Reutilização das águas de tingimento utilizando a Nanofiltração

Este trabalho na área dos processos físicos de separação por membranas, nomeadamente, a nanofiltração (NF), tem como objectivo principal a recuperação dos efluentes resultantes das águas da 3ª lavagem utilizadas na operação de tingimento de fibras de algodão, com corantes reactivos. Estão inerentes as problemáticas: da escassez da água como matéria-prima na vertente de água potável; da diminuição de efluentes que necessitam de tratamentos devido à sua carga poluente; da recuperação sempre que seja viável dos produtos químicos adicionados nesta fase de tratamento das fibras de algodão e por último e não menos importante, da energia contida nestes efluentes que vão para o esgoto a temperaturas na ordem dos 50 ºC. A metodologia adoptada na realização deste trabalho consistiu, inicialmente num estudo sobre os trabalhos realizados até hoje nesta área, seguindo-se a recolha dos efluentes na empresa ―Estamparia Têxtil Adalberto Pinto da Silva, S.A.‖ (ETAPS) e posterior estudo da recuperação dos efluentes em causa pelo processo de NF utilizando a membrana NF270-2540 da empresa FILMTEC. Os efluentes estudados no presente trabalho continham corantes reactivos sendo um corante azul-claro (CAC) de composição (Amarelo Bril Remazol GL 150% + Azul Brilhante Remazol BB 133% + Azul Turqueza Remazol G) e o outro corante azul-marinho (CAM) de composição (Preto Remazol B 133% + Vermelho Remazol RGB + Amarelo Ouro Remazol RGB). Estes estudos de recuperação compreenderam basicamente 3 fases: caracterização do efluente recolhido na empresa; tratamento desse efluente utilizando uma instalação piloto de NF de fluxo cruzado ou também conhecido por membrana de fluxo tangencial instalado no Laboratório de Tecnologia (LT) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), e caracterização dos permeados e dos rejeitados obtidos. A análise de resultados do presente trabalho permitiu concluir ser possível a recuperação e reutilização das 3ª águas de lavagem do processo de tingimento quando tratadas pelo processo de NF a pressões de operação de 6 bar. Nestas circunstâncias os permeados obtidos (tanto no efluente com corante azul-claro como no efluente com corante azul-marinho) apresentam valores, em todos os parâmetros estudados, significativamente abaixo dos valores limites recomendáveis para uma água de abastecimento na Industria Têxtil (IT). Salienta-se reduções mais expressivas nos permeados do corante CAM, com vários parâmetros a sofrerem reduções no intervalo de 98 a 100%, nomeadamente, na cor, turvação, CQO, dureza total, alumínio e manganês. Os resultados obtidos para as pressões de operação de 4 e 8 bar mostram alguns parâmetros com valores acima dos recomendados para uma água de abastecimento na Indústria Têxtil, nomeadamente a cor no corante CAC quando se opera a 4 bar e no corante CAM quando se opera a 8 bar e os sulfatos e ferro no CAM à pressão de 4 bar. Estes resultados mostram ser possível a reutilização da água na própria instalação industrial, trazendo um benefício económico e ambiental, pela redução no consumo de água fresca e energia, além da redução do volume de efluentes que necessitam ser tratados, estando na mesma linha de pensamento de Gross et al (1999), que refere que o uso de membranas para o tratamento de efluentes do processo de tingimento tem como principal objectivo a viabilidade económica, a redução no consumo de água, de sais, de corantes e energia, bem como, a redução do volume de efluentes a ser tratado.

Shear-induced lamellar phase of an ionic liquid crystal at room temperature

The phase behaviour of a number of N-alkylimidazolium salts was studied using polarizing optical microscopy, differential scanning calorimetry and X-ray diffraction. Two of these compounds exhibit lamellar mesophases at temperatures above 50 degrees C. In these systems, the liquid crystalline behaviour may be induced at room temperature by shear. Sheared films of these materials, observed between crossed polarisers, have a morphology that is typical of (wet) liquid foams: they partition into dark domains separated by brighter (birefringent) walls, which are approximately arcs of circle and meet at "Plateau borders" with three or more sides. Where walls meet three at a time, they do so at approximately 120 degrees angles. These patterns coarsen with time and both T1 and T2 processes have been observed, as in foams. The time evolution of domains is also consistent with von Neumann's law. We conjecture that the bright walls are regions of high concentration of defects produced by shear, and that the system is dominated by the interfacial tension between these walls and the uniform domains. The control of self-organised monodomains, as observed in these systems, is expected to play an important role in potential applications.

How foam-like is the shear-induced lamellar phase of an ionic liquid crystal?

