Toegepaste Ingenieurs­wetenschappen


Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

"A structured methodology for natural deep eutectic solvent selection and formulation for enzymatic reactions" (23/03/2023)

Atilla Kovács


​Natural deep eutectic solvents (NADES) represent a green alternative to common organic solvents in the biochemical industry due to their benign behavior and tailorable properties, in particular as media for enzymatic reactions. This study aimed to build a structured, holistic understanding of the effect of NADES media on enzymatic reactions, whereby effects on solubility, solvation, viscosity, inhibition and denaturation are distinguished.

Experimental and computational chemistry methods were combined to separately study the interactions between enzyme, substrate and NADES as reaction media. The initial enzyme activity and final conversion of vinyl laurate transesterification by immobilized Candida antarctica lipase were studied experimentally. The direct effect of NADES on the same enzyme was modeled by molecular dynamics simulation, which results were also validated with Raman optical activity spectroscopy.
The effect of solubility was studied by both experimental and computational methods. To predict the solubility and viscosity of NADES, data-driven models were developed by the combination of group contribution and machine learning methods, based on the accumulated experimental knowledge on NADES found in literature. Finally, the composed relations and prediction models were applied in the practical example of mannosylerythritol lipids (MELs) deacetylation.

The experimental findings show that the chosen NADES system has significant effect on both the apparent initial activity and the final conversion. However, in the simulations the enzyme retains its original structure; moreover, NADES has extra stabilizing effect on the enzyme. Additionally, the changes in the molar ratio of the compounds in NADES do not show significant effect on enzyme stability. These results indicate that the main effect of the NADES on the reaction relates primarily to the substrate-solvent interactions (solvation energy) and to the viscosity of the system. On the other hand, the experimental results only confirmed the significance of solvation, the viscosity did not show clear correlation with the studied reaction parameters.
The machine learning models built on solubility and viscosity gave quantitative prediction on these properties. The accumulated knowledge was used to optimize the yield in the deacetylation reaction of MELs.

The combination of these methods ensures fundamental knowledge on biocatalysis, but the findings are also transferable to other uses of NADES.

"Electrochemical Conversion of Carbon Dioxide over Nanoscopic Cu-based Interfaces" (14/03/2022)

