Production of lipase by extractive fermentation with ionic liquids

Novos processos fermentativos, designados por processos de Fermentação Extractiva, são caracterizados por apresentarem etapas de produção e extracção em simultâneo. A extracção líquido-líquido como técnica de separação é amplamente usado na indústria química pela sua simplicidade, baixo custo e facilidade de extrapolação de escala. No entanto o uso de solventes orgânicos nestes processos potencia os riscos ocupacionais e ambientais. Neste contexto, o uso de sistemas de duas fases aquosas baseados em líquidos iónicos, apresenta-se como uma técnica eficaz para a separação e purificação de produtos biológicos. Este trabalho apresenta um estudo integrado sobre o uso de líquidos iónicos não aromáticos foram determinados. A capacidade para a formação de sistemas de duas fases foi estudada para uma vasta gama de líquidos iónicos hidrofílicos com diferentes aniões, catiões e cadeias alqúilicas. A capacidade de separação e purificação de um largo conjunto de líquidos iónicos foi posteriormente investigada, recorrendo-se ao uso de várias biomoléculas modelo de diferentes graus de complexidade, um amino-acido (L-triptofano) e duas enzimas lipolíticas (enzima produzida pela bactéria Bacillus sp. e Candida antarctica lipase B – CaLB). Esta última foi ainda usada para um estudo de biocompatibilidade, tendo sido determinado o efeito de diferentes LIs hidrofílicos na sua actividade enzimática. Este trabalho mostra um estudo ecotoxicológico duma vasta gama de líquidos iónicos e espécies aquáticas, inseridas em diversos níveis tróficos. A bioacumulação foi investigada através do estudo dos coeficientes de distribuição 1-octanol-água (Dow).

A tale of two bioprocesses

Bioprocesses use microorganisms or cells in order to produce and/or obtain some desired products. Nowadays these strategies appear as a fundamental alternative to the traditional chemical processes. Amongst the many advantages associated to their use in the chemical, oil or pharmaceutical industries, their low cost, easily scale-up and low environmental impact should be highlighted. This work reports two examples of bioprocesses as alternatives to traditional chemical processes used by the oil and pharmaceutical industries. In the first part of this work it was studied an example of a bioprocess based on the use of microorganisms in enhanced oil recovery. Currently, due to high costs of oil and its scarcity, the enhanced oil recovery techniques become very attractive. Between the available techniques the use of microbial enhanced oil recovery (MEOR) has been highlighted. This process is based on the stimulation of indigenous microorganisms or by the injection of microorganism consortia to produce specific metabolites and hence increase the amount of oil recovered. In the first chapters of this work the isolation of several microorganisms from samples of paraffinic Brazilian oils is described, and their tensioactive and biodegradability properties are presented. Furthermore, the chemical structures of the biosurfactants produced by those isolates were also characterized. In the final chapter of the first part, the capabilities of some isolated bacteria to enhance the oil recovery of paraffinic Brazilian oils entrapped in sand-pack columns were evaluated. In the second part of this work it was investigated aqueous two-phase systems or aqueous biphasic systems (ABS) as extractive strategies for antibiotics directly from the fermented broth in which they are produced. To this goal, several aqueous two-phase systems composed of ionic liquids (ILs) and polymers were studied for the first time and their phase diagrams were determined. The novel ATPS appear as effective and economic methods to extract different biomolecules or/and biological products. Thus, aiming the initial antibiotics extraction purpose it was studied the influence of a wide range of ILs and polymers in the aqueous two-phase formation ability, as well as their influence in the partitioning of several type-molecules, such as amino acids, alkaloids and dyes. As a final chapter it is presented the capacity of these novel systems to extract the antibiotic tetracycline directly from the fermented broth of Streptomyces aureofaciens.

Monte Carlo studies of phase transitions and adsorption : application to n-6 Lennard-Jones, C60 and zeolite systems

The solid-fluid transition properties of the n - 6 Lennard-Jones system are studied by means of extensive free energy calculations. Different values of the parameter n which regulates the steepness of the short-range repulsive interaction are investigated. Furthermore, the free energies of the n < 12 systems are calculated using the n = 12 system as a reference. The method relies on a generalization of the multiple histogram method that combines independent canonical ensemble simulations performed with different Hamiltonians and computes the free energy difference between them. The phase behavior of the fullerene C60 solid is studied by performing NPT simulations using atomistic models which treat each carbon in the molecule as a separate interaction site with additional bond charges. In particular, the transition from an orientationally frozen phase at low temperatures to one where the molecules are freely rotating at higher temperatures is studied as a function of applied pressure. The adsorption of molecular hydrogen in the zeolite NaA is investigated by means of grand-canonical Monte Carlo, in a wide range of temperatures and imposed gas pressures, and results are compared with available experimental data. A potential model is used that comprises three main interactions: van der Waals, Coulomb and induced polarization by the permanent electric field in the zeolite.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Phase equilibria modeling for biofuels production

Em consequência de uma série de problemas ambientais, económicos e políticos relacionados com o uso de combustíveis convencionais, vários países estão agora a focar as suas atenções em combustíveis alternativos. O biodiesel está na linha da frente das alternativas ao petróleo no sector dos transportes, sendo considerado uma opção a curto prazo visto que o seu preço é competitivo e não são necessárias mudanças nos motores para implementar o seu uso. De entres os possíveis processos de produzir biodiesel, a reacção de transesterificação com catálise básica é o método preferido. Depois da reacção são sempre necessários processos de purificação de modo ao biodiesel produzido cumprir os standards definidos para os combustíveis alternativos, reduzindo problemas de motor e consequentemente aumentando a sua aceitação por parte dos consumidores. De entre as especificações encontram-se o conteúdo em água, em álcool e em glicerol. Ser-se capaz de descrever correctamente o equilíbrio de fases de sistemas que são de interesse para os processos de purificação de biodieseis numa gama alargada de condições termodinâmicas é uma condição necessária para uma correcta simulação do processo industrial, de modo a se atingir uma elevada produtividade a baixos custos de operação. O uso de moléculas oxigenadas como combustíveis representa uma alteração significativa em termos da termodinâmica de soluções. Para combustíveis baseados em petróleo as equações de estado cúbicas e os modelos clássicos de coeficientes de actividade mostraram ser apropriados, no entanto para combustíveis novos como o biodiesel, sendo mais complexos do ponto de vista das interacções intermoleculares com formação de dipolos e pontes de hidrogénio, são necessários modelos termodinâmicos mais complexos para descrever essas interacções. Neste trabalho a CPA EoS (Cubic-Plus-Association Equation of State) será desenvolvida de modo a permitir uma descrição adequada dos equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido para uma serie de sistemas binários e multicomponentes contendo água, ácidos gordos, ésteres de ácidos gordos, glicerol e álcoois.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.

Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.