Philosophical Magazine Letters Volume 88, Issue 9-10, 2008 Special Issue: Solid and Liquid Foams. In commemoration of Manuel Amaral Fortes

New biomimetic sensors for the determination of tetracycline in biological samples: batch and flow mode operations

New potentiometric membrane sensors with cylindrical configuration for tetracycline (TC) are described based on the use of a newly designed molecularly imprinted polymer (MIP) material consisting of 2-vinylpyridine as a functional monomer in a plasticized PVC membrane. The sensor exhibited significantly enhanced response towards TC over the concentration range 1.59 10 5–1.0 10 3 mol L 1 at pH 3–5 with a lower detection limit of 1.29 10 5 mol L 1. The response was near-Nernstian, with average slopes of 63.9 mV decade 1. The effect of lipophilic salts and various foreign common ions were tested and were found to be negligible. The possibility of applying the proposed sensor to TC determination in spiked biological fluid samples was demonstrated.

Durability of ancient lime mortars in humid environment

Historical buildings are important fingerprints of the history and culture of a region and its communities. Climatic and environmental conditions are often very severe for construction materials, namely in presence of high humidity or in direct contact with water and salts. However, some historical buildings have in our days a very good condition, probably due to careful construction and/or accurate materials selection and to a specific technology. The knowledge of old mortars composition has a fundamental role on the preservation of cultural heritage, allowing information about the used materials, their performance in their specific environment, conducting to adequate and compatible materials to conservation purposes. This article presents two case studies of historical buildings with important defence functions in Lisbon coast, in which ancient lime mortars where used under severe seaside environmental actions. Mortar samples from these two case studies are characterized and the relationship of their composition with the good performance and high durability observed is discussed.

New RuII(arene) complexes with halogen-substituted bis- and tris(pyrazol-1-YL)borate ligands

[RuCl(arene)(-Cl)](2) dimers were treated in a 1:2 molar ratio with sodium or thallium salts of bis- and tris(pyrazolyl)borate ligands [Na(BpBr3)], [Tl(TpBr3)], and [Tl(Tp(iPr,4Br))]. Mononuclear neutral complexes [RuCl(arene)((2)-BpBr3)] (1: arene=p-cymene (cym); 2: arene=hexamethylbenzene (hmb); 3: arene=benzene (bz)), [RuCl(arene)((2)-TpBr3)] (4: arene=cym; 6: arene=bz), and [RuCl(arene)((2)-Tp(iPr,4Br))] (7: arene=cym, 8: arene=hmb, 9: arene=bz) have been always obtained with the exception of the ionic [Ru-2(hmb)(2)(-Cl)(3)][TpBr3] (5), which formed independently of the ratio of reactants and reaction conditions employed. The ionic [Ru(CH3OH)(cym)((2)-BpBr3)][X] (10: X=PF6, 12: X=O3SCF3) and the neutral [Ru(O2CCF3)(cym)((2)-BpBr3)] (11) have been obtained by a metathesis reaction with corresponding silver salts. All complexes 1-12 have been characterized by analytical and spectroscopic data (IR, ESI-MS, H-1 and (CNMR)-C-13 spectroscopy). The structures of the thallium and calcium derivatives of ligand TpBr3, [Tl(TpBr3)] and [Ca(dmso)(6)][TpBr3](2)2DMSO, of the complexes 1, 4, 5, 6, 11, and of the decomposition product [RuCl(cym)(Hpz(iPr,4Br))(2)][Cl] (7) have been confirmed by using single-crystal X-ray diffraction. Electrochemical studies showed that 1-9 and 11 undergo a single-electron (RuRuIII)-Ru-II oxidation at a potential, measured by cyclic voltammetry, which allows comparison of the electron-donor characters of the bis- and tris(pyrazol-1-yl)borate and arene ligands, and to estimate, for the first time, the values of the Lever E-L ligand parameter for BpBr3, TpBr3, and Tp(iPr,4Br). Theoretical calculations at the DFT level indicated that both oxidation and reduction of the Ru complexes under study are mostly metal-centered with some involvement of the chloride ligand in the former case, and also demonstrated that the experimental isolation of the (3)-binuclear complex 5 (instead of the mononuclear 5) is accounted for by the low thermodynamic stability of the latter species due to steric reasons.

