Experimental design methodologies for the identification of Michaelis-Menten type kinetics

The main objective of this work was to investigate the application of experimental design techniques for the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters. More specifically, this study attempts to elucidate the relative advantages/disadvantages of employing complex experimental design techniques in relation to equidistant sampling when applied to different reactor operation modes. All studies were supported by simulation data of a generic enzymatic process that obeys to the Michaelis-Menten kinetic equation. Different aspects were investigated, such as the influence of the reactor operation mode (batch, fed-batch with pulse wise feeding and fed-batch with continuous feeding) and the experimental design optimality criteria on the effectiveness of kinetic parameters identification. The following experimental design optimality criteria were investigated: 1) minimization of the sum of the diagonal of the Fisher information matrix (FIM) inverse (A-criterion), 2) maximization of the determinant of the FIM (D-criterion), 3) maximization of the smallest eigenvalue of the FIM (E-criterion) and 4) minimization of the quotient between the largest and the smallest eigenvalue (modified E-criterion). The comparison and assessment of the different methodologies was made on the basis of the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) error in respect to the parameters vmax and Km of the Michaelis-Menten kinetic equation. In what concerns the reactor operation mode, it was concluded that fed-batch (pulses) is better than batch operation for parameter identification. When the former operation mode is adopted, the vmax CRLB error is lowered by 18.6 % while the Km CRLB error is lowered by 26.4 % when compared to the batch operation mode. Regarding the optimality criteria, the best method was the A-criterion, with an average vmax CRLB of 6.34 % and 5.27 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively, while presenting a Km’s CRLB of 25.1 % and 18.1 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively. As a general conclusion of the present study, it can be stated that experimental design is justified if the starting parameters CRLB errors are inferior to 19.5 % (vmax) and 45% (Km), for batch processes, and inferior to 42 % and to 50% for fed-batch (pulses) process. Otherwise equidistant sampling is a more rational decision. This conclusion clearly supports that, for fed-batch operation, the use of experimental design is likely to largely improve the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters.

Experimental study of proton induced nuclear reactions in 6,7 Li

This work presents the results of the experimental study of proton induced nuclear reactions in lithium, namely the 7Li(p,α) 4He, 6Li(p,α) 3He and 7Li(p,p)7Li reactions. The amount of 7Li and 6Li identified as primordial and observed in very old stars of the Milky Way galactic halo strongly deviates from the predictions of primordial nucleosynthesis and stellar evolution models which depend, among other factors, on the cross sections of reactions like 7Li(p,α) 4He and 6Li(p,α) 3He. These discrepancies have triggered a large amount of research in the fields of stellar evolution, cosmology, pre-galactic evolution and low energy nuclear reactions. Focusing on nuclear reactions, this work has measured the 7Li(p,α) 4He and 6Li(p,α) 3He reactions cross sections (expressed in terms of the astrophysical S -factor) with higher accuracy, and the electron screening effects in these reactions for different environments (insulators and metallic targets). The 7Li(p,α) 4He angular distributions were also measured. These measurementstook place in two laboratory facilities, in the framework of the LUNA (Laboratory for Undergroud Nuclear Astrophysics) international collaboration, namely the Laboratorio ´ de Feixe de Ioes ˜ in ITN (Instituto Tecnologico ´ e Nuclear) Sacavem, ´ Portugal, and the Dynamitron-TandemLaboratorium in Ruhr-Universitat¨ Bochum, Germany. The ITN target chamber was modified to measure these nuclear reactions, with the design and construction of new components, the addition of one turbomolecular pump and a cold finger. The 7Li(p,α) 4He and 6Li(p,α) 3He reactions were measured concurrently with seven and four targets, respectively. These targets were produced in order to obtain adequate and stable lithium depth profiles. In metallic environments, the measured electron screening potential energies are much higher than the predictions of atomic-physics models. The Debye screening model applied to the metallic conduction electrons is able to explain these high values. It is a simple model, but also very robust. Concerning primordial nucleosynthesis and stellar evolution models, these results are very important as they show that laboratory measurements are well controlled, and the model inputs from these cross sections are therefore correct. In this work the 7Li(p,p)7Li differential cross section was also measured, which is useful to describe the 7Li(p,α) 4He entrance channel.

