Os autores agradecem Melanie Frank, Pia Griesheimer, Jessica Henrich, Petra Janke, Jessica Maier, e Norbert Sickinger para apoio técnico e analítico deste trabalho. O apoio financeiro concedido no âmbito do projecto BioBoost é muito reconhecido. BioBoost é um projeto D co-financiado ao abrigo do contrato 282.873 no âmbito do Sétimo Programa-Quadro da Comissão Europeia (www.bioboost.eu) europeia R &amp;.

1. Start-up <ol><li> Ative toda a pirólise e sistema de condensação, iniciando o auxiliar N 2 oferta e o ventilador de gás de pirólise. Lave o equipamento de teste de pirólise com 500 L h -1 de nitrogênio durante a espera. Regular o ventilador através da abertura de menu do ventilador no controlo do processo e ajustar o seu fluxo volumétrico nominal tal que a pressão no reactor é 3-8 mbar acima da pressão ambiente. Cuidado: Especialmente durante o start-up, existe um risco aumentado de formação de atmosferas explosivas. O sistema deve ser totalmente inerte, a fim de mitigar este risco. </li><li> Encher o ciclo de bio-óleo (isto é, orgânicas-rico condensado) com uma quantidade apropriada de etileno-glicol como o meio de partida para o sistema de têmpera para permitir a operação segura da bomba e homogeneizador (por exemplo, 15 kg, no exemplo apresentado). Registar o peso do material de partida. </li><li> Encha o ciclo condensado aquoso com um amoun apropriadat de água para permitir a operação segura da bomba (por exemplo, 7 kg, no exemplo apresentado). Registar o peso do material de partida. </li><li> Aqueça o sistema, incluindo o aquecedor portador de calor e todos os aquecedores auxiliares, abrindo seus menus no controle do processo e inserindo os valores desejados (por exemplo, em torno de 500 ° C). aquecimento auxiliar é recomendado para o próprio reactor e as tubagens de ligação até ao primeiro condensador, a fim de evitar a condensação de vapores descontrolada. </li><li> Iniciar o ciclo de arrefecimento para os permutadores de calor em ambos os ciclos de condensação por comutação no sistema de arrefecimento. </li><li> Iniciar as bombas de ambos os ciclos de condensação abrindo seus menus no controle do processo e clique em Ativar. Use os mesmos menus para ajustar o fluxo de massa para fornecer energia de refrigeração suficiente. Por exemplo, recircular o bio-óleo a uma taxa de cerca de 350 kg h -1 e arrefecer até 80 ° C antes de pulverizar para o recipiente de têmpera. Recircular o conde aquosansate a uma taxa de cerca de 600 kg h -1 e, além disso, o fornecimento de água de arrefecimento a uma taxa de 300 kg h -1 a 8 ° C. </li><li> Ligue o precipitador eletrostático. </li><li> Após dois ciclos de condensação ter executado por 10-20 min, verificar os bicos do sistema de têmpera para bloquear e remover qualquer bloqueio presente. </li><li> Começar o loop portador de calor, abrindo o menu do elevador de canecas e o parafuso de alimentação portador de calor no controle do processo e clique em Ativar. Ajuste da temperatura de transportador de calor para um valor acima da temperatura do reactor desejada, a fim de permitir que um mais suave de arranque por representando as necessidades de calor para a reacção de pirólise. Por exemplo, fornecer o transportador de calor com um fluxo de massa de 1,000 kg h -1 a uma temperatura de 520 ° C durante o funcionamento, mas o calor a 545 ° C antes de iniciar a alimentação de biomassa. Cuidado: Certifique-se de que o gêmeo-parafusos do reactor são iniciados automaticamente quando a alimentação portador de calorparafuso é ativado. Caso contrário, existe o risco de bloqueio e até mesmo danos ao sistema de alimentação. </li><li> Depois de o sistema (isto é, todas as temperaturas) atingiu os valores de ajuste, iniciar a alimentação de biomassa, preenchendo o armazenamento de biomassa com a matéria-prima pretendida. Subsequentemente, abrir o alimentador fechado e iniciar o parafuso de alimentação de biomassa, clicando em Activar em seus menus no controle do processo. Lentamente, aumentar a taxa de alimentação de modo a evitar flutuações de pressão excessivas. </li></ol> 2. Passos e Observações continuamente solicitada durante a Operação <ol><li> Registrar a quantidade de biomassa alimentada a fim de explicar para o balanceamento e tomar amostras adequadas. </li><li> Entrada para o (temperatura de saída do transportador de calor) desejada temperatura do reactor e regular o aquecimento do circuito transportador de calor em conformidade. </li><li> Regular o fã ajustando seu fluxo volumétrico nominal para manter a pressão no reactor desejado. </li><li> Verifique se há bloqueio nos bicosdo sistema de têmpera (redução do fluxo de massa e / ou aumento da temperatura de têmpera). </li><li> Observar a queda de pressão através dos ciclones e o sistema de têmpera, a fim de detectar de escala excessiva suficientemente cedo. Instalar as medidas adequadas para ser capaz de remover escamação excessiva durante a operação, especialmente no ponto da primeira queda de temperatura dos vapores de pirólise (normalmente a entrada do sistema de têmpera). <ol><li> Por exemplo, limpar seção transversal do tubo usando uma haste para remover escala mecanicamente. Selar a haste com uma junta de vedação para evitar a ingestão de ar para dentro do sistema de têmpera. Instalar uma válvula de esfera no ponto de entrada da haste para diminuir ainda mais a fuga de ar se a limpeza não se encontra em funcionamento. Cuidado: Limpeza da entrada do sistema de têmpera através da inserção de uma haste conduz ao bloqueio temporário da remoção do gás do reactor. alimentação de biomassa tem de ser interrompido, se não puder ser assegurado que a limpeza é executada em &lt;10 seg. </li></ol></li><li> Monitorar as temperaturas de condensação de ambos os ciclos de condensação e adaptar-se a temperatura de set-points dos termostatos de processo, se necessário. </li><li> Remover o condensado de ciclos, logo que 80% do nível de enchimento máximo admissível tiver sido atingido (em função do tamanho dos tanques de amortecimento e a quantidade e tipo de biomassa alimentada). </li><li> Realizar medições de fase gasosa. Medir a quantidade de gás, bem como a sua composição (ver detalhes na etapa 4.5). NOTA: compostos gasosos primários incluem N2, CO, CO2, CH4, O2 e H2. Os compostos adicionais são para ser esperado, por exemplo, C 2 H 4, C 2 H 6, e C 3 H 8. Um exemplo de um sistema de medição de gás é descrito a seguir (ver passo 4.5). Cuidado: Se as partes da unidade de pirólise são operados sob pressão, o vazamento de ar pode levar ao desenvolvimento de um ambiente explosivo. É altamente recomendável para ob estreitamenteservir a quantidade de oxigênio no gás de pirólise. </li></ol> 3. Shutdown <ol><li> Para interromper a experiência, basta desligar a alimentação de biomassa e regular o ventilador para manter a pressão no reactor desejado. </li><li> Permitir que o sistema (circular portador de calor e os ciclos de condensação) para funcionar para uma outra 30-40 min para assegurar que todos os remanescentes são pirolisados ​​e os produtos recuperados. </li><li> Desligar o aquecimento do circuito transportador de calor. </li><li> Desligue as bombas de ambos os ciclos de condensação e do precipitador eletrostático. </li><li> ciclos vazios tanto condensado e registrar o peso de cada condensado. Subtraia a quantidade de material de partida (veja os passos 1.2 e 1.3) antes de configurar os saldos. </li><li> Permitir que os recipientes de recolha de carvão para arrefecer até à temperatura ambiente numa atmosfera inerte. Pesar a quantidade de carvão animal. Atenção: O carvão animal pode apresentar características pirofóricas, e cuidados específicos devem ser tomados ao manusear este material. </li><li> Clean o ciclo de bio-óleo com etileno glicol fresco e o ciclo condensado aquoso com uma mistura 1: 1 de água e etanol. Encha com quantidades apropriadas (veja as etapas 1.2 e 1.3) e deixar correr por 30-40 min. </li></ol> 4. As análises necessários para criar saldos &#39;seca&#39; e &#39;Elementar de Carbono&#39; <ol><li> Execute as seguintes análises de matéria-prima (exemplos de normas aplicáveis ​​são indicados entre parênteses): <ol><li> Determinar o teor de água 17. </li><li> Determinar o teor de cinzas 18. </li><li> Determine o carbono elementar, hidrogênio e teores de nitrogênio 19. NOTA: É altamente recomendável para analisar o conteúdo de água a cada dia experimental porque as diferenças nas condições climáticas podem afetar o conteúdo da matéria-prima umidade. Dependendo do tamanho do lote, várias amostras são necessários para caracterizar de forma fiável a matéria-prima. Análises adicionais, tais como análise de fibra e maior valor de aquecimento sãorecomendada, mas não obrigatória para configurar os saldos acima mencionados. </li></ol></li><li> Execute as seguintes análises pó char (exemplos de normas aplicáveis ​​são apresentados nas referências): <ol><li> Determinar o teor de água 17. </li><li> Determinar o teor de cinzas 18. </li><li> Determine o carbono elementar, hidrogênio e teores de nitrogênio 19. NOTA: Presume-se que Char não tem nenhum conteúdo de umidade ao sair do processo de configuração dos saldos. Humidade de absorção pode ocorrer durante o curso de análises, e o teor de água é necessário para a correcção de uma das duas outras análises. </li></ol></li><li> Execute as seguintes análises bio-óleo (exemplos de normas aplicáveis ​​ou outros métodos recomendados são dadas entre parênteses): <ol><li> Determinar o teor em água por Karl-Fischer volumétrica titulação de acordo com protocolos padrão. Dissolve-se uma amostra em metanol seco e