Chemical reaction network of flavylium ions in heterogeneous media

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química, especialidade em Química-Física, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Synthesis and characterization of COPPER(II) 4´-phenyl-terpyridine compounds and catalytic application for aerobic oxidation of benzylic alcohols

The reactions between 4'-phenyl-terpyridine (L) and nitrate, acetate or chloride Cu(II) salts led to the formation of [Cu(NO3)(2)L] (1), [Cu(OCOCH3)(2)L]center dot CH2Cl2 (2 center dot CH2Cl2)and [CuCl2L]center dot[Cu(Cl)(mu-Cl)L](2) (3), respectively. Upon dissolving 1 in mixtures of DMSO-MeOH or EtOH-DMF the compounds [Cu(H2O){OS(CH3)(2)}L]-(NO3)(2) (4) and [Cu(HO)(CH3CH2OH)L](NO3) (5) were obtained, in this order. Reaction of 3 with AgSO3CF3 led to [CuCl(OSO2CF3)L] (6). The compounds were characterized by ESI-MS, IR, elemental analysis, electrochemical techniques and, for 2-6, also by single crystal X-ray diffraction. They undergo, by cyclic voltammetry, two single-electron irreversible reductions assigned to Cu(II) -> Cu(I)and Cu(I) -> Cu(0) and, for those of the same structural type, the reduction potential appears to correlate with the summation of the values of the Lever electrochemical EL ligand parameter, which is reported for the first time for copper complexes. Complexes 1-6 in combination with TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl radical) can exhibit a high catalytic activity, under mild conditions and in alkaline aqueous solution, for the aerobic oxidation of benzylic alcohols. Molar yields up to 94% (based on the alcohol) with TON values up to 320 were achieved after 22 h.

Growth of (Perylene)(2) [PD(MNT)(2)] crystals

The conditions for [pd(mnt)(2)]he growth of [pd(mnt)(2)]Perylene) [pd(mnt)(2)] [Pd(mnt) [pd(mnt)(2)]] crystals either by chemical oxidation and electrochemical routes are [pd(mnt)(2)]escribed. The electrocrystallisation is limited by close [pd(mnt)(2)]roximity of [pd(mnt)(2)]he oxidation [pd(mnt)(2)]otentials of [pd(mnt)(2)]he [pd(mnt)(2)]erylene [pd(mnt)(2)]onor and [Pd(mnt) [pd(mnt)(2)]] - anion, and [pd(mnt)(2)]epending on [pd(mnt)(2)]he experimental conditions [pd(mnt)(2)]ifferent [pd(mnt)(2)]orphologies can be obtained. [pd(mnt)(2)]Per) [pd(mnt)(2)] [Pd(mnt) [pd(mnt)(2)]] crystals obtained by elecrocrystallisation were found [pd(mnt)(2)]o be [pd(mnt)(2)]ainly of [pd(mnt)(2)]he β-polymorph with [pd(mnt)(2)]roperties comparable [pd(mnt)(2)]o [pd(mnt)(2)]he Cu, Ni and Pt analogues [pd(mnt)(2)]reviously [pd(mnt)(2)]escribed at variance with [pd(mnt)(2)]hose obtained by chemical oxidation which are [pd(mnt)(2)]ainly of [pd(mnt)(2)]he α-polymorph.

Métodos "verdes" de produção de nanomateriais que promovem nanotecnologias sustentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Antibacterial activity of Ionic Liquids based on ampicillin against resistant bacteria

Antibacterial activity of novel Active Pharmaceutical Ingredient Ionic Liquids (API-ILs) based on ampicillin anion [Amp] have been evaluated. They showed growth inhibition and bactericidal properties on some sensitive bacteria and especially some Gram-negative resistant bacteria when compared to the [Na][Amp] and the initial bromide and chloride salts. For these studies were analysed the minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBIC) against sensitive Gram-negative bacteria Escherichia coli ATCC 25922 and Klebsiella pneumonia (clinically isolated), as well as sensitive Gram positive S. Aureus ATCC 25923, Staphylococcus epidermidis and Enterococcus faecalis and completed using clinically isolated resistent strains: E. coli TEM CTX M9, E. coli CTX M2 and E. coli AmpC Mox. From the obtained MIC values of studied APIs-ILs and standard [Na][Amp] were derived RDIC values (relative decrease of inhibitory concentration). High RDIC values of [C16Pyr][Amp] especially against two resistant Gram-negative strains E. coli TEM CTX M9 (RDIC>1000) and E. coli CTX M2 (RDIC>100) point clearly to a potential promising role of APIs-ILs as antimicrobial drugs especially against resistant bacterial strains.

