Production of biohydrogen from dark fermentation of organic wastes

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Numerical simulation of combined heat transfer phenomena (conduction, convection, and radiation). Application to he optimisation of thermal systems

Thermal systems interchanging heat and mass by conduction, convection, radiation (solar and thermal ) occur in many engineering applications like energy storage by solar collectors, window glazing in buildings, refrigeration of plastic moulds, air handling units etc. Often these thermal systems are composed of various elements for example a building with wall, windows, rooms, etc. It would be of particular interest to have a modular thermal system which is formed by connecting different modules for the elements, flexibility to use and change models for individual elements, add or remove elements without changing the entire code. A numerical approach to handle the heat transfer and fluid flow in such systems helps in saving the full scale experiment time, cost and also aids optimisation of parameters of the system. In subsequent sections are presented a short summary of the work done until now on the orientation of the thesis in the field of numerical methods for heat transfer and fluid flow applications, the work in process and the future work.

Modelització i control d'un reactor de producció d'hidrogen per a l'alimentació de piles de combustible

Les piles de combustible permeten la transformació eficient de l’energia química de certs combustibles a energia elèctrica a través d’un procés electroquímic. De les diferents tecnologies de piles de combustible, les piles de combustible de tipus PEM són les més competitives i tenen una gran varietat d’aplicacions. No obstant, han de ser alimentades únicament per hidrogen. Per altra banda, l’etanol, un combustible interessant en el marc dels combustibles renovables, és una possible font d’hidrogen. Aquest treball estudia la reformació d’etanol per a l’obtenció d’hidrogen per a alimentar piles de combustible PEM. Només existeixen algunes publicacions que tractin l’obtenció d’hidrogen a partir d’etanol, i aquestes no inclouen l’estudi dinàmic del sistema. Els objectius del treball són el modelat i l’estudi dinàmic de reformadors d’etanol de baixa temperatura. Concretament, proposa un model dinàmic d’un reformador catalític d’etanol amb vapor basat en un catalitzador de cobalt. Aquesta reformació permet obtenir valors alts d’eficiència i valors òptims de monòxid de carboni que evitaran l’enverinament d’una la pila de combustible de tipus PEM. El model, no lineal, es basa en la cinètica obtinguda de diferents assaigs de laboratori. El reformador modelat opera en tres etapes: deshidrogenació d’etanol a acetaldehid i hidrogen, reformat amb vapor d’acetaldehid, i la reacció WGS (Water Gas Shift). El treball també estudia la sensibilitat i controlabilitat del sistema, caracteritzant així el sistema que caldrà controlar. L’anàlisi de controlabilitat es realitza sobre la resposta de dinàmica ràpida obtinguda del balanç de massa del reformador. El model no lineal és linealitzat amb la finalitat d’aplicar eines d’anàlisi com RGA, CN i MRI. El treball ofereix la informació necessària per a avaluar la possible implementació en un laboratori de piles de combustibles PEM alimentades per hidrogen provinent d’un reformador d’etanol.

Reproductive allocation strategies: a long-term study on proximate factors and temporal adjustments in a viviparous lizard.

Optimisation of reproductive investment is crucial for Darwinian fitness, and detailed long-term studies are especially suited to unravel reproductive allocation strategies. Allocation strategies depend on the timing of resource acquisition, the timing of resource allocation, and trade-offs between different life-history traits. A distinction can be made between capital breeders that fuel reproduction with stored resources and income breeders that use recently acquired resources. In capital breeders, but not in income breeders, energy allocation may be decoupled from energy acquisition. Here, we tested the influence of extrinsic (weather conditions) and intrinsic (female characteristics) factors during energy storage, vitellogenesis and early gestation on reproductive investment, including litter mass, litter size, offspring mass and the litter size and offspring mass trade-off. We used data from a long-term study of the viviparous lizard, Lacerta (Zootoca) vivipara. In terms of extrinsic factors, rainfall during vitellogenesis was positively correlated with litter size and mass, but temperature did not affect reproductive investment. With respect to intrinsic factors, litter size and mass were positively correlated with current body size and postpartum body condition of the previous year, but negatively with parturition date of the previous year. Offspring mass was negatively correlated with litter size, and the strength of this trade-off decreased with the degree of individual variation in resource acquisition, which confirms theoretical predictions. The combined effects of past intrinsic factors and current weather conditions suggest that common lizards combine both recently acquired and stored resources to fuel reproduction. The effect of past energy store points out a trade-off between current and future reproduction.

