Optimization, high availability and redundancy in information communications and technology using networks and systems virtualization architectures

Mestrado em Engenharia Informática

The development and optimization of a modified single-drop microextraction method for organochlorine pesticides determination by gas chromatography-tandem mass spectrometry

We have developed a new method for single-drop microextraction (SDME) for the preconcentration of organochlorine pesticides (OCP) from complex matrices. It is based on the use of a silicone ring at the tip of the syringe. A 5 μL drop of n-hexane is applied to an aqueous extract containing the OCP and found to be adequate to preconcentrate the OCPs prior to analysis by GC in combination with tandem mass spectrometry. Fourteen OCP were determined using this technique in combination with programmable temperature vaporization. It is shown to have many advantages over traditional split/splitless injection. The effects of kind of organic solvent, exposure time, agitation and organic drop volume were optimized. Relative recoveries range from 59 to 117 %, with repeatabilities of <15 % (coefficient of variation) were achieved. The limits of detection range from 0.002 to 0.150 μg kg−1. The method was applied to the preconcentration of OCPs in fresh strawberry, strawberry jam, and soil.

Mass spectrometry parameters optimization for the 46 multiclass pesticides determination in strawberries with gas chromatography ion-trap tandem mass spectrometry

Multiclass analysis method was optimized in order to analyze pesticides traces by gas chromatography with ion-trap and tandem mass spectrometry (GC-MS/MS). The influence of some analytical parameters on pesticide signal response was explored. Five ion trap mass spectrometry (IT-MS) operating parameters, including isolation time (IT), excitation voltage (EV), excitation time (ET),maximum excitation energy or “q” value (q), and isolationmass window (IMW) were numerically tested in order to maximize the instrument analytical signal response. For this, multiple linear regression was used in data analysis to evaluate the influence of the five parameters on the analytical response in the ion trap mass spectrometer and to predict its response. The assessment of the five parameters based on the regression equations substantially increased the sensitivity of IT-MS/MS in the MS/MS mode. The results obtained show that for most of the pesticides, these parameters have a strong influence on both signal response and detection limit.Using the optimized method, a multiclass pesticide analysis was performed for 46 pesticides in a strawberry matrix. Levels higher than the limit established for strawberries by the European Union were found in some samples.

Gestão do risco em mercados de energia eléctrica recorrendo ao VaR por simulação de Monte Carlo

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia.

Indústria de curtumes: energia e desenvolvimento

Este trabalho, numa fase inicial, teve como pilar fundamental, a optimização energética de uma indústria de curtumes, mais concretamente da empresa Dias Ruivo. Pretendia-se avaliar todos os gastos de energia apresentados pela empresa, com o intuito de verificar se haveria possibilidade de diminuir a factura da electricidade e os custos associados, mantendo a qualidade dos produtos finais. Ainda se pretendia averiguar a viabilidade de reutilização de alguns desperdícios permitindo diminuir a quantidade de energia necessária para o aquecimento de algumas correntes de água. Por último, após os dados recolhidos, sugeriram-se medidas de melhoria, que possibilitariam que a empresa utilizasse os seus recursos de forma optimizada, não apresentando assim gastos desnecessários. Começando pela análise da factura de electricidade, verificou-se que nos anos de 2010 e 2011, a empresa apresentou um consumo de energia de 120 e 128 tep/ano, respectivamente. Determinaram-se igualmente os respectivos indicadores constatando-se que o valor médio para a intensidade carbónica foi de 900 e 1148 kg CO2/tep e para o consumo específico obteve-se 0,131 e 0,152 kgep/ft2, respectivamente. Numa segunda fase, tendo em conta a constante aposta da empresa na inovação de artigos em couro e o facto de estar envolvida num projecto mobilizador de ciência e tecnologia com esse fim, o trabalho incidiu no desenvolvimento de um produto inovador designado por floater que deve ser macio e mais leve que os produtos normais. Com base na aplicação de proteases apropriadas, desenvolveu-se um produto que, ainda na fase de ensaios de bancada e piloto, satisfaz no que respeita à macieza e leveza, sendo que se conseguiu um valor de 67 g/ft2 contra um valor de 75g/ft2 do padrão.

