Dermic diffusion and stratum corneum: a state of the art review of mathematical models

Transdermal biotechnologies are an ever increasing field of interest, due to the medical and pharmaceutical applications that they underlie. There are several mathematical models at use that permit a more inclusive vision of pure experimental data and even allow practical extrapolation for new dermal diffusion methodologies. However, they grasp a complex variety of theories and assumptions that allocate their use for specific situations. Models based on Fick's First Law found better use in contexts where scaled particle theory Models would be extensive in time-span but the reciprocal is also true, as context of transdermal diffusion of particular active compounds changes. This article reviews extensively the various theoretical methodologies for studying dermic diffusion in the rate limiting dermic barrier, the stratum corneum, and systematizes its characteristics, their proper context of application, advantages and limitations, as well as future perspectives.

Mathematical model for HIV dynamics in HIV-specific helper cells

In this paper we study a delay mathematical model for the dynamics of HIV in HIV-specific CD4 + T helper cells. We modify the model presented by Roy and Wodarz in 2012, where the HIV dynamics is studied, considering a single CD4 + T cell population. Non-specific helper cells are included as alternative target cell population, to account for macrophages and dendritic cells. In this paper, we include two types of delay: (1) a latent period between the time target cells are contacted by the virus particles and the time the virions enter the cells and; (2) virus production period for new virions to be produced within and released from the infected cells. We compute the reproduction number of the model, R0, and the local stability of the disease free equilibrium and of the endemic equilibrium. We find that for values of R0<1, the model approaches asymptotically the disease free equilibrium. For values of R0>1, the model approximates asymptotically the endemic equilibrium. We observe numerically the phenomenon of backward bifurcation for values of R0⪅1. This statement will be proved in future work. We also vary the values of the latent period and the production period of infected cells and free virus. We conclude that increasing these values translates in a decrease of the reproduction number. Thus, a good strategy to control the HIV virus should focus on drugs to prolong the latent period and/or slow down the virus production. These results suggest that the model is mathematically and epidemiologically well-posed.

Fractional electrical impedances in botanical elements

Fractional calculus (FC) is no longer considered solely from a mathematical viewpoint, and is now applied in many emerging scientific areas, such as electricity, magnetism, mechanics, fluid dynamics, and medicine. In the field of dynamical systems, significant work has been carried out proving the importance of fractional order mathematical models. This article studies the electrical impedance of vegetables and fruits from a FC perspective. From this line of thought, several experiments are developed for measuring the impedance of botanical elements. The results are analyzed using Bode and polar diagrams, which lead to electrical circuit models revealing fractional-order behaviour.

Utilização de redes neuronais artificiais na gestão de processos de digestão anaeróbia

Numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), a otimização do processo de Digestão Anaeróbia (DA) é fundamental para o aumento da produção de biogás, que por sua vez é convertido em energia, essencial para a rentabilidade de exploração de ETAR. No entanto, a complexidade do processo de Digestão Anaeróbia das lamas constitui um obstáculo à sua otimização. Com este trabalho pretende-se efetuar a análise e tratamento de dados de Digestão Anaeróbia, com recurso a Redes Neuronais Artificiais (RNA), contribuindo, desta forma, para a compreensão do processo e do impacto de algumas variáveis na produção de biogás. As Redes Neuronais Artificiais são modelos matemáticos computacionais inspirados no funcionamento do cérebro humano, com capacidade para entender relações complexas num determinado conjunto de dados, motivo por que se optou pela sua utilização na procura de soluções que permitem predizer o comportamento de uma DA. Para o desenvolvimento das RNA utilizou-se o programa NeuralToolsTM da PalisadeTM. Como caso de estudo, a metodologia foi aplicada ao Digestor A da ETAR Sul da SIMRIA, empresa onde teve lugar o estágio curricular que originou o presente trabalho. Nesse contexto, utilizaram-se dados com informação referente aos últimos dois anos de funcionamento do digestor, disponíveis na empresa. Apesar de se terem verificado certas limitações, na predição em alguns casos particulares, de um modo geral, considera-se que os resultados obtidos permitiram concluir que as redes neuronais modeladas apresentam boa capacidade de generalização na imitação do processo anaeróbio. Conclui-se, portanto, que o estudo realizado pode constituir um contributo com interesse para a otimização da produção do biogás na DA de ETAR Sul da SIMRIA e que a utilização de RNA poderá ser uma ferramenta a explorar, quer nessa área, quer noutras áreas de gestão de sistemas de saneamento básico.

Soil sampling design and sampling techniques for soil properties monitoring – common difficulties related to forest soils

Mathematical models and statistical analysis are key instruments in soil science scientific research as they can describe and/or predict the current state of a soil system. These tools allow us to explore the behavior of soil related processes and properties as well as to generate new hypotheses for future experimentation. A good model and analysis of soil properties variations, that permit us to extract suitable conclusions and estimating spatially correlated variables at unsampled locations, is clearly dependent on the amount and quality of data and of the robustness techniques and estimators. On the other hand, the quality of data is obviously dependent from a competent data collection procedure and from a capable laboratory analytical work. Following the standard soil sampling protocols available, soil samples should be collected according to key points such as a convenient spatial scale, landscape homogeneity (or non-homogeneity), land color, soil texture, land slope, land solar exposition. Obtaining good quality data from forest soils is predictably expensive as it is labor intensive and demands many manpower and equipment both in field work and in laboratory analysis. Also, the sampling collection scheme that should be used on a data collection procedure in forest field is not simple to design as the sampling strategies chosen are strongly dependent on soil taxonomy. In fact, a sampling grid will not be able to be followed if rocks at the predicted collecting depth are found, or no soil at all is found, or large trees bar the soil collection. Considering this, a proficient design of a soil data sampling campaign in forest field is not always a simple process and sometimes represents a truly huge challenge. In this work, we present some difficulties that have occurred during two experiments on forest soil that were conducted in order to study the spatial variation of some soil physical-chemical properties. Two different sampling protocols were considered for monitoring two types of forest soils located in NW Portugal: umbric regosol and lithosol. Two different equipments for sampling collection were also used: a manual auger and a shovel. Both scenarios were analyzed and the results achieved have allowed us to consider that monitoring forest soil in order to do some mathematical and statistical investigations needs a sampling procedure to data collection compatible to established protocols but a pre-defined grid assumption often fail when the variability of the soil property is not uniform in space. In this case, sampling grid should be conveniently adapted from one part of the landscape to another and this fact should be taken into consideration of a mathematical procedure.

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Fractional Order Junctions

Gottfried Leibniz generalized the derivation and integration, extending the operators from integer up to real, or even complex, orders. It is presently recognized that the resulting models capture long term memory effects difficult to describe by classical tools. Leon Chua generalized the set of lumped electrical elements that provide the building blocks in mathematical models. His proposal of the memristor and of higher order elements broadened the scope of variables and relationships embedded in the development of models. This paper follows the two directions and proposes a new logical step, by generalizing the concept of junction. Classical junctions interconnect system elements using simple algebraic restrictions. Nevertheless, this simplistic approach may be misleading in the presence of unexpected dynamical phenomena and requires including additional “parasitic” elements. The novel γ-junction includes, as special cases, the standard series and parallel connections and allows a new degree of freedom when building models. The proposal motivates the search for experimental and real world manifestations of the abstract conjectures.

Fractional Calculus: Quo Vadimus? (Where Are We Going?)

Discussions under this title were held during a special session in frames of the International Conference “Fractional Differentiation and Applications” (ICFDA ’14) held in Catania (Italy), 23-25 June 2014, see details at http://www.icfda14.dieei.unict.it/. Along with the presentations made during this session, we include here some contributions by the participants sent afterwards and also by few colleagues planning but failed to attend. The intention of this special session was to continue the useful traditions from the first conferences on the Fractional Calculus (FC) topics, to pose open problems, challenging hypotheses and questions “where to go”, to discuss them and try to find ways to resolve.

Distribuição de Contaminantes Orgânicos em Solos Calcários – Influência dos minerais de Argila

O solo é um recurso multifuncional e vital para a humanidade, apresentando funções ecológicas, técnico-industriais, socioeconómicas e culturais, estabelecendo um vasto capital natural insubstituível. Face à sua taxa de degradação potencialmente rápida que, devido ao crescente desenvolvimento económico e incremento da população mundial, tem vindo a aumentar nas últimas décadas, o solo é, atualmente, um recurso finito e limitado. Devido a esta problemática, o presente documento visa abordar a progressiva preocupação sobre as questões geoambientais e toda a investigação que as envolvem, avaliando o modo como os contaminantes se dispersam pelo solo nas diferentes fases do mesmo (fases sólida, líquida e gasosa). A parte experimental centrou-se na análise da adsorção do benzeno, a partir da determinação das isotérmicas de adsorção. Para tal, foram previamente preparados reatores com calcário, sendo alguns deles previamente contaminados com um biocombustível, biodiesel, a uma concentração constante. Este processo foi monitorizado com base na evolução temporal da concentração na fase gasosa, através da cromatografia gasosa. De entre os objetivos, procurou-se analisar a distribuição dos contaminantes pelas fases constituintes do solo, ajustar os dados experimentais obtidos os modelos matemáticos de Langmuir, Freundlich e Polinomial, e verificar e discutir as soluções mais adequadas.

Effects of treatment, awareness and condom use in a coinfection model for HIV and HCV in MSM

We develop a new a coinfection model for hepatitis C virus (HCV) and the human immunodeficiency virus (HIV). We consider treatment for both diseases, screening, unawareness and awareness of HIV infection, and the use of condoms. We study the local stability of the disease-free equilibria for the full model and for the two submodels (HCV only and HIV only submodels). We sketch bifurcation diagrams for different parameters, such as the probabilities that a contact will result in a HIV or an HCV infection. We present numerical simulations of the full model where the HIV, HCV and double endemic equilibria can be observed. We also show numerically the qualitative changes of the dynamical behavior of the full model for variation of relevant parameters. We extrapolate the results from the model for actual measures that could be implemented in order to reduce the number of infected individuals.

Viabilidade Técnica e Económica das Diferentes Tecnologias de Microprodução

Sabendo que as energias de origem fóssil não são inesgotáveis e que afetam a qualidade do ambiente, nos últimos anos, o interesse pelas energias renováveis mereceu a atenção de ambientalistas e de governantes. Para diminuir a importação de energia, o próprio governo de Portugal incentivou, através de medidas legislativas diversas, a instalação de sistemas alternativos de produção elétrica. Face à pertinência desta matéria, a dissertação, Viabilidade Técnica e Económica das Diferentes Tecnologias de Microprodução, aborda o aproveitamento de energias renováveis através de tecnologias de Microprodução ligadas à rede elétrica. Nesta dissertação, numa primeira fase, apresentam-se os sistemas de microprodução existentes no mercado, descrevem-se os componentes que os constituem e destacam-se os aspetos legislativos aplicáveis. Numa segunda fase, com o objetivo de suportar a elaboração de uma ferramenta informática para apoio na escolha de equipamentos de microprodução, procede-se à análise financeira de tecnologias de microprodução, indicando os modelos matemáticos necessários. Um dos objetivos da dissertação, consiste na construção de uma ferramenta informática de cálculo e na sua aplicação a dois estudos de caso. Esse programa informático foi elaborado em Excel e é capaz de fornecer uma estimativa da produção de energia anual e da avaliação da viabilidade técnico-económica de cada tecnologia e pretende apoiar a decisão do investidor em tecnologias de microprodução. Tendo sido realizados dois estudos de caso - um edifício habitacional unifamiliar e um edifício Industrial – foi possível verificar o funcionamento da aplicação e a sua utilidade na determinação da solução mais vantajosa na escolha de uma tecnologia de microprodução, uma vez que, introduzidos os dados adequados, são gerados os cálculos que permitem fornecer uma visão de conjunto, possibilitando a comparação das diferentes propostas.

Estudo e análise do sequenciamento de tarefas de produção: job shop scheduling

Esta dissertação apresenta um estudo sobre os problemas de sequenciamento de tarefas de produção do tipo job shop scheduling. Os problemas de sequenciamento de tarefas de produção pretendem encontrar a melhor sequência para o processamento de uma lista de tarefas, o instante de início e término de cada tarefa e a afetação de máquinas para as tarefas. Entre estes, encontram-se os problemas com máquinas paralelas, os problemas job shop e flow shop. As medidas de desempenho mais comuns são o makespan (instante de término da execução de todas as tarefas), o tempo de fluxo total, a soma dos atrasos (tardiness), o atraso máximo, o número de tarefas que são completadas após a data limite, entre outros. Num problema do tipo job shop, as tarefas (jobs) consistem num conjunto de operações que têm de ser executadas numa máquina pré-determinada, obedecendo a um determinado sequenciamento com tempos pré-definidos. Estes ambientes permitem diferentes cenários de sequenciamento das tarefas. Normalmente, não são permitidas interrupções no processamento das tarefas (preemption) e pode ainda ser necessário considerar tempos de preparação dependentes da sequência (sequence dependent setup times) ou atribuir pesos (prioridades) diferentes em função da importância da tarefa ou do cliente. Pretende-se o estudo dos modelos matemáticos existentes para várias variantes dos problemas de sequenciamento de tarefas do tipo job shop e a comparação dos resultados das diversas medidas de desempenho da produção. Este trabalho contribui para demonstrar a importância que um bom sequenciamento da produção pode ter na sua eficiência e consequente impacto financeiro.