https://hdl.handle.net/1884/76246 2026-06-27T18:19:35Z https://hdl.handle.net/1884/95847 Codigestão anaeróbia com resíduos da produção animal e cultura energética para produção de biogás Resumo: A digestão anaeróbia apresenta-se como uma alternativa sustentável para a conversão de resíduos agroindustriais em biogás, contribuindo para a geração de energia renovável e a mitigação de impactos ambientais. No entanto, a eficiência desse processo está diretamente relacionada à composição do substrato, especialmente ao teor de sólidos voláteis (SV). O dejeto suíno, amplamente utilizado na digestão anaeróbia, apresenta baixa concentração de SV, limitando sua eficiência energética. Para superar essa limitação, a codigestão com substratos ricos em SV, como o capim-elefante (Cenchrus purpureus (Schumach.) Morrone) Cenchrus purpureus cv. BRS Capiaçu, surge como uma estratégia promissora para potencializar a produção de biogás e metano. Essa cultivar se destaca por sua elevada produtividade de biomassa, alta concentração de carboidratos fermentáveis e possibilidade de armazenamento na forma de silagem, garantindo o fornecimento contínuo de substrato. No entanto, a sua monodigestão pode resultar na acidificação do meio e instabilidade do processo devido ao desbalanceamento da relação C/N. A codigestão com dejeto suíno permite mitigar esses desafios, proporcionando um efeito sinérgico que melhora a estabilidade do sistema, ajusta os desequilíbrios nutricionais e reforça a capacidade de tamponamento, apoiando a produção de biogás. Os reatores CSTR são amplamente utilizados para a digestão anaeróbia, pois permitem o processamento de substratos com alta concentração de SV com uma mistura eficiente dos substratos. A introdução de tecnologias avançadas pode otimizar ainda mais a conversão da matéria orgânica em biogás. Este estudo avaliou o desempenho da codigestão anaeróbia de dejeto suíno e BRS Capiaçu, em um reator do tipo CSTR (reator com tanque de agitação contínua), investigando o equilíbrio dos substratos e seus efeitos sobre a produção e qualidade de biogás e metano. A codigestão apresentou resultados satisfatórios com produtividade e rendimento de biogás e metano, respectivamente, em 1,092 m3Nbiogás.m-3 reator.d-1 e 502 LNbiogás.kg-1SVadic, e 0,648 m3NCH4.m-3 reator.d-1 e 298 LNCH4.kg-1SVadic, enquanto a monodigestão de capim elefante foi de 0,651 m3Nbiogás.m-3 reator.d-1 e 324 LNbiogás.kg-1SVadic, e 0,335 m3NCH4.m 3 reator.d-1 e 165 LNCH4.kg-1SVadic. A codigestão anaeróbia potencializou a geração de metano com um incremento de 48% em sua produtividade, comparado à monodigestão, e mostrou eficiência de recuperação de metano no CSTR acima de 92%. Esse estudo demonstrou uma abordagem atrativa para integrar um arranjo tecnológico de alto potencial, a fim de garantir a geração de energia a partir da disponibilidade do substrato ensilado e assegurar a estabilidade do processo, além de agregar valor aos resíduos da suinocultura e consolidar o uso de culturas energéticas como alternativa viável para otimização do processo e ampliação da sustentabilidade energética; Abstract: Anaerobic digestion is a sustainable alternative for converting agroindustrial waste into biogas, contributing to the production of renewable energy and reducing environmental impact. However, the efficiency of this process is directly related to the composition of the substrate, in particular the volatile solids (VS) content. Swine manure, which is widely used in anaerobic digestion, has a low VS concentration, which limits its energy efficiency. To overcome this limitation, codigestion with substrates rich in VS, such as elephant grass (Cenchrus purpureus (Schumach.) Morrone) Cenchrus purpureus cv. BRS Capiaçu, has emerged as a promising strategy to increase biogas and methane production. BRS Capiaçu is characterised by its high biomass productivity, high concentration of fermentable carbohydrates and the possibility of storing it as silage, which guarantees a continuous supply of substrate. However, its monodigestion can lead to acidification of the medium and instability of the process due to an unbalanced C/N ratio. Codigestion with swine manure can mitigate these challenges, providing a synergistic effect that improves system stability, compensates for nutrient imbalances and enhances buffering capacity to support biogas production. CSTR reactors are widely used for anaerobic digestion because they allow substrates with a high SV concentration to be processed with efficient mixing of the substrates. The introduction of advanced technologies can further optimise the conversion of organic matter to biogas. This study evaluated the performance of anaerobic codigestion of swine manure and BRS Capiaçu in a CSTR reactor (Continuous Stirred Tank Reactor), investigating the balance of substrates and their effects on the production and quality of biogas and methane. The codigestion showed satisfactory results, with biogas and methane productivity and yield of 1.092 m3Nbiogas.m-3 reactor.d-1 and 502 LNbiogas.kg-1VSadic, and 0.648 m3NCH4.m-3 reactor.d-1 and 298 LNCH4.kg-1VSadic, respectively, while the monodigestion of elephant grass was 0.651 m3Nbiogas.m-3 reactor.d-1 and 324 LNbiogas.kg-1VSadic, and 0.335 m3NCH4.m-3 reactor.d-1 and 165 LNCH4.kg-1VSadic. The anaerobic codigestion enhanced methane production with a 48% increase in productivity compared to monodigestion and showed a methane recovery efficiency in the CSTR of over 92%. This study demonstrated an attractive approach to integrate a high potential technological arrangement to ensure energy production from the availability of ensiled substrate and process stability, to add value to pig waste and to consolidate the use of energy crops as a viable alternative to optimise the process and increase energy sustainability Orientador: Prof. Dr. Airton Kunz; Coorientador: Dr. Ricardo Luís Radis Steinmetz; Banca: Airton Kunz (Presidente da Banca), Monica Sarolli Silva de Mendonca Costa, Marcelo Henrique Otenio; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Palotina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Ambiental. Defesa : Palotina, 24/02/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/96280 Balanço energético e análise econômica de geração distribuída de energia a biogás no meio rural Resumo: A geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas tem ganhado crescente relevância, impulsionada pela necessidade de diversificar o fornecimento energético e mitigar os impactos ambientais. Neste contexto, este estudo investigou cinco diferentes arranjos de sistemas de geração de energia elétrica (SGE) em propriedades rurais do Oeste do Paraná, Brasil. Esses sistemas operam no modelo de geração distribuída (GD) e utilizam biogás proveniente da biodigestão de resíduos da suinocultura e da avicultura de postura como matéria-prima. A pesquisa foi estruturada em duas etapas. Na primeira, realizou-se o balanço energético das plantas, com base nas metodologias propostas por Berglund & Börjesson (2006), Havukainen et al. (2014) e Pöschl et al. (2010). Na segunda, analisaram-se os parâmetros econômicos dos sistemas, conforme modelos propostos por Santos et al. (2019), Govender et al. (2019) e Branker et al. (2011), considerando três taxas de juros, de 13% para BNDES Finem – Geração de energia, 8,5% para RenovAgro e 3,5% com subsídio RenovaPR, e cinco diferentes tarifas de energia, variando de R$ 0,40 a R$ 0,80. Os resultados revelaram que a planta que possui um reator CSTR (Planta D) apresentou o melhor desempenho energético, com 87% de eficiência no subsistema de biodigestão e 16% no subsistema completo, fator de energia gerada por sólidos voláteis bruto de 2.798 e líquido de 2.319 kJ.kgsv-1, eficiência de geração de eletricidade bruta de 22% e líquida de 20%, destacando-se tanto na eficiência do biodigestor quanto no motor-gerador. As demais plantas obtiveram eficiências entre 33 e 44% no subsistema biodigestor e entre 4 e 8% no subsistema completo, com com fator de energia gerada por sólidos voláteis bruto entre 693 e 1.250 kJ.kgsv-1 e líquido entre 484 e 1.131 kJ.kgsv-1, e eficiências de geração de eletricidade bruta entre 15 e 21% e líquida entre 10 e 19%. Todas as plantas apresentaram 100% de eficiência de energia renovável, com a exceção da planta com reator CSTR, que utiliza óleo diesel no transporte do dejeto de aves e obteve 93%. Em termos de viabilidade econômica, a Planta B, que utiliza um biodigestor de lagoa coberta adaptado num reator plug flow, mostrou-se a melhor opção para projetos de menor custo e retorno mais rápido, com um valor presente líquido de R$ 556.925, taxa interna de retorno de 21% e payback de 6 anos e 9 meses, considerando a tarifa e taxa de juros intermediárias (R$ 0,60 e 8,5%). Por outro lado, a planta com reator CSTR, apesar do investimento inicial elevado, é recomendada para produtores que desejam maximizar a geração de energia em longo prazo, especialmente em cenários de tarifas de energia mais altas. O custo nivelado de energia variou conforme a dimensão e a eficiência de cada sistema, demonstrando competitividade em relação a outras fontes, com destaque para a Planta B, que obteve o menor custo por unidade de energia gerada, com R$ 0,32 para a taxa de juros de 8,5%. A Planta D atingiu o custo mais alto entre as plantas, com R$ 0,80, na mesma taxa de juros. Esses resultados podem orientar produtores rurais e outros interessados na escolha do melhor arranjo de geração de energia elétrica, adaptando-o à sua realidade para possíveis replicações; Abstract: The generation of electricity from alternative sources has gained increasing relevance, driven by the need to diversify energy supply and mitigate environmental impacts. In this context, this study investigated five different configurations of electricity generation systems (EGS) in rural properties in western Paraná, Brazil. These systems operate under the distributed generation (DG) model and use biogas from the biodigestion of swine farming and layer poultry farming waste as raw material. The research was structured in two stages. In the first stage, an energy balance of the plants was conducted based on the methodologies proposed by Berglund & Börjesson (2006), Havukainen et al. (2014), and Pöschl et al. (2010). In the second stage, the economic parameters of the systems were analyzed, following models proposed by Santos et al. (2019), Govender et al. (2019), and Branker et al. (2011), considering three interest rates: 13% for BNDES Finem – Energy Generation, 8.5% for RenovAgro, and 3.5% with RenovaPR subsidy, along with five different energy tariffs, ranging from R$ 0.40 to R$ 0.80. The results revealed that the plant with a CSTR reactor (Plant D) demonstrated the best energy performance, with 87% efficiency in the biodigestion subsystem and 16% in the complete subsystem, a gross volatile solids energy generation factor of 2,798 kJ.kgsv?¹ and a net factor of 2,319 kJ.kgsv?¹, a gross electricity generation efficiency of 22%, and a net efficiency of 20%. This plant stood out in both biodigester and engine-generator efficiency. The other plants achieved efficiencies between 33% and 44% in the biodigester subsystem and between 4% and 8% in the complete subsystem, with a gross volatile solids energy generation factor ranging from 693 to 1,250 kJ.kgsv?¹ and a net factor between 484 and 1,131 kJ.kgsv?¹. Their gross electricity generation efficiencies ranged from 15% to 21%, while net efficiencies were between 10% and 19%. All plants exhibited 100% renewable energy efficiency, except for the plant with a CSTR reactor, which uses diesel fuel for poultry waste transportation and achieved 93%. In terms of economic feasibility, Plant B, which employs a covered lagoon biodigester adapted to a plug-flow reactor, proved to be the best option for lower-cost projects with faster returns, with a net present value of R$ 556,925, an internal rate of return of 21%, and a payback period of 6 years and 9 months, considering the intermediate tariff and interest rate (R$ 0.60 and 8.5%). On the other hand, the plant with a CSTR reactor, despite its high initial investment, is recommended for producers aiming to maximize energy generation in the long term, especially in scenarios with higher energy tariffs. The levelized cost of energy varied depending on the size and efficiency of each system, demonstrating competitiveness compared to other sources. Plant B stood out with the lowest cost per unit of generated energy, at R$ 0.32 for the 8.5% interest rate, whereas Plant D had the highest cost, reaching R$ 0.80 at the same interest rate. These findings can guide rural producers and other stakeholders in selecting the best electricity generation arrangement, adapting it to their specific reality for potential replications Orientador: Prof. Dr. Samuel Nelson Melegari de Souza; Banca: Samuel Nelson Melegari de Souza (Presidente da Banca), Ralpho Rinaldo dos Reis, Yuri Ferruzi, Laercio Mantovani Frare, Doglas Bassegio; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Ambiental. Defesa : Palotina, 24/02/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/95385 Avaliação do ciclo de vida da produção de ímãs de terras raras de Nd-Fe-B Resumo: Os elementos de terras raras (ETR) são fundamentais para diversas aplicações tecnológicas, desempenhando um papel estratégico na indústria brasileira, especialmente nos setores de energia renovável, eletrônica e mobilidade elétrica. A crescente demanda por esses materiais impulsiona a necessidade de um fornecimento sustentável e eficiente, considerando seus impactos ambientais e econômicos. Sendo amplamente utilizados na fabricação de ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro (Nd-Fe-B). No entanto, a produção desses ímãs está associada a impactos ambientais significativos ao longo de sua cadeia produtiva, desde a mineração até a fabricação final. Este estudo tem como objetivo avaliar o ciclo de vida (ACV) dos ímãs de Nd-Fe-B, considerando a realidade brasileira. A metodologia seguiu as diretrizes das normas ISO 14040 e ISO 14044, que estabelecem princípios, requisitos e diretrizes para a ACV. A modelagem foi feita no software Sankey e tratamento dos dados no software SimaPro 9.1, permitindo a quantificação detalhada dos impactos ambientais ao longo da cadeia produtiva dos ímãs de Nd-Fe-B. Além disso, foram utilizados dados do banco EcoInvent e fontes da literatura para aprimorar a representatividade dos processos analisados, garantindo uma abordagem metodológica robusta. Os resultados indicam que a fase da mineração apresenta alto impacto ambiental, devido ao elevado consumo de energia, água e emissões de particulados. A fase de roasting destacou-se como a mais impactante, contribuindo significativamente para a formação de