titula-se com uma mistura de uma base, SO2, E uma concentração conhecida de I 2 (exemplos detalhados de materiais são fornecidos na lista de materiais). Cada mole de água reage com uma mole de I 2. </li><li> Determinar o teor de sólidos por recolha de uma amostra de 3,040 g FPBO e dissolvê-lo no seio de metanol a um volume final da solução de cerca de 100 ml. Agita-se a solução durante 10 minutos à temperatura ambiente. Filtrar a solução através de um filtro de celulose a retenção de partículas de 2,5 um e lavar o resíduo com metanol até um filtrado transparente é obtida. Seca-se o resíduo sólido a 105 ° C durante a noite e determinar o peso residual. </li><li> Determine o carbono elementar, hidrogênio e teores de nitrogênio 19. </li><li> Determinar o teor de etileno glicol por uma análise da &#39;H-NMR de acordo com protocolos padrão. Dissolve-se uma amostra FPBO numa solução de metanol deuterado com 3- (trimetilsilil) propiónico-2,2,3,3-d 4 sal de sódio de ácido (TMSP) como material de referência (cerca de 0,1g FPBO em 0,8 g de solução). Por exemplo, a solução pode conter 44 g de metanol e 0,1 g TMSP. Centrifugar a amostra dissolvida a fim de remover os sólidos. Analisar a amostra por 1 H espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). Os grupos hidroxi do etileno-glicol mostrar um pico a 3,55-3,65 ppm. O pico de referência de TMSP aparece cerca de 0 ppm e é usado para quantificar o teor de etileno glicol. NOTA: Arranque com etileno glicol puro conduz a uma diluição do condensado no primeiro condensador. Isto precisa de ser considerados no cálculo de balanços de massa e energia e para a apresentação dos resultados. É altamente desejável para identificar compostos químicos individuais. Tal método analítico é muito complexo devido ao grande número de diferentes compostos e a natureza da matriz de condensado. Uma descrição de tais análises está fora do âmbito deste documento. Deve também salientar-se que as análises acima mencionados são apenas necessários para a criaçãosaldos e não são suficientes para descrever a bio-óleo como um produto. Normas que cobrem aplicações FPBO estão em preparação. </li></ol></li><li> Execute as seguintes análises aquosas de condensado (exemplos de normas aplicáveis ​​são indicados entre parênteses): <ol><li> Determinar o teor de água por volumétrica Karl-Fischer (ver 4.3.1). </li><li> Determinar o carbono orgânico total como carbono orgânico não-purgável 20. NOTA: Start-up com as ligações de água pura para uma diluição do condensado no segundo condensador. Isto precisa de ser considerados no cálculo de balanços de massa e energia e para a apresentação dos resultados. </li></ol></li><li> Monitorar a composição do gás durante todo o experimento, porque a composição varia consideravelmente com o tempo. Por exemplo, analisar o gás de produto durante as experiências aqui apresentadas num cromatógrafo de gás de processamento a cada 30-60 min. Analisar as seguintes espécies de gás: Ne, H 2, CO, CO 2, N 2, O 2, CH 4, e alcano / alceno C 2 -C 5 componentes. <ol><li> Injectar um fluxo de gás constante de Ne para o reactor como uma referência. Calcula-se a massa de cada espécie de gás com base no fluxo volumétrico de referência, a relação média entre a composição do gás, a duração da experiência, e a densidade das espécies. A fim de determinar o teor de água do gás de pirólise, assumir condições saturado à temperatura de saída do último condensador. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Para todas as experiências, as condições do processo, tais como o tamanho do material de alimentação, velocidade de alimentação, da pressão, da temperatura de reacção, as temperaturas de condensação, e taxas de fluxo de ambos o transportador de calor e o condensado ciclo eram os mesmos. Naturalmente, variações dentro de limites definidos não podem ser evitados. Para uma planta de teste, como a unidade de desenvolvimento de processo aqui apresentado, os limites aceitáveis ​​de flutuação e os tempos necessários de funcionamento para experimentos reprodutíveis precisa ser calculado e / ou determinada pela experiência. Por exemplo, a temperatura do reactor, o qual é indicado por a temperatura do transportador de calor que sai do reactor, é controlada com um desvio padrão de 35 ° C ao longo de todo o curso da reacção a partir do início da reacção com a capacidade de biomassa total ao parar de alimentação de biomassa (normalmente em torno de 4 horas). A pressão no reactor é controlada com um desvio padrão de 300-500 Pa. Os picos de pressão são susceptíveis de ocorrer devido a FLUCflutuações na alimentação de biomassa. Recomenda-se para ajustar o sistema de parafuso de alimentação para o material de biomassa sob consideração, a fim de minimizar tais flutuações e assegurar um fluxo constante de biomassa. A temperatura de condensação no primeiro e segundo condensadores foi mantida a um desvio padrão de 3 ° C e 1 ° C, respectivamente. Deve-se notar neste ponto que todas as experiências apresentadas foram realizadas à mesma temperatura do reactor (500 ° C). Esta temperatura não reflecte necessariamente a temperatura de pirólise rápida óptima que existe para cada matéria-prima específica 22. Uma variação da temperatura do reactor poderia conduzir a uma temperatura de pirólise optimizado com rendimentos ainda mais elevados de óleo orgânicos. A escolha do método de equilíbrio não é trivial para a pirólise rápida de biomassa, especialmente quando se aplica a condensação fraccionada e de utilização da biomassa com elevado teor de cinzas. Três tipos diferentes de Balancing foram apresentados na seção anterior. Relatando os rendimentos de fracções do produto em uma base &quot;como recebido&quot; é vantajoso para considerações práticas, tais como a concepção de instrumentos e capacidades de armazenamento, uma vez que relata a distribuição real do produto a ser esperado. No entanto, estes valores são obscurecidos por os teores de água e de cinzas da matéria-prima. Especialmente para biomassa residual - por exemplo, palha, silvicultura e resíduos de poda e &quot;resíduos&quot; biogênicos - este é um problema uma vez que estas matérias-primas têm uma ampla gama de conteúdos de água e inorgânicos, consulte a Tabela 1. O método comum para balanceamento de processos de biomassa numa &quot;base seca&quot; é na maioria dos casos útil para comparações entre os diferentes estudos, uma vez que elimina o efeito de diferentes teores de humidade da matéria-prima. No entanto, deve-se salientar que estes valores calculados a partir experimentos com matéria-prima úmida específica não necessariamente reflect o comportamento e rendimento desta matéria-prima específica se fosse completamente seca por meios físicos antes da experiência. Sabe-se que a umidade afeta a distribuição de rendimento de pirólise 23 e este deve ser mantido em mente ao avaliar e comparar os saldos &quot;secos&quot;. Além disso, balanços de massa sobre uma &quot;base seca &#39;são inadequadas para matérias-primas com alto teor de cinzas porque os minerais acabam principalmente no carvão e obscurecer os resultados de forma semelhante ao teor inicial. Forma semelhante à água, minerais afetam a rede reação de pirólise real porque promovem reações de pirólise secundárias, levando a uma maior carvão e os rendimentos de bio-óleo mais baixos. Tais efeitos só pode ser avaliado numa base científica se os saldos são corrigidos para o teor de cinzas. Uma maneira de conseguir isso é através da criação de balanços de carbono. A partir da comparação da Figura 2 e Figura 4, pode ser visto que o aumento de sólidos Yield observada após pirólise de palha de trigo, em comparação com Miscanthus não é apenas devido ao material inorgânico que é recuperado com o carvão animal, mas também devido ao aumento da fracção de sólidos orgânicos que se formaram durante o processo. Outra vantagem dos saldos de carbono elementar é para mostrar o destino de carbono biogénico, isto é, a sua distribuição nas fracções de produto recuperado. Isto é importante para a avaliação das cadeias mais complexas de conversão - por exemplo, pirólise, gaseificação, e síntese como no caso aqui apresentado - porque o carbono biogênico deve ser usado de forma tão eficiente quanto possível. Um dos papéis mais importantes da biomassa em uma futura economia de base biológica é fornecer carbono biogênico para uma ampla gama de commodities, substituindo assim de carbono a partir de recursos fósseis. O protocolo apresentado por pirólise rápida em um reator de mistura de parafuso duplo pode ser realizado em diferentes escalas com alguns ajustes. Tele apresentou caso de uma unidade com uma capacidade de alimentação de 10 kg h -1 provou ser um compromisso possível entre a complexidade operacional e de resultados significativos para o comportamento do processo. Ela pode ser aplicada tanto para o rastreio de diferentes tipos de biomassa e a optimização das condições do processo. Testando uma matéria-prima de biomassa específica é crucial porque certas características das matérias-primas pode levar a operação do processo desfavorável se resíduos sólidos grosseiros acumular-se no ciclo de portador de calor. Tal acumulação não foi observado para a biomassa apresentada na secção de resultados, mas tem sido observado para o material biogénico muito dura com tamanho de partícula grande (&gt; 1 mm), o que limita a aplicabilidade do processo apresentado. Este problema pode ser reduzido com um desenho diferente do circuito transportador de calor, por exemplo, por transporte pneumático do transportador de calor com a combustão parcial simultânea.