Acetalização de glicerol e fenilacetaldeído assistida por pervaporação em reactor de membrana catalítica

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Understanding the microbial ecology and ecophysiology of enhanced biological phosphorus removal processes through metabolic modelling and experimental studies

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

Contribuição para o estudo da modelação da digestão anaeróbia de resíduos sólidos, estudo da influência da geometria do reactor na cinética do processo

O presente trabalho tem como objectivo contribuir para o estudo do desenvolvimento de um modelo matemático aplicado à digestão anaeróbia de resíduos sólidos, que incorpore os condicionamentos da geometria dos reactores e a sua influência na cinética do processo biológico. Nesse sentido, o trabalho propõe-se avaliar o comportamento cinético de três reactores, com o mesmo volume mas com diferentes relações tridimensionais, utilizando o mesmo substrato, e idênticos parâmetros ambientais e operacionais de funcionamento. Pretendeu-se estudar em que medida a relação do comprimento, largura e altura de um reactor pode interferir nas taxas de remoção de substrato, condicionando a respectiva difusão na biomassa e crescimento dos microrganismos. Considera-se que este aspecto é do maior interesse para o desenvolvimento de um modelo cinético, podendo minimizar desvios inerentes à própria modelação de processos biológicos complexos. A geometria do reactor, que se correlaciona com uma determinada relação tridimensional, pode constituir um parâmetro importante, que se designou por Kcig (Constante de Inibição Geométrica), dada a influência que poderá exercer na cinética do processo biológico. A sua avaliação, parametrização e consequente modelação, deverá facilitar a escolha da relação comprimento/largura/altura mais adequada, de forma a optimizar o funcionamento operacional do reactor. O plano experimental desenvolveu-se em duas fases, utilizando-se dois substratos com graus distintos de dificuldade de utilização pelos microrganismos, nomeadamente: Fase 1 (glucose), Fase 2 (FORSU e relva). Concluiu-se que a cinética do processo é influenciada pela relação entre as áreas de separação de biogás/biomassa (As) e de contacto biomassa/reactor (Ac), que interferem na geometria do reactor. Assim, através dos resultados das fases 1 e 2 pode observar-se que a variação da taxa de remoção de substrato se aproxima de uma função de saturação, pelo que se propõe uma adaptação do modelo de Monod, através de um formalismo que incorpora uma grandeza adimensional, Kcig, para reflectir o efeito da geometria do reactor. Verificou-se que a equação adoptada para Kcig se mostrou adequada, o que permitiu, através do modelo de Monod ajustado, estimar os valores de rx máx e Ks que se admite estarem mais próximos dos verdadeiros, embora se considere que apenas se pretende corrigi-los em função do efeito da geometria do reactor. Por outro lado, o estudo permitiu identificar um valor de Kcig para o reactor de 2,5 L, a partir do qual poderá não ser interessante a relação entre a taxa de remoção de substrato e a área de construção do reactor.

Conceção, simulação e validação experimental de sondas de correntes induzidas para ensaios não destrutivos de geometrias tubulares

Os Ensaios Não destrutivos de (END) por Correntes Induzidas (CI) são uma das principais técnicas utilizadas na inspeção de tubagens, nomeadamente em caldeiras e permutadores de calor. Apesar de ser uma técnica comum e com muitos anos de experiência acumulada, existem algumas condições onde persistem dificuldades, como é o caso da deteção de micro defeitos com orientação tangencial. Por outro lado, assiste-se atualmente a uma exigência cada vez maior do ponto de vista da fiabilidade dos sistemas e sondas de CI. Um exemplo particular dessa exigência é a inspeção de um perfil com geometria tubular em aço inox 316LN (JK2LB), o qual constitui as bobinas poloidais do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). O objetivo central deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente diferentes tipos de sondas de CI para a deteção de micro defeitos no interior de componentes de geometria tubular, com vista a reduzir o limiar de detetabilidade dos defeitos com orientação tangencial, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção. Foram concebidas, produzidas e validadas experimentalmente quatro novas sondas de CI e foram replicadas três configurações já existentes. Foram realizadas simulações numéricas das diferentes sondas, sob diferentes condições de inspeção e criaram-se os meios laboratoriais adequados para a realização dos END. Os resultados experimentais mostraram que as novas sondas desenvolvidas permitem detetar com clareza defeitos tangenciais com 2 mm de comprimento e 0.5 mm de profundidade, o que está claramente abaixo do limiar de detetabilidade das sondas convencionais constituídas por bobinas toroidais. As simulações numéricas permitiram descrever e caracterizar com sucesso alguns fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. Em termos genéricos, foi estabelecido um importante conhecimento processual dos END por CI de geometrias tubulares.

The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Trabalho experimental na aprendizagem em ciência: o desenvolvimento de competência científica na disciplina de técnicas laboratoriais de Biologia

Este estudo procura compreender a relação entre trabalho experimental de investigação e O desenvolvimento de competências científicas nos alunos. Foram os seguintes objectivos que nortearam este trabalho de investigação: analisar/compreender as vantagens e dificuldades apresentadas pelos alunos ao realizarem trabalho experimental de investigação em laboratório. Compreender se o trabalho experimental de investigação em laboratório leva ao desenvolvimento de competências científicas. Propor novas abordagens na utilizaçáo do trabalho experimental no ensino da Biologia. Desenvolve-se na primeira parte deste estudo uma reflexão sobre o papel do trabalho experimental de investigação no ensino/aprendizagem da Ciência. Na segunda parte explicitamos o caminho heurístico por nós percorrido. Optamos por uma metodologia interpretativa/compreesiva recorrendo a uma abordagem multimetodológica.

Trabalho experimental na educação em ciência: epistemologia, representações e práticas dos professores

Dissertação de mestrado em Ciências da Educação: área de Educação e Desenvolvimento

O trabalho experimental em Biologia: contributos para o desenvolvimento do pensamento crítico em alunos do 10º ano de escolaridade

Dissertação de mestrado em Ciências da Educação: área de Educação e Desenvolvimento

Contribuição para o estudo da influência do dióxido de carbono no processo de biodegradação (reactor fed-batch proporcional)

O reactor “Fed-batch” Proporcional utiliza o aumento de pressão que se verifica no interior do reactor, provocado pela acumulação do dióxido de carbono produzido no decurso da degradação aeróbia de um composto orgânico, para adicionar substrato ao reactor, sendo a alimentação proporcional à velocidade ou taxa de degradação de substrato. Nestas circunstâncias, e pretendendo-se avaliar da fiabilidade daquele tipo de reactor, era necessário verificar se a reacção biológica era perturbada pela acumulação de dióxido de carbono. Assim, o presente trabalho teve por objectivo estudar a influência do dióxido de carbono, dissolvido na solução de fermentação, no crescimento microbiano e no consumo de substrato, através da comparação do funcionamento, em paralelo, de dois reactores “fed-batch”, sendo um proporcional e outro aberto. Constatou-se que os valores das constantes cinéticas, taxa específica de consumo de substrato (qobs) e coeficiente de rendimento celular (Y(X/S)), determinados no reactor “Fed-batch” Proporcional e num reactor “Fed-batch” Aberto, operados em condições equivalentes, eram semelhantes. Os valores da taxa de crescimento específica (μobs) apresentam diferenças mais significativas, no entanto a maioria dos testes estatísticos não-paramétricos aplicados demonstraram que o conjunto de valores de cada reactor pertencem à mesma distribuição. A taxa de consumo de oxigénio (OUR), que reflecte a viabilidade da biomassa, é normalmente superior no reactor “Fed-batch” Aberto. Os resultados obtidos no presente estudo não evidenciaram efeitos inibidores, para a reacção biológica, provocados pelo dióxido de carbono dissolvido, ou pelos iões bicarbonato que se acumulam no reactor “Fed-batch” Proporcional.

