Transport mechanism in ionic liquid membranes and the study of thiomersal biodegradation

The initial goal of this work was the development of a supported liquid membrane (SLM) bioreactor for the remediation of vaccine production effluents contaminated with a highly toxic organomercurial – thiomersal. Therefore, two main aspects were focused on: 1) the development of a stable supported liquid membrane – using room temperature ionic liquids (RTILs) – for the selective transport of thiomersal from the wastewater to a biological compartment, 2) study of the biodegradation kinetics of thiomersal to metallic mercury by a Pseudomonas putida strain. The first part of the work focused on the evaluation of the physicochemical properties of ionic liquids and on the SLMs’ operational stability. The results obtained showed that, although it is possible to obtain a SLM with a high stability, water possesses nonnegligible solubility in the RTILs studied. The formation of water clusters inside the hydrophobic ionic liquid was identified and found to regulate the transport of water and small ions. In practical terms, this meant that, although it was possible to transport thiomersal from the vaccine effluent to the biological compartment, complete isolation of the microbial culture could not be guaranteed and the membrane might ultimately be permeable to other species present in the aqueous vaccine wastewater. It was therefore decided not to operate the initially targeted integrated system but, instead, the biological system by itself. Additionally, attention was given to the development of a thorough understanding of the transport mechanisms involved in the solubilisation and transport of water through supported liquid membranes with RTILs as well as to the evaluation of the effect of water uptake by the SLM in the transport mechanisms of water-soluble solutes and its effect on SLM performance. The results obtained highlighted the determinant role played by water – solubilised inside the ionic liquids – on the transport mechanism. It became clear that the transport mechanism of water and water-soluble solutes through SLMs with [CnMIM][PF6] RTILs was regulated by the dynamics of water clusters inside the RTIL, rather than by molecular diffusion through the bulk of the ionic liquid. Although the stability tests vi performed showed that there were no significant losses of organic phase from the membrane pores, the formation of water clusters inside the ionic liquid, which constitute new, non-selective environments for solute transport, leads to a clear deterioration of SLM performance and selectivity. Nevertheless, electrical impedance spectroscopy characterisation of the SLMs showed that the formation of water clusters did not seem to have a detrimental effect on the SLMs’ electrical characteristics and highlighted the potential of using this type of membranes in electrochemical applications with low resistance requirements. The second part of the work studied the kinetics of thiomersal degradation by a pure culture of P. putida spi3 strain, in batch culture and using a synthe tic wastewater. A continuous ly stirred tank reactor fed with the synthetic wastewater was also operated and the bioreactor’s performance and robustness, when exposed to thiomersal shock loads, were evaluated. Finally, a bioreactor for the biological treatment of a real va ccine production effluent was set up and operated at different dilution rates. Thus it was possible to treat a real thiomersal-contaminated effluent, lowering the outlet mercury concentration to values below the European limit for mercury effluent discharges.

Optimization of bioplastics production from cheese whey

Dissertation presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Biotechnology

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.

Produção de biodiesel por transesterificação de óleos vegetais sobre guanidinas ancoradas em suportes sólidos

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

Desenvolvimento de membranas catalíticas para a produção de aroma de jacinto a partir de glicerol

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

Contributo para a avaliação do balanço associado à degradação de compostos disruptores endócrinos em águas residuais domésticas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil de Engenharia Sanitária

Desenvolvimento de membranas catalíticas poliméricas para a metanólise de ácidos gordos

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

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

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.

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.

Characterization of an in vitro fed-batch model to obtain cells released from S. epidermidis biofilms

Both dynamic and fed-batch systems have been used for the study of biofilms. Dynamic systems, whose hallmark is the presence of continuous flow, have been considered the most appropriate for the study of the last stage of the biofilm lifecycle: biofilm disassembly. However, fed-batch is still the most used system in the biofilm research field. Hence, we have used a fed-batch system to collect cells released from Staphylococcus epidermidis biofilms, one of the most important etiological agents of medical device-associated biofilm infections. Herein, we showed that using this model it was possible to collect cells released from biofilms formed by 12 different S. epidermidis clinical and commensal isolates. In addition, our data indicated that biofilm disassembly occurred by both passive and active mechanisms, although the last occurred to a lesser extent. Moreover, it was observed that S. epidermidis biofilm-released cells presented higher tolerance to vancomycin and tetracycline, as well as a particular gene expression phenotype when compared with either biofilm or planktonic cells. Using this model, biofilm-released cells phenotype and their interaction with the host immune system could be studied in more detail, which could help providing significant insights into the pathophysiology of biofilm-related infections.

Experimental study on n-butane partial oxidation to maleic anhydride in a solid electrolyte membrane reactor

n-Butane, Partial oxidation, Maleic anhydride, electrochemical oxygen pumping, solid electrolyte membrane reactor

Optimal operation of multiproduct batch plants

Multiproduct plants, Dynamic Optimization, Mixed Integer Linear/Non-Linear Programming, Scheduling

Analysis of heterogeneously catalyzed ester hydrolysis reactions in a fixed-bed chromatographic reactor

Reactive Chromatography, Fixed-Bed Reactor, Heterogeneous, Hydrolysis, Ester, Catalyst, Adsorption, Ion-Exchange Resin

Spatio-temporal dynamics of glycolysis in an open spatial reactor

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2008