Simultaneous biochemical reaction and separation in a continuous rotating annular chromatograph

The aim of this work has been to investigate the behaviour of a continuous rotating annular chromatograph (CRAC) under a combined biochemical reaction and separation duty. Two biochemical reactions have been employed, namely the inversion of sucrose to glucose and fructose in the presence of the enzyme invertase and the saccharification of liquefied starch to maltose and dextrin using the enzyme maltogenase. Simultaneous biochemical reaction and separation has been successfully carried out for the first time in a CRAC by inverting sucrose to fructose and glucose using the enzyme invertase and collecting continuously pure fractions of glucose and fructose from the base of the column. The CRAC was made of two concentric cylinders which form an annulus 140 cm long by 1.2 cm wide, giving an annular space of 14.5 dm3. The ion exchange resin used was an industrial grade calcium form Dowex 50W-X4 with a mean diameter of 150 microns. The mobile phase used was deionised and dearated water and contained the appropriate enzyme. The annular column was slowly rotated at speeds of up to 240°h-1 while the sucrose substrate was fed continuously through a stationary feed pipe to the top of the resin bed. A systematic investigation of the factors affecting the performance of the CRAC under simultaneous biochemical reaction and separation conditions was carried out by employing a factorial experimental procedure. The main factors affecting the performance of the system were found to be the feed rate, feed concentrations and eluent rate. Results from the experiments indicated that complete conversion could be achieved for feed concentrations of up to 50% w/v sucrose and at feed throughputs of up to 17.2 kg sucrose per m3 resin/h. The second enzymic reaction, namely the saccharification of liquefied starch to maltose employing the enzyme maltogenase has also been successfully carried out on a CRAC. Results from the experiments using soluble potato starch showed that conversions of up to 79% were obtained for a feed concentration of 15.5% w/v at a feed flowrate of 400 cm3/h. The product maltose obtained was over 95% pure. Mathematical modelling and computer simulation of the sucrose inversion system has been carried out. A finite difference method was used to solve the partial differential equations and the simulation results showed good agreement with the experimental results obtained.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

Programmazione ad Agenti e Pianificazione: AgentSpeak(PL) come caso di studio

In questa tesi si discutono inizialmente i concetti chiave di agente e sistema multi-agente e si descrivono in ogni dettaglio il linguaggio di programmazione AgentSpeak(L) e la piattaforma Jason, fornendo le basi per poter programmare con il paradigma AOP. Lo scopo centrale di questa tesi è quello di estendere il modello di pianificazione dell’interprete di AgentSpeak(L), considerato come caso specifico, con un approccio che può essere integrato in qualsiasi linguaggio di programmazione ad agenti. Si espone un’evoluzione di AgentSpeak(L) in AgentSpeak(PL), ossia la creazione ed esecuzione di piani automatici in caso di fallimento attraverso l'uso di un algoritmo di planning state-space. L'approccio integrativo modifica il Ciclo di Reasoning di Jason proponendo in fase di pianificazione automatica un riuso di piani già esistenti, atto a favorire la riduzione di tempi e costi nel long-term in un sistema multi-agente. Nel primo capitolo si discute della nozione di agente e delle sue caratteristiche principali mentre nel secondo capitolo come avviene la vera e propria programmazione con AgentSpeak(L). Avendo approfondito questi argomenti base, il terzo capitolo è incentrato sull’interprete Jason e il quarto su una migliore estensione dell'interprete, in grado di superare i limiti migliorando le performance nel tempo. Si delineano infine alcune considerazioni e ringraziamenti nel quinto e ultimo capitolo. Viene proposta con scrittura di carattere divulgativo e non ambiguo.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.

Numerical approximation of a fractional-in-space diffusion equation (II) - with nonhomogeneous boundary conditions

In this paper, a space fractional di®usion equation (SFDE) with non- homogeneous boundary conditions on a bounded domain is considered. A new matrix transfer technique (MTT) for solving the SFDE is proposed. The method is based on a matrix representation of the fractional-in-space operator and the novelty of this approach is that a standard discretisation of the operator leads to a system of linear ODEs with the matrix raised to the same fractional power. Analytic solutions of the SFDE are derived. Finally, some numerical results are given to demonstrate that the MTT is a computationally e±cient and accurate method for solving SFDE.