Sulfonated Schiff base copper(ii) complexes as efficient and selective catalysts in alcohol oxidation: syntheses and crystal structures

The reaction between 2-aminobenzenesulfonic acid and 2-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde produces the acyclic Schiff base 2-[(2-hydroxy-3-methoxyphenyl) methylideneamino] benzenesulfonic acid (H2L center dot 3H(2)O) (1). In situ reactions of this compound with Cu(II) salts and, eventually, in the presence of pyridine (py) or 2,2'-bipyridine (2,2'-bipy) lead to the formation of the mononuclear complexes [CuL(H2O)(2)] (2) and [CuL(2,2'-bipy)]center dot DMF center dot H2O (3) and the diphenoxo-bridged dicopper compounds [CuL(py)](2) (4) and [CuL(EtOH)](2)center dot 2H(2)O (5). In 2-5 the L-2-ligand acts as a tridentate chelating species by means of one of the O-sulfonate atoms, the O-phenoxo and the N-atoms. The remaining coordination sites are then occupied by H2O (in 2), 2,2'-bipyridine (in 3), pyridine (in 4) or EtOH (in 5). Hydrogen bond interactions resulted in R-2(2) (14) and in R-4(4)(12) graph sets leading to dimeric species (in 2 and 3, respectively), 1D chain associations (in 2 and 5) or a 2D network (1). Complexes 2-5 are applied as selective catalysts for the homogeneous peroxidative (with tert-butylhydroperoxide, TBHP) oxidation of primary and secondary alcohols, under solvent-and additive-free conditions and under low power microwave (MW) irradiation. A quantitative yield of acetophenone was obtained by oxidation of 1-phenylethanol with compound 4 [TOFs up to 7.6 x 10(3) h(-1)] after 20 min of MW irradiation, whereas the oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde is less effective (TOF 992 h(-1)). The selectivity of 4 to oxidize the alcohol relative to the ene function is demonstrated when using cinnamyl alcohol as substrate.

