A biocomposite of collagen nanofibers and nanohydroxyapatite for bone regeneration

This work aims to design a synthetic construct that mimics the natural bone extracellular matrix through innovative approaches based on simultaneous type I collagen electrospinning and nanophased hydroxyapatite (nanoHA) electrospraying using non-denaturating conditions and non-toxic reagents. The morphological results, assessed using scanning electron microscopy and atomic force microscopy (AFM), showed a mesh of collagen nanofibers embedded with crystals of HA with fiber diameters within the nanometer range (30 nm), thus significantly lower than those reported in the literature, over 200 nm. The mechanical properties, assessed by nanoindentation using AFM, exhibited elastic moduli between 0.3 and 2 GPa. Fourier transformed infrared spectrometry confirmed the collagenous integrity as well as the presence of nanoHA in the composite. The network architecture allows cell access to both collagen nanofibers and HA crystals as in the natural bone environment. The inclusion of nanoHA agglomerates by electrospraying in type I collagen nanofibers improved the adhesion and metabolic activity of MC3T3-E1 osteoblasts. This new nanostructured collagen–nanoHA composite holds great potential for healing bone defects or as a functional membrane for guided bone tissue regeneration and in treating bone diseases.

Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Produção de bioetanol a partir de um resíduo orgânico proveniente da central de compostagem da LIPOR

Mestrado em Engenharia Química

Controlo de águas do processo e optimização da produção de papel

Na Fábrica de Papel da Ponte Redonda fabricam-se sacos de papel multi-folhas e papel reciclado do tipo Kraft. Tendo em consideração a primeira actividade, é de grande interesse optimizar o processo de fabrico de papel com vista a incorporara a máxima taxa de papel produzido internamente nas diferentes camadas dos sacos de papel. Os papéis de maior interesse são os do tipo Fluting e Liners, tendo sido produzidos em 2010 um total de 4,9 mil toneladas, ou seja 90% de todo o papel fabricado em 2010, correspondendo a a 4 mil toneladas de papéis do tipo Liners e 0,9 mil toneladas para os papéis do tipo Fluting. Nos papéis do tipo Liners incluem-se os papéis do tipo Test-Liner e Kraft-Liner, representando em termos produtivos valores idênticos. No âmbito deste trabalho, em que se pretendeu controlar as águas do processo e optimizar a produção de papel, foram introduzidos uma unidade de flutuação e um sistema que permitisse regular a consistência da suspensão fibrosa à entrada da máquina do papel, e foram ainda estudadas as possibilidades de adição de produtos químicos para melhorar as características da pasta assim como um tratamento microbiológico mais eficaz para todo o processo. Para se avaliar se as medidas implementadas teriam um impacto positivo na qualidade desses dois tipos de papéis, desenvolveu-se o trabalho em duas fases: a primeira envolve a introdução de um sistema de flutuação e de um sistema de controlo de consistência da pasta, assim como a selecção de produtos químicos a adicionar ao processo. A segunda fase consistiu na avaliação do efeito destas medidas nas características do papel fabricado. Para o efeito foram escolhidos dois tipos de papel e de diferentes gramagens, nomeadamente Test-Liner de 80 g/m2 e Fluting de 110 g/m2. Introduziu-se um flutuador com o objectivo de tratar parte das águas do processo de fabrico com vista a serem reutilizadas em determinadas aplicações possíveis para a qualidade da água obtida (lavagens e água do processo), de modo a conseguir-se uma poupança de água, assim como aproveitar-se as lamas resultantes, ricas em fibra de celulose, para utilizá-las como matéria-prima. Foi introduzido um regulador de consistência no processo da Ponte Redonda com o objectivo de alimentar de uma forma constante a consistência da pasta à entrada da máquina do papel proporcionando uma melhor formação da folha, devido à ligação entre fibras, na direcção máquina e direcção transversal. Esse sistema inovador é um Regulador de Consistência que vem proporcionar à máquina do papel uma alimentação em fibra mais constante. O fabrico de papel apenas a partir de fibras de celulose não permitirá obter um papel com as características desejadas para a sua utilização. Para corrigir estas deficiências, são adicionados produtos químicos para atribuir ou melhorar as propriedades dos papéis. Desta forma considerou-se interessante introduzir no processo um agente de retenção numa fase posterior à preparação da pasta e antes da chegada à máquina de papel, de forma a melhorar as características da suspensão fibrosa. Assim foi implementado um sistema cuja eficácia foi avaliada. Concluiu-se que com a sua implementação a máquina de papel apresentou melhores resultados na drenagem e na turbidez da água removida, significando uma água com menor teor de matéria suspensa e dissolvida, devido à melhor agregação das fibras dispersas na suspensão fibrosa, levando a um aumento da drenagem e consequentemente melhor eficiência das prensas e secaria. Foi também elaborado um estudo para introdução de um sistema de tratamento microbiológico em todo o processo de fabrico de papel, devido à existência de microorganismos prejudiciais ao seu fabrico. Concluiu-se que a água clarificada proveniente do flutuador apresentou qualidade aceitável para os objectivos pretendidos. No entanto, considerando a eficiência de 26,5% na remoção de sólidos suspensos será necessário mais algum tempo de utilização da água clarificada, cerca de um ano, para avaliar se esta terá algum efeito prejudicial nos equipamentos. Verificou-se que devido à existência de microrganismos em todo o processo de fabrico de papel será necessário efectuar lavagens aos tinões, tanques e circuitos com alguma regularidade, aproveitando-se as paragens do processo assim como implementar um sistema de tratamento microbiológico mais eficaz. Em resultado das medidas implementadas concluiu-se que os papéis produzidos apresentaram melhorias, tendo-se obtido melhores resultados em todos os ensaios de resistência. No papel do tipo Test-Liner destacam-se os bons resultados nos ensaios de superfície, Cobb60 e rebentamento. No caso do parâmetro do Cobb60, foi um resultado surpreendente visto que por norma este tipo de papéis reciclados não suportam este ensaio. Concluiu-se também que as medidas implementadas proporcionaram uma melhor agregação e ligação entre fibras, e melhor formação da folha na máquina do papel proporcionando aos papéis propriedades físico-mecânicas mais interessantes.

Copper, nickel and zinc removal by peanut hulls: batch and column studies in mono, tri-component systems and with real effluent

The main goal of this research study was the removal of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) from aqueous solutions using peanut hulls. This work was mainly focused on the following aspects: chemical characterization of the biosorbent, kinetic studies, study of the pH influence in mono-component systems, equilibrium isotherms and column studies, both in mono and tri-component systems, and with a real industrial effluent from the electroplating industry. The chemical characterization of peanut hulls showed a high cellulose (44.8%) and lignin (36.1%) content, which favours biosorption of metal cations. The kinetic studies performed indicate that most of the sorption occurs in the first 30 min for all systems. In general, a pseudo-second order kinetics was followed, both in mono and tri-component systems. The equilibrium isotherms were better described by Freundlich model in all systems. Peanut hulls showed higher affinity for copper than for nickel and zinc when they are both present. The pH value between 5 and 6 was the most favourable for all systems. The sorbent capacity in column was 0.028 and 0.025 mmol g-1 for copper, respectively in mono and tri-component systems. A decrease of capacity for copper (50%) was observed when dealing with the real effluent. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit.

Nanohybrid materials as transducer surfaces for electrochemical sensing applications

A nanohybrid electrochemical transducer surface was developed using carbon and gold nanomaterials. The strategy relayed on casting multiwalled carbon nanotubes or carbon nanofibers onto a screen-printed carbon electrode surface, followed by in situ generation of gold nanoparticles by electrochemical deposition of ionic gold, in a reproducible manner. These transducers, so fabricated, were characterized using both electrochemical and microscopic techniques. Biofunctionality was evaluated using the streptavidin-biotin interaction system as the biological reaction model. These platforms allow to achieve low detection limits (in the order of pmoles), are reproducible and stable at least for a month after their preparation, being a perfect candidate to be used as transducer of different sensor devices.

Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Development of paper-based color test-strip for drug detection in aquatic environment: Application to oxytetracycline

The wide use of antibiotics in aquaculture has led to the emergence of resistant microbial species. It should be avoided/minimized by controlling the amount of drug employed in fish farming. For this purpose, the present work proposes test-strip papers aiming at the detection/semi-quantitative determination of organic drugs by visual comparison of color changes, in a similar analytical procedure to that of pH monitoring by universal pH paper. This is done by establishing suitable chemical changes upon cellulose, attributing the paper the ability to react with the organic drug and to produce a color change. Quantitative data is also enabled by taking a picture and applying a suitable mathematical treatment to the color coordinates given by the HSL system used by windows. As proof of concept, this approach was applied to oxytetracycline (OXY), one of the antibiotics frequently used in aquaculture. A bottom-up modification of paper was established, starting by the reaction of the glucose moieties on the paper with 3-triethoxysilylpropylamine (APTES). The so-formed amine layer allowed binding to a metal ion by coordination chemistry, while the metal ion reacted after with the drug to produce a colored compound. The most suitable metals to carry out such modification were selected by bulk studies, and the several stages of the paper modification were optimized to produce an intense color change against the concentration of the drug. The paper strips were applied to the analysis of spiked environmental water, allowing a quantitative determination for OXY concentrations as low as 30 ng/mL. In general, this work provided a simple, method to screen and discriminate tetracycline drugs, in aquaculture, being a promising tool for local, quick and cheap monitoring of drugs.

New modified electrochemical conductive paper support for BSA detection

Chemical sensors and biosensors are widely used to detect various kinds of protein target biomolecules. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) have raised great interest in this area, because these act as antibody-like recognition materials, with high affinity to the template molecule. Compared to natural antibodies, these are also of lower cost and higher stability. There are different types of supports used to carry MIP materials, mostly of these made of gold, favourably assembled on a Screen Printed Electrode (SPE) strategy. For this work a new kind of support for the sensing layer was developed: conductive paper. This support was made by modifying first cellulose paper with paraffin wax (to make it waterproof), and casting a carbon-ink on it afterwards, to turn it conductive. The SPAM approach previously reported in1 was employed herein to assemble to MIP sensing material on the conductive paper. The selected charged monomers were (vinylbenzyl) trimethlammonium chloride (positive charge) or vinylbenzoic acid (negative charge), used to generate binding positions with single-type charge (positive or negative). The non-specific binding area of the MIP layer was assembled by chronoamperometry-assisted polymerization (at 1 V, for 60, 120 or 180 seconds) of vinylbenzoate, cross-linked with ethylene glycol vinyl ether. The BSA biomolecules lying within the polymeric matrix were removed by Proteinase K action. All preparation stages of the MIP assembly were followed by FTIR, Raman spectroscopy and, electrochemical analysis. In general, the best results were obtained for longer polymerization times and positively charged binding sites (which was consistent with a negatively-charged protein under physiological pH, as BSA). Linear responses against BSA concentration ranged from 0.005 to 100 mg/mL, in PBS buffer standard solutions. The sensor was further calibrated in standard solutions that were prepared in synthetic or real urine, and the analytical response became more sensitive and stable. Compared to the literature, the detection capability of the developed device is better than most of the reported electrodes. Overall, the simplicity, low cost and good analytical performance of the BSA SPE device, prepared with positively charged binding positions, seems a suitable approach for practical application in clinical context. Further studies with real samples are required, as well as gathering with electronic-supporting devices to allow on-site readings.

A new biomimetic sensor for detecting carnitine, a potential biomarker in ovarian cancer

1st ASPIC International Congress

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.