Development of a process for the direct synthesis of hydrogen peroxide in a novel microstructured reactor

Microreactors have proven to be versatile tools for process intensification. Over recent decades, they have increasingly been used for product and process development in chemical industries. Enhanced heat and mass transfer in the reactors due to the extremely high surfacearea- to-volume ratio and interfacial area allow chemical processes to be operated at extreme conditions. Safety is improved by the small holdup volume of the reactors and effective control of pressure and temperature. Hydrogen peroxide is a powerful green oxidant that is used in a wide range of industries. Reduction and auto-oxidation of anthraquinones is currently the main process for hydrogen peroxide production. Direct synthesis is a green alternative and has potential for on-site production. However, there are two limitations: safety concerns because of the explosive gas mixture produced and low selectivity of the process. The aim of this thesis was to develop a process for direct synthesis of hydrogen peroxide utilizing microreactor technology. Experimental and numerical approaches were applied for development of the microreactor. Development of a novel microreactor was commenced by studying the hydrodynamics and mass transfer in prototype microreactor plates. The prototypes were designed and fabricated with the assistance of CFD modeling to optimize the shape and size of the microstructure. Empirical correlations for the mass transfer coefficient were derived. The pressure drop in micro T-mixers was investigated experimentally and numerically. Correlations describing the friction factor for different flow regimes were developed and predicted values were in good agreement with experimental results. Experimental studies were conducted to develop a highly active and selective catalyst with a proper form for the microreactor. Pd catalysts supported on activated carbon cloths were prepared by different treatments during the catalyst preparation. A variety of characterization methods were used for catalyst investigation. The surface chemistry of the support and the oxidation state of the metallic phase in the catalyst play important roles in catalyst activity and selectivity for the direct synthesis. The direct synthesis of hydrogen peroxide was investigated in a bench-scale continuous process using the novel microreactor developed. The microreactor was fabricated based on the hydrodynamic and mass transfer studies and provided a high interfacial area and high mass transfer coefficient. The catalysts were prepared under optimum treatment conditions. The direct synthesis was conducted at various conditions. The thesis represents a step towards a commercially viable direct synthesis. The focus is on the two main challenges: mitigating the safety problem by utilization of microprocess technology and improving the selectivity by catalyst development.

Virulence properties of Aggregatibacter actinomycetemcomitans biofilm and characterisation of its putative cytokine exploitation

Biofilms are surface-attached multispecies microbial communities that are embedded by their self-produced extracellular polymeric substances. This lifestyle enhances the survival of the bacteria and plays a major role in many chronic bacterial infections. For instance, periodontitis is initiated by multispecies biofilms. The phases of active periodontal tissue destruction and notably increased levels of proinflammatory mediators, such as the key inflammatory mediator interleukin (IL)-1beta, are typical of the disease. The opportunistic periodontal pathogen Aggregatibacter actinomycetemcomitans is usually abundant at sites of aggressive periodontitis. Despite potent host immune system responses to subgingival invaders, A. actinomycetemcomitans is able to resist clearance attempts. Moreover, some strains of A. actinomycetemcomitans can generate genetic diversity through natural transformation, which may improve the species’ adjustment tothe subgingival environment in the long term. Some biofilm forming species are known to bind and sense human cytokines. As a response to cytokines, bacteria may increase biofilm formation and alter their expression of virulence genes. Specific outer membrane receptors for interferon-γ or IL-1β have been characterised in two Gram-negative pathogens. Because little is known about periodontal pathogens’ ability to sense cytokines, we used A. actinomycetemcomitans as a model organism to investigate how the species responds to IL-1beta. The main aims of this thesis were to explore cytokine binding on single-species A. actinomycetemcomitans biofilms and to determine the effects of cytokines on the biofilm formation and metabolic activity of the species. Additionally, the cytokine’s putative internalisation and interaction with A. actinomycetemcomitans proteins were studied. The possible impact of biofilm IL-1beta sequestering on the proliferation and apoptosis of gingival keratinocyte cells was evaluated in an organotypic mucosa co-culture model. Finally, the role of the extramembranous domain of the outer membrane protein HofQ (emHofQ) in DNA binding linked to DNA uptake in A. actinomycetemcomitans was examined. Our main finding revealed that viable A. actinomycetemcomitans biofilms can bind and take up the IL-1β produced by gingival cells. At the sites of pathogen-host interaction, the proliferation and apoptosis of gingival keratinocytes decreased slightly. Notably, the exposure of biofilms to IL-1beta caused their metabolic activity to drop, which may be linked to the observed interaction of IL-1beta with the conserved intracellular proteins DNA binding protein HU and the trimeric form of ATP synthase subunit beta. A Pasteurellaceaespecific lipoprotein, which had no previously determined function, was characterized as an IL-1beta interacting membrane protein that was expressed in the biofilm cultures of all tested A. actinomycetemcomitans strains. The use of a subcellular localisation tool combined with experimental analyses suggested that the identified lipoprotein, bacterial interleukin receptor I (BilRI), may be associated with the outer membrane with a portion of the protein oriented towards the external milieu. The results of the emHofQ study indicated that emHofQ has both the structural and functional capability to bind DNA. This result implies that emHofQ plays a role in DNA assimilation. The results from the current study also demonstrate that the Gram-negative oral species appears to sense the central proinflammatory mediator IL-1beta.

