Distributed Sensing of Fluid Dynamic Phenomena with the XDense Sensor Grid Network

IEEE International Conference on Cyber Physical Systems, Networks and Applications (CPSNA'15), Hong Kong, China.

Estudo da gasificação do glicerol em reator de leito fixo

As metas da União Europeia para 2020 em termos de biocombustíveis e biolíquidos traduziram-se, na última década, num destaque da indústria de biodiesel em Portugal. Inerente ao processo de produção biodiesel está um subproduto, o glicerol bruto, cujo estudo tem vindo a ser alvo de interesse na comunidade científica. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo da gasificação do glicerol técnico e do glicerol bruto, usando vapor como agente oxidante. Pretendeu-se avaliar a composição do gás de produção obtido e os parâmetros de gasificação, como a percentagem de conversão de carbono e de hidrogénio, o rendimento de gás seco, a eficiência de gás frio e o poder calorífico do gás produzido. No estudo da gasificação do glicerol técnico avaliou-se o efeito da temperatura na performance do processo, entre 750 – 1000 ºC, e estudou-se ainda o efeito do caudal de alimentação ao reator (3,8 mL/min, 6,5 mL/min e 10,0 mL/min). Para o caudal mais baixo, estudou-se o efeito da razão de mistura glicerol/água (25/75, 40/60, 60/40 e 75/25) e para a razão de mistura 60/40 foi avaliada a influência da adição de ar como agente gasificante. O estudo da gasificação do glicerol bruto foi feito realizando ensaios de gasificação numa gama de temperaturas de 750 ºC a 1000 ºC, para uma razão de mistura glicerol/água (60/40) com o caudal de 3,8 mL/min e usando apenas vapor de água como agente de gasificação. Os ensaios foram realizados num reator de leito fixo de 500 mm de comprimento e 90 mm de diâmetro interno, composto por um leito de alumina com partículas de 5 mm de diâmetro. O aquecimento foi realizado com um forno elétrico de 4 kW. A amostra de gás de produção recolhida foi analisada por cromatografia gasosa com detector de termocondutividade. Os resultados obtidos na gasificação do glicerol técnico, revelaram que a temperatura é uma variável preponderante no desempenho do processo de gasificação. À exceção do poder calorífico superior, para o qual se obteve uma ligeira diminuição de valores com o aumento da temperatura, os valores mais elevados dos parâmetros de gasificação foram obtidos para temperaturas superiores a 900 ºC. Esta temperatura parece ser determinante no modelo cinético de gasificação do glicerol, condicionando a composição do gás de produção obtido. Concluiu-se ainda que, na gama de caudais testada, o caudal de alimentação ao reator não teve influência no processo de gasificação. Os ensaios realizados para avaliar o efeito da razão de mistura permitiram verificar que, o aumento da adição de água à alimentação se traduz na redução do teor de CO e de CH4 e no aumento do teor de H2 e CO2, no gás de produção. Para a razão de mistura 25/75 foram obtidos valores de 1,3 para o rácio H2/CO para temperaturas superiores a 900 ºC. A influência da adição de água tornou-se mais evidente nos ensaios de gasificação realizados a temperaturas superiores a 900 ºC. Verificou-se um aumento da conversão de carbono, do rendimento de gás seco e da eficiência do gás frio e uma ligeira diminuição do poder calorífico e da potência disponível, no gás de produção. Para as razões de misturas 60/40 e 40/60 obtiveram-se resultados, para os parâmetros de gasificação, da mesma ordem de grandeza e com valores intermédios entre os obtidos para as razões de mistura 25/75 e 75/25. Porém, quanto maior o teor de água alimentado maior o consumo de energia associado à vaporização da água. Assim, o aumento do teor de água na mistura só apresentará interesse industrial se o objetivo passar pela produção de hidrogénio. Quanto ao efeito da adição de ar como agente de gasificação, os resultados obtidos dão indicação que se poderão potenciar algumas reações exotérmicas que contribuirão para a redução do consumo energético global do processo. Por outro lado, o gás de produção apresentou um rácio H2/CO interessante do ponto de vista da sua aplicação industrial, superior em 35 % ao verificado para a gasificação efetuada apenas na presença de vapor. À exceção do decréscimo no valor do poder calorífico superior do gás de produção, os restantes parâmetros estudados apresentaram a mesma ordem de grandeza, dos obtidos para o estudo da mesma razão de mistura na ausência de ar. Relativamente ao estudo da gasificação do glicerol bruto, obtiveram-se valores de rácio H2/CO e eficiência de gás frio mais elevados que os valores obtidos para a mesma razão de mistura usando glicerol técnico. Os demais parâmetros de gasificação avaliados mostraram-se semelhantes entre as duas matérias-primas, verificando-se apenas uma ligeira diminuição no valor do poder calorífico superior do gás produzido com glicerol bruto. Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de valorização energética do glicerol bruto resultante da produção de biodiesel.

