https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/214193 2026-11-08T10:10:51Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277161 Modelagem multiescala de captura de carbono com potenciais interatômicos universais Ippoliti, Thiago Mateus Reschützegger A busca por materiais nanoporosos para captura de CO2 mobiliza crescente esforço computacional, mas a confiabilidade das simulações depende da qualidade dos modelos que descrevem as interações entre o sólido e o adsorbato. Diante das limitações dos campos de força clássicos em ambientes químicos complexos, os potenciais interatômicos universais aprendidos por máquina representam uma alternativa atraente, embora sua capacidade de reproduzir não apenas energias atomísticas, mas observáveis termodinâmicos macroscópicos de adsorção, não tenha sido verificada de forma rigorosa para essa classe de aplicações. Este trabalho investiga essa questão por meio de um protocolo de avaliação em múltiplos níveis, que articula varreduras de energia de interação, cálculos de entalpia de adsorção por inserção de Widom, avaliação das interações entre moléculas de adsorbato e simulações completas de Monte Carlo no ensemble grão-canônico, aplicados a um conjunto representativo de estruturas metal-orgânicas que abrange regimes de adsorção qualitativamente distintos, desde a fisissorção em estruturas rígidas até a adsorção fortemente dirigida por sítios metálicos abertos e o comportamento de abertura em estruturas flexíveis. Os resultados revelam que a acurácia em nível de energia não constitui garantia de acurácia nas isotermas, e que os desvios observados organizam-se em torno de duas contribuições fisicamente independentes entre si. A primeira, relativa à interação hospedeiro--hóspede, determina o comportamento em baixas pressões; a segunda, associada às interações entre as próprias moléculas de CO2, torna-se dominante sob condições de carregamento finito e em estruturas de alta afinidade. A superposição dessas duas fontes de erro pode gerar concordância numérica com dados experimentais por razões fisicamente incorretas, o que torna insuficiente qualquer critério de avaliação baseado exclusivamente na comparação de isotermas. Verificou-se ainda que a composição dos dados de treinamento é o fator determinante do desempenho, sobrepondo-se consistentemente às diferenças arquiteturais entre os modelos, e que a inclusão explícita de configurações de múltiplos adsorbatos por poro distingue os modelos bem-sucedidos dos demais. O protocolo de avaliação proposto oferece uma rota prática para a seleção e o aprimoramento de modelos antes de simulações de produção, e os modos de falha identificados definem alvos concretos para o desenvolvimento de potenciais interatômicos universais voltados à triagem computacional de materiais para captura de carbono.; Abstract: The search for nanoporous materials for CO2 capture mobilizes a growing computational effort, but the reliability of the simulations depends on the quality of the models that describe the interactions between the solid and the adsorbate. Given the limitations of classical force fields in complex chemical environments, universal machine-learned interatomic potentials represent an attractive alternative, although their ability to reproduce not only atomistic energies, but also macroscopic thermodynamic observables of adsorption, has not been rigorously verified for this class of applications. This work investigates this question through a multi-level evaluation protocol that combines interaction energy scans, calculations of the enthalpy of adsorption by Widom insertion, assessment of the interactions between adsorbate molecules, and full grand-canonical Monte Carlo simulations, applied to a representative set of metal-organic frameworks spanning qualitatively distinct adsorption regimes, from physisorption in rigid frameworks to adsorption strongly driven by open metal sites and the breathing behavior of flexible frameworks. The results reveal that accuracy at the energy level does not guarantee accuracy in the isotherms, and that the observed deviations are organized around two contributions that are physically independent of each other. The first, related to the host--guest interaction, governs the behavior at low pressures; the second, associated with the interactions among the CO2 molecules themselves, becomes dominant under finite-loading conditions and in high-affinity frameworks. The superposition of these two error sources can produce numerical agreement with experimental data for physically incorrect reasons, which renders insufficient any evaluation criterion based exclusively on the comparison of isotherms. It was further found that the composition of the training data is the determining factor of performance, consistently outweighing the architectural differences between the models, and that the explicit inclusion of multi-adsorbate-per-pore configurations distinguishes the successful models from the rest. The proposed evaluation protocol offers a practical route for the selection and improvement of models prior to production simulations, and the identified failure modes define concrete targets for the development of universal machine-learned interatomic potentials aimed at the computational screening of materials for carbon capture. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276828 Automating Chlorella vulgaris cultivation with a focus on developing a low-cost optical sensor Carvalho, Jackelyne de Souza O crescente interesse em soluções biotecnológicas sustentáveis e economicamente viáveis tem impulsionado a pesquisa em sistemas de cultivo de microalgas, dada sua capacidade de sequestro de CO2 e produção de biomassa rica em compostos bioativos de alto valor. Visando reduzir custos no cultivo de Chlorella vulgaris, abordagens tecnológicas como a automação têm se tornado cada vez mais comuns. A automação, viabilizada por plataformas acessíveis como Arduino, facilita a coleta de dados e aumenta a produtividade dos compostos-alvo. Todavia, o desenvolvimento e a validação de sensores de baixo custo para concentração celular, especialmente em diferentes comprimentos de onda, ainda são pouco explorados. Este estudo investigou a construção e a eficácia de um sistema baseado em densidade óptica para determinação da concentração celular, juntamente com a validação de sensores de baixo custo para pH, temperatura, CO2, intensidade de luz e fluxo no cultivo de C. vulgaris. As análises revelaram correlações superiores a 98% entre as leituras dos sensores acessíveis e as obtidas por equipamentos convencionais de laboratório. Além disso, o sensor de densidade óptica foi validado para outras espécies de microalgas, incluindo Phaeodactylum tricornutum e Porphyridium cruentum. A integração desses sensores personalizados permitiu a construção de um biorreator capaz de atingir economia de custos de mais de 96% em comparação aos equipamentos de medição tradicionais. Os resultados indicam que a integração dessas tecnologias pode promover a democratização da pesquisa científica, abrindo novas perspectivas para aplicações de microalgas em biorrefinarias sustentáveis e processos biotecnológicos avançados.; Abstract: The growing interest in sustainable and economically viable biotechnological solutions has driven research into microalgae cultivation systems, given their capacity for CO2 sequestration and production of biomass rich in high-value compounds. Aiming to reduce costs in the cultivation of Chlorella vulgaris, technological approaches such as automation have become increasingly common. Cultivation automation, enabled by affordable platforms such as Arduino, facilitates data collection and enhances the productivity of targeting compounds. However, the development and validation of low-cost sensors for cell concentration, particularly across different wavelengths, remain underexplored. This study investigated the construction and effectiveness of an optical density-based system for cell concentration determination, alongside the validation of low-cost sensors for pH, temperature, CO2, light intensity, and flow in C. vulgaris cultivation. The analyses showed correlations above 98% between the affordable sensors and conventional laboratory equipment. Moreover, the optical density sensor was validated for other microalgae species, including Phaeodactylum tricornutum and Porphyridium cruentum. The integration of these customized sensors allowed the construction of a bioreactor capable of achieving cost savings of over 96% compared to traditional measurement equipment. The results indicate that integrating these technologies can promote the democratization of scientific research, opening new perspectives for microalgae applications in sustainable biorefineries and advanced biotechnological processes. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2024. 