A utilização de biomassa como uma alternativa às fontes de carbono fóssil está se tornando cada vez mais importante para reduzir o efeito da atividade social sobre o clima da Terra. Existem outras fontes de energia renováveis, como eólica e solar, mas a biomassa representa a única fonte de carbono renovável até à data. Por conseguinte, a utilização mais eficiente da biomassa é na produção de produtos químicos e combustíveis líquidos especializados. biomassa residual deve ser usado a fim de reduzir a competição entre alimentos para animais, alimentos, produtos químicos e produção / combustível. Estes resíduos, muitas vezes têm baixa densidade, apresentando, portanto, um desafio logístico para aplicações em escala industrial. Para enfrentar esses desafios, o conceito bioliq foi desenvolvido no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe 1. Possui um primeiro passo descentralizada para converter biomassa residual em uma densa intermediário (bioslurry) de energia, uma conversão subsequente em uma unidade de gaseificação central para síntesegás e uma síntese final para o produto desejado (s). A unidade de gaseificação e de síntese podem ser desenhados à escala industrial necessários no mesmo local para obter uma operação comercial. O conceito permite produtos diferentes, que vão desde gota-em combustíveis para aditivos para combustíveis e produtos químicos a granel especializados 2-5. Este trabalho apresenta um primeiro passo em que a pirólise rápida é utilizado para converter a biomassa residual para o bioslurry intermediário. Pirólise rápida é caracterizada por um rápido aquecimento da biomassa numa atmosfera inerte a uma temperatura de reacção tipicamente de 450-500 ° C com um tempo de permanência dos vapores de pirólise produzidos de &lt;2 segundos 6. Mais comumente, reactores de leito fluidizado são utilizados para a realização de pirólise rápido, mas também existem diferentes modelos de reactores especificamente adaptados para optimizar as condições de reacção 7. O trabalho apresentado a seguir foi realizado com um reator de mistura de parafuso duplo. Ele apresenta uma tecnologia robusta que já tem a abelhan aplicada em escala industrial para a pirólise do carvão e em escala piloto para as areias petrolíferas 8. O propósito do reactor de mistura de parafuso duplo consiste em misturar a alimentação de biomassa sólida com um sólido, transportador de calor de pré-aquecida. Mistura deve ser suficientemente profunda, a fim de atingir a velocidade de aquecimento que é necessária para converter a biomassa em condições de pirólise rápida. Além disso, o tamanho de ambas as partículas de biomassa e transportador de calor tem de ser pequena para atingir um coeficiente de transferência de calor elevado e um período curto de aquecimento das partículas. No Instituto de Catálise Investigação e Tecnologia (IKFT) do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), uma unidade de desenvolvimento de processo com uma capacidade de entrada de biomassa de 10 kg hr -1 está operacional há mais de uma década. Ela usa bolas de aço como o transportador de calor, que é recirculada internamente com um elevador de alcatruzes e re-aquecida com um sistema de aquecimento eléctrico. Seu principal objetivo foi investigar autecnologia de recuperação de produto nique que foi adaptado para a utilização do produto em um gaseificador e a validação da sua aptidão para uma ampla variedade de matérias-primas 9-11. A planta piloto maior foi construído em paralelo com estes estudos, com uma capacidade de entrada de biomassa de 500 kg h -1, que está operacional há cinco anos. Ele utiliza areia como o transportador de calor, que é recirculado pneumaticamente por um gás quente elevador e adicionalmente aquecido por combustão parcial de partículas de resíduo carbonado arrastadas 1,12. A seguinte descrição do método experimental baseia-se na unidade de desenvolvimento de processo menor após a sua secção de recuperação do produto foi remodelado para melhor se parecer com o projeto da planta piloto de 13 anos. Um esquema de fluxo desta configuração experimental está ilustrada na Figura 1. É importante notar que os requisitos para produtos de pirólise rápida de bio-óleo (FPBO) para utilização em gaseificadores são diferentes para os desenvolvidos para FPB convencionalO, que normalmente é destinado a aplicações de combustível directas 14. Mais importante, o teor de sólidos da FPBO não tem de ser muito baixa. Na verdade, é desejável misturar o FPBO produzido com o caractere obtido a partir do processo de conversão, a fim de aumentar a quantidade de carbono disponíveis para a gaseificação e subsequente síntese de drop-in combustíveis. Estes fatos são importantes para a compreensão das diferenças no desenho da configuração experimental aqui apresentados e experimentos de pirólise rápida publicado em outro lugar. Outra diferença importante é o facto de que o conceito de conversão de biomassa sob investigação foi especificamente concebido para resíduos agrícolas, tais como palha de trigo. Normalmente, este tipo de matéria-prima contém uma grande fracção de cinzas. As cinzas são conhecidos por influenciar significativamente a distribuição de produtos de pirólise rápida. Isso leva a uma redução do condensado orgânico (OC) e um aumento em ambos os produtos sólidos e gasosos 10,15,16. Estes factos são contabilizadostanto no desenho da configuração experimental aqui apresentada e a corrente global do processo. A maioria das instalações industriais executados em madeira, com baixo teor de cinzas e simplesmente queimar os sólidos internamente. Isto leva a produção adicional de calor para uso externo. Ao utilizar matérias-primas com alto teor de cinzas, carvão animal é um subproduto importante que deve ser usado de forma eficiente 13.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1014">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Wheat straw</td>
			<td style="width:284px;">D&#246;rrmann Kraichtal-M&#252;nzesheim</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td style="width:357px;">Triticum aestivum L.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Scrap wood</td>
			<td style="width:284px;">Rettenmeier Holding AG</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>According to class A2 of the German scrap wood decree (AltholzV &#167;2): glued, coated, painted, or otherwise treated scrap wood without organic halogen compounds and wood preservatives</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Miscanthus</td>
			<td style="width:284px;">Hotel-Heizungsbau Kraichgau-Odenwald</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Miscanthus xGiganteus</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Ethylene glycol</td>
			<td style="width:284px;">H&#228;ffner GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">1042090220600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Ethanol</td>
			<td style="width:284px;">H&#228;ffner GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">1026800150600</td>
			<td>Grade 99.9 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Nitrogen</td>
			<td style="width:284px;">KIT</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Supplied by internal nitrogen pressure system.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Pyrolysis test rig</td>
			<td style="width:284px;">self-built</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Flow scheme is illustrated in manuscript.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Name</td>
			<td style="width:284px;">Company</td>
			<td style="width:141px;">Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Analyses:</td>
			<td style="width:284px;"></td>
			<td style="width:141px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Gas chromatograph Daniel 700</td>
			<td style="width:284px;">Emerson Process Management</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td>Designed for this specific application by Emerson; two 20 % SF 96 columns, two HAYESEP N columns, and one MS-5A washed column; carrier gas is helium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Helium</td>
			<td style="width:284px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:141px;">P0252L50R2A001</td>
			<td>Grade 6.0</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:232px;">Gas mixture for calibration</td>
			<td style="width:284px;">basi Sch&#246;berl GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">FG 10002</td>
			<td>Specified gas composition: 5 % Ne, 2 % O2, 20 % CO, 30 % CO2, 5 % CH4, 5 % H2, 2 % C2H6, 0.5 % C3H8, 0.5 % C4H10, 0.5 % C5H12, remainder N2.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Neon</td>
			<td style="width:284px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:141px;">P0890S10R2A001</td>
			<td>Grade 4.0; used as fixed reference gas flow; not necessarily required and is only given as an example for quantifying the pyrolysis gas flow.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Elementaranalysator CHN628</td>
			<td style="width:284px;">Leco Instrumente GmbH</td>
			<td style="width:141px;">622-000-000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TGA701</td>
			<td style="width:284px;">Leco Instrumente GmbH</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">DIMATOC 2000</td>
			<td style="width:284px;">Dimatec</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Hydranal methanol dry</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">34741</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Hydranal composite V</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">34805</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">841 Titrando</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.841.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">774 Oven Sample Processor</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.774.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">800 Dosino</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.800.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">801 Stirrer</td>
			<td style="width:284px;">Deutsche Metrohm GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:141px;">2.801.0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Methanol</td>
			<td style="width:284px;">Carl Roth GmbH &#38; Co KG</td>
			<td style="width:141px;">83884</td>
			<td>99% for synthesis</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:232px;">Whatman cellulose filter grade 42</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:141px;">WHA1442090</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">Methanol-D4</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:141px;">151947</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:46px;width:232px;">3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4 acid sodium salt</td>
			<td style="width:284px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:141px;">269913</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:232px;">BZH&#160;250&#160;MHz</td>
			<td style="width:284px;">Bruker</td>
			<td style="width:141px;">n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fast pyrolysis of biomass residues in a twin-screw mixing reactor

