Designing Hydrogels that Transform their Shape in Response to Molecular Cues

There has been considerable interest in developing shape-changing soft materials for potential applications in drug delivery, microfluidics and biosensing. These shape- changing materials are inspired by the morphological changes exhibited by plants in nature, such as the Venus flytrap. One specific class of shape-change is that from a flat sheet to a folded structure (e.g., a tube). Such “self-folding” materials are usually composed of polymer hydrogels, and these typically fold in response to external stimuli such as pH and temperature. In order to develop these hydrogels for the previously described applications, it is necessary to expand the range of triggers. The focus of this dissertation is the advancement of shape-changing polymer hydrogels that are sensitive to uncommon cues such as specific biomolecules (enzymes), the substrates for such enzymes, or specific multivalent cations. First, we describe a hybrid gel that responds to the presence of low concentrations of a class of enzymes known as matrix metalloproteinases (MMPs). The hybrid gel was created by utilizing photolithographic techniques to combine two or more gels with distinct chemical composition into the same material. Certain portions of the hybrid gel are composed of a biopolymer derivative with crosslinkable groups. The hybrid gel is flat in water; however, in the presence of MMPs, the regions containing the biopolymer are degraded and the flat sheet folds to form a 3D structure. We demonstrate that hydrogels with different patterns can transform into different 3D structures such as tubes, helices and pancakes. Furthermore, this shape change can be made to occur at physiological concentrations of enzymes. Next, we report a gel with two layers that undergoes a shape change in the presence of glucose. The enzyme glucose oxidase (GOx) is immobilized in one of the layers. GOx catalyzes the conversion of glucose to gluconic acid. The production of gluconic acid decreases the local pH. The decrease in local pH causes one of the layers to swell. As a result, the flat sheet folds to form a tube. The tube unfolds to form a flat sheet when it is transferred to a solution with no glucose present. Therefore, this biomolecule- triggered shape transformation is reversible, meaning the glucose sensing gel is reusable. Furthermore, this shape change only occurs in the presence of glucose and it does not occur in the presence of other small sugars such as fructose. In our final study, we report the shape change of a gel with two layers in the presence of multivalent ions such as Ca2+ and Sr2+. The gel consists of a passive layer and an active layer. The passive layer is composed of dimethylyacrylamide (DMAA), which does not interact with multivalent ions. The active layer consists of DMAA and the biopolymer alginate. In the presence of Ca2+ ions, the alginate chains crosslink and the active layer shrinks. As a result, the gel converts from a flat sheet to a folded tube. What is particularly unusual is the direction of folding. In most cases, when flat rectangular gels fold, they do so about their short-side. However, our gels typically fold about their long-side. We hypothesize that non-homogeneous swelling determines the folding axis.

FtsH2 and FtsH5: two homologous subunits use different integration mechanisms leading to the same thylakoid multimeric complex

P>The Arabidopsis thylakoid FtsH protease complex is composed of FtsH1/FtsH5 (type A) and FtsH2/FtsH8 (type B) subunits. Type A and type B subunits display a high degree of sequence identity throughout their mature domains, but no similarity in their amino-terminal targeting peptide regions. In chloroplast import assays, FtsH2 and FtsH5 were imported and subsequently integrated into thylakoids by a two-step processing mechanism that resulted in an amino-proximal lumenal domain, a single transmembrane anchor, and a carboxyl proximal stromal domain. FtsH2 integration into washed thylakoids was entirely dependent on the proton gradient, whereas FtsH5 integration was dependent on NTPs, suggesting their integration by Tat and Sec pathways, respectively. This finding was corroborated by in organello competition and by antibody inhibition experiments. A series of constructs were made in order to understand the molecular basis for different integration pathways. The amino proximal domains through the transmembrane anchors were sufficient for proper integration as demonstrated with carboxyl-truncated versions of FtsH2 and FtsH5. The mature FtsH2 protein was found to be incompatible with the Sec machinery as determined with targeting peptide-swapping experiments. Incompatibility does not appear to be determined by any specific element in the FtsH2 domain as no single domain was incompatible with Sec transport. This suggests an incompatible structure that requires the intact FtsH2. That the highly homologous type A and type B subunits of the same multimeric complex use different integration pathways is a striking example of the notion that membrane insertion pathways have evolved to accommodate structural features of their respective substrates.

