Monitoring the ex-vivo expansion of human mesenchymal stem/stromal cells in xeno-free microcarrier-based reactor systems by MIR spectroscopy

Human mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) have received considerable attention in the field of cell-based therapies due to their high differentiation potential and ability to modulate immune responses. However, since these cells can only be isolated in very low quantities, successful realization of these therapies requires MSCs ex-vivo expansion to achieve relevant cell doses. The metabolic activity is one of the parameters often monitored during MSCs cultivation by using expensive multi-analytical methods, some of them time-consuming. The present work evaluates the use of mid-infrared (MIR) spectroscopy, through rapid and economic high-throughput analyses associated to multivariate data analysis, to monitor three different MSCs cultivation runs conducted in spinner flasks, under xeno-free culture conditions, which differ in the type of microcarriers used and the culture feeding strategy applied. After evaluating diverse spectral preprocessing techniques, the optimized partial least square (PLS) regression models based on the MIR spectra to estimate the glucose, lactate and ammonia concentrations yielded high coefficients of determination (R2 ≥ 0.98, ≥0.98, and ≥0.94, respectively) and low prediction errors (RMSECV ≤ 4.7%, ≤4.4% and ≤5.7%, respectively). Besides PLS models valid for specific expansion protocols, a robust model simultaneously valid for the three processes was also built for predicting glucose, lactate and ammonia, yielding a R2 of 0.95, 0.97 and 0.86, and a RMSECV of 0.33, 0.57, and 0.09 mM, respectively. Therefore, MIR spectroscopy combined with multivariate data analysis represents a promising tool for both optimization and control of MSCs expansion processes.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Distributed Energy Resources Management using Plug-in Hybrid Electric Vehicles as a Fuel-Shifting Demand Response Resource

In the smart grids context, distributed energy resources management plays an important role in the power systems’ operation. Battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles should be important resources in the future distribution networks operation. Therefore, it is important to develop adequate methodologies to schedule the electric vehicles’ charge and discharge processes, avoiding network congestions and providing ancillary services. This paper proposes the participation of plug-in hybrid electric vehicles in fuel shifting demand response programs. Two services are proposed, namely the fuel shifting and the fuel discharging. The fuel shifting program consists in replacing the electric energy by fossil fuels in plug-in hybrid electric vehicles daily trips, and the fuel discharge program consists in use of their internal combustion engine to generate electricity injecting into the network. These programs are included in an energy resources management algorithm which integrates the management of other resources. The paper presents a case study considering a 37-bus distribution network with 25 distributed generators, 1908 consumers, and 2430 plug-in vehicles. Two scenarios are tested, namely a scenario with high photovoltaic generation, and a scenario without photovoltaic generation. A sensitivity analyses is performed in order to evaluate when each energy resource is required.

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

Fossil fuel dependence and interfuel substitution in the electricity sector of Western European countries between 1990-2011

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Economics from the NOVA – School of Business and Economics

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.

Metanólise de óleo de soja em biodiesel através de um reactor de membrana

Com o aumento das necessidades energéticas, bem como dos cada vez mais conhecidos efeitos nocivos dos combustíveis fósseis, tornou-se imperativo pesquisar e desenvolver alternativas sustentáveis e verdes a esses recursos. O biodiesel é considerado como o melhor substituto para o combustível diesel convencional de base petroquímica. A transesterificação de óleos vegetais revela-se como uma importante via de obtenção do biodiesel. Na produção de biodiesel com catalisadores básicos homogéneos, como o hidróxido de sódio, deparamo-nos com um problema na hidrólise de triglicéridos, levando à formação de sabões e emulsões. Mesmo quando são usados reagentes secos, há formação de água devido à reacção do hidróxido com o álcool. Estes problemas podem ser solucionados com a utilização de catalisadores heterogéneos. Este estudo incidiu na preparação de membranas catalíticas de álcool polivinílico (PVA) incorporadas com um catalisador heterogéneo sólido básico (óxido de cálcio) obtido de resíduos industriais (casca de ovo). Caracterizaram-se as membranas catalíticas através da determinação da espessura, ângulos de contacto, grau de inchamento e espectroscopia de infravermelho. As membranas de PVA foram testadas na metanólise de óleo de soja em reactor batch e reactor de membrana catalítica. Estudou-se o efeito da reticulação química e por irradiação gama, nas propriedades das membranas e na actividade catalítica.