material particulado fino e emissões de gases de efeito estufa. Na fase de produção dos óxidos, a lixiviação e a pré-separação foram as fases mais críticas, com alto consumo de água e uso intensivo de reagentes químicos, como ácido clorídrico, aumentando a eutrofização marinha e a radiação ionizante. Já na fase de fabricação dos ímãs, a usinagem foi identificada como a etapa mais impactante, contribuindo para o aquecimento global, depleção da camada de ozônio e elevado consumo de água. Diante dos impactos observados, este estudo reforça a necessidade de medidas de mitigação, incluindo a implementação de políticas públicas voltadas para a regulação ambiental da mineração de ETRs, incentivos à economia circular e adoção de tecnologias emergentes, como processos hidrometalúrgicos mais eficientes e técnicas avançadas de reciclagem de ímãs. Além disso, investimentos em fontes energéticas renováveis podem reduzir a pegada de carbono da produção desses materiais, incluindo a otimização do consumo de recursos, o reaproveitamento de materiais e o uso de fontes energéticas mais sustentáveis. Além disso, recomenda-se a exploração de tecnologias de reciclagem para reduzir a dependência da extração primária e minimizar os impactos ambientais associados à produção de ímãs de terras raras; Abstract: Rare earth elements (REE) are essential for various technological applications and play a strategic role in Brazilian industry, especially in the renewable energy, electronics and electric mobility sectors. The growing demand for these materials drives the need for a sustainable and efficient supply, considering their environmental and economic impacts. They are widely used in the manufacture of neodymium-ironboron (Nd-Fe-B) permanent magnets. However, the production of these magnets is associated with significant environmental impacts throughout its production chain, from mining to final manufacture. This study aims to evaluate the life cycle (LCA) of Nd-Fe- B magnets, considering the Brazilian reality. The methodology followed the guidelines of ISO 14040 and ISO 14044, which establish principles, requirements and guidelines for LCA. The modeling was carried out using Sankey software and the data was processed using SimaPro 9.1 software, enabling detailed quantification of the environmental impacts along the Nd-Fe-B magnet production chain. In addition, data from the EcoInvent database and literature sources were used to improve the representativeness of the processes analyzed, ensuring a robust methodological approach. The results indicate that the mining phase has a high environmental impact, due to the high consumption of energy, water and particulate emissions. The roasting phase stood out as the most impactful, contributing significantly to the formation of fine particulate matter and greenhouse gas emissions. In the oxide production phase, leaching and pre-separation were the most critical phases, with high water consumption and intensive use of chemical reagents such as hydrochloric acid, increasing marine eutrophication and ionizing radiation. In the magnet manufacturing phase, machining was identified as the most impactful stage, contributing to global warming, depletion of the ozone layer and high water consumption. In view of the impacts observed, this study reinforces the need for mitigation measures, including the implementation of public policies aimed at the environmental regulation REE mining, incentives for the circular economy and the adoption of emerging technologies, such as more efficient hydrometallurgical processes and advanced magnet recycling techniques. In addition, investments in renewable energy sources can reduce the carbon footprint of the production of these materials, including the optimization of resource consumption, the reuse of materials and the use of more sustainable energy sources. In addition, it is recommended that recycling technologies be explored to reduce dependence on primary extraction and minimize the environmental impacts associated with the production of rare earth magnets Orientadora: Profa. Dra. Leda Maria Saragiotto Colpini; Coorientador: Prof. Dr. Giancarlo Alfonso Lovón-Canchumani; Banca: Leda Maria Saragiotto Colpini (Presidente da Banca), Lilian Bechara Elabras Veiga, Marelo Guimarães Araújo, Giancarlo Alfonso Lovon, Canchumani; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Ambiental. Defesa : Palotina, 28/02/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101372 Recuperação de compostos fenólicos a partir do resíduo hidrodestilado de alecrim : extração e efeito antitumoral na linhagem de melanoma cutâneo A375 Resumo: Resíduo sólido de hidrodestilação do alecrim, um subproduto da indústria de óleos essenciais, representa uma importante fonte de bioativos fenólicos. No atual cenário em que o câncer permanece entre as principais causas de mortalidade global e que as terapias convencionais ainda apresentam eficácia limitada, a busca por estratégias complementares baseadas em fitoquímicos provenientes de plantas medicinais são intensificadas. Nesse contexto, este estudo investigou o potencial biológico de extratos etanólicos obtidos do resíduo de alecrim pós- hidrodestilação em células de melanoma cutâneo A375. A hidrodestilação apresentou rendimento aproximado de 2 mL/100 g em 30 minutos, e a comparação entre hidrodestilações de 30 minutos e 4 horas revelou que o perfil volátil permanece amplamente estável. A extração assistida por ultrassom, conduzida por meio de um planejamento fatorial 23, demonstrou elevada eficiência na recuperação de compostos fenólicos não voláteis, especialmente nas condições do ensaio 5, em que a temperatura e a concentração de etanol se destacaram como variáveis de maior influência. A análise fenólica mostrou compostos como ácido gálico, ácido p-cumárico e ácido rosmarínico, além da vanilina, que foi preservada devido ao tempo reduzido de tratamento térmico. O extrato apresentou ação pró-oxidante e expressiva atividade citotóxica frente à linhagem de melanoma A375, promovendo redução significativa na viabilidade celular e no potencial transmembranar das mitocôndrias. Efeitos significativos foram observados a partir da concentração de 0,05 mg/mL no ensaio de MTT e a partir da concentração 0,1 mg/mL com os ensaios de fluorescência com DAPI e TMRE. Além disso, os extratos provocaram morte celular em todo o meio de forma significativa no ensaio de migração celular a partir de 0,1 mg/mL, utilizando o ensaio de cicatrização de feridas. O extrato aumentou as espécies reativas de oxigênio (ROS) a partir da concentração de 0,2 mg/mL e diminuiu os níveis dos marcadores antioxidantes PSH e NPSH a partir de concentrações de 0,05 mg/mL, evidenciando o aumento do estresse oxidativo. Em conjunto, os resultados demonstram que o resíduo de alecrim constitui uma fonte promissora de compostos bioativos, reforçando seu potencial para aplicações terapêuticas e contribuindo tanto para a redução dos custos associados ao desenvolvimento de fitoquímicos na oncologia quanto para a valorização sustentável de resíduos; Abstract: Solid residue from rosemary hydrodistillation, a by-product of the essential oil industry, represent an important source of phenolic bioactive compounds. In the current scenario, in which cancer remains among the leading causes of global mortality and conventional therapies still show limited efficacy, the search for complementary strategies based on phytochemicals derived from medicinal plants has intensified. In this context, this study investigated the biological potential of ethanolic extracts obtained from post-hydrodistillation rosemary residues in A375 cutaneous melanoma cells. Hydrodistillation yielded approximately 2 mL/100 g in 30 minutes, and the comparison between 30-minute and 4-hour hydrodistillation processes revealed that the volatile profile remained largely stable. Ultrasound-assisted extraction, conducted using a 23 factorial design, demonstrated high efficiency in the recovery of non- volatile phenolic compounds, particularly under the conditions of assay 5, in which temperature and ethanol concentration stood out as the most influential variables. Phenolic analysis revealed compounds such as gallic acid, p-coumaric acid, and rosmarinic acid, as well as vanillin, which was preserved due to the reduced duration of thermal treatment. The extract exhibited pro- oxidant action and significant cytotoxic activity against the A375 melanoma cell line, promoting a marked reduction in cell viability and in the mitochondrial transmembrane potential. Significant effects were observed from the concentration of 0.05 mg/mL in the MTT assay and from 0.1 mg/mL in the fluorescence assays using DAPI and TMRE. In addition, the extracts induced apoptosis throughout the medium in the cell migration assay at concentrations starting from 0.1 mg/mL, using the wound-healing assay. The extract increased reactive oxygen species (ROS) observed from the concentration of 0.2 mg/mL and decreased the leveis of the antioxidant markers PSH and NPSH from concentrations of 0.05 mg/mL, indicating an increase in oxidative stress. Taken together, the results demonstrate that rosemary residue is a promising source of bioactive compounds, reinforcing its potential for therapeutic applications and contributing both to reducing the costs associated with the development of phytochemicals in oncology and to the sustainable valorization of residues Orientador: Prof. Dr. Joel Gustavo Teleken; Coorientadores: Prof. Dr. João Paulo Bender e Prof. Dr. Guilherme Martinez Mibielli; Banca: Joel Gustavo Teleken (Presidente da Banca), Sérgio Luiz Alves Júnior e Margarete Dulce Bagatini; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Ambiental. Defesa : Palotina, 19/02/2026; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia e Tecnologia Ambiental 2026-01-01T00:00:00Z