A busca por processos mais eficientes, sustentáveis e economicamente viáveis é uma prioridade global. Dentro desse contexto, minhas linhas de pesquisa se integram e se complementam, criando uma abordagem holística para enfrentar desafios industriais e biotecnológicos contemporâneos.

A Engenharia de Sistemas em Processos nos oferece ferramentas essenciais para a avaliação técnica, econômica, ambiental e de segurança de processos. Ao otimizar o uso de recursos e minimizar o impacto ambiental, trabalhamos para melhorar a eficiência de sistemas complexos e avançar em direção ao desenvolvimento sustentável.

Em paralelo, a Engenharia Metabólica in Silico nos permite explorar e otimizar processos biológicos, utilizando simulações computacionais para modelar redes metabólicas e prever o comportamento de sistemas biológicos. Esta linha foca na produção de compostos de interesse industrial, ampliando as oportunidades de inovação na biotecnologia por meio da manipulação genética controlada.

Por fim, a Modelagem Molecular Aplicada à Engenharia de Processos e Sistemas nos possibilita um entendimento profundo das interações moleculares, permitindo prever e ajustar propriedades termodinâmicas e comportamentos de sistemas reais. Essa compreensão detalhada é fundamental para otimizar processos tanto na escala molecular quanto industrial.

Essas três frentes de pesquisa convergem para proporcionar uma visão integrada e inovadora dos processos industriais e biotecnológicos, sempre com foco em sustentabilidade, eficiência e avanços tecnológicos. Juntas, elas nos permitem abordar problemas complexos com soluções sistêmicas que não só resolvem desafios atuais, mas também preparam o caminho para um futuro mais sustentável.

Os projetos desenvolvidos integram diretamente minhas áreas de pesquisa, que abrangem Engenharia de Sistemas em Processos, Engenharia Metabólica in Silico, e Modelagem Molecular Aplicada. Cada projeto reflete meu compromisso em buscar soluções inovadoras e sustentáveis para desafios industriais e biotecnológicos. Ao trabalhar em conjunto com alunos e colaboradores, aplicamos abordagens teóricas e práticas para criar avanços significativos, sempre com foco na otimização de processos, sustentabilidade e eficiência. 

• INCT – Circularidade em Materiais Poliméricos 

  • Projeto do Programa Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia que possui como objetivo se consolidar, como uma rede de pesquisadores, que desenvolve tecnologias, promove discussões, conscientização, formação e apoio à consolidação da lógica circular do consumo de plástico. Desde o projeto, a síntese e o processamento até o uso/reuso e a destinação de materiais poliméricos, considerando suas mais variadas demandas tecnológicas e aplicações. 

• Projeto Produção de hidrogênio verde para energia limpa e insumos sustentáveis - Chamada CNPq/MCTI/FNDCT Nº 24/2022 - Apoio ao Sistema Brasileiro de Laboratórios de Hidrogênio - SisH2-MCTI

  • O objetivo desta proposta é consolidar a atuação de grupos, majoritariamente da Universidade Federal de São Carlos, que vem trabalhando em tecnologias verdes de produção de hidrogênio (H2) em um único laboratório de referência, convergindo de forma coordenada e cooperativa. Propõe-se estruturar um Laboratório com três áreas interligadas: 1) Estudar as diferentes abordagens da eletrólise da água, desde aspectos fundamentais (morfologia de bolhas e variações do pH na interface eletrodo solução), o desenvolvimento de novos eletrodos de baixo custo, fácil produção e escalonáveis, como ligas, fosfetos e óxidos metálicos incluindo materiais semicondutores fotoativos, visando reduzir o potencial de operação e aumentar a estabilidade química em longos períodos de operação. Além disso, propomos a construção de sistemas piloto, utilizando a energia fotovoltaica como fonte de elétrons, no qual as características de geração de energia elétrica (e.g. intermitência, etc) serão integradas aos sistemas, buscando a máxima eficiência de produção de H2. 2) Pretende-se investigar o processo de reforma catalítica de fontes renováveis, como o etanol e o biogás, que demandam novos catalisadores mais tolerantes aos principais venenos catalíticos (e.g., H2S), otimizados para a quebra das ligações C-C,resistentes ao acúmulo de carbono e termicamente estáveis. Além disso, propomos o uso de reatores compartimentados, com adequada capacidade de troca de calor, para melhor eficiência e compactação do reator. A separação adequada do CO2 nestes processos, etapa essencial, será abordada através do dimensionamento de sistemas de separação de CO2 em alta temperatura, evitando perdas térmicas. 3) Por fim, o uso de H2 na hidrogenação de moléculas orgânicas renováveis, produção de amônia e hidrogenação de CO2 a metanol, incluindo catalisadores e reatores, serão estudados, implementando assim uma sequência de produção até o consumo de H2 em ciclo, plenamente integrado e sustentável.

• Projeto Universal CNPq 2023 - Aproveitamento de Resíduos Sólidos Urbanos Orgânicos para Produção de Biogás e Integração com Energia Fotovoltaica. 

  • A transição energética para uma economia circular vem se tornando essencial para alcançar as metas climáticas estabelecidas nos acordos internacionais (COP 27 - 2022), permitindo que os países reduzam sua pegada de carbono, melhorem a eficiência dos recursos e promovam a sustentabilidade em todos os setores. As Instituições de Ensino Superior (IES) desempenham um papel significativo nesse contexto, impulsionando a busca por projetos científicos que contribuam efetivamente para a implementação das metas do Acordo de Paris e transição energética por meio de uma economia circular. O projeto tem como objetivo enfrentar o desafio do crescente volume de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) gerados pelas IES, buscando promover a transição energética na Universidade Federal de São Carlos, a partir do uso combinado de biogás e energia fotovoltaica, adotando princípios da economia circular. A fração orgânica destes resíduos são uma importante fonte de biomassa global, porém sua complexidade requer técnicas de pré-tratamento, para aumentar a eficiência do processo de produção de biogás. Com isso, o projeto propõe estratégia integrada de pré- tratamento e valorização dos RSU para a produção de biogás através da biodigestão anaeróbia. Na segunda etapa, serão realizadas análises técnicas, econômicas e ambientais para avaliar a viabilidade e sustentabilidade do sistema proposto, que busca utilizar energia fotovoltaica e energia gerada pela queima do biogás produzido. Espera-se que este projeto sirva como modelo para outras IES interessadas em adotar práticas sustentáveis na gestão de RSU e promover uma mudança positiva na sociedade, adotando uma transição energética alinhada aos princípios da economia circular.

• Projeto FINEP 01.23.0645.00 - Termo, Foto, Eletro: Diferentes estratégias para a conversão de gás de síntese em hidrocarbonetos líquidos 

  • O objetivo é desenvolver uma rota catalítica (catálise e fotocatálise) em fase gasosa ou líquida para se obter combustíveis líquidos, especialmente hidrocarbonetos e álcoois de cadeia pequena, a partir do gás de síntese. Esses processos serão avaliados sobre materiais híbridos à base de metais e zeólitas, nanopartículas de heteroestruturas de metais nobre/não nobre, nitretos de carbono e semicondutores. Para os materiais estudados, o objetivo é desenvolver catalisadores de fácil preparação, estáveis e baratos que serão empregados para redução de CO e CO2 para obtenção de combustíveis líquidos do tipo hidrocarbonetos e álcoois, ou seja, diferentes produtos de alto valor agregado. No caso das zeólitas estas serão empregadas na conversão direta de gás de síntese em hidrocarbonetos líquidos. Também o projeto está focado em desenvolver um sistema catalítico sinérgico para redução de CO2 em metanol sob condições brandas (baixa pressão e temperatura) empregando H2 como redutor.

• Projeto FINEP  01.23.0662.00 - Desenvolvimento de Rotas Não Convencionais de Ativação do Metano 

  • Essa proposta tem por objetivo desenvolver rotas não convencionais de transformação do gás natural. Para isso, duas estratégias serão adotadas: 1. Bireforma do metano utilizando CO₂, empregando-se catalisadores baseados em Ni; 2. Desenvolvimento de uma rota de ativação fotocatalítica do metano em condições brandas, empregando-se materiais semicondutores e complexos organometálicos como fotocatalisadores. Dentro da estratégia 1, o principal foco será desenvolver um catalisador mais eficiente que possa operar com CO₂ e baixa concentração de água. Dentro da estratégia de ativação do metano por via fotocatalítica, pretende-se aplicar materiais semicondutores e complexos organometálicos para gerar radicais e, consequentemente, promover a ativação do metano. No entanto, é essencial controlar a taxa de formação desses radicais, sua natureza e tempo de vida, a fim de controlar a seletividade dos produtos, evitando, por exemplo, a superoxidação em CO₂. Um dos principais objetivos dessa linha é conseguir promover a ativação do metano em condições brandas, evitando o uso de elevadas temperaturas e pressões. Qualquer uma das tecnologias, se bem-sucedida, será absolutamente disruptiva para a área.

• Projeto Temático Fapesp - Novel chemical catalytic and photocatalytic processes for the direct conversion of methane and CO2 to products

  • In 20 years we are expected to reach the Natural Gas Golden Age, when methane will play a leading role as primary industrial feedstock. Hence, this proposal aims to develop fundamental and applied knowledge for the catalytic conversion of CH4 by oxidative routes, as well as the utilization of CO2 a greenhouse gas present in natural gas (and also by product of methane reforming). It is proposed a coordinated and integrated between groups acting in various research line (RL): the group of chemical catalysis (RL-1) and photocatalysis (RL-2) aiming to address the significant challenges in the CH4 partial oxidation to methanol. RL-1 involves design, preparation and characterization of Cu and Fe-based structured catalysts, construction of reactors, and catalytic tests. In RL-1, the promising catalysts will be described with DFT calculations for modeling of catalysts active sites and interaction of reactants. The RL-2 will develop photocatalysts based on TiO2, g-C3N4, ZnO, BiVO4, and BiWO3. The catalytic activity will be studies seeking the development of experimental setups to analyze the controlling ability of these oxidation reactions in laboratory and pilot scales. Alternatively, to methanol, in RL-3, methane will be used as a feedstock to the production of carbon-based materials, which will be modified aiming to achieve adequate properties for applications. As it regards to the CO2 utilization, RL-4 will be studying the methane bi-reforming of a mixture of CH4 and CO2 into syngas (CO + H2). The RL-5 will focus on the hydrogenation of CO2 into methanol. Techno-economic analysis and environmental assessment will also be applied in the studies of RL-1, RL-3 and RL-5.

• Projeto Universal CNPq 2021 - Desenvolvimento de uma plataforma sustentável para a produção de derivados do glutamato

  • Nas últimas décadas, muitos processos químicos foram substituídos com sucesso por processos biológicos. A transição de uma economia baseada em combustíveis fósseis para uma bioeconomia é um passo importante para reduzir as emissões globais de carbono e aumentar a sustentabilidade dos processos industriais. Além disso, as preocupações com segurança e saúde associadas à produção e uso de compostos sintéticos têm fomentado uma demanda crescente por produtos naturais ambientalmente sustentáveis. Uma parte crescente da bioeconomia é desempenhada pela produção de biocompostos a partir da biomassa. Entre os biocompostos que podem ser produzidos a partir de biomassa, aminoácidos, peptídeos não ribossomais e policetídeos despertam grande interesse devido ao seu uso potencial em uma ampla gama de produtos indústrias, incluindo produtos farmacêuticos, polímeros, aromas e fragrâncias e corantes naturais. No entanto, esses produtos não podem ser suficientemente produzidos e extraídos de fontes naturais, como plantas e microrganismos selvagens. Ferramentas de biologia sintética e engenharia metabólica desenvolvidas recentemente aumentaram muito nossa capacidade de construir linhagens com uma capacidade ampliada de produzir compostos naturais e não naturais. Neste projeto propomos a engenharia sistemática de linhagens microbianas para desenvolver uma plataforma de produção de derivados do L-glutamato. Para atingir esse objetivo, usaremos análise de balanço de fluxos metabólicos para prever os melhores alvos para engenharia e ferramentas moleculares modernas, como edição por CRISPR, tecnologia de RNAs sintéticos e controle dinâmico de expressão gênica. Para demonstrar o potencial da plataforma, a produção de glutamato será direcionada para a biossíntese de surfactina e indigoidina, compostos de alto interesse industrial.