A regulação endócrina dos balanços de cálcio

RESUMO: As concentrações circulantes de cálcio são notavelmente constantes a despeito das variações diárias na absorção intestinal e na eliminação renal deste elemento. A regulação da calcémia é um sistema complexo que compreende vários factores controladores (a calcémia, a fosforémia, as concentrações circulantes de paratormona (PTH) e calcitriol além de muitos outros factores como hormonas esteróides em geral, outros iões como o magnésio e outros factores hormonais) e vários órgãos alvo (glândulas paratiroideias, osso, rim e intestino). As respostas dos órgãos alvo também são muito variadas. No caso mais simples, a cristalização de sais de cálcio corresponde a uma mudança de fase em que participam moléculas orgânicas que a iniciam, aceleram ou inibem. Em geral a combinação de um factor controlador com o respectivo receptor de membrana (para polipeptídeos ou iões) ou intracelular (hormonas esteróides) é apenas o primeiro passo de uma cadeia bioquímica que introduz uma enorme amplificação na resposta. A esta variedade de mecanismos de resposta correspondem grandes diferenças nos tempos de resposta que podem ser de minutos a semanas. É hoje possível “observar” (medir) com apreciável rigor nos líquidos biológicos (sangue, urina, fezes, etc.) os factores mais importantes do sistema de regulação da calcémia (cálcio, fósforo, paratormona e calcitriol) assim como administrar estes factores em experiências agudas. Esta possibilidade reflecte – se na literatura neste campo que tem vindo a crescer. O advento das técnicas da biologia molecular tem permitido a caracterização molecular de algumas das disfunções da homeostase do cálcio e é de esperar um diagnóstico fisiopatológico cada vez mais rigoroso dessas disfunções. Com o avanço dos conhecimentos nesta área que não cessa de aumentar temos cada vez maiores capacidades para fazer diagnósticos e é cada vez mais difícil interpretar com rigor os correspondentes quadros metabólicos. A análise ou síntese de sistemas complexos é a actividade mais nobre dos engenheiros que lhes permite desenhar pontes, diques, barcos, aviões ou automóveis. Com o aparecimento de computadores de médio ou grande porte foi – lhes possível utilizar descrições matemáticas não só para desenhar sistemas como ainda para interpretar eventuais falhas na sua operação. Essas descrições matemáticas consistem numa sequência de operações realizadas num computador segundo um “programa informático” que receberam a designação genérica de modelos, por analogia com as famosas leis (equações) da física que foram deduzidas a partir de um certo número de postulados e que permitem representar matematicamente processos físicos. As famosas leis de Newton são talvez os exemplos mais famosos de “modelos” de sistemas físicos. A introdução de modelos matemáticos em biologia e particularmente em medicina só se deu recentemente.MÉTODOS No trabalho que aqui se apresenta construiu - se um modelo simplificado da homeostase do cálcio destinado ao cálculo de variáveis observáveis (concentrações de cálcio, fósforo, PTH e calcitriol) de modo a poderem comparar-se valores calculados com valores observados. A escolha dos componentes do modelo foi determinada pela nossa experiência clínica e pela informação fisiopatológica e clínica publicada. Houve a preocupação de construir o modelo de forma modular de modo a ser possível a sua expansão sem grandes transformações na descrição matemática (e informática) já existente. Na sua fase actual o modelo não pode ser usado como instrumento de diagnóstico. É antes uma ferramenta destinada a esclarecer “em princípio” mecanismos fisiopatológicos. Usou – se o modelo para simular um certo número de observações publicadas e para exemplificar a sua eventual aplicação clínica na simulação de situações hipotéticas e na análise de possíveis mecanismos fisiopatológicos responsáveis por situações de hipo ou hipercalcémias. Simultaneamente fez – se uma análise dos dados acumulados relativos a doentes vistos no Serviço de Endocrinologia do Instituto Português de Oncologia de Francisco Gentil – Centro Regional Oncológico de Lisboa, S.A. CONCLUSÕES Numa população de 894 doentes com patologias variadas do Instituto Português de Oncologia de Lisboa os valores da calcémia tiveram uma distribuição normal unimodal com uma média de 9.56 mg/dl, e um erro padrão de 0.41 mg/dl. Estas observações sugerem que a calcémia está sujeita a regulação. A partir dos resultados publicados em que o metabolismo do cálcio foi perturbado por infusões de cálcio, calcitriol ou PTH, de estudos bioquímicos e fisiológicos sobre os mecanismos de acção de factores controladores da calcémia e do estudo do comportamento de órgãos alvo (paratiroideias, intestino, osso e rim) foi possível construir um modelo matemático de parâmetros concentrados do sistema de regulação da calcémia. As expressões analíticas usadas foram baseadas na cinética enzimática de modo a que os seus parâmetros tivessem um significado físico ou fisiológico simples. O modelo revelou apreciável robustez e flexibilidade. É estável quando não perturbado e transita entre estados estacionários quando perturbado. Na sua forma actual gera simulações que reproduzem satisfatoriamente um número apreciável de dados experimentais colhidos em doentes. Isto não significa que possa ser usado como instrumento de diagnóstico aplicável a doentes individuais. O desenho do modelo comporta a adição posterior de novas relações quando surgirem situações para as quais se revele insuficiente. A utilização exaustiva do modelo permitiu explicitar aspectos do metabolismo do cálcio que ou não estão contidas na sua formulação actual – o aparecimento de hipertrofia ou de adenomas das paratiroideias e as alterações na estrutura óssea , a participação de outros factores controladores – magnésio, ou estão insuficientemente descritas – alterações do metabolismo do fósforo nos hipoparatiroidismos. A análise dos dados relativos aos doentes do Serviço de Endocrinologia do IPO permitiu o início da caracterização dos tipos de patologia que representam e de possíveis mecanismos fisiopatológicos subjacentes. Estas observações são o ponto de partida para análises futuras. São exemplos das relações encontradas: a distribuição dos doentes por dois grandes grupos conforme a calcémia é determinada pelas concentrações circulantes de PTH ou estas são determinadas pela calcémia; a distribuição sazonal das concentrações de Vit. D25. no sangue; a correlação negativa entre estas e as concentrações de PTH no sangue. Também foi possível extrair a cinética do controlo da PTH sobre a síntese de calcitriol. O estudo dos níveis circulantes de PTH no pós-operatório imediato de doentes paratiroidectomizados permitiu determinar as suas taxas de degradação metabólica. O modelo permitiu simular as relações Ca/PTH no sangue, Ca/Fracção excretada da carga tubular, Ca/P no sangue para valores normais ou altos de Ca. Foram feitas simulações de situações fisiopatológicas (em “doentes virtuais”): infusões crónicas de cálcio, PTH e calcitriol; alterações no comportamento de receptores. Estas simulações correspondem a experiências que não podem ser realizadas em humanos. São exemplos da utilização do modelo na exploração de possíveis mecanismos fisiopatológicos através da observação de resultados quantitativos inacessíveis à intuição. O modelo foi útil em duas fases do trabalho: Primeiro, durante a sua síntese implicou uma escolha criticamente selectiva de informação, sua análise quantitativa e processamento, uma explicitação rigorosa (analítica) das relações funcionais entre os controladores e as variáveis e da sua integração numa estrutura global; Segundo, a simulação de situações experimentais ou clínicas (dados do Serviço de Endocrinologia do IPO) em doentes obrigou a explicitar raciocínios fisiopatológicos habitualmente formulados em bases puramente intuitivas. Esta prática revelou comportamentos óbvios após as simulações – acção reduzida das infusões PTH (simulação de hiperparatiroidismos primários) enquanto não há inibição total da respectiva secreção, necessidade de aumento da massa secretora da paratiroideia nas insuficiências renais avançadas, etc. A síntese e utilização do modelo não implicaram uma preparação matemática avançada e foram possíveis mercê da disponibilidade de “software” interactivo especificamente desenhado para a simulação de sistemas dinâmicos em que os programas se escrevem em inglês usando a simbologia simples da álgebra elementar. A função nobre de modelos desta natureza é semelhante à dos modelos usados pelos físicos desde o século XVII: permitir explicações de carácter geral funcionando como uma ferramenta intelectual para manipulação de conceitos e para a realização de “experiências pensadas” (“thought experiments”) respeitando certos princípios físicos (princípios de conservação) que estabelecem as fronteiras da realidade. -------ABSTRACT: Calcium blood levels are remarkably constant despite great variations in calcium daily intake, intestinal absorption and renal excretion. The regulation of the calcium concentration in the blood is achieved by a complex system that includes several controller factors (mainly the serum levels of calcium, phosphorus, parathyroid hormone (PTH) and calcitriol but also of steroid hormones, ions such as magnesium and other hormonal factors) and several target organs (parathyroid glands, bone, kidney and intestine). The functional response to the controlling factors obeys a variety of kinetics. The precipitation of calcium salts is a simple phase transition in which organic molecules may provide nucleation centres or inhibit the process. The combination of a controller factor with its receptor located in the cell membrane (for peptides or ions) or in the nucleus (for steroid hormones) is only the first step of a biochemical chain that introduces a huge amplification in the response. To this great variability of response we have to add the times of response that vary from minutes to weeks. It is possible to “observe” (measure) with great accuracy in biological fluids (blood, urine, faeces, etc.) the most important factors intervening in the calcium regulation (calcium, phosphorus, PTH and calcitriol). The response of the system to acute infusions of the controlling factors has also been studied. Using molecular biology techniques it has been possible to characterize some calcium homeostasis dysfunctions and better physiopathological diagnosis are expected. With the increasingly new knowledge in this area we have better capacity to diagnose but it is harder to explain correctly the underlying metabolic mechanisms. The analysis or synthesis of complex systems is the noble activity of engineers that enables them to draw bridges, dams, boats, airplanes or cars. With the availability of medium-large frame computers it was possible to use mathematical descriptions not only to draw systems but also to explain flaws in its operations. These mathematical descriptions are generally known as models by analogy with the laws (equations) of physics that allow the mathematical description of physical processes. In practice it is not possible to find general solutions for the mathematical descriptions of complex systems but (numeric) computations for specific situations can be obtained with digital computers. The introduction of mathematical models in biology and particularly in medicine is a recent event. METHODS In this thesis a simplified model of calcium homeostasis was built that enables the computation of observable variables (concentrations of calcium, phosphorus, PTH and calcitriol) and allows the comparison between the simulation values and observed values. The choice of the model’s components was made according to our clinical experience and to the published clinical and physiopathological data. The model has a modular design that allows future expansions with minor alterations in its structure. In its present form the model cannot be used for diagnosis. It is a tool designed to enlighten physiopathological processes. To exemplify its possible clinical application in the simulation of hypothetical situations and in the analysis of possible mechanisms responsible for hypo or hypercalcemias the model was used to simulate a certain number of published observations. An analysis of clinical and laboratory data from the Endocrinology Department of the Portuguese Cancer Institute (I.P.O.F.G.-C.R.O.L.,S.A.) is also presented. CONCLUSIONS In a population of 188 patients without an identifiable disease of the calcium metabolism at the Portuguese Cancer Institute the calcemia levels had a unimodal distribution with an average of 9.56 mg/dL and a S.E.M of 0.41 mg/dL. This observation confirms that serum calcium is regulated. Using published data; in which calcium metabolism was disrupted by calcium, PTH or calcitriol infusions; from biochemical and physiological studies of the action of controller factors on the calcemia; in which the response of target organs (parathyroid glands, intestine, bone, kidney) was studied it was possible to build a mathematical model of concentrated parameters of the calcium homeostasis. Analytical expressions used were based on enzymatic kinetics. The model is flexible and robust. It is stable when not disturbed and changes between steady states when disturbed. In its present form it provides simulations that reproduce closely a number of experimental clinical data. This does not mean that it can be used as a diagnostic tool for individual patients. The exhaustive utilisation of the model revealed the need of future expansions to include aspects of the calcium metabolism not included in its present form –hypertrophy or adenomas of the parathyroid glands, bone structure changes, participation of other controller factors such as magnesium – or insufficiently described – phosphate metabolism in hypoparathyroidism. The analysis of the data collected from the I.P.O.’s Endocrinology Department allowed the initial characterization of the different pathologies represented and of their possible physiopathological mechanisms. These observations are a starting point for future analysis. As examples of the relations found were: the distribution of patients in two groups according to the dependency of calcium by PTH levels or PTH levels by calcium concentration; the seasonal distribution of the serum concentrations of D25; its negative correlation with PTH concentration. It was also possible to extract the kinetics of the control of the synthesis of calcitriol by PTH. The analysis of immediate post-surgical levels of PTH in parathyroidectomized patients allowed the determination of its metabolic clearance. The model also allowed the simulation of the relations between Ca/PTH in blood, serum Ca/Fraction of tubular load excreted and Ca/P in blood for normal and high values of calcium. Simulations were made of pathological situations (in “virtual patients”): chronic infusions of calcium, PTH and calcitriol; changes in the characteristics of receptors. These simulations are not possible in real persons. They are an example of the use of this model in exploring possible mechanisms of disease through the observation of quantitative results not accessible to simple intuition. This model was useful in two phases: Firstly, its construction required a careful choice of data, its quantitative analysis and processing, an analytical description of the relations between controller factors and variables and their integration in a global structure. Secondly, the simulation of experimental or clinical (I.P.O.’s Endocrinology Department) data implied testing physiopathological explanations that previously were based on intuition. The construction and utilisation of the model didn’t demand an advanced mathematical preparation since user-friendly interactive software was used. This software was specifically designed for the simulation of dynamic systems. The programs are written in English using elementary algebra symbols. The essential function of this type of models is identical to that of those used by physicists since the XVII century which describe quantitatively natural processes and are an intellectual tool for the manipulation of concepts and the performance of “thought experiments” based in certain physical principles (conservation principles) that are the frontiers of reality.------------------RESUMÉE: Les concentrations circulantes de calcium sont constantes même pendant des variations de l’absorption intestinale et de l’élimination rénale de cet élément. La régulation de la calcémie est un système complexe qui comprend plusieurs éléments contrôleurs (la calcémie, la phosphorémie, les concentrations circulantes de l’hormone parathyroïdienne (PTH) e du calcitriol et d’autres comme les hormones stéroïdes ou des ions comme le magnésium) et plusieurs organes (glandes parathyroïdiennes, l’os, le rein et l’intestin). Les réponses de ces organes sont variées. Dans le cas plus simple, la cristallisation des sels de calcium correspond à un changement de phase dans lequel y participent des molécules organiques que la débutent, l’accélèrent ou l’inhibent. Généralement la combinaison d’un élément contrôleur avec leur récepteur de membrane (pour les peptides ou les ions) ou intracellulaire (pour les hormones stéroïdes) n’est que le premier pas d’une chaîne biochimique qu’introduit une grande amplification de la réponse. A cette variété de réponses correspondent des grandes différences des temps de réponses qu’y vont des minuits a semaines. Il est possible « observer » (mesurer) dans les fluides biologiques (sang, urine, fèces, etc.) les éléments plus importants du système de régulation de la calcémie (calcium, phosphate, PTH et le calcitriol) et les administrer en expérimentes aigus. Cette possibilité est visible dans la littérature publiée dans ce domaine qui est en croissance permanente. L’avenir des techniques de biologie moléculaire a permis caractériser des nombreuses dysfonctions de la régulation de la calcémie et on attend un diagnostique physiopathologique de ces dysfonctions chaque fois plus rigoureuses. Les connaissances dans ce domaine s’agrandissent et on a de plus de capacités pour faire des diagnostiques et il est chaque fois plus difficile les interpréter. L’analyse ou synthèse de systèmes complexes est l’activité plus noble des ingénieurs qui les permit dessiner des ponts, bateaux, avions ou automobiles. Avec des ordinateurs de médium ou grand port il les est possible utiliser descriptions mathématiques pour dessiner les systèmes et interpréter des éventuelles fautes d’opération. Ces descriptions mathématiques sont une séquence d’opérations réalisées dans un ordinateur selon « un programme informatique » qui ont reçu la désignation générique de modèles, pour analogie avec les équations de la physique qui ont été déduits d’un nombre de postulées et qu’ont permit représenter des processus physiques en équations mathématiques. Les fameuses équations de Newton sont peut-être les exemples plus connus des systèmes physiques. L’introduction des modèles mathématiques en biologie et en particulier en médecine est un évènement récent. Dans ce travaille, on a construit un modèle simplifié de l’homéostasie du calcium pour calculer les variables observables (concentrations de calcium, phosphate, PTH et calcitriol) pour les comparer. Les choix des components a été déterminés par notre expérience clinique et par l’information physiopathologique et clinique publiée. Le modèle a été construit de façon modulaire ce que permit leur postérieur expansion sans des grandes altérations dans la description mathématique et informatique déjà existante. Dans cette forme le modèle ne peut être utilisé comme un instrument de diagnostique. Il est un outil pour éclairer la physiopathologie. Le modèle a été utilisé pour simuler un certain nombre d’observations publiées et pour exemplifier leur possible utilisation clinique dans la simulation des hypothèses et de la physiopathologie des situations d’hypo ou hypercalcémie. On a fait une analyse des éléments des procès cliniques des malades observées dans le Service d’Endocrinologie de l’IPOFG-CROL, SA. Dans une population de 894 malades avec des différentes pathologies les valeurs de calcémie on une distribution uni modale avec une Médie de 9.56 mg/dL et une erreur standard de 0.41 mg/dL. Ces observations suggèrent que la calcémie soit sujette de régulation. En utilisant des résultats de travaux publiés dans lesquels le métabolisme du calcium a été changé par des infusions de calcium, calcitriol ou PTH, des études biochimiques et physiologiques sur des mécanismes d’action des éléments contrôleurs de la calcémie et de l’étude du comportement des organes cible (parathyroïdes, intestin, rein, os), il a été possible de construire un modèle mathématique de paramètres concentrés du système de régulation de la calcémie. Les expressions analytiques utilisées ont été basées sur la cinétique enzymatique de façon à que les paramètres aient eu une signification physique ou biologique. Le modèle est stable quand il n’est pas perturbé et transit entre états stationnaires quand il est sujet a des perturbations. A ce moment il fait des simulations qui reproduisent de façon satisfaisant un nombre d’observations expérimentales. La construction du modèle permit l’addiction de nouvelles relations dans les cas ou il est insuffisant. L’utilisation exhaustive du modèle a permit expliciter des aspects du métabolisme du calcium qui y ne sont pas compris – l’hyperplasie ou la formation des adénomes des parathyroïdes, les altérations de la structure des os, la participation d’outres éléments régulateurs (magnésium), ou sont insuffisamment décrites – les altérations du métabolisme des phosphates dans l’hypoparathyroidism. L’analyse de l’information des malades du Service d’Endocrinologie a permit caractériser les pathologies représentées et leurs possibles mécanismes physiopathologiques. Ces observations sont le point de départ pour les analyses futures. Sont des exemples des relations trouvées: la distribution des malades par deux groupes: ceux dans lequel la calcémie est déterminée par la PTH ou ceux dans lesquels la PTH est déterminée par la calcémie; la distribution sazonale de la concentration de la vitamine D; la corrélation négative entre la vitamine D et la PTH. On a eu la possibilité de déduire la cinétique de control de la PTH sur la synthèse du calcitriol. L’étude des niveaux circulants de PTH sur des sujets parathyroidectomisées a permit déduire leur taux de dégradation métabolique. Le modèle a permit simuler les relations Ca/PTH dans le sang, Ca/fraction éliminée par le rein, Ca/P dans le sang pour des valeurs normales ou hautes de calcium. On a fait des simulations de situations physiopathologiques (dans “malades virtuelles”): Infusions chroniques de calcium, PTH ou calcitriol; altérations des récepteurs. Ces simulations ne peuvent pas être réalisées dans les humains. Sont des exemples d’utilisation du modèle dans l’exploration des possibles mécanismes de la physiopathologie en observant des résultats quantitatifs inaccessibles à l’intuition. Le modèle a été utile pendant deux étapes des travaux: La première, dans sa construction on a choisi l’information disponible, son analyse quantitative, l’explicitation rigoureuse (analytique) des relations fonctionnelles entre les contrôleurs et les variables et sa intégration dans une structure globale. La deuxième, la simulation de situations expérimentales ou cliniques (du Service d’Endocrinologie) a obligé d’expliciter des raisonnements physiopathologiques généralement formulés utilisant l’intuition. Cette pratique a montré des comportements – action réduite des infusions de PTH (jusqu’à l’inhibition totale de leur respective sécrétion), nécessité d’augmenter la masse sécréteuse de la parathyroïde dans les insuffisants rénales, etc. La synthèse et utilisation du modèle n’ont pas besoin d’une formation avancée en mathématique et sont possibles grâce à un programme interactif qui a été conçu pour la simulation des systèmes dynamiques dans lesquels le programme se construit en anglais en utilisant la symbolique élémentaire de l’algèbre. La fonction noble de ces modèles est semblable à celles des physiques du XVII siècle: Permettre établir explications générales en fonctionnant comme un outil intellectuel pour manipuler des concepts et pour la réalisation d’expérimentes pensées en respectant certains principes de la physique (principe de la conservation) qu’établissent les frontières de la réalité.

Chlorella sp. coagulation‐flocculation by inducing a modification on the pH broth medium

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Bioenergia

Effects of molybdate and tungstate on expression levels and biochemical characteristics of formate dehydrogenases produced by desulfovibrio alaskensis NCIMB 13491

Journal of Bacteriology. 2011 Jun; Vol. 193 issue 12 pages 2917-2923