Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Engineering design of an integrated sustainable process system for cassava biobased materials

Cassava contributes significantly to biobased material development. Conventional approaches for its bio-derivative-production and application cause significant wastes, tailored material development challenges, with negative environmental impact and application limitations. Transforming cassava into sustainable value-added resources requires redesigning new approaches. Harnessing unexplored material source, and downstream process innovations can mitigate challenges. The ultimate goal proposed an integrated sustainable process system for cassava biomaterial development and potential application. An improved simultaneous release recovery cyanogenesis (SRRC) methodology, incorporating intact bitter cassava, was developed and standardized. Films were formulated, characterised, their mass transport behaviour, simulating real-distribution-chain conditions quantified, and optimised for desirable properties. Integrated process design system, for sustainable waste-elimination and biomaterial development, was developed. Films and bioderivatives for desired MAP, fast-delivery nutraceutical excipients and antifungal active coating applications were demonstrated. SRRC-processed intact bitter cassava produced significantly higher yield safe bio-derivatives than peeled, guaranteeing 16% waste-elimination. Process standardization transformed entire root into higher yield and clarified colour bio-derivatives and efficient material balance at optimal global desirability. Solvent mass through temperature-humidity-stressed films induced structural changes, and influenced water vapour and oxygen permeability. Sevenunit integrated-process design led to cost-effectiveness, energy-efficient and green cassava processing and biomaterials with zero-environment footprints. Desirable optimised bio-derivatives and films demonstrated application in desirable in-package O2/CO2, mouldgrowth inhibition, faster tablet excipient nutraceutical dissolutions and releases, and thymolencapsulated smooth antifungal coatings. Novel material resources, non-root peeling, zero-waste-elimination, and desirable standardised methodology present promising process integration tools for sustainable cassava biobased system development. Emerging design outcomes have potential applications to mitigate cyanide challenges and provide bio-derivative development pathways. Process system leads to zero-waste, with potential to reshape current style one-way processes into circular designs modelled on nature's effective approaches. Indigenous cassava components as natural material reinforcements, and SRRC processing approach has initiated a process with potential wider deployment in broad product research development. This research contributes to scientific knowledge in material science and engineering process design.

Design and Technology: A Historical Perspective on the Mediating Role of Technology Between Industrial Design and Engineering

The interdisciplinary relationship between industrial design and mechanical engineering is sensitive. This research focuses on understanding how one can positively mediate this relation, in order to foster innovation. In this paper, technology is considered for this role since it has, in some historical moments, served as an integrator of these two disciplines, in processes that led to innovation. By means of an extensive literature review, covering three different periods of technological development, both disciplines’ positioning in society and their link with technology are analyzed and compared. The three case studies selected help to illustrate, precisely, the technology positioning between both disciplines and society. Literature assumes that industrial design is rooted in the rise of criticism against both the machine and the mechanized production. This is an opposing approach to the current paradigm, in which design plays a fundamental role in adapting technology to society. Also, the social problems caused by the mechanized and massive production triggered the mechanical engineering emergence, as a professionalized discipline. Technology was intrinsically connected with both industrial design and mechanical engineering emergence and subsequent evolution. In the technology conflict with society lays the reform and regulation for design practice, in its broadest sense.

Communication Architecture Design for Real-Time Networked Control Systems

Networked control over data networks has received increasing attention in recent years. Among many problems in networked control systems (NCSs) is the need to reduce control latency and jitter and to deal with packet dropouts. This paper introduces our recent progress on a queuing communication architecture for real-time NCS applications, and simple strategies for dealing with packet dropouts. Case studies for a middle-scale process or multiple small-scale processes are presented for TCP/IP based real-time NCSs. Variations of network architecture design are modelled, simulated, and analysed for evaluation of control latency and jitter performance. It is shown that a simple bandwidth upgrade or adding hierarchy does not necessarily bring benefits for performance improvement of control latency and jitter. A co-design of network and control is necessary to maximise the real-time control performance of NCSs