Projecto de um bio-reactor para cultura celular em membranas tubulares

O Grupo de Engenharia de Tecidos da FCT/UNL desenvolve e produz membranas poliméricas tubulares biodegradáveis que servem de substrato a culturas celulares e que se destinam a substituir temporariamente vasos sanguíneos danificados. O objectivo desta dissertação foi o desenvolvimento de um bio-reactor com a capacidade de bombeamento controlado de um fluido adequado à manutenção de uma cultura celular, que simula a passagem do fluxo sanguíneo pelo interior das membranas tubulares, permitindo que as células nelas semeadas recebam os estímulos adequados ao seu desenvolvimento. Foi construído um bio-reactor de perfusão pulsátil para cultura celular em membranas tubulares que é instalável numa incubadora, beneficiando assim de condições ambientais — pH, temperatura e humidade — semelhantes às fisiológicas. O bio-reactor é capaz de gerar estímulos mecânicos pulsáteis favoráveis ao alinhamento de células endoteliais e de músculo liso. O sistema foi desenvolvido de modo a que a pressão e o caudal aplicados às membranas pudessem ser monitorizados e controlados. Foram semeadas células endoteliais em matrizes planas de policaprolactona, tendo-se confirmado a sua adesão e proliferação por microscopia de fluorescência. Após enrolamento, obtiveram-se duas membranas tubulares com células endoteliais semeadas no lúmen. Uma delas foi submetida a cultura estática, e outra a cultura dinâmica no bio-reactor. Após 10 dias de condicionamento in vitro, as membranas foram novamente observadas por microscopia de fluorescência. Os resultados obtidos não foram conclusivos, pelo que serão necessários novos estudos para concluir se o bio-reactor construído é capaz de garantir o condicionamento mecânico das células semeadas nas matrizes.

The implications of mandatory low-cost fuel provision

This work studies fuel retail firms’ strategic behavior in a two-dimensional product differentiation framework. Following the mandatory provision of “low-cost” fuel we consider that capacity constraints force firms to eliminate of one the previously offered qualities. Firms play a two-stage game choosing fuel qualities from three possibilities (low-cost, medium quality and high quality fuel) and then prices having exogenous opposite locations. In the highest level of consumers’ heterogeneity, a subgame perfect Nash equilibrium exists in which firms both choose minimum quality differentiation. Consumers’ are worse off if no differentiation occurs in medium and high qualities. The effect over prices from the mandatory “low-cost” fuel law is ambiguous.

Fuel switching

The present Master dissertation is a project whose main objective is to identify value creation opportunities through fuel switching in the Portuguese industry, services, agriculture and fishing sectors. Fuel switching opportunities are characterized by type of fuel transition, type of technology transition, economy subsectors prone to have fuel switching and value created through fuel shift. Results suggest tomato concentrate, dairy, beer manufacturing and sugar refining subsectors is where prevalence of fuel oil steam boilers is high, for such cases conversion to natural gas steam boilers should result in operations having a ratio of NPV over CAPEX larger than ten and a payback period just under one year. Results further suggest food, beverages, textile, chemicals and wood subsectors currently operate between ten and twenty cogeneration Diesel engines that can be either modified to operate with natural gas or replaced by new natural gas cogeneration systems. Financial modeling indicates that both options have great value creation potential. The current analysis aims to be used by natural gas suppliers and energy project promoters to identify new potential deals as well as by heavy energy consumers to mitigate their energy related costs.

Application of multivariate statistical process control to fuel cell manufacturing

Univariate statistical control charts, such as the Shewhart chart, do not satisfy the requirements for process monitoring on a high volume automated fuel cell manufacturing line. This is because of the number of variables that require monitoring. The risk of elevated false alarms, due to the nature of the process being high volume, can present problems if univariate methods are used. Multivariate statistical methods are discussed as an alternative for process monitoring and control. The research presented is conducted on a manufacturing line which evaluates the performance of a fuel cell. It has three stages of production assembly that contribute to the final end product performance. The product performance is assessed by power and energy measurements, taken at various time points throughout the discharge testing of the fuel cell. The literature review performed on these multivariate techniques are evaluated using individual and batch observations. Modern techniques using multivariate control charts on Hotellings T2 are compared to other multivariate methods, such as Principal Components Analysis (PCA). The latter, PCA, was identified as the most suitable method. Control charts such as, scores, T2 and DModX charts, are constructed from the PCA model. Diagnostic procedures, using Contribution plots, for out of control points that are detected using these control charts, are also discussed. These plots enable the investigator to perform root cause analysis. Multivariate batch techniques are compared to individual observations typically seen on continuous processes. Recommendations, for the introduction of multivariate techniques that would be appropriate for most high volume processes, are also covered.

Nonlinear analysis and control of PEM fuel cells

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2010

Experimental and model-based analysis of the steady-state and dynamic operating behaviour of the direct methanol fuel cell (DMFC)

Direct methanol fuel cell, DMFC, model, mass transport, Maxwell-Stefan, Flory-Huggins, crossover, polymer electrolyte membrane, Nafion

Modelling of a symmetric molten carbonate fuel cell stack

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2011

System-oriented analysis of the dynamic behaviour of direct methanol fuel cells

DMFC, dynamic behaviour, current steps, system analysis, methanol oxidation, flow field design