2024-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276827 Polydopamine-assisted one-pot laccase immobilization on PDVF membranes Albuquerque, Vinicius de Castro Como catalisadores de reações bioquímicas, as enzimas desempenham um papel fundamental na manutenção do equilíbrio ambiental. Dentro do grupo de enzimas, as lacasses (LC) se destacam como oxirredutases multicobre amplamente versáteis, sendo amplamente estudadas e aplicadas na indústria devido à sua eficácia na quebra de compostos complexos e na degradação de substâncias diversas. No entanto, as LC demandam o desenvolvimento de estratégias adicionais para aumentar sua estabilidade, o que geralmente adiciona várias etapas aos processos enzimáticos, muitas vezes complexas e com a necessidade de diversos compostos químicos para tratar a estabilidade da enzima. Este trabalho apresenta uma metodologia inovadora de imobilização enzimática em passo único, utilizando polidopamina (PDA) auto polimerizada catalisada com LC. Esse processo imobiliza a lacasse na superfície de uma membrana de PVDF (fluoreto de polivinilideno) em uma única etapa. As membranas de PVDF oferecem resistência química excepcional, estabilidade térmica, resistência mecânica e altas taxas de fluxo, sendo adequadas para aplicações de filtração versáteis. A integração da PDA potencializa ainda mais esse sistema, proporcionando forte adesão, funcionalização versátil para imobilização eficaz das enzimas, e maior estabilidade contra agentes ambientais. A PDA também contribui para estabilizar a atividade enzimática, simplificar o processo de imobilização, resistir ao entupimento e permitir a reutilização das enzimas, fatores que tornam o processo uma solução econômica e escalável. O sistema PVDF-PDA-LC cria um efeito sinérgico que melhora significativamente a eficiência, a estabilidade e o desempenho geral. O processo de imobilização desenvolvido utiliza dopamina (DP) como precursor, explorando a polimerização in situ para produzir PDA, conseguindo a imobilização enzimática em PVDF em um único passo. Os resultados obtidos foram significativos, apresentando um biocatalisador funcionalizado com alta atividade enzimática e ampla estabilidade operacional. Os dados revelam as condições ideais de imobilização para maximizar a atividade enzimática: 30 minutos com uma concentração de LC de 2 mg·mL-1 e uma concentração de dopamina de 0,25 mg·mL 1, além de demonstrar um aumento na estabilidade de pH e temperatura do suporte em relação a enzima livre, apresentando um grande destaque na estabilidade de reutilização do processo, o biocatalisador resistiu a um processo de reuso de 60 ciclos mantendo a atividade enzimática acima de 60% em relação a atividade inicial. A aplicabilidade do método a outros tipos de membranas foi testada, comprovando a eficácia do método no processo de imobilização, destacando a viabilidade do processo e seu potencial de aplicação.; Abstract: As catalysts of biochemical reactions, enzymes play a fundamental role in maintaining environmental equilibrium. Among enzymes, laccases (LC) stand out as versatile multicopper oxidases, widely studied and applied in the industry due to their effectiveness in breaking down complex compounds and degrading various substances. However, LC requires the development of additional strategies to enhance its stability, which often introduces multiple steps to enzymatic processes, frequently complex and involving various chemical compounds to stabilize the enzyme. This work presents an innovative one-step methodology for enzyme immobilization, using self polymerized polydopamine (PDA) catalyzed with LC. This process immobilizes laccase on the surface of a PVDF (polyvinylidene fluoride) membrane in a single step. The integration of PDA further enhances this system by providing strong adhesion, versatile functionalization for effective enzyme immobilization, and increased stability against environmental stressors. PDA also helps stabilize enzymatic activity, simplifies the immobilization process, resists fouling, and allows for enzyme reuse, making the process both economical and scalable. The PVDF-PDA-LC system creates a synergistic effect that significantly improves efficiency, stability, and overall performance. The developed immobilization process uses dopamine (DP) as a precursor, leveraging in situ polymerization to produce PDA, achieving enzyme immobilization on PVDF in a single step. The results were significant, showcasing a functionalized biocatalyst with high enzymatic activity and broad operational stability. The data reveal the optimal immobilization conditions to maximize enzymatic activity: 30 minutes with an LC concentration of 2 mg·mL-1 and a dopamine concentration of 0.25 mg·mL-1. Additionally. the process demonstrated enhanced pH and temperature stability of the support and a high reusability rate, proving its applicability to other types of membranes, and highlighting the feasibility and potential application of the process. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2024. 