O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente. / The phase equilibrium calculation is an important problem in engineering processes, for example, in the separation by distillation, in extraction processes, and simulation of the tertiary petroleum recovery, among others applications. But, before this calculation is advisable a phase stability analysis, which will determine if a given mixture presents one or more phases. Such stability analysis can be approached as an optimization problem, called the minimization of the tangent plane distance function to molar Gibbs free energy, where thermodynamic models, with a non-convex and also non-linear nature, are used to describe this problem. Such fact has been motivating a large interest in robust and efficient techniques for optimization of problems related with the phase equilibrium thermodynamics. As has been highlighted in the literature, in order to provide a complete prediction of the phase equilibrium, the determination of the global minimizer of the objective function related with the stability test is not enough. Is also necessary the obtaining of all its stationary points. Thus, the development of methodologies for this challenging task became a new research area of global optimization applied to the phase equilibrium thermodynamics, with common interests in chemical and petroleum engineering. The focus of the present work is a new methodology to solve the stability test problem. For such, here it is used the called Generating Set Search method, which accomplishes local searches in points of a net previously generated by an evolutionary methaheuristic, the Particle Swarm algorithm. To obtain more than one stationary point, polarized merit functions are minimized, where the poles of such merit functions are the points previously found. The methodology proposal was tested in the analysis of fourteen polar mixtures, previously considered in the literature. The results showed that the proposed method is robust and efficient, being capable to find all stationary points previously indicated in the literature, besides the global minimizers. For two ternary mixtures, it was noticed that this method detected some stationary points not obtained before by the interval analysis method, a reliable technique very diffused in the literature. The stability analysis using only the Particle Swarm algorithm together with the polarization technique (without the local search done by the Generating Set Search method) constitutes other methodology for the resolution of the problem considered here. That use is a secondary novelty of this work. This simplified methodology exhibited also a significant robustness, being capable to find all the stationary points. However, when compared with the more general approach proposed here, in some cases, where the merit function presents a more complex geometry, it was observed that such simplification can consume a relatively large computational time. Therefore, the simplified methodology is less efficient.

Orientador: Reginaldo Guirardello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T21:52:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_StellaAlonso_M.pdf: 1447122 bytes, checksum: 284050671a884fad6a344a1b77527d60 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esse trabalho é de caráter teórico e computacional e tem como objetivo o estudo e aplicação de técnicas de otimização para cálculo do equilíbrio sólido-líquido de misturas graxas binárias de origem natural, utilizando dois métodos: um problema de Programação Não-linear, implementado no software GAMS e o outro, uma análise de equações fazendo uso das condições de Kuhn-Tucker. O cálculo do equilíbrio de fases baseia-se na minimização da energia livre de Gibbs do sistema. Para a representação termodinâmica das misturas são utilizados modelos termodinâmicos capazes de representar as fases líquida e sólida. As misturas estudadas são compostas por ácidos graxos e triglicerídeos, as quais foram divididas conforme as características dos compostos utilizados: ácidos graxos saturados, insaturados e triglicerídeos, com diferentes combinações de compostos. A modelagem das fases foi desenvolvida gradativamente, inicialmente consideraram-se as fases ideais, posteriormente a fase líquida foi modelada pela equação de Margules 2-sufixos, com a fase sólida permanacendo ideal, e por fim a fase sólida foi descrita pela equação de SLAUGHTER & DOHERTY e a líquida continou a ser modelada por Margules 2-sufixos. Os modelos desenvolvidos nesse trabalho são classificados como modelos de programação não-linear convexa, o que garante a busca pelo mínimo global. Assim, quando aplicados à linguagem de programação GAMS, utilizando o solver CONOPT, ou quando utilizando as equações encontradas analiticamente, através de microcomputadores, os resultados obtidos garantem que a mínima energia livre de Gibbs foi encontrada e que a mistura está em equilíbrio. Os resultados encontrados foram comparados com os dados medidos por ROLEMBERG (2002), pela técnica DSC, apresentando uma satisfatória proximidade entre eles / Abstract: This work has a theorical and computational character which objective is the study and aplication of optimization technique for the solid-liquid equilibria calculation of binary fat mixtures with natural origin. Two methods was used: One Nonlienar Program problem,an algorithm using the software GAMS and the other, analysis of equations that use the Kuhn-Tucker constrains applied in softwares which can execute conventionals calculation, like Microsoft Excel. The calculation of phasee equilibria is based on the minimization of Gibbs free energy of the sistem. The termodynamic representation of mixtures use models which can represent liquid and solid phases. The mixtures are composed for fat acids and triglycerides which are divided on three characteristics: saturated