pirólise rápida está a ser cada vez mais aplicada em plantas comerciais em todo o mundo. Eles correm exclusivamente na biomassa lenhosa, que tem propriedades favoráveis ​​para a conversão com pirólise rápida. A fim de aumentar as sinergias de produção de alimentos e a utilização energética e / ou um material de biomassa, é desejável utilizar resíduos da produção agrícola, por exemplo, palha. O método apresentado é adequado para a conversão de um tal material em escala industrial. As principais características são apresentadas e um exemplo de balanços de massa a partir da conversão de vários resíduos de biomassa é dada. Após a conversão, a condensação fraccionada é aplicada, a fim de recuperar dois condensados ​​- um orgânica rica e outra rica aquosa. Esta concepção evita a produção de pirólise rápida de bio-óleo que exibe separação de fases. Um bio-óleo de duas fases é de se esperar por causa do teor de cinzas de biomassa tipicamente alta palha, que promove a produção de água de reacção duranteconversão. Ambos condensação fraccionado e a utilização da biomassa com alto teor de cinzas exigem uma abordagem cuidadosa para o estabelecimento de saldos. Nem todos os tipos de balanças são ambos significativa e comparável a outros resultados da literatura. Diferentes métodos de equilibragem são apresentadas, e a informação que pode ser derivada a partir deles é discutido.

Vários tipos de biomassa foram pirolisados ​​com sucesso na unidade de pirólise a IKFT / KIT com a configuração atual. Por exemplo, três matérias-primas diferentes (palha de trigo, miscanthus e pedaços de madeira) foram comparados relativos às suas propriedades e rendimentos após pirólise seguindo o procedimento descrito. Diferentes tipos de métodos de balanceamento são apresentados e discutidos em relação à sua aplicabilidade no sentido de matéria-prima rica em cinzas. É importante notar que os saldos foram calculadas e resumidas de acordo com o estado de agregação de cada fracção. O bio-óleo recuperado no primeiro condensador contém ainda os sólidos, que não tenham sido removidos pelos ciclones. Estes são marcadas separadamente nos saldos. Para efeitos de comparação e de avaliação estatística, adicionou-se o teor de sólidos do bio-óleo para a fracção de carvão recuperado dos ciclones. Em uma base &quot;como recebido&quot;,o rendimento de sólidos, isto é, carvão recuperado através de ciclones e carvão animal, presentes no bio-óleo, é na gama de 14-25% em peso para as matérias-primas investigados. Rendimento total de condensados ​​recuperados nos dois condensadores variar 53-66% em peso, enquanto que o rendimento de gás são relativamente semelhantes (cerca de 20%) para todas as biomassas 3 (ver Figura 2). Estes &quot;como recebido&quot; valores dão informações práticas sobre a quantidade real de fracções de produto a ser esperado em instalações de pirólise rápida deste tipo. No entanto, o total de rendimentos orgânicos líquidos na literatura são mais comumente relatada em base seca, ou seja, excluindo a umidade e água de reação no condensado e na alimentação. A vantagem deste tipo de equilíbrio é o facto de inicialmente presente humidade da biomassa não afecta os resultados. Este teor de umidade artificialmente aumentar o rendimento condensado em um b &quot;como recebido&quot;Saldo. Por razões de comparação, a Figura 3 mostra o rendimento de óleo orgânico e a água de reacção sobre uma base seca. Neste estudo, aumento de rendimentos de óleo orgânico (35 - 46 - 50% em peso) com a diminuição do teor de cinzas (9,2 - 2,7-1,5% em peso) da palha de matérias-primas de trigo - miscanthus - pedaços de madeira (ver Tabela 1). Isto está de acordo com observações de outros estudos 10,15,16. Os rendimentos de água de reação estão em uma faixa relativamente estreita 12-14% em peso. balanços de massa em base seca ainda estão diretamente afetados pelo teor de cinzas das matérias-primas. Os minerais contidos no material de biomassa artificialmente aumentar o rendimento de sólidos em ambos »tal como recebido&quot; e saldos &quot;secos&quot;. Consequentemente, os saldos de carbono elementares foram determinadas porque eles parecem ser mais adequado para avaliar as diferenças nas reações de conversão termoquímica de biomassa (ver Figura 4 </strong&gt;). Torna-se evidente que a maior parte do carbono é recuperada na bio-óleo (44-54% em peso) e apenas uma fração massa de 24-32% na forma sólida como char pirólise. Sobre 16-19% em peso de carbono não é recuperado sob a forma sólida ou líquida e as folhas da planta com o gás de pirólise. Em uma planta comercial, este gás seriam reciclados por razões de recuperação de energia em um dispositivo de combustão interna. Uma fracção de massa de apenas cerca de 3-4% de carbono é recuperado no condensado aquoso, que tem um teor de água de cerca de 80% em peso. Isto confirma a eficácia da instalação de condensação fraccionada aqui apresentada. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td><td> Palha de trigo </td><td> Miscanthus </td><td> madeira de sucata </td></tr><tr><td> Água, ar </td><td> 9,6 </td><td> 10.1 </td><td> 15.2 </td></tr><tr><td> Ash, d </td><td> 9.2 </td><td> 2.7 </td><td> 1,5 </td></tr><tr><td> Carbono, d </td><td> 46,1 </td><td> 48,6 </td><td> 49.8 </td></tr><tr><td> Hidrogénio, d </td><td> 5,7 </td><td> 5.9 </td><td> 6.1 </td></tr><tr><td> Nitrogênio, d </td><td> &lt;0,5 </td><td> &lt;0,5 </td><td> &lt;0,5 </td></tr><tr><td colspan="4"> AR: como foi recebido, d: base seca 21 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Selecionado propriedades das diferentes matérias-primas utilizadas. Todos os valores representam frações de massa (%). <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig1.jpg" /> Figura 1. Fluxograma da configuração experimental. 1) de armazenamento de biomassa. 2) Sistema de funil Lock. 3) A biomassa de dosagem. 4) de parafuso duplo de mistura do reator. 5) elevador de canecas. 6) Aquecedor de portador de calor. 7) para a remoção de sólidos do ciclone. 8) de armazenamento Char. 9) têmpera spray. 10) Bio-óleotanque de armazenamento. 11) homogéneas e da bomba. 12) O trocador de calor para o resfriamento do condensado recirculado. 13) precipitador eletrostático. 14) tanque de armazenamento de condensado aquoso. 15) da bomba para recircular o condensado aquoso. 16) O trocador de calor para o resfriamento do condensado recirculado. 17) Condensador de condensado aquoso. 18) Fan para a remoção de gases / vapores. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig2.jpg" /> Figura 2. Os balanços de massas de experimentos. Os saldos são relatados em um &quot;como recebido&quot; 21 base da matéria-prima e produtos. Todos os valores são expressos como fracções de massa. Três tipos diferentes de biomassa têm sido usados ​​e todas as experiências foram realizadas pelo menos em triplicado 13. O teor de sólidos na bio-óleo é relatado separadamente para fins de ilustração. As barras de erro indicam os desvios-padrão de experimentos com um tipo de matéria-prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54395/54395fig3.jpg" /> Figura 3. Total de rendimentos do petróleo orgânicos e água de reação. Todos os valores são apresentadas com base em 21 ração seca e são expressos como frações de massa. O teor de sólidos do condensado foi excluído do rendimento de óleo orgânica 13. As barras de erro indicam os desvios-padrão de experimentos com um tipo de matéria-prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 4. saldos de carbono. Todos os valores são comunicados como fracções de massa da entrada de carbono da biomassa. Três tipos diferentes de biomassa têm sido usados ​​e todas as experiências foram realizadas pelo menos em triplicado 13. O teor de sólidos no bio-óleo é relatado separadamente para fins de ilustração. As barras de erro indicam os desvios-padrão de experimentos com um tipo de matéria-prima. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54395/54395fig4large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor

A procedure for thermochemical conversion of biomass residues is presented that aims at maximizing the yield of liquid products (fast pyrolysis). It is based on a technology proven on an industrial scale and especially suitable for treating a straw type of biomass.