Disseny i implementació de la base de dades d'un sistema de control energètic

Aquest projecte ha estat creat per a la presentació a un concurs públic de licitació de disseny i implementació d'una base de dades per al control de la generació, transport i consum de l'energia elèctrica dins el marc de la Unió Europea.

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells.

The recent discovery of melanopsin-expressing retinal ganglion cells that mediate the pupil light reflex has provided new insights into how the pupil responds to different properties of light. These ganglion cells are unique in their ability to transduce light into electrical energy. There are parallels between the electrophysiologic behavior of these cells in primates and the clinical pupil response to chromatic stimuli. Under photopic conditions, a red light stimulus produces a pupil constriction mediated predominantly by cone input via trans-synaptic activation of melanopsin-expressing retinal ganglion cells, whereas a blue light stimulus at high intensity produces a steady-state pupil constriction mediated primarily by direct intrinsic photoactivation of the melanopsin-expressing ganglion cells. Preliminary data in humans suggest that under photopic conditions, cones primarily drive the transient phase of the pupil light reflex, whereas intrinsic activation of the melanopsin-expressing ganglion cells contributes heavily to sustained pupil constriction. The use of chromatic light stimuli to elicit transient and sustained pupil light reflexes may become a clinical pupil test that allows differentiation between disorders affecting photoreceptors and those affecting retinal ganglion cells.

Diet-induced thermogenesis measured over a whole day in obese and nonobese women.

The overall thermogenic response to food intake measured over a whole day in 20 young nondiabetic obese women (body fat mean +/- SEM: 38.6 +/- 0.7%), was compared with that obtained in eight nonobese control women (body fat: 24.7 +/- 0.9%). The energy expenditure of the subjects was continuously measured over 24 h with a respiration chamber, and the spontaneous activity was assessed by a radar system. A new approach was used to obtain the integrated thermogenic response to the three meals ingested over the day (from 8:30 AM to 10:30 PM). This method allows to subtract the energy expended for physical activity from total energy expenditure and to calculate the integrated dietary-induced thermogenesis as the difference between the energy expended without physical activity and basal metabolic rate. The thermogenic response to the three meals (expressed in percentage of the total energy ingested) was found to be blunted in obese women (8.7 +/- 0.8%) as compared with that of controls (14.8 +/- 1.1%). There was an inverse correlation between the percentage body fat and the diet-induced thermogenesis (r = -0.61, p less than 0.001). In addition, the relative increase in diurnal urinary norepinephrine excretion was lower in obese than in the control subjects. It is concluded that a low overall thermogenic response to feeding may be a contributing factor for energy storage in some obese subjects; a blunted response of the sympathetic nervous system could explain this low thermogenic response.

Mechanical properties of cultured human airway smooth muscle cells from 0.05 to 0.4 Hz.

We investigated the rheological properties of living human airway smooth muscle cells in culture and monitored the changes in rheological properties induced by exogenous stimuli. We oscillated small magnetic microbeads bound specifically to integrin receptors and computed the storage modulus (G') and loss modulus (G") from the applied torque and the resulting rotational motion of the beads as determined from their remanent magnetic field. Under baseline conditions, G' increased weakly with frequency, whereas G" was independent of the frequency. The cell was predominantly elastic, with the ratio of G" to G' (defined as eta) being ~0.35 at all frequencies. G' and G" increased together after contractile activation and decreased together after deactivation, whereas eta remained unaltered in each case. Thus elastic and dissipative stresses were coupled during changes in contractile activation. G' and G" decreased with disruption of the actin fibers by cytochalasin D, but eta increased. These results imply that the mechanisms for frictional energy loss and elastic energy storage in the living cell are coupled and reside within the cytoskeleton.

Artificial muscle: the human chimera is the future.