fatty acids, unsatureted fatty acids and trigycerides with differents combination among themselves. The phases¿ modeling was developed starting for phases on ideal state. In the second step, the solid phase was considered ideal and the liquid phase was modeled using the Margules Model. At the end, it was used the Slaughter & Doherty equation to modeling the solid phase and the Margules Model continued to be used for the liquid phase. The models developed in this work are nonliner programming and convex equations, these characteristics are the proof that the optimal point found is the global optimum. So using the methods propoused in this work, the results, certainly are the minim Gibbs free energy and the compound are in equilibrium. The results founded were compared with experimental data for ROLEMBERG (2002), that were obtained with DSC technique, with satisfactory proximity among them / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Reginaldo Guirardello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T03:13:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_StellaAlonso_D.pdf: 2102940 bytes, checksum: d1db5bc412c8ae0218252291126c501e (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O trabalho desenvolvido é de caráter teórico e computacional e tem como objetivo o estudo e aplicação de técnicas de otimização juntamente com análise de convexidade para cálculo do equilíbrio sólido-líquido, utilizando um problema de Programação Não-linear, implementado no software GAMS em conjunto com o software Microsoft Excel, aplicado a misturas graxas binárias e ternárias, de origem natural, compostas por ácidos graxos, triacilgliceróis, ésteres de etila e metila, baseando-se na minimização da energia de Gibbs do sistema. A modelagem das fases foi desenvolvida com dois modelos termodinâmicos, em que a fase sólida foi descrita por uma modificação da equação de Slaughter e Doherty e a líquida, modelada por Margules 2-sufixos. Assim esse trabalho trata da utilização de novas aplicações para a fase líquida, com o Modelo de Margules - 2 sufixos, que passa e ser usado e desenvolvido de dois modos: o primeiro, nomeado Margules Assimétrico, em que os parâmetros de interação de Margules são diferentes, e o outro, chamado Margules Simétrico, neste, os parâmetros são considerados equivalentes; e ainda com aplicação do Modelo de Wilson. Para tal desenvolvimento, a proposta é utilizar dados experimentais de equilíbrio, disponíveis da literatura, em caráter comparativo; e fazer o próprio cálculo dos dados da curva de equilíbrio, com os respectivos ajustes dos parâmetros nos modelos utilizados. Os resultados obtidos são apresentados na forma de diagrama de fases e ajustes de parâmetros dos modelos envolvidos, calculados e comparados pela técnica de minimização dos quadrados dos erros, que por sua vez apresentam-se satisfatória proximidade dos dados experimentais. Os resultados ainda foram comparados entre si e puderam apresentar algumas características de comportamento, para algumas classes de compostos / Abstract: This work has theorical and computational character which objectives are the study and application of optimization technique with convexity analysis to calculate solid-liquid equilibrium. This problem was a non-linear program, that was implemented in software GAMS and software Microsoft Excel, which the case studies are binary and ternary mixtures of fatty acids, triglycerides, ethyl and methyl esters using the minimization of Gibbs energy free of the systems. The description of phases was done based in two thermodynamics models, the solid phase was characterized using a modified Slaughter and Doherty model and liquid phase with Margules 2 - suffixes. In this work the on liquid phase, the Margules model assume two forms: Margules Asymmetric, where the Margules parameters are different and Margules Symmetric, with equal Margules parameters, after was used Wilson Model too. Experimental data was used in comparative mode and new equilibrium dates was obtained and the parameters model also was discovery. The results are described in form of phase diagrams, where the equilibrium data and the parameters model was calculated based in the square errors, that are nearly of the experimental data. Comparing the results with each other, in some classes of compounds, there are some similar ways / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Reginaldo Guirardello, Edson Antonio da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T12:35:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TrindadeJunior_ValterNunes_M.pdf: 1919393 bytes, checksum: 3d6999675b8995d4420ac44773a78c43 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Em diversas aplicações industriais são utilizadas misturas contendo diferentes solutos, muitas vezes estes são solutos não voláteis, como por exemplo, os eletrólitos. O equilíbrio químico e de fases ocorrem nas diversas operações unitárias contidas nessas aplicações. As próprias etapas de produção, bem como as etapas de separação e purificação, são fundamentais para a qualidade dos produtos. Com isso, o cálculo do comportamento do equilíbrio de sais em solventes é de grande importância para o projeto e a otimização desses equipamentos. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia confiável e robusta para o cálculo do equilíbrio químico e de fases combinado, em soluções eletrolíticas. O estudo do comportamento do equilíbrio foi feito com a variação da pressão e/ou a temperatura nos sistemas estudados. Este trabalho propôs uma modelagem considerando uma fase vapor, n fases liquidas e uma fase sólida, por meio da metodologia de minimização da energia de Gibbs. A fase vapor foi considerada ideal e a fase solida foi considerada como sólido puro. Para representação da não idealidade da fase líquida foi utilizado o modelo NRTL eletrolítico, esta formulação matemática resulta em um problema que deve ser tratado como um problema de otimização não-linear. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais extraídos da literatura em sistemas contendo um sal em solução com um solvente ou misturas de solventes no equilíbrio sólido-líquido e no equilíbrio líquido-vapor. A vantagem desta abordagem é não ter que estabelecer previamente quais fases se formarão, o processo de minimização da energia de Gibbs estabelece o número de fases formadas nos sistema automaticamente. Para a resolução do problema de otimização foi utilizado o software GAMS® (General Algebraic Modeling Systems), versão 23.2.1, com o solver CONOPT que utiliza o algoritmo do Gradiente Generalizado Reduzido / Abstract: In several industrial applications are used mixtures containing different solutes, often these solutes are non-volatile, such as electrolytes. The phase and chemical equilibrium in these processes occur in the various unit operations. The stages of production, as well as the separation and purification steps are critical to product quality. Thus, the calculation of the behavior of the equilibrium of salts in solvents is of great importance for the design and optimization of this type of equipment. The main objective of this work was to develop a methodology for calculation of the combined phase and chemical equilibrium in electrolytic solutions. In this study, the behavior of the equilibrium was done by varying the pressure and the temperature in the systems studied. In the model were made the following considerations: a vapor phase, n liquid phase and a solid phase, using the methodology of minimizing the Gibbs energy. The vapor phase was considered ideal and phase solida was considered as pure solid. To represent the nonideality of the liquid phase we used the electrolyte NRTL model (e-NRTL), in this way, the problem should be treated as a nonlinear optimization problem. The results were compared with literature data with solutions containing an electrolyte in solvent or solvents mixtures for Solid-Liquid and vapor-Liquid equilibrium. The modeling was written as a nonlinear programming. The advantage of this program is not having to know in advance what phases will be formed, the process of minimization of Gibbs energy determines the phases automatically. The program was solved in GAMS® software (General Algebraic Modeling System), version 23.2.1, with CONOPT solver that uses the Generalized Reduced Gradient algorithm / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Reginaldo Guirardello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:37:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_AntonioCarlosDaltrode_M.pdf: 4674734 bytes, checksum: a2869576ee45e8734ab4fa69a217f9ef (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: As reações de reforma de hidrocarbonetos leves, especialmente o gás natural, são reações químicas de elevada importância e representam etapas chave para a produção em larga escala de hidrogênio, para uso em reações de hidrogenação ou em células a combustível, ou de gás de síntese para aplicação na produção de amônia, metanol ou ainda para a síntese de Fischer-Tropsch (FT). A síntese de Fischer-Tropsch e o principal processo de conversao de hidrocarbonetos leves, como o metano, em hidrocarbonetos maiores, de maior valor agregado, assim a determinação das condições termodinamicamente favoráveis para a operação deste tipo de processos se torna cada vez mais necessária. Dentro desse contexto, as reações de reforma a vapor, reforma oxidativa, reforma autotérmica, reforma seca, reforma seca autotérmica e reforma seca combinada com reforma a vapor foram termodinamicamente avaliadas com o objetivo de determinar as melhores condições de reação para a produção de gás de síntese e de hidrogênio. Posteriormente, o gás de síntese produzido foi utilizado para a produção de metanol, etanol e hidrocarbonetos lineares, sendo avaliadas as melhores estratégias para a produção de cada um desses compostos. Para isso foram utilizadas as metodologias de minimização da energia de Gibbs a pressão e temperatura constantes e de maximização da entropia a pressão e entalpia constantes. Ambos os casos foram formulados como problemas de otimização na forma de programação não-linear, e resolvidas com o solver CONOPT2 do software GAMS 23.1'MARCA REGISTRADA'. A partir dos resultados obtidos com a aplicação da metodologia de minimização da energia de Gibbs, verificou-se que todos os processos de reforma avaliados se mostraram favoráveis para a produção de hidrogênio e/ou de gás de síntese do ponto de vista termodinâmico. Tendo a reação de reforma a vapor se destacado para a produção de hidrogênio devido a elevada razao molar H2/CO obtida no produto. A reação de oxidação parcial mostrou bons resultados para a produção de gás de síntese, devido a razão molar H2/CO próxima de 2 no produto. A comparação com dados experimentais permitiu verificar que a metodologia de minimização da energia de Gibbs apresentou boa capacidade de predição e pela comparação com dados simulados obtidos na literatura, pode-se verificar que a metodologia utilizada pelo presente trabalho esta de acordo com os dados publicados. Os resultados obtidos com a aplicação da metodologia de maximização da entropia pode-se verificar que as reações de reforma oxidativa, reforma autotérmica e reforma seca autotérmica, apresentaram comportamento autotérmico, tanto para o uso de O2 como para o uso de ar como agente oxidante. O ar mostrou capacidade de diminuir a elevação da temperatura final do sistema, sendo seu uso promissor para evitar pontos quentes no reator. A comparação com dados de perfil térmico de reatores, para as reações de reforma oxidativa e reforma autotérmica, únicas obtidas na literatura, demonstraram a boa capacidade de predição da metodologia de maximização da entropia para determinação das temperaturas de equilíbrio das reações. As analises realizadas pela aplicação da metodologia de minimização da energia de Gibbs para as reações de síntese de metanol, etanol e hidrocarbonetos lineares, demonstraram a viabilidade da produção desses compostos. Todas reações de síntese avaliadas apresentaram grande dependência da influencia do catalisador (efeito cinético) para promover a produção dos produtos de interesse. Aplicando-se a metodologia de maximização da entropia foi possível determinar que todas as reações de síntese apresentaram comportamento exotérmico. As metodologias empregadas, bem como o solver CONOPT2 aplicado no software GAMS® 23.1 se mostraram rápidos e eficazes para a solução dos problemas propostos, com baixos tempos computacionais para todos os casos analisados / Abstract: The reactions of reforming of light hydrocarbons, especially natural gas, are chemical reactions of great importance and represent key steps for large scale production of hydrogen for use in hydrogenation reactions or fuel cells, or synthesis gas production, for application in the ammonia or methanol production, or to Fischer-Tropsch (FT) synthesis. The Fischer- Tropsch synthesis is the main process of converting light hydrocarbons such as methane, in hydrocarbons of higher value added. The determination of the thermodynamically favorable conditions for the operation for this type of process is required. Within this context, the reactions of steam reforming, oxidative reforming, autothermal reforming, dry reforming, dry autothermal reforming and dry reforming combined with steam reforming were thermodynamically evaluated to determine the best reaction conditions for the production of synthesis gas and hydrogen. For this, we used the methods of Gibbs energy minimization, at constant pressure and temperature, and the Entropy maximization, at constant pressure and enthalpy. Both cases were formulated as optimization problems in the form of non-linear programming and solved with the software GAMS 2.5® with the solver CONOPT2. The results obtained by the method of minimization of Gibbs energy, for all the reform processes evaluated, proved able to produce hydrogen and syngas. Since the reaction of steam reforming showed greater ability to hydrogen production, due to high H2/CO molar ratio obtained in the product. The partial oxidation reaction showed good results for the syngas production, due to H2/CO molar ratio close to 2 in the product. The comparison with experimental data has shown that the Gibbs energy minimization method showed good predictive ability. By comparison with simulated data from the literature we can see that the methodology of minimization of Gibbs energy, used in this work is in agreement with data obtained in the literature for the same methodology. The results obtained using the methodology of entropy maximization allowed us to verify that the reactions of partial oxidation, autothermal reforming and dry autothermal reforming had autothermal behavior, both for the use of O2 as for the use of air as oxidizing agent. The air has shown ability to reduce the final temperature rise of the system, and its use has proved interesting to avoid hot spots in the reactor. A comparison with data from the reactor's thermal profile, for the reactions of partial oxidation and autothermal reforming, only found in the literature, showed good predictive ability of the methodology of entropy maximization to determine the final temperature of the reaction. The analysis realized using the methodology of Gibbs energy minimization for the synthesis reactions of methanol, ethanol and linear hydrocarbons, demonstrated the feasibility of producing these compounds. All synthesis reactions evaluated were greatly dependent on the influence of the catalyst (kinetic effect) to promote the production of products of interest. Trough the entropy maximization method was determined that all synthesis reactions analyzed presents exothermic behavior, but in the reaction conditions evaluated here, these systems can be considered safe. The methodologies used and applied in the software GAMS ® 23.1, and solved with the solver CONOPT2 proved to be fast and effective for solving the proposed problems with low computational time in all cases analyzed / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Dans le cadre du procédé de séparation cryogénique des gaz de l'air (T< 100 K), impuretés telles que le CO2 et le N2O peuvent se solidifier au niveau de l'échangeur de chaleur placé entre les deux colonnes de distillation cryogénique.La formation du solide doit être évitée pour deux principales raisons:- au niveau opérationnel, le solide constitue une résistance supplémentaire aux transferts de chaleur et de matière, et augmente les chutes de pression dans les colonnes de distillation;- au niveau sécurité, la présence d'une phase solide peut également favoriser l'accumulation d'hydrocarbures légers qui forment avec l'oxygène liquide des mélanges potentiellement inflammables.Les conditions de formation thermodynamique de la phase solide doivent être parfaitement maitrisées dans le cadre de la distillation cryogénique. C'est pourquoi, il est indispensable de disposer d'une équation d'état adaptée qui permette de représenter les diagrammes de phases impliquant une phase solide dans les conditions opératoire du procédé.L'objectif principal de la thèse est de développer un modèle thermodynamique pour représenter les équilibres de phases solide – fluides. Ce travail nécessite de mettre au point des algorithmes de résolution des équilibres bi et triphasiques et de déterminer le meilleur jeu de paramètres du modèle en s'appuyant sur la disponibilité des données expérimentales dans les conditions cryogéniques.Le modèle permet d'améliorer la connaissance des équilibres et constitue un outil indispensable pour maîtriser les risques associés à la présence de phases