Síntese de acetato de decilo por catálise enzimática em meio supercrítico

Este trabalho teve como objectivo o estudo, em reactor fechado, da produção de ésteres de cadeia longa por catálise enzimática em meio supercrítico com vista ao desenvolvimento de um processo sustentável, tecnologicamente eficiente e limpo e que constitua uma alternativa aos processos químicos tradicionais. Como composto modelo a produzir foi seleccionado o acetato de decilo, um éster com aplicação na indústria de fragrâncias. A reacção estudada foi a transesterificação do acetato de vinilo com o decanol, obtendo-se como principal produto o acetato de decilo. O catalisador escolhido foi a lipase B de Candida antarctica (CALB), imobilizada na resina macroporosa Lewatit B (Novozym 435®). A síntese de acetato de decilo foi estudada numa instalação experimental de alta pressão, equipada com um reactor fechado de volume variável, a operar isotermicamente a 35 ºC e a 100 bar, usando-se como solvente CO2 em condições supercríticas. Fez-se a determinação do conteúdo enzimático por tamanho de partícula de catalisador, tendo-se verificado que as partículas mais pequenas têm uma quantidade específica de enzima mais elevada, havendo uma relação inversamente proporcional entre o conteúdo enzimático e o tamanho de partícula. Verificou-se também que a enzima deve estar localizada numa camada exterior da partícula, seguindo um modelo do tipo “casca de ovo”, sendo a espessura dessa camada de 60 μm (assumindo distribuição uniforme) e independente do tamanho de partícula. Analisaram-se as resistências à transferência de massa, tanto externas como internas. Para as primeiras, fez-se apenas variar a agitação dentro do reactor, mantendo todas as outras condições de operação constantes (temperatura, pressão, quantidade de enzima, tamanho de partícula, concentração de substratos na alimentação). Verificou-se que a partir de 950 r.p.m. as resistências externas à transferência de massa são eliminadas. Relativamente às resistências internas, realizaram-se várias reacções com diferentes tamanhos de partícula, mas com a mesma quantidade de enzima, a mesma concentração dos dois substratos na alimentação, a mesma agitação, temperatura e pressão. Os resultados obtidos mostram que não há influência significativa do tamanho das partículas de catalisador sobre a velocidade inicial de reacção, pelo que as resistências internas à transferência de massa se podem considerar desprezáveis. Estudou-se também o efeito da variação da concentração dos substratos na alimentação sobre as velocidades iniciais de reacção. Observou-se que a partir de uma determinada concentração de decanol em excesso relativamente ao acetato de vinilo, a reacção é inibida pelo álcool. Pelo contrário, a reacção é favorecida quando a alimentação tem excesso de acetato de vinilo, havendo um aumento significativo da sua velocidade inicial. Estes resultados são consistentes com um mecanismo do tipo Ping-pong bi-bi com inibição competitiva por parte do álcool, comum na descrição de reacções enzimáticas de esterificação/transesterificação. Por último, fez-se uma comparação dos resultados obtidos em meio supercrítico (CO2) e em meio orgânico (hexano). Observou-se que as reacções em hexano apresentam uma velocidade inicial significativamente superior.

Avaliação experimental dos níveis de qualidade do ar interior em quartos de dormir: um caso de estudo

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Reabilitação de Edifícios

Information technology service management: an experimental approach towards IT service prediction

Dissertation presented to obtain a Masters degree in Computer Science

Analysis of glycosylation heterogeneity in antibody production by Pichia pastoris

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia