Optimizing the Performance of a Heat Exchanger Network

This research is the continuation and a joint work with a master thesis that has been done in this department recently by Hemamali Chathurangani Yashika Jayathunga. The mathematical system of the equations in the designed Heat Exchanger Network synthesis has been extended by adding a number of equipment; such as heat exchangers, mixers and dividers. The solutions of the system is obtained and the optimal setting of the valves (Each divider contains a valve) is calculated by introducing grid-based optimization. Finding the best position of the valves will lead to maximization of the transferred heat in the hot stream and minimization of the pressure drop in the cold stream. The aim of the following thesis will be achieved by practicing the cost optimization to model an optimized network.

Anthocyanins standards (cyanidin-3-O-glucoside and cyanidin-3-O-rutinoside) isolation from freeze-dried açaí (Euterpe oleraceae Mart.) by HPLC

Availability of analytical standards is a critical aspect in developing methods for quantitative analysis of anthocyanins. The anthocyanins cyanidin-3-O-glucoside and cyanidin-3-O-rutinoside were isolated from samples of freeze-dried açaí (Euterpe oleraceae Mart.), which is a round and purple well-known palm fruit in Brazil, and then used as standards. The isolation of the anthocyanins was performed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC), using an adapted six-channel selection valve. The identification of anthocyanin pigments in açaí was based on mass spectrometric data for molecular ions and MS-MS product ions and on previous published data. After the collection procedure, standards with a high purity grade were obtained and an external standard curve of each anthocyanin was plotted.

Experimentation on Wind Powered Hydraulic Heating System

It is common knowledge of the world’s dependency on fossil fuel for energy, its unsustainability on the long run and the changing trend towards renewable energy as an alternative energy source. This aims to cut down greenhouse gas emission and its impact on the rate of ecological and climatic change. Quite remarkably, wind energy has been one of many focus areas of renewable energy sources and has attracted lots of investment and technological advancement. The objective of this research is to explore wind energy and its application in household heating. This research aims at applying experimental approach in real time to study and verify a virtually simulated wind powered hydraulic house heating system. The hardware components comprise of an integrated hydraulic pump, flow control valve, hydraulic fluid and other hydraulic components. The system design and control applies hardware in-the-loop (HIL) simulation setup. Output signal from the semi-empirical turbine modelling controls the integrated motor to generate flow. Throttling the volume flow creates pressure drop across the valve and subsequently thermal power in the system to be outputted using a heat exchanger. Maximum thermal power is achieved by regulating valve orifice to achieve optimum system parameter. Savonius rotor is preferred for its low inertia, high starting torque and ease of design and maintenance characteristics, but lags in power efficiency. A prototype turbine design is used; with power output in range of practical Savonius turbine. The physical mechanism of the prototype turbine’s augmentation design is not known and will not be a focus in this study.

Control of multi-actuator system by an electrically driven hydraulic pump-motor

The awareness and concern of our environment together with legislation have set more and more tightening demands for energy efficiency of non-road mobile machinery (NRMM). Integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) has been developed in Lappeenranta University of Technology (LUT). The elimination of resistance flow, and the recuperation of energy makes it very efficient alternative. The difficulties of IEHEC machine to step to the market has been the requirement of one IEHEC machine per one actuator. The idea is to switch IEHEC between two actuators of log crane using fast on/off valves. The control system architecture is introduced. The system has been simulated in co-simulation using two different software. The simulated responses of pump-controlled system is compared to the responses of the conventional valve-controlled system.

The development of automated methods for the determination of trace concentrations of carbomate pesticides in water using solid sorbent pre-concentration methods and high performance liquid chromatography /

Several automated reversed-phase HPLC methods have been developed to determine trace concentrations of carbamate pesticides (which are of concern in Ontario environmental samples) in water by utilizing two solid sorbent extraction techniques. One of the methods is known as on-line pre-concentration'. This technique involves passing 100 milliliters of sample water through a 3 cm pre-column, packed with 5 micron ODS sorbent, at flow rates varying from 5-10 mUmin. By the use of a valve apparatus, the HPLC system is then switched to a gradient mobile phase program consisting of acetonitrile and water. The analytes, Propoxur, Carbofuran, Carbaryl, Propham, Captan, Chloropropham, Barban, and Butylate, which are pre-concentrated on the pre-column, are eluted and separated on a 25 cm C-8 analytical column and determined by UV absorption at 220 nm. The total analytical time is 60 minutes, and the pre-column can be used repeatedly for the analysis of as many as thirty samples. The method is highly sensitive as 100 percent of the analytes present in the sample can be injected into the HPLC. No breakthrough of any of the analytes was observed and the minimum detectable concentrations range from 10 to 480 ng/L. The developed method is totally automated for the analysis of one sample. When the above mobile phase is modified with a buffer solution, Aminocarb, Benomyl, and its degradation product, MBC, can also be detected along with the above pesticides with baseline resolution for all of the analytes. The method can also be easily modified to determine Benomyl and MBC both as solute and as particulate matter. By using a commercially available solid phase extraction cartridge, in lieu of a pre-column, for the extraction and concentration of analytes, a completely automated method has been developed with the aid of the Waters Millilab Workstation. Sample water is loaded at 10 mL/min through a cartridge and the concentrated analytes are eluted from the sorbent with acetonitrile. The resulting eluate is blown-down under nitrogen, made up to volume with water, and injected into the HPLC. The total analytical time is 90 minutes. Fifty percent of the analytes present in the sample can be injected into the HPLC, and recoveries for the above eight pesticides ranged from 84 to 93 percent. The minimum detectable concentrations range from 20 to 960 ng/L. The developed method is totally automated for the analysis of up to thirty consecutive samples. The method has proven to be applicable to both purer water samples as well as untreated lake water samples.

Primary structure and expression studies of the dihydrofolate reductase gene (DFRI) of Saccharomyces cerevisiae

The nucleotide sequence of a genomic DNA fragment thought previously to contain the dihydrofolate reductase gene (DFR1) of Saccharomyces cerevisiae by genetic criteria was determined. This DNA fragment of 1784' basepairs contains a large open reading frame from position 800 to 1432, which encodes a enzyme with a predicted molecular weight of 24,229.8 Daltons. Analysis of the amino acid sequence of this protein revealed that the yeast polypep·tide contained 211 amino acids, compared to the 186 residues commonly found in the polypeptides of other eukaryotes. The difference in size of the gene product can be attributed mainly to an insert in the yeast gene. Within this region, several consensus sequences required for processing of yeast nuclear and class II mitochondrial introns were identified, but appear not sufficient for the RNA splicing. The primary structure of the yeast DHFR protein has considerable sequence homology with analogous polypeptides from other organisms, especially in the consensus residues involved in cofactor and/or inhibitor binding. Analysis of the nucleotide sequence also revealed the presence of a number of canonical sequences identified in yeast as having some function in the regulation of gene expression. These include UAS elements (TGACTC) required for tIle amino acid general control response, and "TATA H boxes as well as several consensus sequences thought to be required for transcriptional termination and polyadenylation. Analysis of the codon usage of the yeast DFRl coding region revealed a codon bias index of 0.0083. this valve very close to zero suggestes 3 that the gene is expressed at a relatively low level under normal physiological conditions. The information concerning the organization of the DFRl were used to construct a variety of fusions of its 5' regulatory region with the coding region of the lacZ gene of E. coli. Some of such fused genes encoded a fusion product that expressed in E.coli and/or in yeast under the control of the 5' regulatory elements of the DFR1. Further studies with these fusion constructions revealed that the beta-galactosidase activity encoded on multicopy plasmids was stimulated transiently by prior exposure of yeast host cells to UV light. This suggests that the yeast PFRl gene is indu.ced by UV light and nlay in1ply a novel function of DHFR protein in the cellular responses to DNA damage. Another novel f~ature of yeast DHFR was revealed during preliminary studies of a diploid strain containing a heterozygous DFRl null allele. The strain was constructed by insertion of a URA3 gene within the coding region of DFR1. Sporulation of this diploid revealed that meiotic products segregated 2:0 for uracil prototrophy when spore clones were germinated on medium supplemented with 5-formyltetrahydrofolate (folinic acid). This finding suggests that, in addition to its catalytic activity, the DFRl gene product nlay play some role in the anabolisln of folinic acid. Alternatively, this result may indicate that Ura+ haploid segregants were inviable and suggest that the enzyme has an essential cellular function in this species.