Daniel Choukroun


Carbon dioxide (CO2) is a molecule composed of a central carbon atom bonded to two oxygen atoms. It is a gas phase molecule under ambient conditions of pressure and temperature (1 atm, 25°C). Importantly, it is the final product of many chemical reactions between organic matter - such as wood or oil for example - and the oxygen molecules in air. Once initiated, these so-called combustion reactions supply the energy that enables modern life as we know it: to heat up water for comfort, hygiene and disinfection, to boil water and make steam for the sake of electricity production and to drive engines and vehicles. CO2 is not harmful at low concentrations; humans and animals exhale it constantly and at large volumes. One of CO2’s unique molecular properties, however, is that it absorbs sunlight as the latter reflects back from the surface of the Earth into the atmosphere. The energy of the light is then dissipated as heat in a process known as the greenhouse effect. The problem lies not so much with the phenomenon itself, but rather with the fact that CO2 emissions have increased too much over the past decades due to industrial human activity, thus overshooting the natural capability of our planet to accommodate them and average global temperatures.
Most of the aforementioned emissions come from stationary sources. It is therefore relatively straightforward (and urgent!) to capture CO2 and purify it on-site for the sake of future storage or recycling/utilization. Namely, CO2 can be used as a “building block” to make other molecules using a variety of previously established, large-scale industrial chemical processes. However, some of these processes still require natural-oil derivatives as reagents or high-temperatures to operate (which requires additional energy input if residual heat cannot be recovered for that purpose). In order to reduce our dependency on natural-oil and fossil fuels and advance a sustainable global energy transition, this thesis deals with the prospect of employing electrochemical reactors and catalysts to achieve similar transformations. Electrochemical reactors are in fact energy conversion devices; they take electricity as energy input in order to break the chemical bonds between the atoms in CO2. In the simplest sense, the reactor is a closed electrical circuit composed of a voltage/current source and two conductive metal plates facing each other, with an aqueous salt solution - which acts as a kind of resistor - in between. One of the metal plates, or electrode, acts as a catalyst for the conversion of CO2. Its nature dictates what product or molecules are formed from CO2, and to which extent water is converted to hydrogen. Perhaps absurdly nowadays, hydrogen is the major and unwanted side-product of CO2 conversion.
In this thesis electrodes based on metallic copper (Cu) were investigated. In contrast to other metals, Cu is capable of converting CO2 to products having more than one carbon atom, notably ethylene and ethanol, two of the largest-volume chemicals produced globally. Cu does so by first converting CO2 to carbon monoxide (CO), which “sticks” to the surface, allowing the latter to react further. How to direct the conversion of CO2, and hence CO, to just one particular product was one of the major research questions of this work. Instead of using a plate as an electrode, it was opted to prepare Cu nanoparticles (NPs) and disperse them onto the surface of a different conductive surface. That surface can either be inert – which means, without any affinity for CO2 or water - or active, allowing conversion of CO2 to CO as final product and further conversion of CO to products on Cu. Significant emphasis was put on controlling the activity of the support material, the properties of the Cu NPs - their size, distribution and method of deposition - and on the interface configuration. It is concluded that the combination of two active, segregated catalytic components in close vicinity (so-called tandem catalysts), of which one is Cu, favors CO/CO2 conversion under conditions where the pure metal loses its activity. That strategy helps suppress the undesired hydrogen evolution reaction, with additional products other than ethylene being formed in the process, at the cost of single-product efficiency. Electrodes made by bottom-up fabrication and stacking of Cu NPs into three-dimensional porous films, without aid of an active support or component, were found to suppress the formation of another by-product and greenhouse gas, methane, almost entirely. Taken together, these findings improve our understanding of the process and what it takes to render it more controllable and efficient. It is nevertheless argued that the energy consumption of CO2 conversion to ethylene and ethanol is intrinsically high, so that from a sustainability standpoint it is paramount to take into account not only the energy efficiency but also the carbon efficiency and the energy source of the process. Clearly, the latter should have preferably little to zero carbon footprint.

"Energy-efficient Positioning for the Internet of Things" (17/01/2023)

Thomas Janssen

  • dinsdag 17 januari 2023
  • 17.00 uur
  • Stadscampus - Klooster van de Grauwzusters (Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen)
  • Promotoren: prof. dr. Maarten Weyn & dr. Rafael Berkvens
  • Faculteit Toegepaste Ingenieurswetenschappen


Locatiegegevens zijn noodzakelijk voor een groot aantal Internet of Things (IoT) toepassingen die op miljarden mobiele apparaten draaien. Enkele voorbeelden van toepassingen zijn het traceren van goederen, opsporings- en reddingsoperaties en het wetenschappelijk monitoren van lucht- of waterkwaliteit.

Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), zoals Global Positioning System (GPS) of Galileo, zijn de norm geworden voor wereldwijde lokalisatie. De snel toenemende noodzaak om IoT-apparaten te lokaliseren in de afgelopen jaren heeft echter verschillende tekortkomingen van de traditionele GNSS-benaderingen blootgelegd. Deze beperkingen omvatten de zwakke signaalpropagatie in binnen- en stadsomgevingen, een hoog energieverbruik en het ontbreken van de mogelijkheid om een locatie te communiceren naar een eindgebruiker op afstand. Daarom is er in verschillende industrieën een toenemende vraag naar alternatieve, innovatieve en energie-efficiënte positioneringsoplossingen die meer geschikt zijn in een IoT-context.

In tegenstelling tot GNSS zijn Low Power Wide Area Networks (LPWANs) ontworpen voor energiezuinige communicatie van kleine sensorwaarden in een grootstedelijk gebied. In dit soort netwerken kunnen duizenden IoT-apparaten een bericht verzenden naar grondstations in de buurt, die het bericht op hun beurt afleveren aan een centrale server. Interessant is dat deze communicatiesignalen kunnen worden gebruikt om de mobiele zender te lokaliseren. Een dergelijke lokalisatiebenadering geniet van de LPWAN-communicatie met laag vermogen en lage kosten, alsook van de dekking in binnenomgevingen.

Een ander veelbelovend alternatief voor GNSS is het gebruik van satellieten in een lagere baan rond de Aarde (Low Earth Orbit - LEO) voor plaatsbepaling, navigatie en tijdsbepaling (Positioning, Navigation and Timing - PNT). Onder impuls van de recente ‘New Space’ beweging heeft de commercialisering van de ruimtevaartmarkt de deur geopend naar een groot aantal mogelijkheden. De duizenden LEO-satellietlanceringen van Iridium, SpaceX, Amazon, OneWeb en vele anderen maken toepassingen mogelijk zoals satelliettelefonie van hoge kwaliteit, wereldwijde internettoegang en slimme landbouw door aardobservatie. Het op energie-efficiënte wijze aanbieden van PNT-diensten via LEO-satellieten zal de waarde van deze toepassingen in de opkomende markt van satelliet-IoT alleen maar verhogen.

Het doel van deze thesis is om innovatieve, grootschalige en energie-efficiënte positioneringstechnologieën en -technieken in een IoT context te onderzoeken. Ik onderzoek hoe draadloze netwerken, zowel op Aarde als in de ruimte, kunnen worden gebruikt voor het lokaliseren van IoT-apparaten, en hoe ik hun positioneringsprestaties kan verbeteren.

De prestatie-analyse en optimalisatie van lokalisatie met behulp van LPWAN-technologieën vormen een belangrijk deel van het werk in deze thesis. Daartoe worden drie belangrijke LPWAN-technologieën onderzocht: Sigfox, LoRaWAN en Narrowband IoT (NB-IoT). Lokalisatie-experimenten worden uitgevoerd op basis van meetgegevens verzameld in Antwerpen. Binnen deze experimenten analyseer ik de prestaties van positioneringsalgoritmen gebaseerd op de ontvangen signaalsterkte (Received Signal Strength - RSS). Meer bepaald evalueer ik verschillende signaalsterkte modellen in afstand-gebaseerde algoritmes en pas ik Machine Learning toe om de prestaties van RSS-gebaseerde fingerprinting methodes te optimaliseren. Verder bespreek ik hoe de positioneringsprestaties verder kunnen worden verbeterd door veranderingen aan netwerkinfrastructuur en gebruikersapparatuur.

In het laatste deel van dit werk voer ik een onderzoek uit voor het Europees Ruimteagentschap (ESA) met het doel innovatieve ruimtegebaseerde PNT-oplossingen te onderzoeken, opnieuw met de nadruk op een laag energieverbruik. Ik analyseer de prestaties van de nieuwste GNSS benaderingen, zoals Assisted GNSS (A-GNSS) en snapshot verwerkingstechnieken (S-GNSS). In vergelijking met traditionele GNSS technieken, zorgen deze technieken voor een significante vermindering van het totale energieverbruik van het apparaat. Bovendien behandelt mijn onderzoek het potentieel van Doppler-positioneringstechnieken die gebruik maken van opportunistische signalen van LEO-satellieten, alsook de veelbelovende LEO satellietsystemen die specifiek voor lokalisatie-doeleinden ontwikkeld worden.

IoT-apparaten hebben verschillende beperkingen en toepassingsvereisten. Daarom wordt in dit werk de belangrijke afweging tussen positioneringsnauwkeurigheid en energieverbruik besproken. Er bestaat geen ‘one-size-fits-all’ technologie die het best presteert in eender welke toepassing op vlak van deze twee parameters. Aldus is interoperabiliteit tussen technologieën de sleutel om wereldwijde energie-efficiënte communicatie en lokalisatie toepassingen te verwezenlijken.