A pirólise rápida de biomassa Resíduos em um reator duplo parafuso de mistura

Fast pyrolysis is being increasingly applied in commercial plants worldwide. They run exclusively on woody biomass, which has favorable properties for ...

fast-pyrolysis-of-biomass-residues-in-a-twin-screw-mixing-reactor

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

27.5K visualizações.  Karlsruhe Institute of Technology (KIT). A procedure for thermochemical conversion of biomass residues is presented that aims at maximizing the yield of liquid products (fast pyrolysis). It is based on a technology proven on an industrial scale and especially suitable for treating a straw type of biomass.

Vídeo: Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor

Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1 While microcontact printing can be employed to directly print a large number of molecules, including proteins,2 DNA,3 and silanes,4 the formation of self-assembled monolayers (SAMs) from long chain alkane thiols on gold provides a simple way to confine proteins and cells to specific patterns containing adhesive and resistant regions. This confinement can be used to control cell morphology and is useful for examining a variety of questions in protein and cell biology. Here, we describe a general method for the creation of well-defined protein patterns for cellular studies.5 This process involves three steps: the production of a patterned master using photolithography, the creation of a PDMS stamp, and microcontact printing of a gold-coated substrate. Once patterned, these cell culture substrates are capable of confining proteins and/or cells (primary cells or cell lines) to the pattern.
The use of self-assembled monolayer chemistry allows for precise control over the patterned protein/cell adhesive regions and non-adhesive regions; this cannot be achieved using direct protein stamping. Hexadecanethiol, the long chain alkane thiol used in the microcontact printing step, produces a hydrophobic surface that readily adsorbs protein from solution. The glycol-terminated thiol, used for backfilling the non-printed regions of the substrate, creates a monolayer that is resistant to protein adsorption and therefore cell growth.6 These thiol monomers produce highly structured monolayers that precisely define regions of the substrate that can support protein adsorption and cell growth. As a result, these substrates are useful for a wide variety of applications from the study of intercellular behavior7 to the creation of microelectronics.8
While other types of monolayer chemistry have been used for cell culture studies, including work from our group using trichlorosilanes to create patterns directly on glass substrates,9 patterned monolayers formed from alkane thiols on gold are straight-forward to prepare. Moreover, the monomers used for monolayer preparation are commercially available, stable, and do not require storage or handling under inert atmosphere. Patterned substrates prepared from alkane thiols can also be recycled and reused several times, maintaining cell confinement.10

Self-assembled monolayers (SAMs) formed from long chain alkane thiols on gold provide well-defined substrates for the formation of protein patterns and cell confinement. Microcontact printing of hexadecanethiol using a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp followed by backfilling with a glycol-terminated alkane thiol monomer produces a pattern where protein and cells adsorb only to the stamped hexadecanethiol region.

Criando Two-Dimensional Substratos modelado para Confinamento de proteína e celular

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1  While microcontact printing ...

Bioengenharia

GENPLAT: an Automated Platform for Biomass Enzyme Discovery and Cocktail Optimization

The high cost of enzymes for biomass deconstruction is a major impediment to the economic conversion of lignocellulosic feedstocks to liquid transportation fuels such as ethanol. We have developed an integrated high throughput platform, called GENPLAT, for the discovery and development of novel enzymes and enzyme cocktails for the release of sugars from diverse pretreatment/biomass combinations. GENPLAT comprises four elements: individual pure enzymes, statistical design of experiments, robotic pipeting of biomass slurries and enzymes, and automated colorimeteric determination of released Glc and Xyl. Individual enzymes are produced by expression in Pichia pastoris or Trichoderma reesei, or by chromatographic purification from commercial cocktails or from extracts of novel microorganisms. Simplex lattice (fractional factorial) mixture models are designed using commercial Design of Experiment statistical software. Enzyme mixtures of high complexity are constructed using robotic pipeting into a 96-well format. The measurement of released Glc and Xyl is automated using enzyme-linked colorimetric assays. Optimized enzyme mixtures containing as many as 16 components have been tested on a variety of feedstock and pretreatment combinations.
GENPLAT is adaptable to mixtures of pure enzymes, mixtures of commercial products (e.g., Accellerase 1000 and Novozyme 188), extracts of novel microbes, or combinations thereof. To make and test mixtures of &tilde;10 pure enzymes requires less than 100 &mu;g of each protein and fewer than 100 total reactions, when operated at a final total loading of 15 mg protein/g glucan. We use enzymes from several sources. Enzymes can be purified from natural sources such as fungal cultures (e.g., Aspergillus niger, Cochliobolus carbonum, and Galerina marginata), or they can be made by expression of the encoding genes (obtained from the increasing number of microbial genome sequences) in hosts such as E. coli, Pichia pastoris, or a filamentous fungus such as T. reesei. Proteins can also be purified from commercial enzyme cocktails (e.g., Multifect Xylanase, Novozyme 188). An increasing number of pure enzymes, including glycosyl hydrolases, cell wall-active esterases, proteases, and lyases, are available from commercial sources, e.g., Megazyme, Inc. (www.megazyme.com), NZYTech (www.nzytech.com), and PROZOMIX (www.prozomix.com).
Design-Expert software (Stat-Ease, Inc.) is used to create simplex-lattice designs and to analyze responses (in this case, Glc and Xyl release). Mixtures contain 4-20 components, which can vary in proportion between 0 and 100%. Assay points typically include the extreme vertices with a sufficient number of intervening points to generate a valid model. In the terminology of experimental design, most of our studies are "mixture" experiments, meaning that the sum of all components adds to a total fixed protein loading (expressed as mg/g glucan). The number of mixtures in the simplex-lattice depends on both the number of components in the mixture and the degree of polynomial (quadratic or cubic). For example, a 6-component experiment will entail 63 separate reactions with an augmented special cubic model, which can detect three-way interactions, whereas only 23 individual reactions are necessary with an augmented quadratic model. For mixtures containing more than eight components, a quadratic experimental design is more practical, and in our experience such models are usually statistically valid.
All enzyme loadings are expressed as a percentage of the final total loading (which for our experiments is typically 15 mg protein/g glucan). For "core" enzymes, the lower percentage limit is set to 5%. This limit was derived from our experience in which yields of Glc and/or Xyl were very low if any core enzyme was present at 0%. Poor models result from too many samples showing very low Glc or Xyl yields. Setting a lower limit in turn determines an upper limit. That is, for a six-component experiment, if the lower limit for each single component is set to 5%, then the upper limit of each single component will be 75%. The lower limits of all other enzymes considered as "accessory" are set to 0%. "Core" and "accessory" are somewhat arbitrary designations and will differ depending on the substrate, but in our studies the core enzymes for release of Glc from corn stover comprise the following enzymes from T. reesei: CBH1 (also known as Cel7A), CBH2 (Cel6A), EG1(Cel7B), BG (&beta;-glucosidase), EX3 (endo-&beta;1,4-xylanase, GH10), and BX (&beta;-xylosidase).
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GENPLAT (GLBRC Enzyme Platform) is an automated platform for discovery and optimization of enzyme cocktails for biomass degradation. It can be adapted to multiple feedstocks and mixtures of enzymes containing multiple components.

GENPLAT: uma plataforma automatizada para Discovery Biomassa Enzima e Otimização Cocktail

The high cost of enzymes for biomass deconstruction is a major impediment to the economic conversion of lignocellulosic feedstocks to liquid ...

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing radiation, millimeter spatial accuracy of anatomical and functional data 2, and nearly real-time analyses 3. Haptic robots provide precise measurement and control of position and force of a cursor in a reasonably confined space. Here we combine these two technologies to allow precision experiments involving motor control with haptic/tactile environment interaction such as reaching or grasping. The basic idea is to attach an 8 foot end effecter supported in the center to the robot 4 allowing the subject to use the robot, but shielding it and keeping it out of the most extreme part of the magnetic field from the fMRI machine (Figure 1).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc.) is an excellent choice for providing force-feedback in virtual reality experiments 5, 6, but it is inherently non-MR safe, introduces significant noise to the sensitive fMRI equipment, and its electric motors may be affected by the fMRI's strongly varying magnetic field. We have constructed a table and shielding system that allows the robot to be safely introduced into the fMRI environment and limits both the degradation of the fMRI signal by the electrically noisy motors and the degradation of the electric motor performance by the strongly varying magnetic field of the fMRI. With the shield, the signal to noise ratio (SNR: mean signal/noise standard deviation) of the fMRI goes from a baseline of &tilde;380 to &tilde;330, and &tilde;250 without the shielding. The remaining noise appears to be uncorrelated and does not add artifacts to the fMRI of a test sphere (Figure 2). The long, stiff handle allows placement of the robot out of range of the most strongly varying parts of the magnetic field so there is no significant effect of the fMRI on the robot. The effect of the handle on the robot's kinematics is minimal since it is lightweight (&tilde;2.6 lbs) but extremely stiff 3/4" graphite and well balanced on the 3DoF joint in the middle. The end result is an fMRI compatible, haptic system with about 1 cubic foot of working space, and, when combined with virtual reality, it allows for a new set of experiments to be performed in the fMRI environment including naturalistic reaching, passive displacement of the limb and haptic perception, adaptation learning in varying force fields, or texture identification 5, 6.

The adaptation and use of a haptic robot in a 3T fMRI is described.

Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including numerous stereoisomers1,2. These metabolites can be formed from free or esterified fatty acids. Many of these oxidized metabolites have biological activity and have been implicated in various diseases including cardiovascular and neurodegenerative diseases, asthma, and cancer3-7. Oxidized bioactive lipids can be formed enzymatically or by reactive oxygen species (ROS). Enzymes that metabolize fatty acids include cyclooxygenase (COX), lipoxygenase (LO), and cytochromes P450 (CYPs)1,8. Enzymatic metabolism results in enantioselective formation whereas ROS oxidation results in the racemic formation of products.
While this protocol focuses primarily on the analysis of AA- and some LA-derived bioactive metabolites; it could be easily applied to metabolites of other fatty acids. Bioactive lipids are extracted from cell lysate or media using liquid-liquid (l-l) extraction. At the beginning of the l-l extraction process, stable isotope internal standards are added to account for errors during sample preparation. Stable isotope dilution (SID) also accounts for any differences, such as ion suppression, that metabolites may experience during the mass spectrometry (MS) analysis9. After the extraction, derivatization with an electron capture (EC) reagent, pentafluorylbenzyl bromide (PFB) is employed to increase detection sensitivity10,11. Multiple reaction monitoring (MRM) is used to increase the selectivity of the MS analysis. Before MS analysis, lipids are separated using chiral normal phase high performance liquid chromatography (HPLC). The HPLC conditions are optimized to separate the enantiomers and various stereoisomers of the monitored lipids12. This specific LC-MS method monitors prostaglandins (PGs), isoprostanes (isoPs), hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs), hydroxyoctadecadienoic acids (HODEs), oxoeicosatetraenoic acids (oxoETEs) and oxooctadecadienoic acids (oxoODEs); however, the HPLC and MS parameters can be optimized to include any fatty acid metabolites13.
Most of the currently available bioanalytical methods do not take into account the separate quantification of enantiomers. This is extremely important when trying to deduce whether or not the metabolites were formed enzymatically or by ROS. Additionally, the ratios of the enantiomers may provide evidence for a specific enzymatic pathway of formation. The use of SID allows for accurate quantification of metabolites and accounts for any sample loss during preparation as well as the differences experienced during ionization. Using the PFB electron capture reagent increases the sensitivity of detection by two orders of magnitude over conventional APCI methods. Overall, this method, SID-LC-EC-atmospheric pressure chemical ionization APCI-MRM/MS, is one of the most sensitive, selective, and accurate methods of quantification for bioactive lipids.

This protocol will demonstrate the extraction and analysis of free and esterified bioactive fatty acids from cells. Fatty acids are accurately quantified using stable isotope dilution, chiral liquid chromatography, electron capture atmospheric chemical ionization multiple reaction monitoring mass spectrometry (SID-LC-ECAPCI-MRM/MS).

Extração de lipídeos celulares para Targeted diluição de isótopos estáveis ​​Líquido Análise Espectrometria de Massa-Cromatografia

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism

Quantitative cardiac function assessment remains a challenge for physiologists and clinicians.&#160;Although historically invasive methods have comprised the only means available, the development of noninvasive imaging modalities (echocardiography, MRI, CT) having high temporal and spatial resolution provide a new window for quantitative diastolic function assessment. Echocardiography is the agreed upon standard for diastolic function assessment, but indexes in current clinical use merely utilize selected features of chamber dimension (M-mode) or blood/tissue motion (Doppler) waveforms without incorporating the physiologic causal determinants of the motion itself.&#160;The recognition that all left ventricles (LV) initiate filling by serving as mechanical suction pumps allows global diastolic function to be assessed based on laws of motion that apply to all chambers. What differentiates one heart from another are the parameters of the equation of motion that governs filling. Accordingly, development of the Parametrized Diastolic Filling (PDF) formalism&#160;has shown that the entire range of clinically observed early transmitral flow (Doppler E-wave) patterns are extremely well fit by the laws of damped oscillatory motion.&#160;This permits analysis of individual E-waves in accordance with a causal mechanism (recoil-initiated suction) that yields three (numerically) unique lumped parameters whose physiologic analogues are chamber stiffness (k), viscoelasticity/relaxation (c), and load (xo).&#160;The recording of transmitral flow (Doppler E-waves) is standard practice in clinical cardiology and, therefore, the echocardiographic recording method is only briefly reviewed. Our focus is on determination of the PDF parameters from routinely recorded E-wave data.&#160;As the highlighted results indicate, once the PDF parameters have been obtained from a suitable number of load varying E-waves, the investigator is free to use the parameters or construct indexes from the parameters (such as stored energy 1/2kxo2, maximum A-V pressure gradient kxo, load independent index of diastolic function, etc.) and select the aspect of physiology or pathophysiology to be quantified.

Accurate, causality-based quantification of global diastolic function has been achieved by kinematic modeling-based analysis of transmitral flow via the Parametrized Diastolic Filling (PDF) formalism. PDF generates unique stiffness, relaxation,&#160;and load parameters and elucidates &#39;new&#39; physiology while providing sensitive and specific indexes of dysfunction.

Quantificação da função global diastólica por análise baseada em Modelagem cinemática de transmitral fluxo através do formalismo de enchimento parametrizada diastólica

Quantitative cardiac function assessment remains a challenge for physiologists and clinicians.&#160;Although historically invasive methods have comprised ...

From Fast Fluorescence Imaging to Molecular Diffusion Law on Live Cell Membranes in a Commercial Microscope

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the regulation of many cellular functions. However, due to the fast dynamics and the tiny structures involved, a very high spatio-temporal resolution is required to catch the real behavior of molecules. Here we present the experimental protocol for studying the dynamics of fluorescently-labeled plasma-membrane proteins and lipids in live cells with high spatiotemporal resolution. Notably, this approach doesn&#8217;t need to track each molecule, but it calculates population behavior using all molecules in a given region of the membrane. The starting point is a fast imaging of a given region on the membrane. Afterwards, a complete spatio-temporal autocorrelation function is calculated correlating acquired images at increasing time delays, for example each 2, 3, n repetitions. It is possible to demonstrate that the width of the peak of the spatial autocorrelation function increases at increasing time delay as a function of particle movement due to diffusion. Therefore, fitting of the series of autocorrelation functions enables to extract the actual protein mean square displacement from imaging (iMSD), here presented in the form of apparent diffusivity vs average displacement. This yields a quantitative view of the average dynamics of single molecules with nanometer accuracy. By using a GFP-tagged variant of the Transferrin Receptor (TfR) and an ATTO488 labeled 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (PPE) it is possible to observe the spatiotemporal regulation of protein and lipid diffusion on &#181;m-sized membrane regions in the micro-to-milli-second time range.

Spatial distribution and temporal dynamics of plasma membrane proteins and lipids is a hot topic in biology. Here this issue is addressed by a spatio-temporal image fluctuation analysis that provides conceptually the same physical quantities of single particle tracking, but it uses small molecular labels and standard microscopy setups.

De fast imagens de fluorescência com a Lei difusão molecular em membranas de células vivas em um microscópio comercial

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale Schlieren

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Microwave-driven Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles for Fast Detection of Atherosclerosis

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the synthesis of hydrophobic nanoparticles, our method is based on an adaptation from thermal decomposition method to microwave driven synthesis. The new methodology produces a decrease in the reaction times in comparison with traditional procedures. Moreover, the use of the microwave technology increases the reproducibility of the reactions, something important from the point of view of clinical applications. The novelty of this iron oxide nanoparticle is the attachment of Neridronate. The use of this molecule leads a bisphosphonate moiety towards the outside of the nanoparticle that provides Ca2+ binding properties in vitro and selective accumulation in vivo in the atheroma plaque. The protocol allows the synthesis and plaque detection in about 3 hr since the initial synthesis from organic precursors. Their accumulation in the atherosclerotic area in less than 1 hr provides a contrast agent particularly suitable for clinical applications.

Microwave technology enables extremely fast synthesis of iron oxide nanoparticles for atherosclerosis plaque characterization. The use of an aminobisphosphonate in the external side of the nanoparticle provides a fast accumulation in the atherosclerotic area.

Síntese orientada por microondas de óxido de ferro nanopartículas para detecção rápida de Aterosclerose

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the ...

Fast Enzymatic Processing of Proteins for MS Detection with a Flow-through Microreactor

The vast majority of mass spectrometry (MS)-based protein analysis methods involve an enzymatic digestion step prior to detection, typically with trypsin. This step is necessary for the generation of small molecular weight peptides, generally with MW &#60; 3,000-4,000 Da, that fall within the effective scan range of mass spectrometry instrumentation. Conventional protocols involve O/N enzymatic digestion at 37 &#186;C. Recent advances have led to the development of a variety of strategies, typically involving the use of a microreactor with immobilized enzymes or of a range of complementary physical processes that reduce the time necessary for proteolytic digestion to a few minutes (e.g., microwave or high-pressure). In this work, we describe a simple and cost-effective approach that can be implemented in any laboratory for achieving fast enzymatic digestion of a protein. The protein (or protein mixture) is adsorbed on C18-bonded reversed-phase high performance liquid chromatography (HPLC) silica particles preloaded in a capillary column, and trypsin in aqueous buffer is infused over the particles for a short period of time. To enable on-line MS detection, the tryptic peptides are eluted with a solvent system with increased organic content directly in the MS ion source. This approach avoids the use of high-priced immobilized enzyme particles and does not necessitate any aid for completing the process. Protein digestion and complete sample analysis can be accomplished in less than ~3 min and ~30 min, respectively.

A quick protocol for proteolytic digestion with an in-house built flow-through tryptic microreactor coupled to an electrospray ionization (ESI) mass spectrometer is presented. The fabrication of the microreactor, the experimental setup and the data acquisition process are described.

Enzimática processamento rápido de proteínas para a detecção MS com um micro-reator de fluxo-through

The vast majority of mass spectrometry (MS)-based protein analysis methods involve an enzymatic digestion step prior to detection, typically with trypsin. ...

Synthesis of Cationized Magnetoferritin for Ultra-fast Magnetization of Cells

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Achieving sufficient cellular uptake of SPIONs is a challenge that has traditionally been met by exposing cells to elevated concentrations of SPIONs or by prolonging exposure times (up to 72 hr). However, these strategies are likely to mediate toxicity. Here, we present the synthesis of the protein-based SPION magnetoferritin as well as a facile surface functionalization protocol that enables rapid cell magnetization using low exposure concentrations. The SPION core of magnetoferritin consists of cobalt-doped iron oxide with an average particle diameter of 8.2 nm mineralized inside the cavity of horse spleen apo-ferritin. Chemical cationization of magnetoferritin produced a novel, highly membrane-active SPION that magnetized human mesenchymal stem cells (hMSCs) using incubation times as short as one minute and iron concentrations as lows as 0.2 mM.

A protocol for the synthesis and cationization of cobalt-doped magnetoferritin is presented, as well as a method to rapidly magnetize stem cells with cationized magnetoferritin.

Síntese de cationizada Magnetoferritin para a magnetização ultra-rápida de Células

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide ...