A computational fluid dynamic study on the filtering mechanics in suspension feeding marine invertebrates

Les suspensivores ont la tâche importante de séparer les particules de l'eau. Bien qu'une grande gamme de morphologies existe pour les structures d'alimentation, elles sont pratiquement toutes constituées de rangées de cylindres qui interagissent avec leur environnement fluide. Le mécanisme de capture des particules utilisé dépend des contraintes morphologiques, des besoins énergétiques et des conditions d'écoulement. Comme nos objectifs étaient de comprendre ces relations, nous avons eu recours à des études de comparaison pour interpréter les tendances en nature et pour comprendre les conditions qui provoquent de nouveaux fonctionnements. Nous avons utilisé la dynamique des fluides numérique (computational fluid dynamics, CFD) pour créer des expériences contrôlées et pour simplifier les analyses. Notre première étude démontre que les coûts énergétiques associés au pompage dans les espaces petits sont élevés. De plus, le CFD suggère que les fentes branchiales des ptérobranches sont des structures rudimentaires, d'un ancêtre plus grande. Ce dernier point confirme l'hypothèse qu'un ver se nourrit par filtration tel que l'ancêtre des deuterostomes. Notre deuxième étude détermine la gamme du nombre de Reynolds number critique où la performance d'un filtre de balane change. Quand le Re est très bas, les différences morphologiques n'ont pas un grand effet sur le fonctionnement. Cependant, une pagaie devient une passoire lorsque le Re se trouve entre 1 et 3,5. Le CFD s’est dévoilé être un outil très utile qui a permis d’obtenir des détails sur les microfluides. Ces études montrent comment la morphologie et les dynamiques des fluides interagissent avec la mécanisme de capture ou de structures utilisées, ainsi que comment des petits changements de taille, de forme, ou de vitesse d'écoulement peuvent conduire à un nouveau fonctionnement.

Improving sampling, optimization and feature extraction in Boltzmann machines

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires.

L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Extraction of Glucan from Acremonium Diospyri and Its Application in Macrobrachium Rosenbergii Larval Rearing System Along With Bacterians as Microspheres

Present work is aimed at development of an appropriate microbial technology for protection of larvae of macrobrachium rosenbergii from disease and to increase survival rate in hatcheries. Application of immunostimulants to activate the immune system of cultured animals against pathogen is the widely accepted alternative to antibiotics in aquaculture. The most important immunostimulant is glucan. Therefore a research programme entitled as extraction of glucan from Acremonium diospyri and its application in macrobrachium rosenbergii larval rearing system along with bacterians as microspheres. The main objectives of the study are development of aquaculture grade glucan from acremonium diospyri, microencapsulated drug delivery system for the larvae of M. rosenbergii and microencapsulated glucan with bacterian preparation for the enhanced production of M. rosenbergii in larval rearing system. Based on the results of field trials microencapsulated glucan with bacterin preparation, it is concluded that the microencapsulated preparation at a concentration of 25g per million larvae once in seven days will enhance the production and quality seed of M. rosenbergii.

INVESTIGATIONS ON THE SOLVENT EXTRACTION AND LUMINESCENCE OF LANTHANOIDS WITH MIXTURES OF HETEROCYCLIC β- DIKETONE S AND VARIOUS NEUTRAL OXO-DONORS

The thesis entitled “ Investigations on the solvent extraction and luminescence of lanthanoids with mixtures of heterocyclic β-diketone S and various neutral oxo-donors” embodies the results of investigations carried out on the solvent extraction of trivalent lanthanoids with various heterocyclic β-diketones in the presence and absence of neutral oxo-donors and also on the luminescent studies of Eu3+-heterocyclic β-diketonate complexes with Lewis bases. The primary objective of the present work is to generate the knowledge base, especially to understand the interactions of lanthanoid-heterocyclic β-diketonates with various macrocyclic ligands such as crown ethers and neutral organophosphorus extractants , with a view to achieve better selectivity. The secondary objective of this thesis is to develop novel lanthanoid luminescent materials based on 3-phenyl-4-aroyl-5-isoxazolones and organophosphorus ligands, for use in electroluminescent devices. In the beginning it describes the need for the development of new mixed-ligand systems for the separation of lanthanoids and the development and importance of novel luminescent lanthanoid- β-diketonate complexes for display devices. The syntheses of various para substituted derivatives of 4-aroyl-5-isoxazolones and their characterization by various spectroscopic techniques are described. It also investigate the solvent extraction behaviour of trivalent lanthanoids with 4-aroyl-5-isoxazolones in the presence and absence of various crown ethers such as 18C6, DC18C6, DB18C6 and B18C6. Elemental analysis, IR and H NMR spectral studies are used to understand the interactions of crown ethers with 4-aroyl-5-isoxazolonate complexes of lanthanoids. The synergistic extraction of trivalent lanthanoids with sterically hindered 1-phenyl-3-methyl-4-pivaloyl-5-pyrazolone in the presence of various structurally related crown ethers are studied. The syntheses, characterization and photyphysical properties of Eu3+-4-aroyl-5-isoxazolonate complexes in the presence of Lewis bases like trictylphosphine oxide or triphenylphosphine oxide were studied.

Synergistic solvent extraction of Thorium(IV) and Uranium(VI) with β-diketones in presence of oxo-donors

The thesis entitled “Synergistic solvent extraction of Thorium(IV) and Uranium(VI) with β-diketones in presence of oxo-donors” embodies the results of the investigations carried out on the extraction of thorium(IV) an uranium(VI) with heterocyclic β-diketones in the presence and absence of various macrocyclic ligands and neutral organophosphorus extractants. The objective of this work is to generate the knowledge base to achieve better selectivity between thorium(IV) and uranium(VI) by understanding the interactions of crown ethers or neutral organophosphorus extractants with metal-heterocyclic β-diketonate complexes. Para-substituted 1-phenyl-3-methyl-4-aroyl-5-pyrazolones, namely,1-phenyl-3-methyl-4-(4-fluorobenzoyl)-5-pyrazolone (HPMFBP) and 1-phenyl-3-methyl-4-(4-toluoyl)-5-pyrazolone (HPMTP) were synthesized and characterized by elemental analysis, IR and H NMR spectral data. The synthesized ligands have been utilized for the extraction of thorium(IV) and uranium(VI) from nitric acid solutions in the presence and absence of various crown ethers. Thorium(IV) and uranium(VI) complexes with HPMPP(1-Phenyl-3-methyl-4-pivaloyl-5-pyrazolone) and neutral organophosphorus extractants were synthesized and characterized by IR and P NMR spectral data to further understand the interactions of neutral organophosphorus extractants with metal-chelates. Solid complexes of thorium(IV) and uranium(VI) with para-substituted 4-aroyl-5-isoxazolones and crown ethers were isolated and characterized by various spectroscopic techniques to further clarify the nature of the extracted complexes.

OFFLINE AND ONLINE SOLID PHASE EXTRACTION/PRECONCENTRATION OF INORGANICS

Solid phase extraction (SPE) is a powerful technique for preconcentration/removal or separation of trace and ultra trace amounts of toxic and nutrient elements. SPE effectively simplifies the labour intensive sample preparation, increase its reliability and eliminate the clean up step by using more selective extraction procedures. The synthesis of sorbents with a simplified procedure and diminution of the risks of errors shows the interest in the areas of environmental monitoring, geochemical exploration, food, agricultural, pharmaceutical, biochemical industry and high purity metal designing, etc. There is no universal SPE method because the sample pretreatment depends strongly on the analytical demand. But there is always an increasing demand for more sensitive, selective, rapid and reliable analytical procedures. Among the various materials, chelate modified naphthalene, activated carbon and chelate functionalized highly cross linked polymers are most important. In the biological and environmental field, large numbers of samples are to be analysed within a short span of time. Hence, online flow injection methods are preferred as they allow extraction, separation, identification and quantification of many numbers of analytes. The flow injection online preconcentration flame AAS procedure developed allows the determination of as low as 0.1 µg/l of nickel in soil and cobalt in human hair samples. The developed procedure is precise and rapid and allows the analysis of 30 samples per hour with a loading time of 60 s. The online FI manifold used in the present study permits high sampling, loading rates and thus resulting in higher preconcentration/enrichment factors of -725 and 600 for cobalt and nickel respectively with a 1 min preconcentration time compared to conventional FAAS signal. These enrichment factors are far superior to hitherto developed on line preconcentration procedures for inorganics. The instrumentation adopted in the present study allows much simpler equipment and low maintenance costs compared to costlier ICP-AES or ICP-MS instruments.

Metamorphism and Fluid Inclusion Studies of Charnockites and Associated Rocks from the Madurai Granulite Block , Southern India with Special Reference to Graphite Mineralization

The present research is aimed at studying the charnockites and associated rocks of the Madurai Granulite Block (MGB), especially in terms of their field settings, texture, mineralogy, and mineral chemistry analyzing their petrogenesis with the help of thermobarometrical studies and geochronological constraints. The mechanism of charnockitization by the influx of CO2 rich fluids and its relation to the graphite mineralization is actually a matter of discussion and study. The objectives of the present study are, to delineate petrological and structural relationship of charnockites and associated gneissic rocks, to study the field and petrogenetic aspects of graphite mineralization in the MGB, to establish and re-evaluate the P-T conditions of formation of the rocks with the aid of thermbarometric computations and to compare with the earlier studies, characterization of graphite with XRD, Raman spectroscopy and isotope studies together with a search in to its genesis and its relation to the high-grade metamorphism of the terrain, to evaluate the role of CO2 bearing fluids in the processes of charnockitization as well as in the genesis of graphite within the high-grade terrain and to delineate the metamorphic geochronology of selected rocks using ‘monazite dating’ technique with EPMA.

Statistical signal extraction using stable processes

The standard models for statistical signal extraction assume that the signal and noise are generated by linear Gaussian processes. The optimum filter weights for those models are derived using the method of minimum mean square error. In the present work we study the properties of signal extraction models under the assumption that signal/noise are generated by symmetric stable processes. The optimum filter is obtained by the method of minimum dispersion. The performance of the new filter is compared with their Gaussian counterparts by simulation.

Techniques for Enhancing Wind Energy Generation - A CFD Based Multibody Dynamics Approach in Horizontal Axis Wind Turbines

Wind energy has emerged as a major sustainable source of energy.The efficiency of wind power generation by wind mills has improved a lot during the last three decades.There is still further scope for maximising the conversion of wind energy into mechanical energy.In this context,the wind turbine rotor dynamics has great significance.The present work aims at a comprehensive study of the Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) aerodynamics by numerically solving the fluid dynamic equations with the help of a finite-volume Navier-Stokes CFD solver.As a more general goal,the study aims at providing the capabilities of modern numerical techniques for the complex fluid dynamic problems of HAWT.The main purpose is hence to maximize the physics of power extraction by wind turbines.This research demonstrates the potential of an incompressible Navier-Stokes CFD method for the aerodynamic power performance analysis of horizontal axis wind turbine.The National Renewable Energy Laboratory USA-NREL (Technical Report NREL/Cp-500-28589) had carried out an experimental work aimed at the real time performance prediction of horizontal axis wind turbine.In addition to a comparison between the results reported by NREL made and CFD simulations,comparisons are made for the local flow angle at several stations ahead of the wind turbine blades.The comparison has shown that fairly good predictions can be made for pressure distribution and torque.Subsequently, the wind-field effects on the blade aerodynamics,as well as the blade/tower interaction,were investigated.The selected case corresponded to a 12.5 m/s up-wind HAWT at zero degree of yaw angle and a rotational speed of 25 rpm.The results obtained suggest that the present can cope well with the flows encountered around wind turbines.The areodynamic performance of the turbine and the flow details near and off the turbine blades and tower can be analysed using theses results.The aerodynamic performance of airfoils differs from one another.The performance mainly depends on co-efficient of performnace,co-efficient of lift,co-efficient of drag, velocity of fluid and angle of attack.This study shows that the velocity is not constant for all angles of attack of different airfoils.The performance parameters are calculated analytically and are compared with the standardized performance tests.For different angles of ,the velocity stall is determined for the better performance of a system with respect to velocity.The research addresses the effect of surface roughness factor on the blade surface at various sections.The numerical results were found to be in agreement with the experimental data.A relative advantage of the theoretical aerofoil design method is that it allows many different concepts to be explored economically.Such efforts are generally impractical in wind tunnels because of time and money constraints.Thus, the need for a theoretical aerofoil design method is threefold:first for the design of aerofoil that fall outside the range of applicability of existing calalogs:second,for the design of aerofoil that more exactly match the requirements of the intended application:and third,for the economic exploration of many aerofoil concepts.From the results obtained for the different aerofoils,the velocity is not constant for all angles of attack.The results obtained for the aerofoil mainly depend on angle of attack and velocity.The vortex generator technique was meticulously studies with the formulation of the specification for the right angle shaped vortex generators-VG.The results were validated in accordance with the primary analysis phase.The results were found to be in good agreement with the power curve.The introduction of correct size VGs at appropriate locations over the blades of the selected HAWT was found to increase the power generation by about 4%

Optimization of Process Parameters for the Extraction of Gelatin from the Skin of Freshwater Fish and the Evaluation of Physical anal Chemical Characteristics

Faculty of Marine Sciences,Cochin University of Science and Technology