Studies on oxamyl : analytical method development and investigation of fate in peach seedlings and corn seeds

A high performance liquid chromatographic method employing two columns connected in series and separated~y·a.switching valve has been developed for the analysis of the insecticide/ nematicide oxamyl (methyl-N' ,N'-dimethyl-N-[(methylcarbamoyl) oxy]-l-thiooxarnimidate) and two of its metabolites. A variation of this method involving two reverse phase columns was employed to monitor the persistence and translocation of oxamyl in treated peach seedlings. It was possible to simultaneously analyse for oxamyl and its corresponding oxime (methyl-N',N'-dimethyl-N-hydroxy-l-thiooxamimidate}, a major metabolite of oxamyl in plants, without prior cleanup of the samples. The method allowed detection of 0.058 pg oxamyl and 0.035 p.g oxime. On treated peach leaves oxamyl was found to dissipate rapidly during the first two-week period, followed by a period of slow decomposition. Movement of oxamyl or its oxime did not occur in detectable quantities to untreated leaves or to the root or soil. A second variation of the method which employed a size exclusion column as·the first column and a reverse phase column as the second was used to monitor the degradation of oxamyl in treated, planted corn seeds and was suitable for simultaneous analysis of oxamyl, its oxime and dimethylcyanoformamide (DMCF), a metabolite of oxamyl. The method allowed detection of 0.02 pg oxamyl, 0.02 p.g oxime and 0.005 pg DMCF. Oxamyl was found to persist for a period of 5 - 6 weeks, which is long enough to permit oxamyl seedtreatment to be considered as a potential means of protecting young corn plants from nematode attack. Decomposition was found to be more rapid in unsterilized soil than in sterililized soil. DMCF was found to have a nematostatic effect at high concentrations ( 2,OOOpprn), but at lower concentrations no effect on nematode mobility was observed. Oxamyl, on the other hand, was found to reduce the mobility of nematodes at concentrations down to 4 ppm.

Étude d’un modèle murin de vieillissement sur la sténose valvulaire aortique

La sténose valvulaire aortique (SVA) est une pathologie associée au vieillissement et aux facteurs de risque cardiovasculaire. Afin d’étudier la SVA et d’explorer de nouvelles thérapies, plusieurs modèles animaux ont été récemment développés, mais la plupart de ces modèles ciblent les mécanismes de développement de la SVA reliés à l’hypercholestérolémie. Le syndrome de Werner (WS) est une maladie caractérisée par un vieillissement prématuré. Récemment, il a été découvert que des souris mutantes ayant une délétion du domaine hélicase du gène Werner, responsable du WS, démontraient un profile hémodynamique typique de la SVA. De ce fait, nous avons émis l’hypothèse que ces souris pourraient développer une SVA plus rapidement que des souris de type sauvage. Nous avons donc étudié les effets cette mutation chez des souris WrnΔhel/Δhel, en comparant le taux de progression d’une SVA entre des souris WrnΔhel/Δhel (WrnΔhel) et des souris de type sauvage comme groupe contrôle. À la suite d’une diète riche en sucre et en gras sur une période de 24 semaines, les souris WrnΔhel ont démontré une diminution plus prononcée de leur aire de valve aortique (mesures échocardiographiques) que les souris contrôles, supportée par les analyses histologiques concernant la fibrose des valves aortiques. Les souris n’ont toutefois développé aucun signe évident d’athérosclérose comme l’infiltration de lipides ou l’inflammation, bien que certaines caractéristiques liées à la dysfonction endothéliale semblent être augmentées chez les souris WrnΔhel. D’autres mesures échocardiographiques indiquant une SVA, comme une hypertrophie du ventricule gauche dans le groupe WrnΔhel, ont été obtenues. Nous avons aussi observé des indices de vieillissement plus marqués quant aux analyses sanguines et de la moelle osseuse des souris WrnΔhel en comparaison avec les souris contrôles. Par conséquent, ce modèle expérimental de vieillissement pourrait être utilisé pour les études futures sur la SVA sans les principaux effets athérogéniques des autres modèles expérimentaux.

Évaluation échocardiographique des effets du pimobendane dans le traitement des maladies valvulaires dégénératives canines asymptomatiques

Contexte : Les maladies valvulaires dégénératives (MVD) représentent la pathologie cardiaque acquise la plus fréquente chez le chien. Malgré une recherche active, à l’heure actuelle aucun traitement étudié ne s’est avéré efficace dans le traitement du stade asymptomatique de la condition. Le pimobendane est un nouvel agent inodilatateur, qui s’est montré prometteur dans le traitement des stades avancés des MVD, mais peu est connu sur ses effets hémodynamiques et son impact sur le volume de régurgitation dans les MVD naturelles asymptomatiques. Hypothèses : L’introduction du pimobendane réduit la fraction de régurgitation (FR) chez les chiens atteints de MVD asymptomatiques. Sujets étudiés : Vingt-quatre chiens de compagnie, appartenant à la clientèle du Centre Hospitalier Universitaire Vétérinaire (CHUV) de l’université de Montréal et affectés par une MVD de classe ISACHC 1b. Méthode: Étude prospective, contrôlée et conduite à l’aveugle. Les chiens ont été assignés à un groupe traitement (n=19) recevant du pimobendane (0,2-0,3 mg/Kg q12h) ou à un groupe contrôle (n=5). Les évaluations échocardiographiques ont été effectuées sur une période de 6 mois. Résultats : L’introduction du pimobendane n’a pas été associée à une diminution de la FR chez les chiens affectés par une MVD asymptomatique de classe ISACHC 1b au cours de l’étude (p=0,85). Une augmentation significative de la fraction d’éjection (80,8 +/- 1,42 vs. 69,0 +/- 2,76, p=0,0064) ainsi qu’une baisse du diamètre ventriculaire gauche télé systolique (p=0.011) ont été observées chez le groupe pimobendane au jour 30. Toutefois, cet effet sur la fonction systolique n’a pas persisté au cours des 6 mois d’évaluation.

Essential role of GATA5 in the mammalian heart

réalisé en cotutelle avec le Dr. Marie Kmita et Dr. Marco Horb

Rôle du stress oxydant en période néonatale dans l'hypertension artérielle et la dysfonction vasculaire et métabolique de l'adulte

Thèse réalisée dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université d'Auvergne en France

Étude pharmacogénomique sur l’utilisation de la warfarine en pratique clinique réelle

Contexte: Bien que plusieurs algorithmes pharmacogénétiques de prédiction de doses de warfarine aient été publiés, peu d’études ont comparé la validité de ces algorithmes en pratique clinique réelle. Objectif: Évaluer trois algorithmes pharmacogénomiques dans une population de patients qui initient un traitement à la warfarine et qui souffrent de fibrillation auriculaire ou de problèmes de valves cardiaques. Analyser la performance des algorithmes de Gage et al., de Michaud et al. ainsi que de l’IWPC quant à la prédiction de la dose de warfarine permettant d’atteindre l’INR thérapeutique. Méthodes: Un devis de cohorte rétrospectif fut utilisé afin d’évaluer la validité des algorithmes chez 605 patients ayant débuté une thérapie de warfarine à l’Institut de Cardiologie de Montréal. Le coefficient de corrélation de Pearson ainsi que l’erreur absolue moyenne ont été utilisés pour évaluer la précision des algorithmes. L’exactitude clinique des prédictions de doses fut évaluée en calculant le nombre de patients pour qui la dose prédite était sous-estimée, idéalement estimée ou surestimée. Enfin, la régression linéaire multiple a été utilisée pour évaluer la validité d’un modèle de prédiction de doses de warfarine obtenu en ajoutant de nouvelles covariables. Résultats : L’algorithme de Gage a obtenu la proportion de variation expliquée la plus élevée (R2 ajusté = 44 %) ainsi que la plus faible erreur absolue moyenne (MAE = 1.41 ± 0.06). De plus, la comparaison des proportions de patients ayant une dose prédite à moins de 20 % de la dose observée a confirmé que l’algorithme de Gage était également le plus performant. Conclusion : Le modèle publié par Gage en 2008 est l’algorithme pharmacogénétique le plus exact dans notre population pour prédire des doses thérapeutiques de warfarine.

Bases génétiques de la sténose valvulaire aortique calcifiée

La sténose valvulaire aortique (SVA) est une valvulopathie résultant en l'ouverture incomplète de la valve aortique. La calcification des feuillets associée au vieillissement est la cause la plus importante de la SVA. Sa pathogénèse implique des dépôts de lipoprotéines, de l'inflammation et de la calcification des feuillets. Notre étude vise à identifier les gènes associés à une prédisposition à la SVA afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à cette maladie et potentiellement identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Pour ce faire, nous avons recruté 190 patients avec SVA dégénérative et 192 témoins, appariés pour l'âge et le sexe, puis effectué une étude d’association par gènes candidats en utilisant des marqueurs génétiques polymorphiques (SNP). Les gènes candidats choisis incluent (1) ceux dont les polymorphismes ont été présumés associés à la SVA dans des études antérieures (APOB, APOE, ESR1, PTH et VDR) (2) des gènes dont les polymorphismes ont été significativement associés et validés pour quelques maladies inflammatoires (IL-10, TNFAIP3) ou pour le métabolisme lipidique (PCSK9, LDLR) dans des études d’association pangénomiques, et (3) des gènes impliqués dans la pathogénie de la SVA à partir d’études faites sur des modèles animaux en lien avec la calcification (BMP2, CCR5, CTGF, LRP5, MSX2, WNT3), le remodelage tissulaire (CTSS, MMP9) ou le métabolisme lipidique (SMPD1). Pour les gènes des groupes (1) et (2), nous avons utilisé les SNPs rapportés dans la littérature comme étant significativement associés. Pour le groupe (3), nous avons effectué une approche par «tagSNP» qui consiste à sélectionner un groupe de SNP capturant la variabilité génétique dans la région ciblée. Au total, 81 SNPs dans 18 gènes ont été testés. Nous avons trouvé une association nominale avec les gènes BMP2 (OR = 1.55, IC95%: 1.14-2.10, p = 0.004) et LRP5 (OR = 1.47, IC95%: 1.06-2.03, p = 0.023) après ajustement pour la maladie coronarienne. Les gènes BMP2 et LRP5, impliqués dans la calcification selon certains modèles expérimentaux, sont donc associés à la SVA. Ce travail devrait être validé dans une cohorte indépendante plus large dans un avenir rapproché et il pourrait être étendu à d’autres gènes.

Diversité fonctionnelle du facteur de transcription Tbx5 dans le coeur

Le cœur des vertébrés est un organe modulaire qui requiert le " patterning " complexe des champs morphogénétiques cardiogènes et la convergence coordonnée des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques. Au moins 7 facteurs de transcription de la famille T-box coopèrent au sein de ces nombreuses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques afin de réguler la morphogenèse et l’agencement de multiples structures le long de l’ébauche cardiaque, ce qui explique que les mutations humaines de ces gènes engendrent diverses malformations congénitales cardiaques (MCCs). L’un de ces gènes T-box, Tbx5, dont l’haploinsuffisance génère le syndrome de Holt-Oram (SHO), intervient dans une grande variété de réseaux de régulation géniques (RRGs) qui orchestrent la morphogenèse des oreillettes, du ventricule gauche, de la valve mitrale, des septums inter-auriculaire et inter-ventriculaire, ainsi que du système de conduction cardiaque. La diversité des RRGs impliqués dans la formation de ces structures cardiaques suggère que Tbx5 détient une profusion de fonctions qui ne seront identifiables qu’en répertoriant ses activités moléculaires dans chaque lignée cardiaque examinée isolément. Afin d’aborder cette problématique, une ablation génétique de Tbx5 dans l’endocarde a été réalisée. Cette expérience a démontré le rôle crucial de Tbx5 dans la survie des cellules endocardiques bordant le septum primum et des cardiomyocytes au sein de cette structure embryonnaire qui contribuera à la morphogenèse du septum inter-auriculaire. En outre, cette étude a révélé l’existence d’une communication croisée entre la sous-population de cellules endocardiques Tbx5+ et le myocarde au niveau du septum primum, afin d’assurer la survie des cardiomyocytes, et ultimement de garantir la maturation du septum inter-auriculaire. Nos résultats confirment aussi l’importance de l’interdépendance génétique (Tbx5 et Gata4 ainsi que Tbx5 et Nos3) entre différents loci dans la morphogenèse de la cloison inter-auriculaire, et particulièrement de l’influence que peut avoir l’environnement sur la pénétrance et l’expressivité des communications inter-auriculaires (CIAs) dans le SHO. En outre, puisque les fonctions d’un gène dépendent ordinairement des différents isoformes qu’il peut générer, une deuxième étude a focalisé davantage sur l’aspect transcriptionnel de Tbx5. Cette approche a mené à la découverte de 6 transcrits alternatifs exhibant des fonctions à la fois communes et divergentes. La caractérisation de 2 de ces isoformes a révélé le rôle de l’isoforme long (Tbx5_v1) dans la régulation de la croissance des cardiomyocytes durant la cardiogénèse, tandis que l’isoforme court (Tbx5_v2), préférentiellement exprimé dans le cœur mature, réprime la croissance cellulaire. Il est donc entièrement concevable que les mutations de TBX5 entraînant une troncation de la région C-terminale accroissent la concentration d’une protéine mutée qui, à l’instar de Tbx5_v2, interfère avec la croissance de certaines structures cardiaques. En revanche, la divergence de fonctions de ces isoformes, caractérisée par les disparités de localisation subcellulaire et de d’interaction avec d’autres cofacteurs cardiaques, suggère que les mutations affectant davantage un isoforme favoriseraient l’émergence d’un type particulier de MCC. Finalement, un dernier objectif était d’identifier le ou les mécanisme(s) moléculaire(s) par le(s)quel(s) Tbx5 régule son principal gène cible, Nppa, et d’en extraire les indices qui éclairciraient sa fonction transcriptionnelle. Cet objectif nécessitait dans un premier lieu d’identifier les différents modules cis-régulateurs (MCRs) coordonnant la régulation transcriptionnelle de Nppa et Nppb, deux gènes natriurétiques dont l’organisation en tandem et le profil d’expression durant la cardiogénèse sont conservés dans la majorité des vertébrés. L’approche d’empreinte phylogénétique employée pour scanner le locus Nppb/Nppa a permis d’identifier trois MCRs conservés entre diverses espèces de mammifères, dont un (US3) est spécifique aux euthériens. Cette étude a corroboré que la régulation de l’expression du tandem génique Nppb/Nppa requérait l’activité transcriptionnelle d’enhancers en complément aux promoteurs de Nppa et Nppb. La concordance quasiment parfaite entre les profils d’expression de Tbx5 et de ces deux gènes natriurétiques chez les mammifères, suggère que le gradient d’expression ventriculaire de Tbx5 est interprété par le recrutement de ce facteur au niveau des différents enhancers identifiés. En somme, les études présentées dans cette thèse ont permis de clarifier la profusion de fonctions cardiaques que possède Tbx5. Certaines de ces fonctions émanent de l’épissage alternatif de Tbx5, qui favorise la synthèse d’isoformes dotés de propriétés spécifiques. Les diverses interactions combinatoires entre ces isoformes et d’autres facteurs cardiaques au sein des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogènes contribuent à l’émergence de RRGs cardiaques divergents.