Development and optimization of microalgae cultivation systems: microalgal composition, photobioreactor design and characterization

Tese de doutoramento em Biological and Chemical EngineeringThis work aimed at the development and optimization of systems and techniques for microalgae cultivation, in order to make the process economically and environmentally sustainable. Three different strategies were adopted: i) maximize productivity through the optimization of culture conditions, ii) maximize productivity and decrease costs by the use of agro-industrial waste as cultivation medium; iii) development of a new, low cost and highly productive microalgae cultivation system. Carbon dioxide (CO2) is the most widely used carbon source for photoautotrophic growth of microalgae. The rate of CO2 fixation (RCO2) by Chlorella vulgaris was maximized by defining the values of CO2 concentration in air feed and aeration rate. The results revealed that the maximum RCO2 (2.22 g L-1 d-1) was obtained using 6.5% (v/v) CO2 and 0.5 vvm. Although biomass concentration and mass productivity were affected by growth conditions, no differences were obtained in the biochemical composition of cells. The optimization of specific productivity (starch and lipids for the production of bioethanol and biodiesel, respectively) was performed using strategies of nutrient limitation. Starch accumulation in C. vulgaris cells was evaluated under different initial concentrations of urea (nitrogen source) and FeNa-EDTA (iron source) in the medium. Based on the results, a two-stage process for obtaining culture cells with high concentrations of starch (> 40%) was proposed: a first stage of cultivation with initial urea and FeNa-EDTA concentrations of 1 and 0.08 g L-1, respectively, which aims at maximizing biomass productivity, followed by a second stage of cultivation in the absence of these nutrients to induce starch accumulation. The increase of lipid content in Parachlorella kessleri cells was induced using a culture medium dilution strategy. Photosynthetic carbon partitioning into starch and neutral lipid, as well as the influence of nutrient depletion and repletion on growth and pigment content in the green microalga P. kessleri were studied. The study revealed that P. kessleri used starch as a primary carbon and energy storage, but the stress caused by the decrease of nutrients concentration made the microalgae to shift the fixed carbon into reserve lipids as a secondary storage product. These findings indicate that nutritional limitation can be used in P. kessleri cultivation as a very effective and cheap strategy to increase lipid productivity, for biofuel production. Growth parameters and biochemical composition of the green microalga C. vulgaris cultivated under different mixotrophic conditions were determined and compared to those obtained from a photoautotrophic control culture. Supplementation of the inorganic culture medium with hydrolysed cheese whey powder solution, when compared photoautotrophic growth, led to a significant improvement in microalgal biomass production (from 0.10 ± 0.01 to 0.75 ± 0.01 g L d-1) and an increase in carbohydrate utilization when compared with the culture enriched with a mixture of pure glucose and galactose (from 80.5 and 49.5% of glucose and galactose utilization, respectively, to an utilization of 100% of these carbohydrates), possibly due to the presence of growth promoting nutrients in cheese whey. Mixotrophic cultivation of C. vulgaris using the main dairy industry by-product could be considered a feasible alternative to reduce the costs of microalgal biomass production, since it does not require the addition of expensive carbohydrates to the culture medium. A characterization of liquid and gas phases was performed, the mass transfer coefficient was determined, together with the light distribution profiles and flow patterns of three different photobioreactors (PBRs), namely bubble column (BC), split cylinder airlift photobioreactor (SCAPBR) 75 and SCAPBR 50. The effect of these parameters on biomass productivity was discussed. The developed SCAPBRs proved to be extremely suitable for microalgae cultivation. The design of photobioreactors (PBR), particularly the designed gas sparger, allowed meeting the needs of microalgae in terms of efficient mixing and good mass transfer coefficients (efficient supply and removal of CO2 and O2, respectively). SCAPBR 50 (at UGr = 0.0044 m s-1) showed, among the tested PBRs, the highest value of biomass productivity (0.75 g L-1 d-1). This result has been attributed to a higher efficiency of light distribution inside the PBR and to a regular and defined flow pattern, which allows exposing cells