Biomonitoring of biosurfactant production by green fluorescent protein-marked Bacillus subtilis W1012

BACKGROUND: Biosurfactant production was investigated using two strains of Bacillus subtilis, one being a reference strain (B. subtilis 1012) and the other a recombinant of this (B. subtilis W1012) made able to produce the green fluorescent protein (GFP). RESULTS: Batch cultivations carried out at different initial levels of glucose (GO) in the presence of 10 g L(-1) casein demonstrated that the reference strain was able to release higher levels of biosurfactants in the medium at 5.0 <= G(0) <= 10 g L(-1) (B(max) = 104-110 mg L(-1)). The recombinant strain exhibited slightly lower levels of biosurfactants(B(max) = 90-104 mg L(-1))but only at higher glucose concentrations (G(0) >= 20 g L(-1)). Under these nutritional conditions, the fluorescence intensity linked to the production of GFP was shown to be associated with the cell concentration even after achievement of the stationary phase. CONCLUSION: The ability of the genetically-modified strain to simultaneously overproduce biosurfactant and GFP even at low biomass concentration makes it an interesting candidate for use as a biological indicator to monitor indirectly the biosurfactant production in bioremediation treatments. (C) 2008 Society of Chemical Industry

A utilização da madeira na construção de edifícios: alternativas às soluções tradicionais

Esta dissertação insere-se num projecto de investigação relacionado com o papel que a madeira apresenta na construção nos tempos de hoje, necessário para obtenção do Mestrado em Engenharia Civil. A madeira apresenta, enquanto material de construção, especificidades únicas: é um material orgânico, ao contrário da pedra, do aço e do betão; é um material combustível, sem que isto implique necessariamente uma baixa resistência ao fogo; é um material tradicional, presente em pavimentos e coberturas de edifícios antigos e é, paradoxalmente, um material novo, adoptado em arrojadas obras de arquitectura contemporânea. Estas características, associadas à necessidade de garantir a sustentabilidade da construção e de conservar e reabilitar o património edificado, tornam essencial o estudo das propriedades mecânicas do material, dos seus processos de degradação química e biológica, dos meios de protecção e do comportamento de elementos estruturais ao fogo. As estruturas em madeira têm tido uma procura crescente no nosso país, revelando-se uma opção interessante, como alternativa a estruturas de aço ou de betão. No entanto, por configurarem ainda soluções estruturais, materiais e processos construtivos pouco comuns entre nós, considera-se que não estão suficientemente divulgados os instrumentos de que podemos e devemos dispor para a garantia da qualidade destas estruturas. É apresentado um estudo de viabilidade económica no âmbito do nosso país, comparando casas em madeira, modulares pré-fabricadas, com casas cuja construção é feita em alvenaria e betão armado, de forma a poder comparar os custos para ambas as soluções construtivas. Para tal, foram realizadas visitas a empresas, fábricas e a obras com o objectivo de entender como funciona o processo de fabrico de uma casa pré-fabricada em madeira.

Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Encontro de Culturas no Açoriano Oriental entre 1933 e 1974

Dissertação de Mestrado em Tradução e Assessoria Linguística.

Levantamento ambiental de uma indústria conserveira nos Açores

Dissertação de Mestrado em Ambiente, Saúde e Segurança.

Forest resources in Graciosa Island (Azores) : biomass availability for sustainable energetic use

Dissertação de Mestrado em Ambiente, Saúde e Segurança.

Controlo de águas do processo e optimização da produção de papel

Na Fábrica de Papel da Ponte Redonda fabricam-se sacos de papel multi-folhas e papel reciclado do tipo Kraft. Tendo em consideração a primeira actividade, é de grande interesse optimizar o processo de fabrico de papel com vista a incorporara a máxima taxa de papel produzido internamente nas diferentes camadas dos sacos de papel. Os papéis de maior interesse são os do tipo Fluting e Liners, tendo sido produzidos em 2010 um total de 4,9 mil toneladas, ou seja 90% de todo o papel fabricado em 2010, correspondendo a a 4 mil toneladas de papéis do tipo Liners e 0,9 mil toneladas para os papéis do tipo Fluting. Nos papéis do tipo Liners incluem-se os papéis do tipo Test-Liner e Kraft-Liner, representando em termos produtivos valores idênticos. No âmbito deste trabalho, em que se pretendeu controlar as águas do processo e optimizar a produção de papel, foram introduzidos uma unidade de flutuação e um sistema que permitisse regular a consistência da suspensão fibrosa à entrada da máquina do papel, e foram ainda estudadas as possibilidades de adição de produtos químicos para melhorar as características da pasta assim como um tratamento microbiológico mais eficaz para todo o processo. Para se avaliar se as medidas implementadas teriam um impacto positivo na qualidade desses dois tipos de papéis, desenvolveu-se o trabalho em duas fases: a primeira envolve a introdução de um sistema de flutuação e de um sistema de controlo de consistência da pasta, assim como a selecção de produtos químicos a adicionar ao processo. A segunda fase consistiu na avaliação do efeito destas medidas nas características do papel fabricado. Para o efeito foram escolhidos dois tipos de papel e de diferentes gramagens, nomeadamente Test-Liner de 80 g/m2 e Fluting de 110 g/m2. Introduziu-se um flutuador com o objectivo de tratar parte das águas do processo de fabrico com vista a serem reutilizadas em determinadas aplicações possíveis para a qualidade da água obtida (lavagens e água do processo), de modo a conseguir-se uma poupança de água, assim como aproveitar-se as lamas resultantes, ricas em fibra de celulose, para utilizá-las como matéria-prima. Foi introduzido um regulador de consistência no processo da Ponte Redonda com o objectivo de alimentar de uma forma constante a consistência da pasta à entrada da máquina do papel proporcionando uma melhor formação da folha, devido à ligação entre fibras, na direcção máquina e direcção transversal. Esse sistema inovador é um Regulador de Consistência que vem proporcionar à máquina do papel uma alimentação em fibra mais constante. O fabrico de papel apenas a partir de fibras de celulose não permitirá obter um papel com as características desejadas para a sua utilização. Para corrigir estas deficiências, são adicionados produtos químicos para atribuir ou melhorar as propriedades dos papéis. Desta forma considerou-se interessante introduzir no processo um agente de retenção numa fase posterior à preparação da pasta e antes da chegada à máquina de papel, de forma a melhorar as características da suspensão fibrosa. Assim foi implementado um sistema cuja eficácia foi avaliada. Concluiu-se que com a sua implementação a máquina de papel apresentou melhores resultados na drenagem e na turbidez da água removida, significando uma água com menor teor de matéria suspensa e dissolvida, devido à melhor agregação das fibras dispersas na suspensão fibrosa, levando a um aumento da drenagem e consequentemente melhor eficiência das prensas e secaria. Foi também elaborado um estudo para introdução de um sistema de tratamento microbiológico em todo o processo de fabrico de papel, devido à existência de microorganismos prejudiciais ao seu fabrico. Concluiu-se que a água clarificada proveniente do flutuador apresentou qualidade aceitável para os objectivos pretendidos. No entanto, considerando a eficiência de 26,5% na remoção de sólidos suspensos será necessário mais algum tempo de utilização da água clarificada, cerca de um ano, para avaliar se esta terá algum efeito prejudicial nos equipamentos. Verificou-se que devido à existência de microrganismos em todo o processo de fabrico de papel será necessário efectuar lavagens aos tinões, tanques e circuitos com alguma regularidade, aproveitando-se as paragens do processo assim como implementar um sistema de tratamento microbiológico mais eficaz. Em resultado das medidas implementadas concluiu-se que os papéis produzidos apresentaram melhorias, tendo-se obtido melhores resultados em todos os ensaios de resistência. No papel do tipo Test-Liner destacam-se os bons resultados nos ensaios de superfície, Cobb60 e rebentamento. No caso do parâmetro do Cobb60, foi um resultado surpreendente visto que por norma este tipo de papéis reciclados não suportam este ensaio. Concluiu-se também que as medidas implementadas proporcionaram uma melhor agregação e ligação entre fibras, e melhor formação da folha na máquina do papel proporcionando aos papéis propriedades físico-mecânicas mais interessantes.

Gestão da água na produção de leite na Ilha do Faial

Dissertação de Mestrado em Engenharia do Ambiente.

Análise e optimização global de uma linha de extrusão

Os objectivos principais deste estudo são a caracterização de uma das linhas de extrusão existentes na Cabelte, nomeadamente a linha de extrusão de referência EP5, composta por duas extrusoras. Pretende-se fazer a determinação de indicadores energéticos e de processo e a optimização do consumo energético, no que diz respeito à energia consumida e às perdas térmicas relativas a esta linha. Para fazer a monitorização da linha de extrusão EP5 foi colocado no quadro geral dessa linha um equipamento central de medida de forma a ser possível a sua monitorização. No entanto, para a extrusora auxiliar as medições foram efectuadas com uma pinça amperimétrica e um fasímetro. Foram também efectuados ensaios onde foi avaliada a quantidade de material transformada, para isso foi utilizado um equipamento de pesagem, doseador gravimétrico aplicado nas extrusoras. As medições de temperatura para os cálculos das perdas térmicas da extrusora principal e para a caracterização dos materiais plásticos, foram efectuadas utilizando um termómetro digital. Foram efectuados ensaios de débito às extrusoras auxiliar e principal e foi estudada a variação do factor de potência em função da rotação do fuso. Na perspectiva do utilizador final a optimização para a utilização racional de energia está na redução de encargos da factura de energia eléctrica. Essa factura não depende só da quantidade mas também do modo temporal como se utiliza essa energia, principalmente a energia eléctrica, bastante dependente do período em que é consumida. Uma metodologia diferente no planeamento da produção, contemplando o fabrico dos cabos com maior custo específico nas horas de menor custo energético, implicaria uma redução dos custos específicos de 18,7% para o horário de verão e de 20,4% para o horário de inverno. Os materiais de revestimento utilizados (PE e PVC), influenciam directamente os custos energéticos, uma vez que o polietileno (PE) apresenta sempre valores de entalpia superiores (0,317 kWh/kg e 0,281 kWh/kg)) e necessita de temperaturas de trabalho mais elevadas do que o policloreto de vinilo (PVC) (0,141 kWh/kg e 0,124 kWh/kg). O consumo específico tendencialmente diminui à medida que aumenta a rotação do fuso, até se atingir o valor de rotação óptimo, a partir do qual esta tendência se inverte. O cosφ para as duas extrusoras em estudo, aumenta sempre com o aumento de rotação do fuso. Este estudo permitiu avaliar as condições óptimas no processo de revestimento dos cabos, de forma a minimizarmos os consumos energéticos. A redução de toda a espécie de desperdícios (sobre consumos, desperdício em purgas) é uma prioridade de gestão que alia também a eficácia à eficiência, e constitui uma ferramenta fundamental para assegurar o futuro da empresa. O valor médio lido para o factor de potência (0,38) da linha EP5, valor extremamente baixo e que vem associado à energia reactiva, além do factor económico que lhe está inerente, condiciona futuras ampliações. A forma de se corrigir o factor de potência é instalando uma bateria de condensadores de 500 kVAr. Considerando o novo sistema tarifário aplicado à energia reactiva, vamos ter um ganho de 36167,4 Euro/ano e o período de retorno de investimento é de 0,37 ano (4,5 meses). Esta medida implica também uma redução anual na quantidade de CO2 emitida de 6,5%. A quantificação das perdas térmicas é importante, pois só desta forma se podem definir modos de actuação de forma a aumentar a eficiência energética. Se não existir conhecimento profundo dos processos e metodologias correctas, não podem existir soluções eficientes, logo é importante medir antes de avançar com qualquer medida de gestão.

Averiguação do potencial de vento em ambiente edificado para aproveitamentos

O objectivo deste projecto consiste em analisar o potencial eólico em ambiente edificado urbano, considerando a utilização de turbinas eólicas de eixo vertical para produção de energia nesse contexto. Pretende-se com este documento demonstrar que, embora os estudos sobre as turbinas de eixo vertical sejam ainda reduzidos quando comparados aos das de eixo horizontal, tal não implica que as mesmas não tenham características que, em determinados cenários, sejam superiores às turbinas de eixo horizontal. Para a análise da intensidade de vento em cenário edificado urbano, seleccionou-se como local de estudo desta tese o Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), mais concretamente, o edifício F e o edifício E. Foi escolhido o edifício F, pelo facto de a acessibilidade ao mesmo ser mais fácil e também pelo facto de nesse edifício se ter acesso à parte norte do mesmo, onde os ventos são de intensidade mais forte. O edifício E como já tinha um anemómetro colocado a recolher dados para a estação meteorológica do ISEP foi igualmente objecto de incorporação na tese e utilizado na avaliação geoestatística exemplificativa. Após a extensa recolha de dados nos locais anteriormente mencionados, procedeu-se à análise de diversas turbinas de eixo vertical em termos dos respectivos perfis de produção. De seguida, efectuou-se uma análise estatística e geoestatística de carácter exemplificativo, de modo a caracterizar a intensidade de vento presente na área compreendida entre o edifício E e o edifício F. De forma a finalizar o documento, é apresentada uma conclusão relativa ao potencial eólico para produção de energia eléctrica em ambiente edificado urbano por recurso a turbinas eólicas de eixo vertical.

Construção de um parque eólico industrial

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Reabilitação energética de um edifício de índole cultural: Centro Cultural de Belém

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Tipificação de fundações de torres eólicas em parques industriais, para diversos tipos de solos

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações