TAP Reactor Development and Application in the Kinetic Characterization of Catalysts for Heterogeneously Catalyzed Gas Phase Reactions

This manuscript describes the application and further development of the TAP technique in kinetic characterization of heterogeneous catalysis. The major application of TAP systems is to study mechanisms, kinetics and transport phenomena in heterogeneous catalysis, all of which is made possible by the sub-millisecond time resolution. Furthermore, the kinetic information obtained can be used to gain an insight into the mechanism occurring over the catalyst system. This is advantageous as heterogeneous catalysts with an improved efficiency can be developed as a result. TAP kinetic studies are carried out at low pressure (~1x10-7 mbar) and TAP pulses are sufficiently small (1013-1015 molecules) so as to maintain this low pressure. The use of a small number of molecules in comparison to the total number of active sites means the state of the catalyst remains relatively unchanged. The use of the low intensity pulses also makes the pressure gradient negligible and so allows the TAP reactor system to operate in the Knudsen Diffusion regime, where gas-gas reactions are eliminated. Hence only gas-catalyst reactions are investigated and, by the use of moment analysis of observed exit flow, rate constants of elementary steps of the reaction can be obtained.

In this manuscript, two attempts to further the TAP technique are reported. Firstly, the work undertaken at QUB to attempt to control the number of molecules of condensable reagents that can be pulsed during a TAP pulse experiment is disclosed. Secondly, a collaborative project with SAI Ltd Manchester is discussed in a separate chapter, where technical details and validation of a customised time of flight mass spectrometer (ToF MS) for the QUB TAP-1 system are reported. A collaborative project with Cardiff Catalysis Institute focusing on the study of CO oxidation over hopcalite catalysts is also reported. The analysis of the experimental results has provided an insight into the possible mechanism of the oxidation of CO over these catalysts. A correction function has also been derived which accounts for the adsorption of reactant molecules over inert materials that are used for the reactor packing in TAP experiments. This function was then applied to the selective reduction of O2 in a H2 rich ethene feed, so that more accurate TAP moment based analysis could be conducted.

The application of a novel fluidised photo reactor under UV-Visible and natural solar irradiation in the photocatalytic generation of hydrogen

With advancements in the development of visible light responsive catalysts for H2 production frequently being reported, photocatalytic water splitting has become an attractive method as a potential ‘solar fuel generator’. The development of novel photo reactors which can enhance the potential of such catalyst, however, is rarely reported. This is particularly important as many reactor configurations are mass transport limited, which in term limits the efficiency of more effective photocatalysts in larger scale applications. This paper describes the performance of a novel fluidised photo reactor for the production of H2 over two catalysts under UV-Visible light and natural solar illumination. Catalysts Pt-C3N4 and NaTaO3.La were dispersed in the reactor and the rate of H2 was determined by GC-TCD analysis of the gas headspace. The unit was an annular reactor constructed from stainless steel 316 and quartz glass with a propeller located in the base to control fluidisation of powder catalysts. Reactor properties such as propeller rotational speed were found to enhance the photo activity of the system through the elimination of mass transport limitations and increasing light penetration. The optimum conditions for H2 evolution were found to be a propeller rotational speed of 1035 rpm and 144 W of UV-Visible irradiation, which produced a rate of 89 µmol h-1 g-1 over Pt-C3N4. Solar irradiation was provided by the George Ellery Hale Solar Telescope, located at the California Institute of Technology.

Industrial scale microwave processing of tomato juice using a novel continuous microwave system

This study evaluated the effect of an industrial scale continuous flow microwave volumetric heating system in comparison to conventional commercial scale pasteurisation for the processing of tomato juice in terms of physicochemical properties, microbial characteristics and antioxidant capacity. The effect against oxidative stress in Caco-2 cells, after in vitro digestion was also investigated. Physicochemical and colour characteristics of juices were very similar between technologies and during storage. Both conventional and microwave pasteurisation inactivated microorganisms and kept them in low levels throughout storage. ABTS⁺ values, but not ORAC, were higher for the microwave pasteurised juice at day 0 however no significant differences between juices were observed during storage. Juice processed with the microwave system showed an increased cytoprotective effect against H₂O₂ induced oxidation in Caco-2 cells. Organoleptic analysis revealed that the two tomato juices were very similar. The continuous microwave volumetric heating system appears to be a viable alternative to conventional pasteurisation.

A high-value, low-cost bubble continuous positive airway pressure system for low-resource settings:technical assessment and initial case reports

Acute respiratory infections are the leading cause of global child mortality. In the developing world, nasal oxygen therapy is often the only treatment option for babies who are suffering from respiratory distress. Without the added pressure of bubble Continuous Positive Airway Pressure (bCPAP) which helps maintain alveoli open, babies struggle to breathe and can suffer serious complications, and frequently death. A stand-alone bCPAP device can cost $6,000, too expensive for most developing world hospitals. Here, we describe the design and technical evaluation of a new, rugged bCPAP system that can be made in small volume for a cost-of-goods of approximately $350. Moreover, because of its simple design--consumer-grade pumps, medical tubing, and regulators--it requires only the simple replacement of a <$1 diaphragm approximately every 2 years for maintenance. The low-cost bCPAP device delivers pressure and flow equivalent to those of a reference bCPAP system used in the developed world. We describe the initial clinical cases of a child with bronchiolitis and a neonate with respiratory distress who were treated successfully with the new bCPAP device.

Kinetics of the photocatalysed oxidation of NO in the ISO 22197 reactor

The photocatalytic reactor described in the NOx removal ISO 22197-1:2007 is used to study the kinetics of the process, using a film of P25 TiO2 which has either been conventionally pre-irradiated in a stream of air, or unconventionally in a stream of NO (1 ppmv). In the former case it is shown that the system does not achieve steady state exit levels of NO, probably due to the gradual accumulation of HNO3 on the surface of the photocatalyst. The NO-preconditioned TiO2 film demonstrated excellent steady-state levels when monitored as a function of NO concentration, [NO] and UV irradiance, ρ. However, in this case the photocatalytic reaction under study is NOT NOx removal, but the conversion of NO to NO2. It is shown that the kinetics of this steady state process fit very well to a kinetic expression based on a disrupted adsorption reaction mechanism, which has also been used by others to fit their observed (non-steady state) kinetics for NOx removal on conventionally-(air) preconditioned films of P25. The appropriateness of this model for either system is questioned, since in both systems the kinetics appear to have a significant mass transport element. These findings suggest that mass transport and non-steady-state kinetics are likely to be significant features for most active photocatalytic samples, where the %NO conversion is >7%, and so limits the usefulness of the NOx removal ISO 22197-1:2007.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Economical and operational optimization of CALB immobilization on MP1000 for amidation of olein fatty acids with ethanolamine

Dissertação de Mestrado , Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2008

Produção de um agente de controlo biológico de doenças pós-colheita, em reactor biológico, a partir de resíduos de alfarroba. Estudos de transferência de massa.

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2009

Caracterização reológica e hidrodinâmica de uma suspensão de células vegetais de Centaurea calcitrapa em reactor biológico

Tese de dout., Ciências Biotecnológicas, Faculdade de Engenharia e de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2003

The effect of clock jitter on the performance of continuous-time delta-sigma ADC for GNSS signals

Next generation Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers will operate in multiple navigation bands. An efficient way to achieve this with lower power and cost is to employ BandPass Sampling (BPS); nevertheless, the sampling operation injects large amounts of jitter noise, which degrades the performance of the receiver. Continuous–Time (CT) Delta–Sigma (ΔΣ) modulators are capable of suppressing this noise but the impact of clock jitter at the output of the Digital– to–Analog Converter (DAC) in the feedback path of the modulator should be taken into account. This paper presents an analytical approach for describing clock jitter in GNSS receivers when a CT–ΔΣ modulator is utilized for Analog–to–Digital Conversion (ADC). The validity of the presented approach is verified through time–domain simulations using a behavioural model of the fourth–order CT–ΔΣ modulator with 1–bit NRZ DAC feedback pulse.

Forecasting overseas visitors into the United Kingdom using continuous time and autoregressive fractional integrated moving average models with discrete data

This paper applies Gaussian estimation methods to continuous time models for modelling overseas visitors into the UK. The use of continuous time modelling is widely used in economics and finance but not in tourism forecasting. Using monthly data for 1986–2010, various continuous time models are estimated and compared to autoregressive integrated moving average (ARIMA) and autoregressive fractionally integrated moving average (ARFIMA) models. Dynamic forecasts are obtained over different periods. The empirical results show that the ARIMA model performs very well, but that the constant elasticity of variance (CEV) continuous time model has the lowest root mean squared error (RMSE) over a short period.

An FPGA based decimation filter processor design for real-time continuous-time Σ−Δ modulator performance measurement and evaluation

This paper reports on a Field Programmable Gate Array (FPGA) implementation as well as prototyping for real-time testing of a low complexity high efficiency decimation filter processor which is deployed in conjunction with a custom built low-power jitter insensitive Continuous Time (CT) Sigma-Delta (Σ-Δ) Modulator to measure and assess its performance. The CT Σ-Δ modulator/decimation filter cascade can be used in integrated all-digital microphone interfaces for a variety of applications including mobile phone handsets, wireless handsets as well as other applications requiring all-digital microphones. The work reported here concentrates on the design and implementation as well as prototyping on a Xilinx Spartan 3 FPGA development system and real-time testing of the decimation processing part deploying All-Pass based structures to process the bit stream coming from CT Σ-Δ modulator hence measuring in real-time and fully assessing the modulator's performance.