2024-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276728 Síntese de catalisador de cobalto suportado em g-C3N4 e óxido de grafeno proveniente do grafite e do carvão mineral para a produção de hidrogênio via hidrólise do NaBH4 Silva, Willian Soni da As mudanças climáticas têm impulsionado a transição para sistemas energéticos mais sustentáveis, destacando o hidrogênio como um vetor energético estratégico devido à sua elevada densidade energética e versatilidade em aplicações móveis e estacionárias. No entanto, o armazenamento seguro e eficiente de hidrogênio permanece como um dos principais desafios para a consolidação dessa tecnologia. Dentre as alternativas, borohidreto de sódio (NaBH4) tem se destacado como um material promissor para armazenamento químico de hidrogênio, embora sua aplicação prática dependa do desenvolvimento de catalisadores eficientes para promover sua hidrólise em condições brandas. Diante disso, este trabalho teve como objetivo sintetizar, caracterizar e avaliar o efeito do suporte em catalisadores de cobalto na liberação de hidrogênio resultante da hidrólise alcalina do borohidreto de sódio. Foram sintetizados catalisadores monometálicos de cobalto suportados em compósitos de g-C3N4 e OG, sendo este último obtido a partir de duas fontes distintas: grafite e carvão mineral. O suporte catalítico foi preparado em diferentes proporções mássicas, enquanto a incorporação do metal foi realizada por impregnação em proporção controlada. Os resultados evidenciaram que a composição do suporte tem papel determinante no desempenho catalítico, sendo a formulação contendo 14,2% de cobalto suportado em 57,5% de g-C3N4 e 28,3% de óxido de grafeno a que apresentou maior eficiência na liberação de hidrogênio. Estudos cinéticos demonstraram que a reação é fortemente dependente da temperatura e das condições reacionais, permitindo a determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos do sistema. Os catalisadores preparados com óxido de grafeno de maior pureza, derivado de grafite, apresentaram desempenho superior, com energia de ativação de 22,07 ± 0,08 kJ·mol-1, em comparação ao material obtido a partir de carvão mineral (29,12 ± 0,81 kJ·mol-1). Ainda assim, os materiais derivados de carvão mineral apresentaram desempenho satisfatório em comparação com uso de suportes reportados na literatura. Este estudo contribui para o avanço de tecnologias de liberação de hidrogênio sob demanda, reforçando o potencial do NaBH4 como vetor energético em sistemas sustentáveis.; Abstract: Climate change has driven the transition toward more sustainable energy systems, highlighting hydrogen as a strategic energy carrier due to its high energy density and versatility in mobile and stationary applications. However, the safe and efficient storage of hydrogen remains one of the main challenges for the consolidation of this technology. Among the available alternatives, sodium borohydride (NaBH4) has emerged as a promising material for chemical hydrogen storage, although its practical application depends on the development of efficient catalysts to promote its hydrolysis under mild conditions. In this context, this work aimed to synthesize, characterize, and evaluate the effect of the support on cobalt-based catalysts for hydrogen generation via alkaline hydrolysis of sodium borohydride. Monometallic cobalt catalysts supported on g-C3N4 and graphene oxide (GO) composites were synthesized, with the latter obtained from two different sources: graphite and mineral coal. The catalytic supports were prepared in different mass proportions, while metal incorporation was carried out by impregnation under controlled conditions. The results demonstrated that the support composition plays a decisive role in catalytic performance, with the formulation containing 14.2% cobalt supported on 57.5% g-C3N4 and 28.3% graphene oxide showing the highest hydrogen generation efficiency. Kinetic studies revealed that the reaction is strongly dependent on temperature and reaction conditions, enabling the determination of kinetic and thermodynamic parameters of the system. Catalysts prepared with higher-purity graphene oxide derived from graphite exhibited superior performance, with an activation energy of 22.07 ± 0.08 kJ·mol-1, compared to 29.12 ± 0.81 kJ·mol-1 for the material obtained from mineral coal. Nevertheless, catalysts derived from mineral coal showed satisfactory performance when compared to support reported in the literature. This study contributes to the advancement of ondemand hydrogen generation technologies, reinforcing the potential of NaBH4 as an energy carrier for sustainable systems. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z