Oriented Tailoring of Plastic Antibodies for Prostate Specific Antigen and Application of the Imprinted Material as Ionophore in Potentiometric Detection

Prostate Specific Antigen (PSA) is the biomarker of choice for screening prostate cancer throughout the population, with PSA values above 10 ng/mL pointing out a high probability of associated cancer1. According to the most recent World Health Organization (WHO) data, prostate cancer is the commonest form of cancer in men in Europe2. Early detection of prostate cancer is thus very important and is currently made by screening PSA in men over 45 years old, combined with other alterations in serum and urine parameters. PSA is a glycoprotein with a molecular mass of approximately 32 kDa consisting of one polypeptide chain, which is produced by the secretory epithelium of human prostate. Currently, the standard methods available for PSA screening are immunoassays like Enzyme-Linked Immunoabsorbent Assay (ELISA). These methods are highly sensitive and specific for the detection of PSA, but they require expensive laboratory facilities and high qualify personal resources. Other highly sensitive and specific methods for the detection of PSA have also become available and are in its majority immunobiosensors1,3-5, relying on antibodies. Less expensive methods producing quicker responses are thus needed, which may be achieved by synthesizing artificial antibodies by means of molecular imprinting techniques. These should also be coupled to simple and low cost devices, such as those of the potentiometric kind, one approach that has been proven successful6. Potentiometric sensors offer the advantage of selectivity and portability for use in point-of-care and have been widely recognized as potential analytical tools in this field. The inherent method is simple, precise, accurate and inexpensive regarding reagent consumption and equipment involved. Thus, this work proposes a new plastic antibody for PSA, designed over the surface of graphene layers extracted from graphite. Charged monomers were used to enable an oriented tailoring of the PSA rebinding sites. Uncharged monomers were used as control. These materials were used as ionophores in conventional solid-contact graphite electrodes. The obtained results showed that the imprinted materials displayed a selective response to PSA. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response, with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8X10-11 mol/L (2 ng/mL). The corresponding non-imprinted sensors showed smaller sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade. The best sensors were successfully applied to the analysis of serum samples, with percentage recoveries of 106.5% and relatives errors of 6.5%.

Smart Plastic Antibody Material (SPAM) tailored on disposable screen printed electrodes for protein recognition: application to Myoglobin detection

This work introduces two major changes to the conventional protocol for designing plastic antibodies: (i) the imprinted sites were created with charged monomers while the surrounding environment was tailored using neutral material; and (ii) the protein was removed from its imprinted site by means of a protease, aiming at preserving the polymeric network of the plastic antibody. To our knowledge, these approaches were never presented before and the resulting material was named here as smart plastic antibody material (SPAM). As proof of concept, SPAM was tailored on top of disposable gold-screen printed electrodes (Au-SPE), following a bottom-up approach, for targeting myoglobin (Myo) in a point-of-care context. The existence of imprinted sites was checked by comparing a SPAM modified surface to a negative control, consisting of similar material where the template was omitted from the procedure and called non-imprinted materials (NIMs). All stages of the creation of the SPAM and NIM on the Au layer were followed by both electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). AFM imaging was also performed to characterize the topography of the surface. There are two major reasons supporting the fact that plastic antibodies were effectively designed by the above approach: (i) they were visualized for the first time by AFM, being present only in the SPAM network; and (ii) only the SPAM material was able to rebind to the target protein and produce a linear electrical response against EIS and square wave voltammetry (SWV) assays, with NIMs showing a similar-to-random behavior. The SPAM/Au-SPE devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 3.5 μg/mL and 0.58 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.28 μg/mL. SPAM materials also showed negligible interference from troponin T (TnT), bovine serum albumin (BSA) and urea under SWV assays, showing promising results for point-of-care applications when applied to spiked biological fluids.