solides pour le procédé de distillation cryogénique. / In the framework of the cryogenic air separation, impurities such as CO2 and N2O may solidify at the reboiler-condenser placed between the two distillation columns.The formed solid could provide an additional strength to the heat and material transfers, and increase the pressure drops in the distillation columns.Furthermore, the presence of a solid phase can promote the accumulation of light hydrocarbons which may form flammable mixtures with liquid oxygen.Therefore, the presence of solid phases must be controlled see avoided within the cryogenic air distillation process.The main issue of this thesis is to develop a suitable model for representing solid phases and their equilibrium with the liquid and vapor phases at the operating conditions of the process, and to obtain full phase diagrams which would improve the knowledge of phase equilibria and the control of the risks associated to the presence of solid phases.

Recombinant DNA technology has been commonly used in a number of fields to synthesize new products or generate products with a new pathway. Conventional cloning methods are expensive and require significant time and labor; λ-PCR, a new cloning method developed in the Senger lab, has a number of advantages compared to other cloning processes due to its employment of relatively inexpensive and widely available materials and time-efficiency. While the amount of lab work required for the cloning process is minimal, the importance of accurate primer design cannot be overstated. The target of this study was to create an effective procedure for λ-PCR primer design that ensures accurate cloning reactions. Additionally, synthetic ribosome binding sites (RBS) were included in the primer designs to test heterologous protein expression of the cyan fluorescent reporter with different RBS strengths. These RBS sequences were designed with an online tool, the RBS Calculator. A chimeric primer design procedure for λ-PCR was developed and shown to effectively create primers used for accurate cloning with λ-PCR; this method was used to design primers for CFP cloning in addition to two enzymes cloned in the Senger lab. A total of five strains of BL21(DE3) with pET28a + CFP were constructed, each with the same cyan fluorescent protein (CFP) reporter but different RBS sequences located directly upstream of the start codon of the CFP gene. Expression of the protein was measured using both whole-cell and cell-free systems to determine which system yields higher protein concentrations. A number of other factors were tested to optimize conditions for high protein expression, including: induction time, IPTG concentration, temperature, and media (for the cell-free experiments only). Additionally, expression for each synthetic RBS sequence was investigated to determine an accurate method for predicting protein translation. NUPACK and the Salis Lab RBS Calculator were both used to evaluate the effects of these different synthetic RBS sequences. The results of the plate reader experiments with the 5 CFP strains revealed a number of factors to be statistically significant when predicting protein expression, including: IPTG concentration, induction time, and in the cell-free experiments, type of media. The whole-cell system consistently produced higher amounts of protein than the cell-free system. Lastly, contrasts between the CFP strains showed each strain's performance did not match the predictions from the RBS Calculator. Consequently, a new method for improving protein expression with synthetic RBS sequences was developed using relationships between Gibbs free energy of the RBS-rRNA complex and expression levels obtained through experimentation. Additionally, secondary structure present at the RBS in the mRNA transcript was modeled with strain expression since these structures cause deviations in the relationship between Gibbs free energy of the mRNA-rRNA complex and CFP expression. / Master of Science / Recombinant DNA technology has been used to genetically enhance organisms to produce greater amounts of a product already made by the organism or to make an organism synthesize a new product. Genes are commonly modified in organisms using cloning practices which typically involves inserting a target gene into a plasmid and transforming the plasmid into the organism of interest. A new cloning process developed in the Senger lab, λ-PCR, improves the cloning process compared to other methods due to its use of relatively inexpensive materials and high efficiency. A primary goal of this study was to develop a procedure for λ-PCR primer design that allows for accurate use of the cloning method. Additionally, this study investigated the use of synthetic ribosome binding sites to control and improve expression of proteins cloned into an organism. Ribosome binding sites are sequences located upstream of the gene that increase the molecule’s affinity for the rRNA sequence on the ribosome, bind to the ribosome just upstream of the beginning of the gene, and initiate expression of the gene. Tools have been developed that create synthetic ribosome binding sites designed to produce specific amounts of protein. For example, the tools can increase or decrease expression of a gene depending on the application. These tools, the Salis Lab RBS Calculator and NUPACK, were used to design and evaluate the effects of the synthetic ribosome binding sites. Additionally, a new method was created to design synthetic ribosome binding sites since the methods used during the design process yielded inaccuracies. Each strain of E. coli contained the same gene, a cyan fluorescent protein (CFP), but had different RBS sequences located upstream of the gene. Expression of CFP was controlled via induction, meaning the addition of a particular molecule, IPTG in this system, triggered expression of CFP. Each of the CFP strains were tested with a variety of v conditions in order to find the conditions most suitable for protein expression; the variables tested include: induction time, IPTG (inducer) concentration, and temperature. Media was also tested for the cell-free systems, meaning the strains were grown overnight for 18 hours and lysed, a process where the cell membrane is broken in order to utilize the cell’s components for protein expression; the cell lysate was resuspended in new media for the experiments. ANOVA and multiple linear regression revealed IPTG concentration, induction time, and media to be significant factors impacting protein expression. This analysis also showed each CFP strain did not perform as the RBS Calculator predicted. Modeling each strain’s CFP expression using the RBS-rRNA binding strengths and secondary structures present in the RBS allowed for the creation of a new model for predicting and designing RBS sequences.

L'objectif de cette thèse est de développer un nouveau code pour prédire l'équilibre final d'un processus chimique complexe impliquant beaucoup de produits, plusieurs phases et plusieurs processus chimiques. Des méthodes numériques ont été développées au cours des dernières décennies pour prédire les équilibres chimiques finaux en utilisant le principe de minimisation de l'enthalpie libre du système. La plupart des méthodes utilisent la méthode des « multiplicateurs de Lagrange » et résolvent les équations en employant une approximation du problème de Lagrange et en utilisant un algorithme de convergence pas à pas de type Newton-Raphson. Les équations mathématiques correspondantes restent cependant fortement non linéaires, de sorte que la résolution, notamment de systèmes multiphasiques, peut être très aléatoire. Une méthode alternative de recherche du minimum de l’énergie de Gibbs (MCGE) est développée dans ce travail, basée sur une technique de Monte-Carlo associée à une technique de Pivot de Gauss pour sélectionner des vecteurs composition satisfaisant la conservation des atomes. L'enthalpie libre est calculée pour chaque vecteur et le minimum est recherché de manière très simple. Cette méthode ne présente a priori pas de limite d’application (y compris pour las mélanges multiphasiques) et l’équation permettant de calculer l’énergie de Gibbs n’a pas à être discrétisée. Il est en outre montré que la précision des prédictions dépend assez significativement des valeurs thermodynamiques d’entrée telles l'énergie de formation des produits et les paramètres d'interaction moléculaire. La valeur absolue de ces paramètres n'a pas autant d’importance que la précision de leur évolution en fonction des paramètres du process (pression, température, ...). Ainsi, une méthode d'estimation cohérente est requise. Pour cela, la théorie de la « contribution de groupe » est utilisée (ceux de UNIFAC) et a été étendue en dehors du domaine d'interaction moléculaire traditionnel, par exemple pour prédire l'énergie de formation d’enthalpie libre, la chaleur spécifique... Enfin, l'influence du choix de la liste finale des produits est discutée. On montre que la prédictibilité dépend du choix initial de la liste de produits et notamment de son exhaustivité. Une technique basée sur le travail de Brignole et Gani est proposée pour engendrer automatiquement la liste des produits stable possibles. Ces techniques ont été programmées dans un nouveau code : CIRCE. Les travaux de Brignole et de Gani sont mis en œuvre sur la base de la composition atomique des réactifs pour prédire toutes les molécules « réalisables ». La théorie de la « contribution du groupe » est mise en œuvre pour le calcul des propriétés de paramètres thermodynamiques. La méthode MCGE est enfin utilisée pour trouver le minimum absolu de la fonction d'enthalpie libre. Le code semble plus polyvalent que les codes traditionnels (CEA, ASPEN, ...) mais il est plus coûteux en termes de temps de calcul. Il peut aussi être plus prédictif. Des exemples de génie des procédés illustrent l'étendue des applications potentielles en génie chimique. / The objective of this work is to develop a new code to predict the final equilibrium of a complex chemical process with many species/reactions and several phases. Numerical methods were developed in the last decades to predict final chemical equilibria using the principle of minimizing the Gibbs free energy of the system. Most of them use the “Lagrange Multipliers” method and solve the resulting system of equations under the form of an approximate step by step convergence technique. Notwithstanding the potential complexity of the thermodynamic formulation of the “Gibbs problem,” the resulting mathematical formulation is always strongly non-linear so that solving multiphase systems may be very tricky and having the difficult to reach the absolute minimum. An alternative resolution method (MCGE) is developed in this work based on a Monte Carlo technique associated to a Gaussian elimination method to map the composition domain while satisfying the atom balance. The Gibbs energy is calculated at each point of the composition domain and the absolute minimum can be deduced very simply. In theory, the technique is not limited, the Gibbs function needs not be discretised and multiphase problem can be handled easily. It is further shown that the accuracy of the predictions depends to a significant extent on the “coherence” of the input thermodynamic data such the formation Gibbs energy of the species and molecular interaction parameters. The absolute value of such parameters does not matter as much as their evolution as function of the process parameters (pressure, temperature, …). So, a self-consistent estimation method is required. To achieve this, the group contribution theory is used (UNIFAC descriptors) and extended somewhat outside the traditional molecular interaction domain, for instance to