Avaliação de compostos halogenados em água e ar de piscinas

A procura de piscinas para a prática de atividades desportivas, recreativas e/ou terapêuticas tem sofrido um aumento gradual ao longo do tempo. No entanto, nas piscinas existem vários perigos associados à sua utilização. Relativamente aos perigos químicos, a utilização de desinfetantes à base de cloro, bromo ou compostos derivados vai, por um lado, inativar microrganismos patogénicos mas, por outro, dar origem a subprodutos ao reagir com compostos orgânicos presentes na água. Os trihalometanos são um exemplo de subprodutos que se podem formar e, entre os compostos principais, estão o clorofórmio (TCM), bromodiclorometano (BDCM), clorodibromometano (CDBM) e bromofórmio (TBM). Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia analítica para a determinação de trihalometanos em água e ar de piscinas e a sua aplicação a um conjunto de amostras. Para a análise dos compostos, foi utilizada a microextração em fase sólida no espaço de cabeça (HS-SPME) com posterior quantificação dos compostos por cromatografia gasosa com detetor de captura eletrónica (GC-ECD). Foi realizada uma otimização das condições de extração dos compostos em estudo em amostras de água, através da realização de dois planeamentos experimentais. As condições ótimas são assim obtidas para uma temperatura de extração de 45ºC, um tempo de extração de 25 min e um tempo de dessorção de 5 min. Foram analisadas amostras de águas de piscina cedidas pelo Centro de Estudos de Águas, sendo avaliada a aplicação da técnica HS-SPME e o efeito de matriz. O modo como se manuseiam as soluções que contêm os compostos em estudo influencia os resultados devido ao facto destes serem bastante voláteis. Concluiu-se também que existe efeito de matriz, logo a concentração das amostras deverá ser determinada através do método de adição de padrão. A caraterização da água de piscinas interiores permitiu conhecer a concentração de trihalometanos (THMs). Foram obtidas concentrações de TCM entre 4,5 e 406,5 μg/L sendo que apenas 4 das 27 amostras analisadas ultrapassam o valor limite imposto pelo Decreto-Lei nº306/2007 (100 μg/L) no que diz respeito a águas de consumo humano e que é normalmente utilizado como valor indicativo para a qualidade das águas de piscina. Relativamente à concentração obtida no ar de uma piscina interior, foi detetada uma concentração média de 224 μg/m3 de TCM, valor muito abaixo dos 10000 μg/m3 impostos pelo Decreto-lei nº24/2012, como valor limite para exposição profissional a agentes químicos.

Caracterização da matéria orgânica natural em águas para consumo humano

O tratamento de água para consumo humano tem por objectivos não só a sua qualidade em termos de parâmetros químicos e físicos, como também microbiológicos. Considerando que a MON pode afectar os sistemas de tratamento, a sua redução minimiza a formação de subprodutos de desinfecção, como por exemplo os trihalometanos e diminui o crescimento de microrganismos ao longo do sistema de distribuição. Nesse sentido tem havido recentemente uma grande evolução na investigação relativamente à remoção de matéria orgânica natural. O principal objectivo deste trabalho foi o de caracterizar a matéria orgânica presente na água bruta e ao longo do processo de tratamento, assim como a sua evolução sazonal. Os dados obtidos a partir desta caracterização poderão contribuir para uma futura optimização no processo de tratamento de águas de consumo. O processo utilizado baseou-se na sorção da matéria orgânica dissolvida em diferentes tipos de resinas de permuta iónica, DAX-8, DAX-4 e IRA-958, permitindo a sua separação em várias fracções: ácidos muito hidrofóbicos (VHA), ácidos ligeiramente hidrofóbicos (SHA), compostos hidrofílicos carregados (CHA) e hidrofílicos neutros (NEU). De acordo com os resultados obtidos apenas a fracção NEU demonstrou ter uma tendência sazonal, apresentando valores máximos no Verão, nos pontos de amostragem referentes à água bruta superficial (PA802) e água bruta superficial após pré-tratamento por filtração (PA800). Os valores de COD não mostraram uma variação sazonal para as amostras de água bruta superficial que rondaram os 2 mg C/L ao longo do período de amostragem (Julho a Outubro), durante o qual se verificou uma baixa pluviosidade e temperaturas médias muito semelhantes. Os compostos NEU predominam em todos os pontos de amostragem não apresentando uma tendência definida ao longo do tratamento. Observou-se uma diminuição das fracções SHA e CHA ao longo do tratamento. Não se pode indicar uma tendência definida relativamente à fracção VHA. Verifica-se globalmente uma diminuição do teor de MON ao longo do tratamento. Este trabalho demonstrou que na água bruta superficial existe uma predominância dos compostos NEU, seguidos dos SHA, dos VHA e finalmente dos compostos CHA. Na água bruta captada no sub-leito do rio, verifica-se apenas a existência dos compostos NEU, sendo as restantes fracções praticamente nulas. Os valores mais elevados de TSUVA254nm foram obtidos para as amostras que não sofreram qualquer tratamento, água bruta do sub-leito (PA903) e superficial (PA802), e água bruta após pré-filtração (PA800). Nos restantes pontos de amostragem, apesar de se verificarem valores inferiores, não se observa uma diminuição deste parâmetro ao longo do tratamento, nem uma variação sazonal. Os valores de TSUVA254nm obtidos são geralmente inferiores a 3 L.mgC-1.m-1, correspondendo a materiais não húmicos, que são considerados biodegradáveis. Para as amostras de água tratada os valores oscilam entre os 1,23 e 1,58 L.mgC-1.m-1, valores inferiores a 2 L.mgC-1.m-1, o que é considerado um valor de referência ao nível do tratamento, segundo a USEPA.

