estas também fazem parte dos produtos para incontinência de adultos, promovendo a qualidade de vida das pessoas que sofrem esta condição. A contrapartida deste produto são as toneladas de lixo geradas todos os anos. Estima-se que globalmente as fraldas usadas representem 12% dos resíduos sólidos depositado em aterros. Os polímeros termoplásticos e o polímero superabsorvente (SAP) que constituem as fraldas descartáveis são os principais responsáveis pelo impacte ambiental no seu fim de vida. Uma forma de colmatar este problema é a criação de uma fralda em que todos os componentes sejam facilmente biodegradáveis, ou compostáveis. Atualmente já existem algumas soluções para componentes de fraldas descartáveis com base em materiais biodegradáveis, no entanto, ainda é necessário investigar e desenvolver outras soluções para muitos dos seus componentes, como é o caso da banda elástica. Na área de materiais poliméricos têm surgido nos últimos anos duas vertentes como alternativas mais sustentáveis: os biopolímeros e os polímeros biodegradáveis. Exemplos de biopolímeros incluem o amido termoplástico, o poli(ácido lático) (PLA), os polihidroxialcanoatos (PHAs), ou a celulose. O poli(butileno adipato-co-tereftalato) (PBAT), ou a policaprolactona (PCL) são exemplos de polímeros biodegradáveis. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento e reformulação de um dos componentes das fraldas descartáveis, a banda elástica, na empresa Elastictek, para obtenção de um produto sustentável e com menor impacte ambiental. Com esse propósito, estabeleceram-se duas hipóteses para o produto final: um laminado com matérias-primas de origem biológica, ou que fosse biodegradável e, possivelmente, compostável. Numa primeira fase, fez-se a prospeção de mercado a nível de biopolímeros e polímeros biodegradáveis destinados à produção do filme elástico e de tecidos não-tecidos (TNT) compostos por fibras biodegradáveis. As matérias-primas escolhidas para constituir o laminado final foram o TNT de Liocel e os polímeros Bio-Flex e PBAT para formar o filme. Em seguida, produziu-se em linha o novo produto de três camadas, formado por duas de TNT e uma camada central de filme. Posteriormente, fezse a caracterização do produto final, assim como das suas matérias-primas, a nível mecânico (ensaio de tração, histerese, peel) e de propriedades físico-químicas (gramagem, FTIR, MFI e SEM). O laminado de TNT de Liocel com uma camada de filme PBAT mostrou melhor desempenho mecânico que o laminado de TNT de Liocel com Bio-Flex. A termolaminação a 130 °C parece ser a mais adequada para o laminado Liocel/PBAT, obtendo-se nestas condições valores médios de tensão máxima (0,4 ± 0,02 MPa) e alongamento na rotura (120,9 ± 10,8%,) superiores. A temperatura de termolaminação parece condicionar a resistência do TNT, produzindo um laminado menos resistentes. Através do SEM verificou-se que a melhor adesão foi entre Liocel e PBAT, assim como um filme mais uniforme comparativamente ao Bio-Flex. No entanto, este laminado possui pouca recuperação ao deslocamento, com valores de deformação residual elevados. No entanto, as propriedades mecânicas e físicas observadas para o laminado de Liocel e PBAT demonstram que este laminado cumpre o objetivo de criar uma alternativa mais sustentável e viável para a banda da fralda.