A direct digital frequency synthesizer with fourth-order phase domain Delta Sigma noise shaper and 12-bit current-steering DAC

This paper presents a direct digital frequency synthesizer (DDFS) with a 16-bit accumulator, a fourth-order phase domain single-stage Delta Sigma interpolator, and a 300-MS/s 12-bit current-steering DAC based on the Q(2) Random Walk switching scheme. The Delta Sigma interpolator is used to reduce the phase truncation error and the ROM size. The implemented fourth-order single-stage Delta Sigma noise shaper reduces the effective phase bits by four and reduces the ROM size by 16 times. The DDFS prototype is fabricated in a 0.35-mu m CMOS technology with active area of 1.11 mm(2) including a 12-bit DAC. The measured DDFS spurious-free dynamic range (SFDR) is greater than 78 dB using a reduced ROM with 8-bit phase, 12-bit amplitude resolution and a size of 0.09 mm(2). The total power consumption of the DDFS is 200)mW with a 3.3-V power supply.

Performance of supersonic model combustors with staged injections of supercritical aviation kerosene

Supersonic model combustors using two-stage injections of supercritical kerosene were experimentally investigated in both Mach 2.5 and 3.0 model combustors with stagnation temperatures of approximately 1,750 K. Supercritical kerosene of approximately 760 K was prepared and injected in the overall equivalence ratio range of 0.5-1.46. Two pairs of integrated injector/flameholder cavity modules in tandem were used to facilitate fuel-air mixing and stable combustion. For single-stage fuel injection at an upstream location, it was found that the boundary layer separation could propagate into the isolator with increasing fuel equivalence ratio due to excessive local heat release, which in turns changed the entry airflow conditions. Moving the fuel injection to a further downstream location could alleviate the problem, while it would result in a decrease in combustion efficiency due to shorter fuel residence time. With two-stage fuel injections the overall combustor performance was shown to be improved and kerosene injections at fuel rich conditions could be reached without the upstream propagation of the boundary layer separation into the isolator. Furthermore, effects of the entry Mach number and pilot hydrogen on combustion performance were also studied.

Microwave-assisted hydrothermal synthesis of hydroxy-sodalite zeolite membrane

A high quality pure hydroxy-sodalite zeolite membrane was successfully synthesized on an alpha-Al2O3 support by a novel microwave-assisted hydrothermal synthesis (MARS) method. Influence of synthesis conditions, such as synthesis time, synthesis procedure, etc., on the formation of hydroxy-sodalite zeolite membrane by MAHS method was studied by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and gas permeation measurements. The synthesis of hydroxy-sodalite zeolite membrane by MAHS method only needed 45 min and synthesis was more than 8 times faster than by the conventional hydrothermal synthesis (CHS) method. A pure hydroxy-sodalite zeolite membrane was easily synthesized by MAHS method, while a zeolite membrane, which consisted of NaX zeolite, NaA zeolite and hydroxy-sodalite zeolite, was usually synthesized by CHS method. The effect of preparation procedures had a dramatic impact on the formation of hydroxy-sodalite zeolite membrane and a single-stage synthesis procedure produced a pure hydroxy-sodalite zeolite membrane. The pure hydroxy-sodalite zeolite membrane synthesized by MARS method was found to be well inter-grown and the thickness of the membrane was 6-7 mum. Gas permeation results showed that the hydrogen/n-butane permselectivity of the hydroxy-sodalite zeolite membrane was larger than 1000. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

SOLVENT-EXTRACTION OF SC(III), ZR(IV), TH(IV), FE(III), AND LU(III) WITH THIOSUBSTITUTED ORGANOPHOSPHINIC ACID EXTRACTANTS

The solvent extraction of Sc(III), Zr(IV), Th(IV), Fe(III) and Lu(III) with Cyanex 302 (bis(2,4,4-trimethylpentyl)monothiophosphinic acid) and Cyanex 301 ( bis(2,4,4-trimethylpentyl) dithiophosphinic acid) in n-hexane from acidic aqueous solutions has been investigated systematically. The effect of equilibrium aqueous acidity on the extraction with these reagents was studied. The separation of Th(IV), Fe(III) and Lu(III) from Sc(III), or the separation of other metals from Lu(III) with Cyanex 302, can be achieved by controlling the aqueous acidity. However, Cyanex 301 exhibited a poor selectivity for the above metals, except for Lu(III). The extraction of these metals with Cyanex 272, Cyanex 302 and Cyanex 301 has been compared. The stripping percentages of Sc(III) for Cyanex 302 and Cyanex 301 in a single stage are near 78% and 75% with 3.5 mol/L and 5.8 mol/L sulphuric acid solutions, respectively. The effects of extractant concentration and temperature on the extraction of Sc(III) were investigated. The stoichiometry of the extraction of Sc(III) with Cyanex 302 was determined. The role of different components of Cyanex 302 in the extraction of Sc(III) was discussed.