Resolução do problema do escalonamento da produção de energia eléctrica usando programação lógica por restrições

A operação dos Mercados de Energia Eléctrica passa, actualmente, por uma profunda reestruturação, com o principal foco nas transacções do sistema de transmissão entre os diferentes agentes. Tendo isso em conta, o serviço de transmissão neste novo esquema de funcionamento do Mercado de Energia Eléctrica deve ser provido de máxima eficiência económica, atendendo sempre às restrições de segurança do sistema. Com esta reorganização do sector eléctrico da última década surgiu também a necessidade de rever os modelos tradicionais de optimização económica do Sistema Eléctrico de Energia, como por exemplo o despacho e prédespacho (unit commitment). A reestruturação e liberalização dos mercados de energia eléctrica trouxeram novas restrições a alguns dos problemas tradicionais associados aos Sistemas Eléctricos de Energia. Um desses problemas é o Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica, que no contexto actual, implica quase sempre negociação entre os diferentes agentes do mercado e consequentemente reescalonamento. A maioria dos métodos usados para a resolução do problema não permitem reformular o prédespacho, algo para que a Programação Lógica por Restrições é extremamente adequada. O trabalho desenvolvido nesta dissertação visa criar uma aplicação computacional com base na Programação Lógica por Restrições, através da plataforma ECLiPSe, para resolver o problema do Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica dos grupos térmicos, demonstrando assim a versatilidade e flexibilidade deste tipo de programação aplicada a problema combinatoriais deste género.

A industria da cortiça e o seu potencial de inovação

Este trabalho teve como objectivo a avaliação da actual situação da indústria corticeira, o levantamento de eventuais possibilidades de inovação e o estudo de um caso promissor. Como caso promissor, decidiu-se estudar o efeito da pirólise nos resíduos de cortiça. A análise da situação actual da indústria corticeira aponta para a procura de novos produtos no sentido de alargar o mercado e promover um melhor escoamento deste recurso natural. Apesar de todos os esforços efectuados até ao momento, verifica-se que a indústria vinícola continua a ser o principal mercado da cortiça. O avanço da tecnologia tem permitido o desenvolvimento de novos produtos, alguns ainda em fase de desenvolvimento, e aponta para um potencial de inovação a vários níveis: ao nível do processo de transformação, no sentido da sua optimização; ao nível do desenvolvimento de novos produtos dado o potencial já demonstrado pela cortiça em desenvolvimentos recentes; ao nível da valorização de resíduos como, por exemplo, a consolidação de processo de recuperação de taninos da água de cozedura, a obtenção de suberina e poliois do pó e aparas de cortiça e a pirólise das aparas e pó de cortiça. Como estudo de caso, efectuou-se o estudo do efeito da pirólise em resíduos de cortiça natural, para se poder conhecer as características dos produtos obtidos bem como as condições óptimas de operação. Neste fase inicial e optou-se por se analisar as propriedades parte sólida de modo a saber as alterações sofridas durante a pirólise e estas podem apresentar uma mais-valia para o mercado corticeiro. Para efectuar o respectivo trabalho, recorreu-se a um forno pirolítico horizontal tipo Splitz e utilizou-se cortiça natural com granulometria entre 2,88 e 4,00mm. A pirólise foi realizada entre a gama de temperaturas de 400 e 900ºC e para duas rampas de aquecimento de 5ºC/min e 10ºC/min. O estudo experimental revela que na gama de temperaturas entre os 600 e 800ºC é onde a carbonização do resíduo está completa, sendo para essa mesma gama de temperaturas que se verifica, no resíduo carbonoso, um maior teor de carbono. Relativamente às rampas de aquecimento estas não apresentam efeitos significativos nas massas e teores de carbono no resíduo carbonoso final. Verificouse também, que o teor de hidrogénio diminui com o aumento da temperatura. Conclui-se que a pirólise consegue degradar os resíduos de cortiça levando à libertação de compostos que poderão ser uma mais-valia.

A literature review on the optimization of legged robots

Over the last two decades the research and development of legged locomotion robots has grown steadily. Legged systems present major advantages when compared with ‘traditional’ vehicles, because they allow locomotion in inaccessible terrain to vehicles with wheels and tracks. However, the robustness of legged robots, and especially their energy consumption, among other aspects, still lag behind mechanisms that use wheels and tracks. Therefore, in the present state of development, there are several aspects that need to be improved and optimized. Keeping these ideas in mind, this paper presents the review of the literature of different methods adopted for the optimization of the structure and locomotion gaits of walking robots. Among the distinct possible strategies often used for these tasks are referred approaches such as the mimicking of biological animals, the use of evolutionary schemes to find the optimal parameters and structures, the adoption of sound mechanical design rules, and the optimization of power-based indexes.

Optimization of Cu(II) biosorption onto ascophyllum nodosum by factorial design methodology

A Box–Behnken factorial design coupled with surface response methodology was used to evaluate the effects of temperature, pH and initial concentration in the Cu(II) sorption process onto the marine macroalgae Ascophyllum nodosum. The effect of the operating variables on metal uptake capacitywas studied in a batch system and a mathematical model showing the influence of each variable and their interactions was obtained. Study ranges were 10–40ºC for temperature, 3.0–5.0 for pH and 50–150mgL−1 for initial Cu(II) concentration. Within these ranges, the biosorption capacity is slightly dependent on temperature but markedly increases with pH and initial concentration of Cu(II). The uptake capacities predicted by the model are in good agreement with the experimental values. Maximum biosorption capacity of Cu(II) by A. nodosum is 70mgg−1 and corresponds to the following values of those variables: temperature = 40ºC, pH= 5.0 and initial Cu(II) concentration = 150mgL−1.

Multi-criteria design optimization study of solvent extraction in mixer–settler units

Solvent extraction is considered as a multi-criteria optimization problem, since several chemical species with similar extraction kinetic properties are frequently present in the aqueous phase and the selective extraction is not practicable. This optimization, applied to mixer–settler units, considers the best parameters and operating conditions, as well as the best structure or process flow-sheet. Global process optimization is performed for a specific flow-sheet and a comparison of Pareto curves for different flow-sheets is made. The positive weight sum approach linked to the sequential quadratic programming method is used to obtain the Pareto set. In all investigated structures, recovery increases with hold-up, residence time and agitation speed, while the purity has an opposite behaviour. For the same treatment capacity, counter-current arrangements are shown to promote recovery without significant impairment in purity. Recycling the aqueous phase is shown to be irrelevant, but organic recycling with as many stages as economically feasible clearly improves the design criteria and reduces the most efficient organic flow-rate.

Economic, environmental and mixed objective functions in non-linear process optimization using simulated annealing and tabu search

Screening of topologies developed by hierarchical heuristic procedures can be carried out by comparing their optimal performance. In this work we will be exploiting mono-objective process optimization using two algorithms, simulated annealing and tabu search, and four different objective functions: two of the net present value type, one of them including environmental costs and two of the global potential impact type. The hydrodealkylation of toluene to produce benzene was used as case study, considering five topologies with different complexities mainly obtained by including or not liquid recycling and heat integration. The performance of the algorithms together with the objective functions was observed, analyzed and discussed from various perspectives: average deviation of results for each algorithm, capacity for producing high purity product, screening of topologies, objective functions robustness in screening of topologies, trade-offs between economic and environmental type objective functions and variability of optimum solutions.

Entropy diversity in multi-objective particle swarm optimization

Multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) is a search algorithm based on social behavior. Most of the existing multi-objective particle swarm optimization schemes are based on Pareto optimality and aim to obtain a representative non-dominated Pareto front for a given problem. Several approaches have been proposed to study the convergence and performance of the algorithm, particularly by accessing the final results. In the present paper, a different approach is proposed, by using Shannon entropy to analyzethe MOPSO dynamics along the algorithm execution. The results indicate that Shannon entropy can be used as an indicator of diversity and convergence for MOPSO problems.

Optimization of a microplate-based assay to assess esterase activity in the alga Pseudokirchneriella subcapitata

The present work describes the optimization of a short-term assay, based on the inhibition of the esterase activity of the alga Pseudokirchneriella subcapitata, in a microplate format. The optimization of the staining procedure showed that the incubation of the algal cells with 20 μmolL−1 fluorescein diacetate (FDA) for 40 min allowed discrimination between metabolic active and inactive cells. The shortterm assay was tested using Cu as toxicant. For this purpose, algal cells, in the exponential or stationary phase of growth, were exposed to the heavy metal in growing conditions. After 3 or 6 h, cells were subsequently stained with FDA, using the optimized procedure. For Cu, the 3- and 6-h EC50 values, based on the inhibition of the esterase activity of algal cells in the exponential phase of growth, were 209 and 130 μg L−1, respectively. P. subcapitata cells, in the stationary phase of growth, displayed higher effective concentration values than those observed in the exponential phase. The 3- and 6-h EC50 values for Cu, for cells in the stationary phase, were 443 and 268 μgL−1, respectively. This short-term microplate assay showed to be a rapid endpoint for testing toxicity using the alga P. subcapitata. The small volume required, the simplicity of the assay (no washing steps), and the automatic reading of the fluorescence make the assay particularly well suited for the evaluation of the toxicity of a high number of environmental samples.