to regular light-dark periods, as demonstrated in the present workA realização deste trabalho visou o desenvolvimento e optimização de sistemas e técnicas de cultivo de microalgas de forma a tornar o processo económica e ambientalmente sustentável. Três estratégias distintas foram adoptadas: i) maximização da produtividade recorrendo à optimização das condições de cultivo; ii) maximização da produtividade e diminuição de custos recorrendo à utilização resíduos agroindustriais como meio de cultivo; iii) desenvolvimento de um novo sistema de cultivo de baixo custo e elevada produtividade. O dióxido de carbono (CO2) é a fonte de carbono mais utilizada no crescimento fotoautotrófico de microalgas. A taxa de fixação de CO2 (RCO2) por parte da Chlorella vulgaris, foi optimizada através da definição dos valores de concentração de CO2 e taxa de arejamento. Os resultados obtidos revelaram que a RCO2 máxima (2,22 g L-1 d-1) foi observada utilizando 6,5 % CO2 e 0,5 vvm. Apesar da concentração de biomassa e produtividade mássica terem sido afectadas pelas condições de cultivo, não foram obtidas diferenças na composição bioquímica das células. A optimização da produtividade específica (amido e lípidos destinados à produção de bioetanol e biodiesel, respectivamente) foi efectuada recorrendo a estratégias de limitação nutricional. A acumulação de amido em células de C. vulgaris foi avaliada sob diferentes concentrações iniciais de ureia (fonte de azoto) e FeNa-EDTA (fonte de ferro) no meio de cultivo. Com base nos resultados obtidos, foi proposto um processo de cultivo para a obtenção de células com elevadas concentrações de amido (> 40%), composto por duas fases: uma primeira fase de cultivo com concentrações iniciais de ureia e FeNa-EDTA de 1,1 e 0,08 g L-1, respectivamente, que tem como objectivo maximizar a produtividade em biomassa; seguida por uma segunda etapa de cultivo sem a presença destes nutrientes, induzindo a acumulação de amido nas células. O aumento do teor de lípidos em células Parachlorella kessleri foi induzida utilizando como estratégia a diluição do meio de cultura. A partição do carbono fotossintético em amido e lípidos neutros, bem como a influência da depleção e repleção de nutrientes no crescimento e teor de pigmentos na microalga P. kessleri foi estudada. O estudo revelou que a P. kessleri utiliza amido como fonte primária de armazenamento de carbono e energia, mas o stress causado pela diminuição da concentração de nutrientes faz a microalga direcionar o seu metabolismo para a acumulação de lípidos, sendo estes reserva energética secundária. Estes resultados indicam que a limitação nutricional pode ser usada na P. kessleri cultivo como uma estratégia muito eficaz e barata para aumentar a produtividade de lípidos. Foram determinados os parâmetros de crescimento e composição bioquímica da microalga C. vulgaris, cultivada em diferentes condições de mixotrofia, e comparados com os obtidos no cultivo padrão, efectuado em condições fotoautotróficas. A suplementação do meio de crescimento com soro de queijo hidrolisado levou a um aumento muito significativo da produtividade em termos de biomassa quando comparado com o crescimento fotoautotrófico (de 0,10 ± 0,01 para 0,75 ± 0,01 g L d-1) e a um aumento da utilização dos hidratos de carbono presentes no meio quando comparado com uma cultura enriquecida apenas com glucose e galactose (de 80,5 e 49,5% de consumo de glucose e galactose, respectivamente, para 100% de utilização destes hidratos de carbono), possivelmente devido à presença de nutrientes do soro de queijo que promovem o crescimento. O cultivo mixotrófico de C. vulgaris recorrendo ao principal subproduto da indústria dos lacticínios, pode ser considerada como uma alternativa bastante promissora para a redução de custos da produção de microalgas. A caracterização das fases líquida e gasosa, bem como a determinação do coeficiente de transferência de massa, a determinação do perfil de distribuição da luz e do padrão de fluxo foi efectuada em três fotobioreactores diferentes (BC, SCAPBR 75 e 50). Os SCAPBRs desenvolvidos revelaram-se extremamente adequados para o cultivo de microalgas. O design do SCAPBR, particularmente o sistema de arejamento desenvolvido, permitiu colmatar na totalidade as necessidades da microalga em termos de coeficientes de massa de mistura eficientes (fornecimento eficiente e remoção de CO2 e O2, respectivamente). SCAPBR 50 (com UGr = 0,0044 m s-1) apresentou o valor mais elevado de produtividade (0,75 g L-1 d-1). Este resultado deveu-se a uma maior eficiência da distribuição de luz no interior da PBR e um padrão de fluxo regular e definido, o que permite expor as células a ciclos regulares de luz e sombra