Catalytic direct synthesis of hydrogen peroxide in a novel microstructured reactor

The direct synthesis from hydrogen and oxygen is a green alternative for production of hydrogen peroxide. However, this process suffers from two challenges. Firstly, mixtures of hydrogen and oxygen are explosive over a wide range of concentrations (4-94% H2 in O2). Secondly, the catalytic reaction of hydrogen and oxygen involves several reaction pathways, many of them resulting in water production and therfore decreasing selectivity. The present work deals with these two challenges. The safety problem was dealed by employing a novel microstructured reactor. Selectivity of the reaction was highly improved by development a set of new catalysts. The final goal was to develop an effective and safe continuous process for direct synthesis of hydrogen peroxide from H2 and O2. Activated carbon cloth and Sibunit were examined as the catalysts’ supports. Palladium and gold monometallic and palladium-gold bimetallic catalysts were thoroughly investigated by numerous kinetic experiments performed in a tailored batch reactor and several catalyst charachterization methods. A complete set of data for direct synthesis of H2O2 and its catalytic decomposition and hydrogenation was obtained. These data were used to assess factors influencing selectivity and activity of the catalysts in direct synthesis of H2O2 as well as its decomposition and hydrogenation. A novel microstructured reactor was developed based on hydrodynamics and mass transfer studies in prototype microstractural plates. The shape and the size of the structural elements in the microreactor plate were optimized in a way to get high gas-liquid interfacial area and gas-liquid mass transfer. Finally, empirical correlations for the volumetric mass transfer coefficient were derived. A bench-scale continuous process was developed by using the novel microstructral plate reactor. A series of kinetic experiments were performed to investigate the effects of the gas and the liquid feed rates and their ratio, the amount of the catalyst, the gas feed composition and pressure on the final rate of H2O2 production and selectivity.

Development of an HTR-10 model in the Serpent reactor physics code

The use of exact coordinates of pebbles and fuel particles of pebble bed reactor modelling becoming possible in Monte Carlo reactor physics calculations is an important development step. This allows exact modelling of pebble bed reactors with realistic pebble beds without the placing of pebbles in regular lattices. In this study the multiplication coefficient of the HTR-10 pebble bed reactor is calculated with the Serpent reactor physics code and, using this multiplication coefficient, the amount of pebbles required for the critical load of the reactor. The multiplication coefficient is calculated using pebble beds produced with the discrete element method and three different material libraries in order to compare the results. The received results are lower than those from measured at the experimental reactor and somewhat lower than those gained with other codes in earlier studies.

Experimental Studies on Non-Metallic Composite Bone Implants With a Special Reference to Staphylococcal Biofilm Infection

Non-metallic implants made of bioresorbable or biostable synthetic polymers are attractive options in many surgical procedures, ranging from bioresorbable suture anchors of arthroscopic surgery to reconstructive skull implants made of biostable fiber-reinforced composites. Among other benefits, non-metallic implants produce less interference in imaging. Bioresorbable polymer implants may be true multifunctional, serving as osteoconductive scaffolds and as matrices for simultaneous delivery of bone enhancement agents. As a major advantage for loading conditions, mechanical properties of biostable fiber-reinforced composites can be matched with those of the bone. Unsolved problems of these biomaterials are related to the risk of staphylococcal biofilm infections and to the low osteoconductivity of contemporary bioresorbable composite implants. This thesis was focused on the research and development of a multifunctional implant model with enhanced osteoconductivity and low susceptibility to infection. In addition, the experimental models for assessment, diagnostics and prophylaxis of biomaterial-related infections were established. The first experiment (Study I) established an in vitro method for simultaneous evaluation of calcium phosphate and biofilm formation on bisphenol-Aglycidyldimethacrylate and triethylenglycoldimethacrylate (BisGMA-TEGDMA) thermosets with different content of bioactive glass 45S5. The second experiment (Study II) showed no significant difference in osteointegration of nanostructured and microsized polylactide-co-glycolide/β-tricalcium phosphate (PLGA /β-TCP) composites in a minipig model. The third experiment (Study III) demonstrated that positron emission tomography (PET) imaging with the novel 68Ga labelled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) CD33 related sialic-acid immunoglobulin like lectins (Siglec-9) tracer was able to detect inflammatory response to S. epidermidis and S. aureus peri-implant infections in an intraosseous polytetrafluoroethylene catheter model. In the fourth experiment (Study IV), BisGMATEGDMA thermosets coated with lactose-modified chitosan (Chitlac) and silver nanoparticles exhibited antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa strains in an in vitro biofilm model and showed in vivo biocompatibility in a minipig model. In the last experiment (Study V), a selective androgen modulator (SARM) released from a poly(lactide)-co-ε-caprolactone (PLCL) polymer matrix failed to produce a dose-dependent enhancement of peri-implant osteogenesis in a bone marrow ablation model.

Detection of exopolysaccharide production and biofilm-related genes in Staphylococcus spp. isolated from a poultry processing plant

Staphylococcus spp. can survive in biofilms for long periods of time, and they can be transferred from one point to another and cause environmental contamination in food processing. The aim of this study was to detect Staphylococcus strains isolated from a poultry processing plant by the presence of adhesion genes and the phenotypic production of exopolysaccharide. In the present study, the production of exopolysaccharide and the presence of adhesion genes in 65 strains of Staphylococcus spp. were evaluated. All strains of Staphylococcus spp. produced exopolysaccharide, as confirmed by formation of black and opaque colonies in Congo Red Agar. The variation of sucrose content was critical for the production of exopolysaccharide in Congo Red Agar since at low sucrose concentrations all strains presented a characteristic result, i.e., there was no exopolysaccharide production. The atl gene was found in all strains, and the icaA and icaD genes were found in 97% of them. The data obtained suggest that Staphylococcus spp. isolated from the poultry processing plant evaluated has a potential for biofilm formation. An efficient control of this microorganism in food processing environment is necessary as they may represent a potential risk to consumers.

Bacterial adhesion and biofilm formation on monolithic zirconia

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää bakteerien kiinnittymistä ja bakteeribiofilmin muodostumista implanttimateriaalien pinnalla. Monoliittisen zirkonian ja lasikeramien käyttö implanttikruunujen materiaaleina kasvaa jatkuvasti. Zirkoniaa käytetään myös abutmenttien materiaalina esteettisillä alueilla. Tällä hetkellä on vain vähän tutkimustietoa näiden implanttikruunumateriaalien sekä implanttikruunujen sementoimiseen käytetyn sementin pinnalla tapahtuvasta bakteeriadheesiosta ja biofilmin muodostumisesta. Bakteerien adheesiota ja biofilmin muodistumista tutkittiin neljän eri materiaalin pinnalla. Tutkimuksessa käytetyt materiaalit olivat: (1) Litiumdisilikaatti (LDS; IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent,kontrolli), (2) Kokonaan stabiloitu zirkonia (FSZ; Prettau Anterior, Zirkonzahn), (3) Osittain stabiloitu zirkonia (PSZ; Katana, Noritake), ja (4) Kaksoiskovetteinen sementti (DCC; Multilink hybrid abutment cement, Ivoclar Vivadent). Kaikki tutkimuksessa käytetyt materiaalit valmisteltiin ja kiillotettiin valmistajien ohjeiden mukaisesti Tutkittavat pinnat inkuboitiin Streptococcus mutans-suspensiossa +37°C:ssä asteessa. Bakteeriadheesiotestissä inkubointiaika oli 30 minuuttia ja biofilmitestissä vastaava aika oli 24 tuntia. Materiaalien pintoja tarkasteltiin myös elektronimikroskooppia käyttäen. Tutkimuksessa todettiin, että bakteeriadheesiossa oli eroja eri materiaalien välillä. Biofilmin. muodostumisessa ei todettu tilastollisesti merkittäviä eroja tutkittavien materiaalien välillä.

Estudio de la variación del pH a nivel de reactor biológico, sobre la remoción de dietilenglicol de agua residual industrial [por] Ricardo Carreño Andrade

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Ambiental) U.A.N.L.

Síntesis de ftalocianinas en un reactor de placas paralelas.

Tesis (Maestría en Ciencias con Orientación en Procesos Sustentables) UANL, 2011.

Diseño y evaluación de un reactor en columna a escala Bench para la remoción de metales pesados utilizando la proteína quimérica metalotioneína-tioredoxina.

Tesis (Doctor en Ciencias con Especialidad en Biotecnología) UANL, 2011.

Artificial neural network modeling of phenol adsorption onto barley husks activated carbon in an airlift reactor.

Tesis (Doctor en Ciencias con Orientación en Procesos Sustentables) UANL, 2013.

Caractérisation génétique, phénotypique et formation de biofilm des souches de Candida albicans répondant ou non au farnésol

Candida albicans, le pathogène opportuniste le plus commun, peut subir des transitions morphologiques entre la forme levure et la forme hyphe, jouant un rôle dans la formation de biofilm. Le farnésol, un lipide endogène produit par C. albicans, est une molécule de quorum sensing qui inhibe cette transition morphologique. Certaines souches ne répondent pas au farnésol et nous avons vérifié les hypothèses que : 1) l’isolat clinique SC5314, la souche la mieux caractérisée, est un répondeur au farnésol; 2) la germination, la croissance et la formation de biofilm des non répondeurs diffèrent des répondeurs; 3) l’absence de la réponse au farnésol se manifeste en dehors de conditions de culture précises; 4) le farnésol agit via un récepteur nucléaire qui présente des altérations chez les non répondeurs; 5) la différence de la réponse au farnésol entre les souches s’explique par des variations au niveau transcriptionnel de certains gènes (CHK1, HST7, CPH1, GAP1, RAM2 et DPP3). Les non répondeurs produisent un plus grand nombre d’hyphes, forment 60% plus de biofilm et croissent 50% moins vite que les répondeurs. La souche SC5314 se comporte comme un répondeur. L’absence de la réponse au farnésol se manifeste indépendamment des conditions de culture. Cependant, elle ne s’explique pas par une différence dans le niveau d’expression des gènes proposés, excepté pour DPP3 qui est surexprimé chez le non répondeur ATTC® 36802, suggérant ainsi une surproduction de farnésol chez cette souche. De plus, si le farnésol agit via un récepteur nucléaire, il sera d’un type non décrit précédemment.

Sélection de mutations affectant la formation de biofilm chez Actinobacillus pleuropneumoniae

Actinobacillus pleuropneumoniae (App) est l’agent étiologique de la pleuropneumonie porcine, une infection pulmonaire contagieuse chez les porcs. Parmi les nombreux mécanismes de virulence retrouvés chez les bactéries, la formation de biofilms joue souvent un rôle important dans la pathogenèse. Il a été récemment démontré qu’App avait la capacité de former des biofilms in vitro. Dans notre laboratoire, la formation de biofilms par App a été évaluée en microplaques dans différents milieux de culture. Nous avons démontré que la souche de référence de sérotype 1 est capable de former des biofilms. Le but de ce travail est d’identifier des gènes impliqués dans la biosynthèse et dans la régulation de l’expression des biofilms chez App. L’objectif de cette étude était de générer une banque de mutants d’App 4074NalR à l’aide du transposon mini-Tn10. Cette banque de 1200 mutants a été criblée à l’aide du modèle in vitro de formation de biofilms en microplaques et en tubes : 24 mutants démontrant une formation de biofilms modifiée par rapport à la souche mère App 4074NalR ont été sélectionnés et identifiés, nous permettant ainsi de localiser le site d’insertion du transposon. Une analyse a permis d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans la biosynthèse et dans la régulation de l’expression des biofilms chez App. Notre criblage a permis d’identifier 16 gènes connus impliqués dans la formation de biofilms chez App (hns) ou chez d’autres pathogènes (potD2, ptsI, tig and rpmF) mais également de nouveaux gènes impliqués dans la formation de biofilm (APL_0049, APL_0637 and APL_1572). Une caractérisation plus poussée de ces gènes nous permettra d’améliorer la compréhension des mécanismes impliqués dans la formation de biofilm chez App.

Zinc as an agent for the prevention of biofilm formation by pathogenic bacteria

Les biofilms sont des communautés structurées de micro-organismes enrobées dans une matrice extracellulaire. Les biofilms sont impliqués dans la persistance de plusieurs maladies infectieuses et la matrice extracellulaire du biofilm protège les bactéries contre les cellules du système immunitaire de l'hôte, les antibiotiques et les désinfectants. Récemment notre laboratoire a démontré que le zinc inhibe la formation de biofilm chez Actinobacillus pleuropneumoniae, une bactérie pathogène du porc. Le but de cette étude est d'évaluer l'effet du zinc sur la croissance et la formation du biofilm chez différentes bactéries pathogènes du porc, telles que Bordetella bronchiseptica, Escherichia coli, Haemophilus parasuis, Salmonella, Staphylococcus aureus et Streptococcus suis. Les bactéries ont été cultivées dans des plaques de 96 puits sous condition optimale de formation de biofilm et les biofilms ont été colorés au cristal violet. La présence du biofilm a été confirmée par microscopie confocale à balayage laser à l’aide du marqueur fluorescent FilmTracerTM FM ® 1-43. À des concentrations micromolaires, le zinc inhibe faiblement la croissance bactérienne et bloque d'une manière dose-dépendante la formation de biofilm d’A. pleuropneumoniae, Salmonella Typhimurium et H. parasuis. De plus, la formation de biofilm de E. coli, S. aureus et S. suis a été faiblement inhibée par le zinc. Nos résultats indiquent que le zinc a un effet inhibiteur sur la formation de biofilm de la plupart des pathogènes bactériens d'origine porcine. Cependant, le mécanisme sous-jacent de l'activité anti-biofilm du zinc reste à être caractérisé.

Étude sur le biofilm et les mécanismes de résistance à la bacitracine chez Clostridium perfringens

Clostridium perfringens est ubiquitaire dans l’environnement. Ce microorganisme peut être retrouvé dans la flore normale du tractus gastro-intestinal des mammifères et peut également causer une variété d’infections intestinales. Le phénotype de résistance à la bacitracine a déjà été rapporté chez C. perfringens mais les gènes associés n’ont pas été caractérisés. Dans cette étude, 24 des 99 isolats de C. perfringens aviaires testés ont démontré une résistance à la bacitracine. Les analyses ont révélé la présence d’un transporteur ABC ainsi que d’une undécaprénol kinase surproduite. Ces deux mécanismes semblent être codés par l’opéron bcrABDR. En amont et en aval des gènes bcr, un élément IS1216-like a été identifié, celui-ci pouvant jouer un rôle dans la dissémination de la résistance à la bacitracine. Des analyses d’hybridation sur ADN ont révélé que les gènes bcrABDR étaient localisés sur le chromosome. De plus, il a été démontré que les gènes bcr étaient exprimés en présence de bacitracine. Plusieurs études ont associé la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants à la formation de biofilm. Dans la littérature, peu d’informations sont disponibles sur le biofilm de C. perfringens. La majorité des isolats testés dans cette étude ont démontré la formation d’un biofilm. L’analyse de la matrice a démontré que celle-ci contenait des protéines, de l’ADN extracellulaire ainsi que des polysaccharides liés en bêta-1,4. Une meilleure survie des cellules en biofilm a été observée suite à une exposition à de fortes concentrations d’antibiotiques. Une exposition à de faibles doses de certains antibiotiques semblait diminuer le biofilm formé alors que pour d’autres, le biofilm semblait augmenter. Dans la présente étude, la susceptibilité des biofilms de C. perfringens à la désinfection a été également analysée. Les résultats ont démontré que la formation de biofilm protégeait les cellules de l’action du monopersulfate de potassium, des ammoniums quaternaires, du peroxyde d’hydrogène et du glutéraldéhyde. Toutefois, l’hypochlorite de sodium a été démontré comme étant efficace contre le biofilm de C. perfringens. Il a été démontré que les biofilms mixtes de C. perfringens cultivés en présence de Staphylococcus aureus ou d’Escherichia coli étaient plus résistants à la désinfection en comparaison aux biofilms simples de S. aureus ou d’E. coli. Toutefois, le biofilm simple de C. perfringens était plus résistant à la désinfection que les biofilms mixtes. Finalement, les profils de transcription entre les populations planctoniques et en biofilm ont été analysés par séquençage d’ARN. L’analyse transcriptomique du biofilm a identifié 238 gènes différentiellement exprimés entre les deux conditions. Les gènes négativement régulés sont impliqués dans la virulence, la production d’énergie, le métabolisme des sucres ainsi que dans la biosynthèse des acides gras et des acides aminés alors que les gènes induits sont impliqués dans la réponse au stress et au stress oxydatif, dans la biosynthèse d’acides gras et de phospholipides ainsi que dans la virulence. Cette étude décrit pour la première fois la découverte des gènes associés à la résistance à la bacitracine chez C. perfringens. Elle rapporte également de nouvelles données sur la matrice du biofilm, la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants ainsi que sur le transcriptome du biofilm de C. perfringens.