predict the Gibbs energy of formation of the species, the specific heat capacity… Lastly the influence of the choice of the final list of products is discussed. It is shown that the relevancy of the prediction depends to a large extent on this initial choice. A first technique is proposed, based on Brignole and Gani‘s work, to avoid omitting species and another one to select, in this list, the products likely to appear given the process conditions. These techniques were programmed in a new code name CIRCE. Brignole and Gani-‘s method is implemented on the basis of the atomic composition of the reactants to predict all “realisable” molecules. The extended group contribution theory is implemented to calculate the thermodynamic parameters. The MCGE method is used to find the absolute minimum of the Gibbs energy function. The code seems to be more versatile than the traditional ones (CEA, ASPEN…) but more expensive in calculation costs. It can also be more predictive. Examples are shown illustrating the breadth of potential applications in chemical engineering.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-10T12:37:20Z No. of bitstreams: 1 deysegomesdacosta.pdf: 10386782 bytes, checksum: a18ce8ca7fd4c235c246f70bc4f6f946 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T15:04:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 deysegomesdacosta.pdf: 10386782 bytes, checksum: a18ce8ca7fd4c235c246f70bc4f6f946 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T15:04:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 deysegomesdacosta.pdf: 10386782 bytes, checksum: a18ce8ca7fd4c235c246f70bc4f6f946 (MD5) Previous issue date: 2011-07-29 / Os hidróxidos duplos lamelares (HDL) ou compostos tipo-hidrotalcita vêm sendo muito estudados devido a suas inúmeras aplicações. No campo da catálise, estes compostos podem atuar como catalisadores, suportes para catalisadores ou precursores de catalisadores. É sabido que a morfologia do suporte tem grande influência sobre a dispersão, a atividade e a seletividade apresentada pelo catalisador. Nestes caso, o conhecimento detalhado dos efeitos do suporte e dos sítios catalíticos exigem a compreensão da estrutura do HDL. Entretanto, por causa da desordem estrutural, muitas vezes inerente ao material, torna-se a determinação completa da estrutura, via difração de raios X, raramente possível. As bandas largas presentes na análise do IV, fazem a atribuição das mesmas ambígua. Devido à complexidade dos HDL e à dificuldade de se adquirir ou interpretar os resultados experimentais, foi proposto um modelo para simular as características estruturais dos compostos tipo-hidrotalcita com o politipo 3R1, usando condições periódicas de contorno e cálculos ab initio dentro da teoria do funcional da densidade (DFT). As informações estruturais da hidrotalcita, obtidas experimentalmente, foram usadas para verificar a validade do modelo teórico. Os resultados mostraram boas concordâncias com os padrões de raios X do pó experimentais. O espectro na região do infravermelho, a entalpia e energia livre de Gibbs, também foram calculadas. Os cálculos de frequências vibracionais mostraram que as moléculas de água intercaladas são altamente organizadas devido às fortes interações intermoleculares com outras moléculas de água, com ânions interlamelares e com as hidroxilas das lamelas. A presença destas interações é refletida na presença do estiramento O-H das moléculas de água deslocadas para baixas frequências. A perda da degenerescência dos modos vibracionais v3 e do v4 foi observada, indicando a redução da simetria do íon carbonato. As modificações termodinâmicas e estruturais resultantes da substituição do íon presente no HDL Zn-Al-Cl também formam analisadas. O íon Cl- do HDL precursor foi trocado por uma série de ânions como o F-, Br-, OH-, NO3-, ClO4-, CO32- e SO42-. Os resultados mostraram que a intercalação do HDL com diferentes íons, afeta o gap de energia e a basicidade da lamela tipo-brucita. A entalpia e a energia livre de Gibbs, a densidade de estados (DOS) e a densidade de estados projetada (PDOS) foram avaliadas para todos os HDL. / The layered double hydroxide (LDH) or hydrotalcite-like compounds have been widely studied due to many applications they have. In catalysis field these compounds can act as catalyst, catalyst support or precursor for supports and catalysts. It is well known that the support morphology has larger influence on the dispersion, activity and selectivity of catalysts. In this case, detailed knowledge about support effects and catalytic sites requires understanding the LDH structure. However, because of the inherent structural disorder, complete structure determination using X-ray diffraction is rarely possible. The IR analysis present broad bands, which makes their assignment ambiguous. Due to the complexity of the LDH and the difficult of acquiring experimental data, we proposed a model to simulate structural features of the hydrotalcite-like compounds with 3R1 polytypes using periodic boundary conditions and ab initio density functional theory (DFT) calculations. The structural information of hydrotalcite from experiments were used to verify the validity of theoretical model. Our results showed good agreements to the powder X-ray patterns. The infrared spectroscopy, enthalpy and Gibbs free energy, also was calculated. The IR calculations showed that intercalated water molecules are highly ordered due the strong intermolecular interactions with other water molecules, interlayer anions and layer hydroxyls. These interaction is reflected by the presence of downshift vibrational frequencies of OH-stretching of interlayer water. The loss of degeneracy of the v3 and v4 vibrational modes are observed, indicating the reduction of the carbonate anion symmetry. The thermodynamic and structural modifications derived from anion exchange on a LDH containing Zn-Al-Cl was also analyzed. The Cl- ion to the LDH precursor was exchanged for a series of anions as F-, Br-, OH-, NO3-, ClO4-, CO32- and SO42-. The resulted show that intercalation of LDH with different anions affect their gap energy and basicity of brucite-like layer. The enthalpy and Gibbs free energy, density of charge, density of state (DOS) and projected density of state (PDOS) were evaluated for all substituted materials.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-07-21T12:20:27Z No. of bitstreams: 1 sergiorodriguestavaresfilho.pdf: 2771047 bytes, checksum: 581bb53472b98a51c16297f55b6c9259 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-09T13:15:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sergiorodriguestavaresfilho.pdf: 2771047 bytes, checksum: 581bb53472b98a51c16297f55b6c9259 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T13:15:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sergiorodriguestavaresfilho.pdf: 2771047 bytes, checksum: 581bb53472b98a51c16297f55b6c9259 (MD5) Previous issue date: 2013-07-25 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Muitos compostos lamelares, como os hidróxidos duplos lamelares e os hidroxissais lamelares, vem ganhando cada vez mais atenção devido às suas inúmeras aplicabilidades no ramo de catálise, troca iônica e precursores para óxidos. Os dois compostos estudados aqui possuem sítios octaédricos e tetraédricos de zinco, sendo classificados por Louër et al. como hidroxissais do tipo II. O hidroxicloreto de zinco (Zn5(OH)8Cl2.H2O) é romboédrico e possui ocorrência natural sendo designado como simonkolleite. Enquanto que o hidroxinitrato de zinco diidratado (Zn5(OH)8(NO3)2.2H2O) é monoclínico e não possui ocorrência natural. Seus nitratos não se encontram coordenados aos zincos tetraédricos, como é o caso do composto Zn5(OH)8Cl2.H2O. Ao invés disso, suas moléculas de água se encontram coordenadas nos tetraedros e, para balancear a carga positiva das lamelas, esses nitratos se encontram na região interlamelar. Esses dois hidroxissais e uma modificação do hidroxinitrato de zinco com moléculas de amônia coordenadas aos tetraedros (BENARD, 1995) foram estudados por simulação computacional. O pacote Quantum ESPRESSO, baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT – Density Functional Theory) com funções de onda planas e condições periódicas de contorno foi utilizado para a condução dos cálculos. As moléculas de água foram retiradas das estruturas hidratadas otimizadas e essas foram reotimizadas. Todos os dados experimentais foram comparados com os dados retirados das estruturas simuladas e um bom acordo foi obtido. A estrutura simulada do composto desidratado de Zn5(OH)8(NO3)2.2H2O não correspondeu à estrutura obtida pelo processo de calcinação, como foi visto pela análise termodinâmica do processo de desidratação. Porém, pôde ser concluído que essa estrutura corresponde ao mínimo local, pela ausência de frequências imaginárias. Cálculos de pós-processamento puderam ser conduzidos para uma análise das interações existentes nos compostos e das espécies químicas presentes neles. Os cloretos e os nitratos de ambos os compostos se mostraram equivalentes quimicamente, como foi visto pelo cálculo de pDOS (projected Density of States). As hidroxilas das células unitárias puderam também ser classificadas em dois grupos a partir de suas semelhanças químicas. Pôde-se concluir também com esse trabalho que o modelo de diminuição da célula unitária (DEYSE, 2012) foi capaz de diminuir os custos computacionais e prever certas propriedades dos compostos estudados. / Many layered compounds, like the double hydroxides and the hydroxide salts, have been gaining attention lately due to their various applicabilities in catalysis, anionic exchange and oxide precursors. The studied compounds here have octahedral and tetrahedral sites, which have been classified as type-2 hydroxide salts by Louër et al. Zinc hydroxide chloride monohydrate (Zn5(OH)8Cl2.H2O) is rhombohedric and is found in the nature as a mineral so-called simonkolleite. Whereas zinc hydroxide nitrate dihydrate (Zn5(OH)8(NO3)2.2H2O) is monoclinic and does not have natural occurrence. Their nitrates are not coordinated to the tetrahedral zincs, whereas the chlorides of Zn5(OH)8Cl2.H2O are grafted to the tetrahedral zincs. Their water molecules are grafted to the tetrahedrons and, in order to balance the charges, the nitrates are located in the interlayer region. Those hydroxide salts and a modification of the zinc hydroxide nitrate with ammonia molecules grafted to the tetrahedros (BENARD, 1995) have been studied by computational simulation. The Quantum ESPRESSO package based in the Density Functional Theory (DFT) with waveplanes and periodic boundary conditions was used for the calculations. The water molecules were removed from the optimized hydrate structures and, later on, those were re-optmized. All the experimental data were compared with the ones obtained by simulated structures and a good agreement was shown. The simulated dehydrate structure of Zn5(OH)8(NO3)2.2H2O did not correspond to the structure obtained by calcination, as it was shown by the thermodynamical analysis of the calcination process. However, it was concluded that this structure corresponds to a local minimum due to the lack of imaginary frequencies. Post-processing calculations were conducted in order to analyze the compounds' interactions and the chemical species. The chlorides and nitrates of both compounds were chemically equivalents, as it was shown by the pDOS calculations (projected Density of States). The hydroxyls of the unit cells could be classified in two groups based on their chemical equivalence. It could also be concluded with this work that the unit cell reduction method (DEYSE, 2012) was able to reduce the computational costs and to predict certain properties of the studied compounds.