Histologia e fisiologia da dor de origem pulpar

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Medicina DentáriaNa prática clínica dentária é comum observar que um grande número de pacientes que solicitam uma consulta sem agendamento se deve a uma urgência ou emergência. Normalmente, esses pacientes chegam de maneira inesperada e com dores severas, alterando a rotina da agenda do dentista e, simultaneamente, criando situações de tensão que afetam todo o pessoal que trabalha no consultório. Numa situação de urgência endodôntica o paciente apresenta dor, edema, ou ambos em vários graus de gravidade, como resultado de um problema pulpar ou periapical, pelo que a solução recai no endodontista. Daí a importância do Médico Dentista em realizar um correto diagnóstico pulpar e perirradicular, conhecer as alterações fisiológicas que advêm da dor pulpar e analisar histologicamente as alterações pulpares. No presente trabalho pretende-se, através de uma revisão bibliográfica, aprofundar o conhecimento sobre a dor em endodontia, o diagnóstico das várias patologias pulpares e perirradiculares e a sua fisiologia e histologia. In dental clinical practice it is common to observe that a large number of patients who request an appointment without consultation are due to urgency or emergency. Typically, these patients arrive unexpectedly and with severe pain by changing the routine dentist agenda and, simultaneously, creating stressful situations that affect all staff working in the office. In an endodontic emergency situation the patient presents pain, edema, or both in various degrees of severity, as a result of pulp and periapical problem, so that the solution falls within the endodontist. Hence the importance of Dentist in making a correct diagnosis pulp and periradicular, meet the physiological changes that come from pulp pain and analyze histologically the pulp changes. In this work it is intended, through a literature review, to deepen knowledge about pain in endodontics, diagnosis of various pulp and periradicular diseases and their physiology and histology

The internationalization paradigm and dynamic capabilities of Portuguese firms: contributions from case studies in the metallurgical and metal-mechanic sectors

Esta pesquisa mergulha na esfera microeconómica do setor secundário, visando iluminar os paradigmas de internacionalização das empresas Portuguesas. Um estudo de caso é conduzido nas empresas focais centrado no vértice estratégico. Uma revisão da literatura é realizada nos campos interdisciplinares das ciências económicas e da gestão, com uma focagem dualística no modelo processual de internacionalização de Uppsala e, comitantemente, na teoria das capacidades dinâmicas. No contexto da indústria, o estudo centra-se no setor da metalurgia e metalomecânica. É seguido um design comparativo, com uma configuração de caso múltiplo e unidades de análise incorporadas. Este enquadra-se numa abordagem qualitativa e posição filosófica interpretativista, com uma orientação dedutiva. A análise de dados está enraizada num quadro metodológico triádico: o procedimento analítico geral de Miles e Huberman (1984), o protocolo de Weber (1990) e o quadro de referência de Gioia (2009). Os casos exibem uma realidade de internacionalização multiparadigmática, com heterogeneidade entre si e sobreposição dimensional de alguns fenómenos, aderindo de forma distinta ao modelo de Uppsala e à teoria das capacidades dinâmicas. Em segundo lugar, os construtos seminais abordados na problemática de partida revelam efeitos distintos. Verificou-se uma relação positiva entre os paradigmas de internacionalização observados e os fatores de distância psíquica. Os fatores de distância geográfica, observam um efeito ambidexteriano (relação positiva e de espúrio). A última é causada pelo fenómeno contingencial de perificidade económica (com raízes nas teorias Ricardiana e Smithiana da competividade nacional e absoluta) revelando uma necessidade latente de políticas públicas para restaurar o equilíbrio de forças com os outros mercados da UE e estimular os fluxos de investimento para o exterior. Terceiro, as capacidades dinâmicas (CDs tipo 1 e 2) revelam processos de reconfiguração orientados para a ambidexteridade internacional, porquanto as CD globais demonstram sinais de mutabilidade e transferabilidade bidireccional para múltiplos pontos de destino.This research plunges into the microeconomic orb of the Portuguese economy of the secondary sector, aiming to illuminate the internationalization paradigms of these firms. A case research is conducted upon the focal firms focused on their strategic apex. A literature review is performed in the interdisciplinary fields of economics and managerial sciences, dualistically centered on the internationalization process model of Uppsala, and commitantly, at the dynamic capabilities theory. In the context of the manufacturing industries, this study focusses on the sector of metallurgy and metal-mechanic. A comparative design is followed, with a multiple case setting and embedded hermeneutic units of analysis. It fits a qualitative approach within an interpretative philosophical stance with a deductive orientation. The qualitative data analysis process is rooted in a triadic methodological framework: the general analytical procedure of Miles and Huberman (1984), the Weber protocol (1990) and the framework of Gioia (2009). The cases exhibited a multiparadigmatic internationalization reality, with heterogeneity among them although with some overlapping phenomena adhering differently to the U-model and to the dynamic capabilities doctrine. Second, seminal constructs addressed in the initial problematization revealed distintive relations. The psychic distance factors of the U-model were positively perceived as a true relation. The geographical distance factors observe an ambidexterian effect - true and spurious. The latter caused by the contingency phenomenon of economic periphery uncovers a latent need for public policies to retrieve the equilibrium of competitive forces with other EU markets and stimulate the outward flow of investment of the firms. Third, the DCs, both type 1 and type 2, exhibit processes of reconfiguration oriented towards international ambidexterity, while the GDCs evidence of DC mutability and indiscriminate bidirectional transferability

Optimizing digital archiving: An artificial intelligence approach for OCR error correction

Project Work presented as the partial requirement for obtaining a Master's degree in Data Science and Advanced Analytics, specialization in Business AnalyticsThis thesis research scopes the knowledge gap for effective ways to address OCR errors and the importance to have training datasets adequated size and quality, to promote digital documents OCR recognition efficiency. The main goal is to examine the effects regarding the following dimensions of sourcing data: input size vs performance vs time efficiency, and to propose a new design that includes a machine translation model, to automate the errors correction caused by OCR scan. The study implemented various LSTM, with different thresholds, to recover errors generated by OCR systems. However, the results did not overcomed the performance of existing OCR systems, due to dataset size limitations, a step further was achieved. A relationship between performance and input size was established, providing meaningful insights for future digital archiving systems optimisation. This dissertation creates a new approach, to deal with OCR problems and implementation considerations, that can be further followed, to optimise digital archive systems efficiency and results

Biomechanics of primary and permanent dental trauma and their effects on adjacent structures: Non-linear dynamic finite element analysis

Dental trauma in primary and permanent maxillary incisors can cause various injuries on the dentoalveolar complex, however, its effect on structures adjacent to the impact as the permanent tooth germ in children and the possible complications to adjacent teeth is still unclear. This study was designed involving two objectives: Objective 1: To determine the stress distribution in adjacent teeth to an impacted maxillary central incisor in order to identify possible explanation for root resorption in non-traumatized teeth, similar to the clinical case treated at Dental Trauma Clinical Service at Federal University of Uberlândia. Objective 2: To evaluate the stress distribution on surrounding bone/soft tissue and on permanent tooth germ caused by dentoalveolar trauma in primary central incisor with three stages of physiological root resorption. The experimental method used was the nonlinear dynamic impact finite element, involving on the objective 1 the 3D models of impact with rigid metallic object and on the objective 2 involving 2D models of the children reaching the asphalt. For evaluation of the stress distribution were used von Mises and Modified von Mises criteria (MPa), and strain (µS) were evaluated as well. Based on the results it was concluded that the impact on permanent teeth results on considerable stress concentration on buccal and palatal areas of the adjacent root teeth to the traumatized incisor. Compressed areas were also visualized on proximal areas of adjacent root incisors. Considerable deformation was also observed on the lateral and central root incisors adjacent to the traumatic impacted tooth. Based on the results of the objective 2, the impact on the primary tooth resulted on stress concentration on surrounding bone/soft tissue and, in lower intensity, on permanent tooth germ, regardless of the direction of impact and the primary tooth resorption stage. Greater the physiological root resorption of primary tooth, lower is the stresses on the surrounding bone/soft tissue during the impact. The impact on the incisal edge resulted in higher stresses in the permanent tooth germ and on surrounding bone/soft tissue regardless of physiological root resorption stage. Stress concentrated at the primary incisor apex on model with complete root, which cause the compression of the blood vessels and nerves, can explain the generation of pulpal inflammation/infection of a primary tooth and consequences on periradicular tissues.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDissertação (Mestrado)O trauma dental em dentes decíduos e permanentes pode causar diversas injúrias ao complexo dento-alveolar, no entanto, seu efeito em regiões adjacentes ao impacto como o germe do dente permanente em crianças e as possíveis complicações em dentes adjacentes ainda é ainda pouco conhecido. Este estudo foi desenvolvido por meio de dois objetivos: Objetivo 1. Avaliar a distribuição de tensões nos dentes adjacentes ao incisivo central superior que sofreu impacto frontal, a fim de identificar possível explicação para ocorrência de reabsorção radicular em dentes adjacentes que não foram envolvidos diretamente no trauma, evidenciado em um caso clínico tratado na Clínica de Trauma da FOUFU. Objetivo 2. Avaliar a distribuição de tensões nos tecidos moles, no tecido ósseo e no germe do dente permanente causadas por traumatismo dental em duas direções envolvendo incisivo central superior decíduo em três estágios de reabsorção radicular fisiológica. O método experimental utilizado foi a análise dinâmica não-linear de impacto por elementos finitos, no objetivo 1 envolvendo modelos 3D e impacto com objeto rígido metálico; e no objetivo 2 envolvendo modelos 2D com impacto da criança em asfalto. Como critérios de pós-processamento para análise de tensões foram os critérios von Mises de von Mises Modificado (MPa) e ainda a deformação (µS) nas estruturas dentais e de suporte. Frente aos resultados concluiu-se que o impacto no dente permanente evidenciou considerável concentração de tensões nas regiões vestibular e palatina da porção radicular dos incisivos adjacentes ao dente traumatizado. As áreas comprimidas foram também verificadas nas regiões proximais das raízes dos dentes adjacentes. O impacto no dente traumatizado causou deformação nos incisivo central esquerdo e lateral direito adjacentes ao dente que sofreu o impacto. Já no objetivo 2, os resultados demonstram que o impacto em incisivo decíduo resultou em tensões significativas no tecido ósseo e tecidos moles circundantes e em menor intensidade no germe do dente permanente, independente da direção do impacto ou do estágio de reabsorção radicular fisiológica. Quanto maior a reabsorção fisiológica do dente decíduo, menores serão as tensões na estrutura óssea e tecido mole circundantes durante o impacto. O impacto na borda incisal na direção axial ao longo eixo do dente decíduo resultou em maior concentração de tensões no osso e tecido mole circundante, independente do estágio de reabsorção fisiológica radicular. As tensões concentradas no ápice do modelo com raiz completa do dente decíduo podem explicar a causa de compressão dos vasos sanguíneos e nervo, o que pode explicar a inflamação/infecção pulpar do incisivo decíduo e consequentemente dos tecidos periapicais

pMOSFET fabrication using a low temperature pre-deposition technique

The objective of this work was to develop a fully functional pMOSFET using a new method for dopant pre-deposition done at low temperature (90ºC) using PECVD. This technique has many advantages when compared to the traditional manufacturing method, namely it is more cost effective, simpler and faster. Because it does not require an oxide layer to create the patterns, it can be conjugated with other low temperature techniques. To obtain a functional pMOSFET, this work was divided in four different studies. The objective of the first study was to achieve metal-semiconductor ohmic contacts. To obtain a perfect ohmic contact of aluminum in a n-type silicon wafer, it is necessary to create a narrow space-charge region in order to allow carrier tunneling. That was reached by using a highly doped n-type hydrogenated amorphous silicon thin film made with a phosphine gas phase concentration of 1.5%, followed by a one-hour diffusion process at 1000ºC. A sheet resistance of 22.9 Ω/□ and a phosphorus surface concentration of 5.2 × 1019 aṫ cm-3 were obtained. The second study consisted of producing p+n junctions varying the surface concentration and the diffusion time and temperature. The best diodes produced have significantly different profiles. The first was produced with a deep junction and a 0.165% diborane in the gas phase and presents the following parameters: rectification ratio of 6.01 × 103, threshold voltage of 0.53 V and an ideality factor of 1.74. The second diode was produced with a shallow junction and using a 1.5% diborane in the gas phase with the parameters: rectification ration of 3.94 × 103, a threshold voltage of 0.46 V and an ideality factor of 2.58. Regarding the oxide characteristics for application as gate dielectric (third study), it was determined that the best oxides were produced by wet oxidation with a thickness of about 1300 Å. After finishing the previous studies, it was possible to produce a fully functional p-type field effect transistor (fourth study). The MOSFETs worked in enhancement mode with the best parameters being: a threshold voltage of -4 V and a field effect mobility of 106.56 cm2/Vs

Complexity-Aware Assignment of Latent Values in Discriminative Models for Accurate Gesture Recognition

Many of the state-of-the-art algorithms for gesture recognition are based on Conditional Random Fields (CRFs). Successful approaches, such as the Latent-Dynamic CRFs, extend the CRF by incorporating latent variables, whose values are mapped to the values of the labels. In this paper we propose a novel methodology to set the latent values according to the gesture complexity. We use an heuristic that iterates through the samples associated with each label value, stimating their complexity. We then use it to assign the latent values to the label values. We evaluate our method on the task of recognizing human gestures from video streams. The experiments were performed in binary datasets, generated by grouping different labels. Our results demonstrate that our approach outperforms the arbitrary one in many cases, increasing the accuracy by up to 10%.Comment: Conference paper published at 2016 29th SIBGRAPI, Conference on Graphics, Patterns and Images (SIBGRAPI). 8 pages, 7 figure