Severe heart failure and cerebral stroke are broadly associated with the impairment of muscular function that conventional treatments struggle to restore. New technologies enable the construction of "smart" materials that could be of great help in treating diseases where the main problem is muscle weakness. These materials "behave" similarly to biological systems, because the material directly converts energy, for example electrical energy into movement. The extension and contraction occur silently like in natural muscles. The real challenge is to transfer this amazing technology into devices that restore or replace the mechanical function of failing muscle. Cardiac assist devices based on artificial muscle technology could envelope a weak heart and temporarily improve its systolic function, or, if placed on top of the atrium, restore the atrial kick in chronic atrial fibrillation. Artificial sphincters could be used to treat urinary incontinence after prostatectomy or faecal incontinence associated with stomas. Artificial muscles can restore the ability of patients with facial paralysis due to stroke or nerve injury to blink. Smart materials could be used to construct an artificial oesophagus including peristaltic movement and lower oesophageal sphincter function to replace the diseased oesophagus thereby avoiding the need for laparotomy to mobilise stomach or intestine. In conclusion, in the near future, smart devices will integrate with the human body to fill functional gaps due to organ failure, and so create a human chimera.

Different modulation of adipocytokine expression in four main white adipose tissue sites in the rat: mesenteric, perigonadal, retroperitoneal and subcutaneous

White adipose tissue (WAT) is a disperse organ acting as energy storage depot and endocrine/paracrine controlling factor in the management of energy availability and inflammation. WAT sites response under energy-related stress is not uniform. In the present study we have analyzed how different WAT sites respond to limited food restriction as a way to better understand the role of WAT in the pathogenesis of the metabolic syndrome.

Influence of ohmic heating on the flow field in thin-layer electrodeposition

In thin-layer electrodeposition the dissipated electrical energy leads to a substantial heating of the ion solution. We measured the resulting temperature field by means of an infrared camera. The properties of the temperature field correspond closely with the development of the concentration field. In particular, we find that the thermal gradients at the electrodes act similar to a weak additional driving force to the convection rolls driven by concentration gradients.

Dessalinització nuclear : estudi preliminar per l'aplicació a Catalunya

Aquest document pretén donar a conèixer el concepte de dessalinització nuclear, determinar els avantatges i inconvenients a nivell ambiental, així com els costos econòmics i energètics que poden suposar. Podem definir dessalinització nuclear com una planta de dessalinització d’aigua marina que és alimentada pel seu complet funcionament per un reactor nuclear. La planta utilitza tant l’energia elèctrica que es produeix com l’energia calorífica retinguda en l’aigua que surt del reactor. S’ha estructurat el treball en tres parts. La primera és una anàlisi de quin és l’ús que se’n fa a nivell mundial de la tecnologia de dessalinització. S’ofereixen dades de la producció mundial d’aigua dolça a partir d’aquesta tecnologia, en quins països se’n fa més ús i perquè. També es defineixen els tipus de plantes de dessalinització que es poden construir. El segon apartat és un anàlisi històric i d’actualitat de la dessalinització nuclear mundial. S’analitza el perquè del desenvolupament d’aquesta tecnologia i s’estudien les necessitats hídriques que es podran tenir en un futur. Es planteja si aquesta tecnologia pot satisfer-les. S’estudien les onze plantes de dessalinització nuclear que han funcionat. El tercer apartat és un estudi de la possible transformació de les dues plantes dessalinitzadores catalanes en dessalinitzadores nuclears. Es fa un anàlisi de costos energètics i de producció, sense tenir en compte els d’instal·lació. També s’investiga els possibles impactes per contaminació radiològica que podria generar l’aigua produïda amb aquesta tecnologia.

Estabilitzador de tensió, a partir d'una reactància de nucli saturable

Actualment hi ha una gran varietat de marques i models d'estabilitzadors de tensió, tot i que tots estan dissenyats i construïts amb el mateix propòsit, entregar una tensió estable a la sortida del dispositiu. La raó per la que es fabriquen estabilitzadors de tensió, es basa en el fet que, tot i amb els avenços tècnics i millores dels serveis de l'àrea energètica, no s'han pogut eliminar les freqüents caigudes o pujades de tensió en les xarxes d'alimentació d'energia elèctrica, fet que pot ocasionar errors en el funcionament dels equips electrònics. És per això que la majoria d'usuaris d'equips electrònics interposen un estabilitzador de tensió entre la línea d'alimentació dels seus aparells. L'objectiu del treball és realitzar la construcció d'un dispositiu de tres bobines amb un nucli ferromagnètic per a dur a terme la funció d'estabilitzador de tensió alterna. Mitjançant la tècnica de reluctància de nucli saturable i aplicant-la en aquest cas pràctic, es vol aconseguir desenvolupar un estabilitzador de tensió fiable i econòmic. Aquest treball ha d'aportar una solució en entorns de treball, entre altres, on s'utilitzen màquines d'alimentació alternes que siguin molt sensibles a les variacions de tensió de la xarxa i que, a més a més, no suposi una despesa molt elevada.