微量样品钕-锶-铅同位素分析方法在黄河下游悬浮颗粒物及沉积物的应用

Aim in Rb-Sr-REE-Pb isotopic analysis of river material, a single-stage, highly efficient and rapid chemical separation method of Rb-Sr-REE-Pb has been established by a combination of the SR special resin and the RE resin. At the same time, Feasibility of high precision analysis on micro-size Nd samples，which were chemically separated by using the LN resin, were systematicly studied using the NdO+ technique in thermal ionization mass spectrometer (TIMS). Results show that high precision measurement of Nd isotopic ratios can be successfully achieved on micro-sample of 1 ng size lever, by systematic experiments on isobar interferences and optimizing separation and measurement conditions. This method will greatly extend the application prospect of the NdO+ technique. Sr-Nd-Pb isotopic composition of suspending particle material (SPM) and sediment and Sr isotopic composition of river water in the low reaches of the Yellow Rriver have been systematically analysed in this study. Results can indicate followings: (1) relative stable Sr isotopic ratios around 0.7112 of river water suggest great influcence from dissolution of carbonate component of loss material on Sr isotopic composition of river water; (2) Nd isotopic compositions of SPM and sediment of the Yellow river are is similar, mean εNd value of SPM around -11.5 and mean εNd value of sediment -12.7, slightly lower than that of SPM. Nd isotopic composition of the Yellow River material is simarlar to or slightly lower than loss material (-9.5); (3) evidence of Sr and Pb isotopic compositions of both SPM and sediment reveals a mixing trend of two endmembers. Sr isotopic ratios of SPM after leaching are significantly different that those without leaching, possibly suggesting strong alteration of river water. Pb isotopic ratios of SPM remain unchangable after leaching compared with unleached SPM; (4) Pb-contents of SPM are commonly higher than those of sediments, while Pb isotopic ratios of SPM are significantly lower. Pb isotopic composition of the Yellow River is relatively constant, which can be a useful provenance indicator between the Changjiang and Yellow Rivers.

Resonant power conversion topologies for inductive charging of electrical vehicle batteries

This thesis is concerned with inductive charging of electric vehicle batteries. Rectified power form the 50/60 Hz utility feeds a dc-ac converter which delivers high-frequency ac power to the electric vehicle inductive coupling inlet. The inlet configuration has been defined by the Society of Automotive Engineers in Recommended Practice J-1773. This thesis studies converter topologies related to the series resonant converter. When coupled to the vehicle inlet, the frequency-controlled series-resonant converter results in a capacitively-filtered series-parallel LCLC (SP-LCLC) resonant converter topology with zero voltage switching and many other desirable features. A novel time-domain transformation analysis, termed Modal Analysis, is developed, using a state variable transformation, to analyze and characterize this multi-resonant fourth-orderconverter. Next, Fundamental Mode Approximation (FMA) Analysis, based on a voltage-source model of the load, and its novel extension, Rectifier-Compensated FMA (RCFMA) Analysis, are developed and applied to the SP-LCLC converter. The RCFMA Analysis is a simpler and more intuitive analysis than the Modal Analysis, and provides a relatively accurate closed-form solution for the converter behavior. Phase control of the SP-LCLC converter is investigated as a control option. FMA and RCFMA Analyses are used for detailed characterization. The analyses identify areas of operation, which are also validated experimentally, where it is advantageous to phase control the converter. A novel hybrid control scheme is proposed which integrates frequency and phase control and achieves reduced operating frequency range and improved partial-load efficiency. The phase-controlled SP-LCLC converter can also be configured with a parallel load and is an excellent option for the application. The resulting topology implements soft-switching over the entire load range and has high full-load and partial-load efficiencies. RCFMA Analysis is used to analyze and characterize the new converter topology, and good correlation is shown with experimental results. Finally, a novel single-stage power-factor-corrected ac-dc converter is introduced, which uses the current-source characteristic of the SP-LCLC topology to provide power factor correction over a wide output power range from zero to full load. This converter exhibits all the advantageous characteristics of its dc-dc counterpart, with a reduced parts count and cost. Simulation and experimental results verify the operation of the new converter.

Pilot-scale evaluation of the application of low pH-inducible polyphosphate accumulation to the biological removal of phosphate from wastewaters.

To investigate the possible biotechnological application of the phenomenon of low pH-inducible phosphate uptake and polyphosphate accumulation, previously reported using pure microbial cultures and under laboratory conditions, a 2000 L activated sludge pilot plant was constructed at a municipal sewage treatment works. When operated as a single-stage reactor this removed more than 60% of influent phosphate from primary settled sewage at a pH of 6.0, as opposed to approximately 30% at the typical operational pH for the works of 7.0-7.3-yet without any deleterious effect on other treatment parameters. At these pH values the phosphorus content of the sludge was, respectively, 4.2% and 2.0%. At pH 6.0 some 33.9% of sludge microbial cells were observed to contain polyphosphate inclusions; the corresponding value at pH 7.0 was 18.7%. Such a process may serve as a prototype for the development of alternative biological and chemical options for phosphate removal from wastewaters.

Power combining techniques into unbalanced loads for Class-E and inverse Class-E amplifiers

A power combining strategy for Class-E and inverse Class-E amplifiers operating at high frequencies such that they can operate into unbalanced loads is proposed. This power combining method is particularly important for the inverse Class-E amplifier configuration whose single-stage topology is naturally limited for small-to-medium power applications. Design examples for the power combining synthesis of classical Class-E and then inverse Class-E amplifiers with specification 3 V-1.5 W-2.5 GHz are given. For this specification, it is shown that a three-branch combiner has a natural 50 V output impedance. The resulting circuits are simulated within Agilent Advanced Design Systems environment with good agreement to theoretical prediction. Further the performance of the proposed circuits when operated in a Linear amplification using Nonlinear Components transmitter configuration whereby two-branch amplifiers are driven with constant amplitude conjugate input phase signals is investigated.

Efficient modelling and optimisation of hybrid multilayered plates subject to ballistic impact

Among the key challenges present in the modelling and optimisation of composite structures against impact is the computational expense involved in setting up accurate simulations of the impact event and then performing the iterations required to optimise the designs. It is of more interest to find good designs given the limitations of the resources and time available rather than the best possible design. In this paper, low cost but sufficiently accurate finite element (FE) models were generated in LS Dyna for several experimentally characterised materials by semi-automating the modelling process and using existing material models. These models were then used by an optimisation algorithm to generate new hybrid offspring, leading to minimum weight and/or cost designs from a selection of isotropic metals, polymers and orthotropic fibre-reinforced laminates that countered a specified impact threat. Experimental validation of the optimal designs thus identified was then successfully carried out using a single stage gas gun. With sufficient computational hardware, the techniques developed in this pilot study can further utilise fine meshes, equations of state and sophisticated material models, so that optimal hybrid systems can be identified from a wide range of materials, designs and threats.

Tip leakage flow and heat transfer on turbine blade tip and casing, Part 1: Effect of tip clearance height and rotation speed

Steady simulations were performed to investigate tip leakage flow and heat transfer characteristics on the rotor blade tip and casing in a single-stage gas turbine engine. A typical high-pressure gas turbine stage was modeled with a pressure ratio of 3.2. The predicted isentropic Mach number and adiabatic wall temperature on the casing showed good agreement with available experimental data under similar operating condition. The present numerical study focuses extensively on the effects of tip clearance heights and rotor rotational speeds on the blade tip and casing heat transfer characteristics. It was observed that the tip leakage flow structure is highly dependent on the height of the tip gap and the speed of the rotor. In all cases, the tip leakage flow was seen to separate and recirculate just around the corner of the pressure side of the blade tip. This region of re-circulating flow enlarges with increasing clearance heights. The separated leakage flow reattaches afterwards on the tip surface. Leakage flow reattachment was shown to enhance surface heat transfer at the tip. The interaction between tip leakage flow and secondary flows that is induced by the relative casing motion is found to significantly influence the blade tip and casing heat transfer distribution. A region of critical heat transfer exists on the casing near the blade tip leading edge and along the pressure-side edge for all the clearance heights that were investigated. At high rotation speed, the region of critical heat transfer tends to move towards the trailing edge due to the change in inflow angle.