Optimizing potentiometric ionophore and electrode design for environmental on-site control of antibiotic drugs: Application to sulfamethoxazole

Potentiometric sensors are typically unable to carry out on-site monitoring of environmental drug contaminants because of their high limits of detection (LODs). Designing a novel ligand material for the target analyte and managing the composition of the internal reference solution have been the strategies employed here to produce for the first time a potentiometric-based direct reading method for an environmental drug contaminant. This concept has been applied to sulfamethoxazole (SMX), one of the many antibiotics used in aquaculture practices that may occur in environmental waters. The novel ligand has been produced by imprinting SMX on the surface of graphitic carbon nanostructures (CN) < 500 nm. The imprinted carbon nanostructures (ICN) were dispersed in plasticizer and entrapped in a PVC matrix that included (or not) a small amount of a lipophilic additive. The membrane composition was optimized on solid-contact electrodes, allowing near-Nernstian responses down to 5.2 μg/mL and detecting 1.6 μg/mL. The membranes offered good selectivity against most of the ionic compounds in environmental water. The best membrane cocktail was applied on the smaller end of a 1000 μL micropipette tip made of polypropylene. The tip was then filled with inner reference solution containing SMX and chlorate (as interfering compound). The corresponding concentrations were studied for 1 × 10−5 to 1 × 10−10 and 1 × 10−3 to 1 × 10−8 mol/L. The best condition allowed the detection of 5.92 ng/L (or 2.3 × 10−8 mol/L) SMX for a sub-Nernstian slope of −40.3 mV/decade from 5.0 × 10−8 to 2.4 × 10−5 mol/L.

Rapid automated method for on-site determination of sulfadiazine in fish farming: a stainless steel veterinary syringe coated with a selective membrane of PVC serving as a potentiometric detector in a flow-injection-analysis system

Sulfadiazine is an antibiotic of the sulfonamide group and is used as a veterinary drug in fish farming. Monitoring it in the tanks is fundamental to control the applied doses and avoid environmental dissemination. Pursuing this goal, we included a novel potentiometric design in a flow-injection assembly. The electrode body was a stainless steel needle veterinary syringe of 0.8-mm inner diameter. A selective membrane of PVC acted as a sensory surface. Its composition, the length of the electrode, and other flow variables were optimized. The best performance was obtained for sensors of 1.5-cm length and a membrane composition of 33% PVC, 66% onitrophenyloctyl ether, 1% ion exchanger, and a small amount of a cationic additive. It exhibited Nernstian slopes of 61.0 mV decade-1 down to 1.0×10-5 mol L-1, with a limit of detection of 3.1×10-6 mol L-1 in flowing media. All necessary pH/ionic strength adjustments were performed online by merging the sample plug with a buffer carrier of 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid, pH 4.9. The sensor exhibited the advantages of a fast response time (less than 15 s), long operational lifetime (60 days), and good selectivity for chloride, nitrite, acetate, tartrate, citrate, and ascorbate. The flow setup was successfully applied to the analysis of aquaculture waters. The analytical results were validated against those obtained with liquid chromatography–tandem mass spectrometry procedures. The sampling rate was about 84 samples per hour and recoveries ranged from 95.9 to 106.9%.

Smart Plastic Antibody Material for Hemoglobin Tailored by Silica Surface Imprinting and with Charged Binding Sites: Its use as Ionophore in Potentiometric Transduction

JORNADAS DE ELECTROQUÍMICA E INOVAÇÃO 2013

Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.