Remote experimentation: integrating research, education, and industrial application

This paper presents a low-cost scaled model of a silo for drying and airing cereal grains. It allows the control and monitor of several parameters associated to the silo's operation, through a remote accessible infrastructure. The scaled model consists of a 2.50 m wide × 2.10 m long plant with all control and monitor capacities provided by micro-Web servers. An application running on the micro-Web servers enables storing all parameters in a data basis for later analysis. The implemented model aims to support a remote experimentation facility for technological education, research-oriented tutorials, and industrial applications. Given the low-cost requirement, this remote facility can be easily replicated in other institutions to support a network of remote labs, which encompasses the concurrent access of several users (e.g. students).

Effect of the compact Ti layer on the efficiency of dye-sensitized solar cells assembled using stainless steel sheets

Titanium films have been deposited on stainless steel metal sheets using dc magnetron sputtering technique at different substrate temperatures. The structure of the titanium films strongly depend on the substrate temperature. The titanium film deposited at the substrate temperature lower than 300 ◦C has a loose flat sheet grains structure and the titanium film prepared at the substrate temperature higher than 500 ◦C has a dense nubby grains structure. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at high substrate temperature has a low charge transfer resistance in the TiO2/Ti interface and results in a high conversion efficiency. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at temperature higher than 500 ◦C has higher conversion efficiency than that assembled using titanium metal sheet as the substrate. The maximum conversion efficiency, 2.26% is obtained for DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at 700 ◦C substrate temperature, which is about 70% of the conversion efficiency of the FTO reference cell used in this study.

A novel application of microwave-assisted extraction of polyphenols from brewer’s spent grain with HPLC-DAD-MS analysis

This paper reports a novel application of microwave-assisted extraction (MAE) of polyphenols from brewer’s spent grains (BSG). A 24 orthogonal composite design was used to obtain the optimal conditions of MAE. The influence of the MAE operational parameters (extraction time, temperature, solvent volume and stirring speed) on the extraction yield of ferulic acid was investigated through response surface methodology. The results showed that the optimal conditions were 15 min extraction time, 100 °C extraction temperature, 20 mL of solvent, and maximum stirring speed. Under these conditions, the yield of ferulic acid was 1.31±0.04% (w/w), which was fivefold higher than that obtained with conventional solid–liquid extraction techniques. The developed new extraction method considerably reduces extraction time, energy and solvent consumption, while generating fewer wastes. HPLC-DADMS analysis indicated that other hydroxycinnamic acids and several ferulic acid dehydrodimers, as well as one dehydrotrimer were also present, confirming that BSG is a valuable source of antioxidant compounds.

Dimensionamento de um secador em leito fluidizado para secagem de cereais

O objectivo desta tese é dimensionar um secador em leito fluidizado para secagem de cereais, nomeadamente, secagem de sementes de trigo. Inicialmente determinaram-se as condições de hidrodinâmica (velocidade de fluidização, TDH, condições mínimas de “slugging”, expansão do leito, dimensionamento do distribuidor e queda de pressão). Com as condições de hidrodinâmica definidas, foi possível estimar as dimensões físicas do secador. Neste ponto, foram realizados estudos relativamente à cinética da secagem e à própria secagem. Foi também estudado o transporte pneumático das sementes. Deste modo, determinaram-se as velocidades necessárias ao transporte pneumático e respectivas quedas de pressão. Por fim, foi realizada uma análise custos para que se soubesse o custo deste sistema de secagem. O estudo da secagem foi feito para uma temperatura de operação de 50ºC, tendo a ressalva que no limite se poderia trabalhar com 60ºC. A velocidade de operação é de 2,43 m/s, a altura do leito fixo é de 0,4 m, a qual sofre uma expansão durante a fluidização, assumindo o valor de 0,79 m. O valor do TDH obtido foi de 1,97 m, que somado à expansão do leito permite obter uma altura total da coluna de 2,76 m. A altura do leito fixo permite retirar o valor do diâmetro que é de 0,52 m. Verifica-se que a altura do leito expandido é inferior à altura mínima de “slugging” (1,20 m), no entanto, a velocidade de operação é superior à velocidade mínima de “slugging” (1,13 m/s). Como só uma das condições mínimas é cumprida, existe a possibilidade da ocorrência de “slugging”. Finalmente, foi necessário dimensionar o distribuidor, que com o diâmetro de orifício de 3 mm, valor inferior ao da partícula (3,48 mm), permite a distruibuição do fluido de secagem na coluna através dos seus 3061 orifícios. O inicio do estudo da secagem centrou-se na determinação do tempo de secagem. Além das duas temperaturas atrás referidas, foram igualmente consideradas duas humidades iniciais para os cereais (21,33% e 18,91%). Temperaturas superiores traduzem-se em tempos de secagem inferiores, paralelamente, teores de humidade inicial inferiores indicam tempos menores. Para a temperatura de 50ºC, os tempos de secagem assumiram os valores de 2,8 horas para a 21,33% de humidade e 2,7 horas para 18,91% de humidade. Foram também tidas em conta três alturas do ano para a captação do ar de secagem, Verão e Inverno representando os extremos, e a Meia- Estação. Para estes três casos, foi possível verificar que a humidade específica do ar não apresenta alterações significativas entre a entrada no secador e a corrente de saída do mesmo equipamento, do mesmo modo que a temperatura de saída pouco difere da de entrada. Este desvio de cerca de 1% para as humidades e para as temperaturas é explicado pela ausência de humidade externa nas sementes e na pouca quantidade de humidade interna. Desta forma, estes desvios de 1% permitem a utilização de uma razão de reciclagem na ordem dos 100% sem que o comportamento da secagem se altere significativamente. O uso de 100% de reciclagem permite uma poupança energética de cerca de 98% no Inverno e na Meia-Estação e de cerca de 93% no Verão. Caso não fosse realizada reciclagem, seria necessário fornecer à corrente de ar cerca de 18,81 kW para elevar a sua temperatura de 20ºC para 50ºC (Meia-Estação), cerca de 24,67 kW para elevar a sua temperatura de 10ºC para 50ºC (Inverno) e na ordem dos 8,90 kW para elevar a sua temperatura dos 35ºC para 50ºC (Verão). No caso do transporte pneumático, existem duas linhas, uma horizontal e uma vertical, logo foi necessário estimar o valor da velocidade das partículas para estes dois casos. Na linha vertical, a velocidade da partícula é cerca de 25,03 m/s e cerca de 35,95 m/s na linha horizontal. O menor valor para a linha vertical prende-se com o facto de nesta zona ter que se vencer a força gravítica. Em ambos os circuitos a velocidade do fluido é cerca de 47,17 m/s. No interior da coluna, a velocidade do fluido tem o valor de 10,90 m/s e a velocidade das partículas é de 1,04 m/s. A queda de pressão total no sistema é cerca de 2408 Pa. A análise de custos ao sistema de secagem indicou que este sistema irá acarretar um custo total (fabrico mais transporte) de cerca de 153035€. Este sistema necessita de electricidade para funcionar, e esta irá acarretar um custo anual de cerca de 7951,4€. Embora este sistema de secagem apresente a possibilidade de se realizar uma razão de reciclagem na ordem dos 100% e também seja possível adaptar o mesmo para diferentes tipos de cereais, e até outros tipos de materiais, desde que possam ser fluidizados, o seu custo impede que a realização deste investimento não seja atractiva, especialmente tendo em consideração que se trata de uma instalação à escala piloto com uma capacidade de 45 kgs.

Celiac disease diagnosis and gluten-free food analytical control

Celiac disease (CD) is an autoimmune enteropathy, characterized by an inappropriate T-cell-mediated immune response to the ingestion of certain dietary cereal proteins in genetically susceptible individuals. This disorder presents environmental, genetic, and immunological components. CD presents a prevalence of up to 1% in populations of European ancestry, yet a high percentage of cases remain underdiagnosed. The diagnosis and treatment should be made early since untreated disease causes growth retardation and atypical symptoms, like infertility or neurological disorders. The diagnostic criteria for CD, which requires endoscopy with small bowel biopsy, have been changing over the last few decades, especially due to the advent of serological tests with higher sensitivity and specificity. The use of serological markers can be very useful to rule out clinical suspicious cases and also to help monitor the patients, after adherence to a gluten-free diet. Since the current treatment consists of a life-long glutenfree diet, which leads to significant clinical and histological improvement, the standardization of an assay to assess in an unequivocal way gluten in gluten-free foodstuff is of major importance.

Influencing factors on bread-derived exposure to ochratoxin A: type, origin and composition

The nearly ubiquitous consumption of cereals all over the world renders them an important position in international nutrition, but concurrently allocates exposure to possible contained contaminants. Mycotoxins are natural food contaminants, difficult to predict, evade, and reduce, so it is important to establish the real contribution of each contaminated food product, with the aim to evaluate mycotoxin exposure. This was the key objective of this survey and analysis for ochratoxin A content on 274 samples of commercialized bread in the Portuguese market, during the winter 2007. Different bread products were analyzed through an HPLC-FD method, including traditional types, novel segments, and different grain based bread products. A wide-ranging low level contamination was observed in all regions and types of bread products analyzed, especially in the Porto and Coimbra regions, and in the maize and whole-grain or fiber-enriched bread. Nevertheless, the exposure through contaminated wheat bread continues to be the most significant, given its high consumption and dominance in relation to the other types of bread.

Study of vanadium doped ZnO films prepared by dc reactive magnetron sputtering at different substrate temperatures

ZnO films doped with vanadium (ZnO:V) have been prepared by dc reactive magnetron sputtering technique at different substrate temperatures (RT–500 C). The effects of the substrate temperature on ZnO:V films properties have been studied. XRD measurements show that only ZnO polycrystalline structure has been obtained, no V2O5 or VO2 crystal phase can be observed. It has been found that the film prepared at low substrate temperature has a preferred orientation along the (002) direction. As the substrate temperature is increased, the (002) peak intensity decreases. When the substrate temperature reaches the 500 C, the film shows a random orientation. SEM measurements show a clear formation of the nano-grains in the sample surface when the substrate temperature is higher than 400 C. The optical properties of the films have been studied by measuring the specular transmittance. The refractive index has been calculated by fitting the transmittance spectra using OJL model combined with harmonic oscillator.

Determination of ochratoxin A in bread: evaluation of microwave-assisted extraction using an orthogonal composite design coupled with response surface methodology

An analytical method using microwave-assisted extraction (MAE) and liquid chromatography (LC) with fluorescence detection (FD) for the determination of ochratoxin A (OTA) in bread samples is described. A 24 orthogonal composite design coupled with response surface methodology was used to study the influence of MAE parameters (extraction time, temperature, solvent volume, and stirring speed) in order to maximize OTA recovery. The optimized MAE conditions were the following: 25 mL of acetonitrile, 10 min of extraction, at 80 °C, and maximum stirring speed. Validation of the overall methodology was performed by spiking assays at five levels (0.1–3.00 ng/g). The quantification limit was 0.005 ng/g. The established method was then applied to 64 bread samples (wheat, maize, and wheat/maize bread) collected in Oporto region (Northern Portugal). OTAwas detected in 84 % of the samples with a maximum value of 2.87 ng/g below the European maximum limit established for OTA in cereal products of 3 ng/g.

Sustainability Evaluation of Biodiesel Produced from Microalgae Chlamydomonas sp Grown in Brewery Wastewater

This study performs a sustainability evaluation of biodiesel from microalga Chlamydomonas sp. grown in 20 % (v/v) of brewery’s wastewater, blended with pentose sugars (xylose, arabinose or ribose resulting from the hydrolysis of brewer’s spent grains (BSG). The life cycle steps considered for the study are: microalgae cultivation, biomass processing and lipids extraction at the brewery site, and its conversion to biodiesel at a dedicated external biofuel’s plant. Three sustainability indicators (LCEE, FER and GW) were considered and calculated using experimental data. Literature data was used, whenever necessary, to complement life cycle data, thus allowing a more accurate sustainability evaluation. A comparative analysis of the biodiesel life cycle steps was also conducted, with the main goal of identifying which steps need to be improved. Results show that biomass processing, especially cell harvesting, microalgae cultivation, and lipids extraction are the main process bottlenecks. It is also analysed the influence on the microalgae biodiesel sustainability of adding each pentose sugar to the cultivation media, concluding that it strongly influences the biomass and lipid productivity. In particular, the addition of xylose is preferable in terms of lipid productivity, but from a sustainability point of view, ribose is the best, though the difference from xylose is not significant. Nevertheless, culture without pentose addition presents the best sustainability results.

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.