Unsteady tip leakage characteristics and heat transfer on turbine blade tip and casing

An unsteady numerical investigation was performed to examine time dependent behaviors of the tip leakage flow structures and heat transfer on the rotor blade tip and casing in a single stage gas turbine engine. A transonic, high-pressure
turbine stage was modeled and simulated using a stage pressure ratio of 3.2. The rotor’s tip clearance was 1.2 mm in height (3% of the rotor span) and its speed was set at 9500 rpm. Periodic flow is observed for each vane passing period. Tip leakage flow as well as heat transfer data showed highly time dependent behaviors. A stator trailing edge shock appears as the turbine stage is operating at transonic conditions. The shock alters the flow condition in the rotor section, namely, the tip leakage flow structures and heat transfer rate distributions. The instantaneous Nusselt number distributions are compared to the time averaged and steady-state results. The same patterns in tip leakage flow
structures and heat transfer rate distributions were observed in both unsteady and steady simulations. However, the unsteady simulation captured the locally time-dependent high heat transfer phenomena caused by the unsteady interaction with the upstream vane trailing-edge shock and the passing wake.

Da avaliação do impacte à articulação da investigação - práticas - o caso da articulação na formação didáctica pós-graduada de professores de ciências e desafios futuros

A linha de investigação deste estudo é a ‘articulação da Investigação em Didáctica das Ciências e Práticas de Ensino dos Professores de Ciências’. O seu enquadramento teórico e metodológico inicial assentou nos estudos das áreas ‘Relações entre Investigação e as Práticas’ e ‘Avaliação da Formação Pós-Graduada – vertente impacte/articulação’. Inicialmente, fez-se uma análise histórico-epistemológica da Didáctica desde a sua génese até aos dias de hoje, para se compreender quer as raízes do gap entre académicos e práticos em geral, quer a crescente necessidade de articulação. Posteriormente, avançou-se para a primeira área, partindo da polémica despoletada por Hargreaves, ao defender que o ensino deveria ser uma profissão baseada na investigação. Em seguida, partiu-se de uma análise mais geral sobre a Investigação e as Práticas no contexto educacional em vários países antes se centrar especificamente no contexto da Didáctica das Ciências (impacte da IDC nas Práticas e constrangimentos na articulação). Analisou-se também brevemente as relações entre a IDC e Práticas no contexto da Formação de Professores, e não a área da Formação de Professores, para mantermos sempre o foco nas questões inerentes à articulação. Culminou-se na análise das culturas e epistemologias da acção e da investigação, com especial destaque para o conceito de professorinvestigador na actualidade e para a descrição das barreiras epistemológicas e ontológicas. Concluiu-se que as comunidades da investigação e da acção utilizavam o conceito ‘articulação’ indiscriminadamente como sinónimo de interacções, contacto, aproximação, impacte, etc., o que acabou esvaziando-o do seu verdadeiro significado. No que diz respeito à segunda área, a sua análise partiu da descrição da evolução de dez anos (1997-2007) de estudos sobre a Avaliação do Impacte dos CM nas práticas por ser considerada uma forma eficaz de articular as dimensões da Didáctica em direcção a um novo olhar sobre o conceito ‘articulação’. Além disso, apontou a dificuldade de se avaliar o impacte ao nível macro, por um lado, por não se tratar de uma prática investigativa institucionalizada no estatuto da carreira dos professores dos EB e ES e, por outro, por ainda colidir com diferentes concepções da natureza das investigações realizadas por Professores encontradas em ambas as comunidades, entendida ora como processo cognitivo (para o desenvolvimento profissional dos professores), ora como prática social (para construção de conhecimento no campo da Didáctica). Foram compiladas ainda as sugestões para se potenciar o impacte da IDC nas Práticas e/ou a articulação entre a IDC-Práticas em contexto formativo de diversos estudos avaliativos. Finalizou-se a análise chamando a atenção para cinco aspectos que ainda carecem de maior aprofundamento nesta área. Este longo enquadramento evidenciou a complexidade da problemática ‘articulação’ decorrente da interdependência das várias dimensões (epistemológica, política, ontológica, psicológica, ética, entre outras). Por exemplo, a ausência de consenso sobre critérios para a avaliação da qualidade da investigação produzida por professores (dimensões política e epistemológica) acaba, por vezes, por não conferir