Hybridilämmityksen vaikutus sähkön- ja lämmöntuotantoon

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää kaukolämmityksen rinnalla käytettävän toisen lämmitysmuodon, tässä tapauksessa sähkölämmityksen, vaikutusta sähkön- ja lämmöntuotantoon. Tämä tutkimus liittyy ¿Kehittyvä kaukolämpö -hankkeen pilottiosaan. Hankkeen pilottiosassa tutkitaan hybridilämmityksen kannattavuutta ja vaikutuksia sekä kuluttajan että yhdyskunnan kannalta. Tämätutkimus jatkaa jo aikaisemmin tehtyä tutkimusta 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset', jossa tutkittiin kaukolämmityksen taloudellisuutta kuluttajan kannalta elinkaarianalyysin avulla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on määrittää hybridilämmityksen niin taloudelliset kuin ympäristölliset vaikutukset yhdyskunnan kannalta. Yhdyskunnan osalta vaikutuksia tarkasteltiin referenssikaupungin avulla. Referenssikaupungin alkuarvot perustuvat jo aiemmin tähän pilottiosaan tehtyyn tutkimukseen 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset'. Näitä arvoja hyväksi käyttäen referenssikaupungille perustettiin kaksi energian tuotantorakennemallia ja molemmille malleille kaksi eri skenaariota hybridilämmityksen kasvamisesta. Skenaarioissa otettiin huomioon myös päästökaupan vaikutukset. Molemmat skenaariot osoittivat päästökaupan vaikutukset mukaan luettuna, ettei sähkölämmityksen käyttäminen kaukolämmityksen ohella tuo ainoastaan yhdyskunnalle lisää tuotantokustannuksia, vaan se lisää myös päästöjä. Tulevaisuuden epävarmuutta analysoitiin herkkyysanalyysin avulla. Tutkimusta varten laadittiin tuontienergian ja kotimaisten polttoaineiden hinnoille kaksi skenaariota, joilla laskettiin vuositason tuotantokustannukset. Jokainen skenaario toi huomattavan lisän niin tuotantokustannuksiin kuin päästöihin. Eri skenaarioilla oli vaikutus kaukolämmön pysyvyyskäyrän muotoon ja näin myös voimalaitoksien käyttötunteihin. Laitoksien huipun käyttötunnit pienenevät ja tuotantokustannukset tuotettua energiayksikköä kohden kasvavat. Tapauksessa, jossa on edullista käyttää peruskuormalaitoksia mahdollisimman paljonvuoden aikana, hybridilämmityksen käyttäminen siirsi tilannetta päinvastaiseen suuntaan. Tämä suunta tarkoittaa sitä, että halpaa peruskuormatuotantoapitää korvata kalliimmalla ja enemmän päästöjä aiheuttavalla erillistuotannolla. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että mikäli sähkölämmityksen yleistyminen kaukolämmityksen rinnalla lisääntyy, aiheuttaa se yhdyskunnalle huomattavia lisäkustannuksia ja päästöjä. Yksi sähkölämmityksen käyttöä lisäävä tekijä on kuluttajien mielikuva. Kuluttajien mielikuva sähkölämmityksestä on, että se on asennuskustannuksiltaan edullinen ja helppo asentaa. Todellisuudessa sähkölämmityksen käyttäminen tuo odottamattomia lisäkustannuksia kuluttajille energiantuotantolaitoksien omien lisääntyvien tuotantokustannusten kautta. Nämä kustannukset voivat realisoitua esimerkiksi kohonneiden sähkön ja kaukolämmön energiamaksujen tai sähkön siirtomaksujen muodossa. Ainoastaan kuluttajien mielikuvien muuttamisella voidaan päästä yhdyskunnan kannalta taloudellisempaan ja ympäristöystävällisempään energiantuotantomalliin.