legitimidade às mesmas e por influenciar a legitimação pela comunidade académica, o que resulta na necessidade de diferenciação dos contributos e no maior afastamento entre as comunidades (dimensão ontológica), entre outros. Assim, optou-se por iniciar a análise do fenómeno ‘articulação entre IDCPráticas’ através dos primeiros modelos de articulação investigação-ensino, os quais visavam, contudo, fundamentalmente o impacte da IDC nas Práticas de Ensino das Ciências. Posteriormente, foram apresentadas as potencialidades da Avaliação ↔ Feedback, TIC e Colaboração (estratégias/métodos) para potenciar a articulação entre Investigação- Práticas. No que diz respeito à investigação empírica, realizou-se um estudo de caso descritivo e explorativo de natureza mista. O caso único, crítico e instrumental foi o fenómeno “articulação entre a IDC-Práticas na Formação Didáctica Pós- Graduada” no contexto da unidade curricular ‘Metodologia do Ensino da Física’ (MEF) do Curso de Mestrado em Ensino de Física. A técnica de análise geral utilizada foi a “descrição do caso” pelo facto de não se ter um referencial teórico especificamente sobre o caso. O caso contemplou três unidades de análise, a saber: Caracterização dos Professores-Formandos; Funcionamento da Unidade Curricular e Dinâmica dos currículos dos módulos articuladores. Estas unidades de análises permitiram evidenciar de que forma as características e/ou alterações implementadas na disciplina MEF contribuíram (ou podem contribuir) para a articulação da IDC-Práticas e descrever as dinâmicas do currículo (intencional – negociado – acção), evidenciando em que medida promoveram (ou inibiram) a articulação IDC – práticas. O estudo de caso aqui descrito revelou, ainda, a existência de dois níveis de articulação entre a Investigação e as Práticas no contexto formativo. O primeiro nível foi a articulação entre a Investigação sobre o Ensino Superior/Formação de Professores de Ciências (patente nas estratégias/métodos utilizados na disciplina) e a prática formativa dos IF no contexto da disciplina. O segundo nível centrou-se na articulação entre a Investigação sobre o Ensino não-Superior/Didáctica das Ciências e as práticas de Ensino das Ciências, base orientadora do currículo da disciplina aqui analisada, concretizado nos dois módulos articuladores descritos. Destacam-se algumas dimensões de análise descritas na presente investigação empírica, a saber: Utilização das TIC; Avaliação do Ensino baseada no feedback dos alunos; Avaliação Formativa das Aprendizagens e feedback; Trabalho de grupo realizado nos módulos articuladores; Currículo centrado na IDC; Currículo centrado na articulação da IDC-Práticas de Ensino das Ciências; Currículo centrado nas Práticas de Ensino das Ciências; Currículo centrado na articulação da Investigação-Práticas formativas e Currículo centrado nas Políticas Educativas. Relativamente a dinâmica dos currículos (intencional - negociado - acção) dos dois módulos articuladores, foram definidos quatro construtos (objectos de ensino, objectos de aprendizagem, objectivos de ensino e objectivos de aprendizagem) que culminaram na discussão de vários aspectos a serem considerados nos próximos cursos como, por exemplo: 1) Importância de o contrato didáctico prever a inclusão de objectos de aprendizagem; 2) Incompatibilidade do objectivo de aprendizagem ‘compreender a importância da IDC e a sua relevância para as práticas lectivas em contextos específicos’ num quadro formativo articulador; e 3) Importância de os cursos de formação de professores explicitarem quais ferramentas investigativas são necessárias à produção autónoma de conhecimento no contexto escolar e académico (mesmo que não sejam mobilizadas), de forma a que os professores possam delinear previamente planos individuais de formação/investigação. O estudo termina com a apropriação do modelo de articulação entre a Investigação Educacional e Práticas de McIntyre (2005) ao contexto da Didáctica das Ciências evidenciando uma relação dialógica com a investigação empírica. Apesar de este modelo priorizar a dimensão epistemológica (que aceita o gap pela impossibilidade epistemológica do seu total desaparecimento), na sua apropriação foi considerada a influência das outras dimensões. Esta apropriação assentou, portanto, numa visão moderada de articulação e na complexidade inerente à interdependência das dimensões. Foram propostos três caminhos epistemológicos complementares para a articulação entre a IDC-Práticas: 1º) Interacções entre Didáctica Investigativa – Didáctica Profissional; 2º) Utilização de estratégias na IDC especialmente desenhadas para informar as práticas de ensino; e 3º) Realização de IDC pela escola. Em cada um destes caminhos procurou-se enquadrar algumas sugestões e iniciativas já levadas a cabo para potenciar o impacte e/ou articulação e que se encontravam referenciadas na literatura em geral e no contexto português em particular. O primeiro caminho (composto por cinco etapas) evidenciou-se como aquele que leva a maior vantagem pelas inúmeras intervenções possíveis. A investigação empírica aqui apresentada enquadrou-se inclusivamente neste primeiro caminho pelo facto de ter sido uma iniciativa com a intencionalidade explícita de articular a Didáctica Investigativa e Profissional e por ter sido realizada no contexto da Formação Pós-Graduada (cenário considerado privilegiado para a promoção de interacções). Esta iniciativa foi realizada exclusivamente no âmbito curricular da Formação Pós-Graduada (Didáctica Curricular) e procurou articular as dimensões epistemológicas da Didáctica através da utilização de ‘mecanismos potencialmente articuladores’ (Avaliação - feedback, TIC e Colaboração). Foram descritas as quatro etapas deste primeiro caminho percorridas empiricamente com variações no grau de concretização, com excepção da quinta etapa ‘Investigação sobre a prática de ensino com generalização situada’ porque a vertente dissertativa do respectivo curso não fez parte do corpus. Assim, a articulação ocorreu fundamentalmente no nível epistemológico (currículo da disciplina). No que diz respeito ao 2º caminho, é aquele em que a comunidade académica mais tem investido, quer pelas críticas voltadas especificamente para a investigação, quer pelo sucesso na potenciação do impacte nas propostas até agora implementadas. Deve ser utilizado de forma complementar ao 1º, envolvendo, de preferência, os Professores que percorrem frequentemente o 1º caminho na sua prática diária. Esta condição justifica-se pela necessidade de se integrar legitimamente os professores nas equipas de investigação, aumentando concomitantemente a contribuição das Práticas para a construção de conhecimento no campo educacional. Finalmente, o 3º caminho é aquele que ainda não pode ser concretizado porque, para as Escolas serem diferentes das actuais na dimensão epistemológica (tornando-se produtoras de conhecimento didáctico), seriam necessárias medidas estruturais e articuladas nas várias dimensões anteriormente referidas. Entretanto, foram apontadas algumas soluções como, por exemplo, a utilização de investigações de generalização situada nas Escolas e a ligação das Escolas em redes. Estas investigações locais não substituiriam, mas mobilizariam a IDC produzida nas Universidades (centradas na construção do campo Didáctica das Ciências). Este caminho visionário culmina por um lado, com uma análise prospectiva assente na relação de complementaridade entre as evidências científicas e experienciais porque uma prática sem suporte investigativo é imprudente e uma investigação sem suporte experiencial é imatura. Por outro com uma constatação tardia (deveras reconfortante) que os estudos centrados na relação entre a Investigação e Práticas são estudos voltados para a Formação de Investigadores-Seniores por exigirem uma meta-reflexão da prática investigativa e do processo investigativo. As implicações do estudo são: (i) futuras iniciativas de articulação entre IDCPráticas; (ii) implementar e avaliar as sugestões advindas em novos contextos formativos; e (iii) na Educação a distância na área da Didáctica e Formação Didáctica de Professores. Assume-se a limitação estrutural da investigação resultante da alteração do projecto inicial que o restringiu a uma única etapa. Faz-se ainda uma reflexão do processo formativo-investigativo mediante a descrição dos constrangimentos de natureza interna e externa. Explicitam-se as limitações de carácter geral e específico e algumas tentativas de minimização dos respectivos efeitos no estudo. Finaliza-se o estudo com algumas sugestões de trabalhos futuros, a saber: (i) Continuidade dos estudos centrados na articulação entre IDC-Práticas; (ii) Continuidade dos estudos de Avaliação da Formação Pós-Graduada em termos de eficiência, eficácia, impacte e articulação; (iii) Análise da Epistemologia da Prática Docente em comunidades de práticas escolares; (iv) Articulação entre a Investigação sobre a Formação de Professores e as práticas dos formadores e futuros-formadores; e (v) Constituição de “Scholarship of teaching” na Formação de Professores.

Development of 2-oxazoline-based hydrogels and porous polyester microparticles in scCO2

Thesis submitted to Faculdade de Ciências e Tecnologia from Universidade Nova de Lisboa in partial fulfillment of the requirements for the obtention of the degree of Master of Science in Biotechnology

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.