Dissertations / Theses on the topic 'Biorreactores'

La presente tesis está enmarcada en el desarrollo de los sistemas de soporte de vida biológicos, de especial aplicación para los viajes espaciales tripulados de larga duración.
Concretamente, este trabajo se centra en el estudio, análisis, modelización y escalado de uno de los cinco compartimentos que integran el bucle MELiSSA, el compartimento fotoheterotrófico.
Los experimentos han sido encaminados a determinar la influencia de la naturaleza de la radiación, de la irradiancia incidente y de la naturaleza y concentración de la fuente de carbono sobre la velocidad de crecimiento de las células de R. rubrum.
También se ha analizado las consecuencias del cambio de escala del fotobiorreactor, observando la particular influencia de las condiciones ambientales en la composición y en el crecimiento de las células de R. rubrum.
La información experimental obtenida ha servido para la construcción de un modelo que predice el crecimiento de las células en función de la concentración de fuente de carbono y de la cantidad de radiación subministrada. En una primera fase se calcula el perfil de irradiancia en el interior del cultivo en función de la irradiancia incidente, de la concentración de células y de las dimensiones del fotobiorreactor, y después este perfil es utilizado para determinar la velocidad de crecimiento de las células teniendo también en consideración las condiciones de cultivo.
Asimismo, el modelo se ha utilizado como una herramienta para el dimensionado del fotobiorreactor piloto a una escala suficiente para conseguir los objetivos de demostración fijados en el Proyecto MELiSSA.
Finalmente, se ha diseñado el fotobiorreactor a escala piloto, así como todos los equipos auxiliares necesarios (depósitos pulmones, válvulas, sondas, circuito de esterilización, lazos de control, caudalímetros, etc.) para la operación del compartimento en condiciones estériles durante largos periodos de tiempo.
The present thesis is developed in the mark of the development of biological support systems for the long-term space manned missions.
Specifically, this study is centred in the analysis and scale-up of one of the five compartments that integrate the MELiSSA loop, the photoheterotrophic compartment.
The experiments have been designed to determine the influence of the nature of the radiation, the incident irradiance and the nature and concentration of the carbon source on the growth rate of R. rubrum cells. Moreover, it has been studied the consequences of the scale-up of the photobiorreactor and it has been observed that the influence of the environmental conditions in the composition and the growth rate of R. rubrum cells is a key factor.
The experimental data obtained has been used for the construction of a model, which is developed, calibrated and validated in this thesis. The model predicts the growth of the cells based on two parameters: the concentration of carbon source in the culture and the amount of radiation supplied. In a first step, the profile of irradiance inside the culture is calculated, which depends on the concentration of cells and the dimensions of the fotobiorreactor. Then, in a second step, the profile of irradiance is used to determine the cells growth rate.
Moreover, the model has been used as a tool for the sizing of the fotobiorreactor at pilot scale. And, finally, the pilot fotobiorreactor has been designed, as well as all of the auxiliary equipment that is needed (buffer tanks, valves, sensors, circuit of sterilization, control loops, mass flowmeters, etc.) for the operation of the photobiorreactor in sterile conditions during long periods of time.

Ingeniero Civil Químico. Ingeniero Civil en Biotecnología
Cuando se habla de ciencia e ingeniería, los métodos y herramientas utilizados son bastante distintos entre ellos. Bajo esta diferencia aparece la biología sintética, disciplina que busca diseñar y modificar organismos vivos para producir nuevas funciones y/o mejorar las ya existentes. Para ello hace uso de herramientas básicas de la ingeniería, tales como los conceptos de modularidad, estandarización, abstracción, modelamiento y diseño. Para poder estandarizar las unidades básicas de esta disciplina, los biobricks, se pueden utilizar pruebas en matraces, pero no es usual hacerlo en biorreactores. La concepción, diseño implementación y operación de uno de estos equipos constituye el objetivo principal de este proyecto. Como parte de los resultados del mismo, se estimó que el mejor modo de operar para lograr estas mediciones se compone de una cascada de CSTRs, la que fue implementada en escala de laboratorio. Para las pruebas de medición se construyeron cinco plásmidos, de los cuales cuatro fueron elaborados con técnicas usadas en biología sintética. De estos últimos, se obtuvo dos vectores con alta producción basal en LB, otro que no sintetizó la proteína esperada y sólo el último presentó un comportamiento apropiado, vale decir, producción basal baja y un aumento significativo en presencia de inductor. Para analizar el comportamiento del reactor en operación, se realizó una experiencia de distribución de tiempos de residencia. Los resultados indicaron que la diferencia entre el biorreactor, compuesto por 7 minirreactores CSTR en serie, y el modelo matemático, fue aproximadamente un 1%. En las pruebas de operación del biorreactor con bacterias, se obtuvo que la cepa con el promotor que responde a arabinosa posee un crecimiento más alto que la cepa con promotor sensible a aTc. En cambio, en términos de producción de proteína, el promotor sensible a aTc posee una inducción más fuerte. Específicamente, usando un flujo de 0,794 [mL/min], este promotor mostró una mayor productividad de proteína por biomasa, lo que lo caracteriza como un promotor fuerte.

Ingeniera Civil en Biotecnología
Aristotelia chilensis (Eleaocarpáceas), comúnmente conocida como maqui, es una especie vegetal distribuida en el Centro y Sur de Chile. El fruto de esta planta es de gran interés para la industria alimenticia y farmacológica debido a que posee potentes capacidades antioxidantes. Lo anterior es producto de su elevado contenido de antocianinas, en particular de delfinidinas, metabolitos secundarios implicados en la formación de la pigmentación azul y en la protección de las plantas contra la luz ultravioleta (UV). Actualmente, la producción frutícola de maqui se basa principalmente en la recolección del fruto desde árboles en condiciones silvestres. Además, su producción se ve limitada por la estacionalidad del fruto, que sólo se da en temporada de verano. Estas limitantes impiden que la demanda creciente de maqui se vea satisfecha. Debido a lo anterior, resulta fundamental la búsqueda de nuevas estrategias biotecnológicas para la producción de extractos ricos en antocianinas de maqui. El presente trabajo tiene por objetivo el desarrollo de una estrategia para la producción de extractos ricos en antocianinas a partir de cultivos celulares de A. chilensis. Para lograr lo anterior se estudió la inducción callogénica a partir de diferentes explantes (embrión, cotiledón y hoja) en diferentes combinaciones y concentraciones de reguladores del crecimiento. Las condiciones de cultivo que indujeron la formación de callos de maqui fueron medio Murashige & Skoog 4,43[g/L] con 3% de sacarosa, 0,7% de agar y la adición de las hormonas kinetina y NAA 1[mg/L] cada una. Además, para el mantenimiento de los callos inducidos, el medio de cultivo Gamborg b-5 3,21[g/L] brindó una mayor velocidad de crecimiento y aumento de biomasa. Posteriormente, se establecieron cultivos de células en suspensión en medio Murashige & Skoog 4,43[g/L] con 3% de sacarosa, 1[mg/L] de kinetina y NAA y exposición a luz (16 h luz; 8 h oscuridad). Los cultivos en suspensión fueron elicitados por medio de metil jasmonato (MJ) 100 µM y ácido abscísico (ABA) 100 µM, los cuales no entregaron resultados positivos en la producción de antocianinas. Además, se estableció un cultivo en suspensión con medio Gamborg b-5 3,21[g/L] con 3% de sacarosa, 2[mg/L] de 2,4-D y exposición a luz (16 h luz; 8 h oscuridad); el cual presentó características de crecimiento positivas, alcanzado una concentración de biomasa final de más de 5 veces la concentración inicial del cultivo. Asimismo, se estableció una línea de callos iniciados a partir de embriones y mantenidos en medio Gamborg b-5 3,21[g/L] con 3% de sacarosa, 0,7% de agar, 2[mg/L] de auxina 2,4-D y exposición a fotoperiodo (16 h luz; 8 h oscuridad). Esta línea presentó una pigmentación color violeta oscuro producto de la síntesis de antocianinas por parte de sus células. Análisis de los callos por medio de HPLC-PAD-MS revelaron la presencia de los mismos tipos de antocianinas presentes en el fruto de A. chilensis. Sin embargo, los perfiles de antocianinas fueron diferentes a los del fruto, conteniendo principalmente cianidinas. Finalmente, en el presente trabajo de tesis fue posible el establecimiento de cultivos celulares productores de antocianinas. Sin embargo, es necesaria la identificación de las variables críticas del proceso de producción de estos metabolitos, con el objetivo de maximizar su síntesis, particularmente la síntesis de delfinidinas glicosiladas.

El objetivo de la presente memoria de tesis es la modelación y estudio de problemas de tratamiento de recursos acuíferos mediante la utilización de biorreactores. En la Introducción de esta memoria se hace una revisión del problema de las aguas residuales, los métodos y fases del tratamiento de descontaminación, y se enfatiza la etapa de tratamiento secundario, cuya finalidad es la reducción de la materia orgánica presente en las aguas. Se introduce al biorreactor como herramienta para el tratamiento de la materia orgánica mediante el uso de microorganismos, los cuales se alimentan de ella. Se realiza una revisión de los modelos existentes para biorreactores, tanto en el caso determinista como en el estocástico, remarcándose la existencia de resultados de extinción de la biomasa y exclusión competitiva en el caso de dos especies. La presente tesis se divide en dos partes. En la Parte I se estudia un modelo estocástico de tratamiento de aguas mediante un biorreactor secuencial por lotes. Para ello, en el Capítulo 2 se desarrolla un modelo estocástico de biorreactores; esto se hace mediante un límite de aproximaciones de la dinámica del biorreactor por procesos de nacimiento y muerte. En el Capítulo 3 se estudia la existencia y unicidad de soluciones de la ecuación diferencial estocástica controlada que define la dinámica del biorreactor, cuyos coeficientes no cumplen las condiciones de tipo Lipschitz habitualmente requeridas para este tipo de resultados. En el Capítulo 4 se plantea el problema de descontaminación de aguas a tiempo mínimo mediante el uso de biorreactores secuenciales por lotes, con el modelo obtenido en el Capítulo 2, y se muestra que bajo cualquier estrategia admisible, la probabilidad de extinción de la biomasa es positiva, lo que hace que el tiempo esperado de tratamiento sea infinito. Con esto se prueba que el problema así formulado no tiene solución factible. En particular, esto muestra que la estrategia de llenado más rápido no es óptima para el problema estudiado, no obstante lo era para el problema determinista. Se plantean entonces otros problemas de control estocástico relevantes para el biorreactor secuencial por lotes, que pueden ser abordados en el contexto del modelo desarrollado. En la Parte 2 se estudia un problema de biorremediación de recursos acuíferos naturales mediante el uso de quimiostatos. En el Capítulo 5, se estudia el problema de descontaminación de recursos de gran volumen mediante un quimiostato de volumen mucho menor. Esto hace que haya zonas con difícil acceso al aparato descontaminante, por lo que se produce un gradiente de concentraciones en el recurso y no se puede aplicar la hipótesis de homogeneidad de sustrato. Esto se modela mediante la separación del recurso en dos zonas, llamadas zona activa, la que tiene fácil acceso a la descontaminación, y zona muerta, la que se descontamina por difusión con la zona activa. Se busca encontrar estrategias de descontaminación a tiempo mínimo controlando la velocidad de bombeo del quimiostato, y comparar dichas estrategias con la del caso homogéneo. Finalmente, se presentan las conclusiones, los problemas abiertos, y posibles direcciones de trabajo futuro.

La piña (Ananas comosus (L.) Merril) es uno de los principales frutales a nivel mundial, por ello es cultivada a fin de satisfacer las necesidades alimentarias de la población. Además constituye un importante sustento para las economías locales. Por tanto, el presente trabajo fue realizado con la finalidad de mejorar y establecer un protocolo de propagación in vitro de piña (Ananas comosus (L.) Merril Var. MD2). Para la introducción de yemas se realizó 5 tratamientos de desinfección siendo más eficaz la concentración de lejía al 25 % por 15 min para la primera desinfección y 10 % por 10 min para la segunda desinfección. Para las etapas de introducción, multiplicación y el Sistema Automatizado de Inmersión Temporal (Biorreactores) se empleó el medio de cultivo que contiene sales y vitaminas Murashigue Skoog suplementado con Myo-inositol (100 mg. L -1), sacarosa (20 g L -1) como medio testigo y comparado en base a tratamientos hormonales de BAP-ANA y Kinetina-ANA-IBA. Se seleccionó la combinación de concentraciones BAP (2,1 mg L -1) - ANA (0,3 mgL-1), por presentar un índice de multiplicación mayor. En el Sistema Automatizado de Inmersión Temporal (Biorreactores) se aplicó frecuencias de inmersión de 3 min cada 3 horas por un periodo de seis a ocho meses, creciendo a una temperatura de 25 – 30 0C, con un fotoperiodo de 11 o 12 horas diarias bajo luz blanca fluorescente que junto con el medio seleccionado dio lugar a una tasa de multiplicación de 11.
Tesis

Ingeniera Civil Química. Ingeniera Civil en Biotecnología
La minería en Chile es una actividad clave para el desarrollo del país y actualmente se enfrenta a problemáticas relacionadas a la presencia de elementos contaminantes en sus efluentes que son altamente tóxicos como el arsénico. Las normativas medioambientales existentes, el riesgo para las especies pertenecientes al ecosistema, incluyendo la salud humana, y la penalización en mercados internacionales por la presencia de arsénico en concentrados de cobre exportados, han derivado en la necesidad de desarrollar tecnologías para la recuperación de metales que sean amigables con el medioambiente y económicamente rentables. EcoMetales es una filial de Codelco cuyo objetivo es dar solución a estos problemas y para ello cuenta con su Planta de Abatimiento de Arsénico y Antimonio en la cual utilizan peróxido de hidrógeno para oxidar el arsénico presente en los efluentes de la división Chuquicamata de Codelco. Este elemento oxidado posteriormente precipita en forma de escorodita y es almacenado en depósitos de la empresa. Sin embargo, este proceso posee un alto costo y el peróxido de hidrógeno corresponde al 50% de los gastos asociados a insumos. Además, el nuevo escenario normativo que entra en vigor en 2018 sumado al aumento en las impurezas debido al envejecimiento de los yacimientos pronostican un alza en los costos. Debido a esto EcoMetales ha encargado al ICDB y al CeBiB desarrollar un proyecto para reemplazar el uso de peróxido por microorganismos que oxiden el arsénico. En el marco de este proyecto se encuentra el trabajo desarrollado en esta memoria que consiste en el estudio, dimensionamiento y diseño del biorreactor en el cual se llevará a cabo la oxidación biológica de arsénico junto con la determinación del punto de incorporación y la estimación del CAPEX. La metodología de trabajo consiste en una etapa de investigación bibliográfica, seguida por el diseño y dimensionamiento del sistema para finalmente estimar el CAPEX y realizar un análisis de sensibilidad. Los resultados principales indican que el microorganismo a utilizar es Acidithiobacillus ferroxidans y que se necesitarán dos biorreactores cuyos volúmenes son 51 [m3] y 304 [m3] para reducir el contenido de As+3 de 4 [g⁄L] a 0,002 [g⁄L]. El costo de inversión se estima de US$713.000 y el análisis arroja que el proyecto es altamente sensible a la cinética de crecimiento del microorganismo, mientras que se ve levemente afectado por las variaciones en el contenido de arsénico y presenta una mayor influencia a los cambios en la concentración de hierro. Finalmente, se concluye que el proyecto sería técnica y económicamente factible según el costo de inversión calculado y las dimensiones obtenidas, pero es necesario realizar la estimación de los costos de operación y el balance del flujo de caja para tener mayor seguridad de este resultado.

La búsqueda de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles, ha motivado el interés por la investigación en nuevos métodos para la obtención de energía. Como es el caso de la producción de biodiesel a partir de aceites usados mediante la reacción de transesterificación. Bajo este criterio, la presente investigación se centra en el desarrollo de estrategias de control avanzado de la temperatura del reactor de transesterificación, con la finalidad de mejorar la eficiencia de conversión de los aceites en ésteres metílicos. Adicionalmente, se busca que la estrategia de control propuesta permita cumplir con las restricciones impuestas en la variable controlada (temperatura del reactor) y pueda trabajar alrededor del límite de operación (temperatura de ebullición del metanol). Para la obtención del modelo de la planta que permita analizar la dinámica del sistema y demostrar su complejidad, se usó la técnica de modelamiento matemático, a partir de las ecuaciones de balance de masa y energía. Para el control de la planta objeto de estudio, se propone el uso de un controlador de matriz dinámica cuadrática (QDMC) con restricciones suaves en la variable controlada y restricciones duras en la variable de control y las tasas de cambio de la misma. Este esquema permite evitar la no feasibilidad del algoritmo de programación cuadrática (QP) usado para resolver el problema de optimización del QDMC. Como parte final de la presente investigación y con la finalidad de demostrar la mejora mediante el uso de estrategias de control avanzado para la presente planta, se realizó la comparativa del controlador diseñado con un controlador PID convencional.
Tesis

Tesis para optar al Título Profesional de Ingeniero Agrónomo y al Grado de Magíster en Manejo de Suelos y Aguas
El objetivo del presente estudio fue diseñar un bioreactor con recarga continua, comparando velocidades de flujo y tiempos de retención hidráulicos de dos diseños de bioreactores (I y II). El sitio experimental se encuentra ubicado en la Comuna de Pichidegua, Región del Libertador Bernardo O’Higgins, en un canal de desagüe (Lat. 34° 25' 46'' S, Long. 71° 21' 54'' W). Durante el estudio se monitorearon variables de velocidad de flujo (Vf), Caudal (Q), porosidad (ρ), volumen de flujo activo (Vfa) y tiempos de retención hidráulicos (TRH). El diseño de los bioreactores consideró las velocidades de flujo y el nivel de depositación de sedimentos. El bioreactor I constaba con dos tubos de PVC de entrada y salida de mismo diámetro, mientras que el bioreactor II tenía diámetros inferiores en la salida, de forma que el caudal que pasara a través de este fuese menor que en el bioreactor I. Dado que el bioreactor II presentó TRH mayores que el bioreactor I (en un 65%) fue seleccionado para realizar un estudio de remoción de cargas de nitrógeno posteriormente a este trabajo.
The main aim of this study was to design a bioreactor with continuous recharge, contrasting (comparing) flow velocity and hydraulic retention time of two bioreactor designs. The experimental area was located in the commune of Pichidegua, Region of Libertador Bernardo O’Higgins, in an outflow channel (34° 25' 46'' SL, 71° 21' 54'' WL). During the study period, flow velocity (Vf), discharge (Q), porosity (p), active flow volumen (vfa) and finally hydraulic retention time (TRH) variables were monitored. The bioreactors design consider the flow velocity and sediment deposition level. The bioreactor I had two input and output PVC tubes of the same diameter, whereas the bioreactor II had a smaller output diameter and the flow passing through this was lower than the bioreactor I. Since the bioreactor II showed higher TRH than the bioreactor I (65%), it was selected for carry out a nitrogen loads removal study later to this work.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil en Biotecnología
Este trabajo de título es motivado por la búsqueda de nuevos anticancerígenos y antibióticos provenientes de microorganismos de ambientes naturales y extremos, como los provenientes del Desierto de Atacama. Por lo cual, se busca optimizar el crecimiento celular de cepas de Streptomyces del Salar de Tara, maximizando su biomasa final y minimizando su tiempo de crecimiento. Además, realizar una reflexión ética sobre los alcances del trabajo realizado y su relación con la ética profesional. En la metodología a emplear, en primer lugar, se buscó corroborar el comportamiento alcalífilo de estas cepas y probar una fuente de carbono alternativa al almidón. Luego, se realizaron pruebas para encontrar el pH y T° óptimos, para después determinar la cinética del microrganismo en estas condiciones. Posteriormente, se escaló el cultivo a un biorreactor de un 1 L, realizando en 1° lugar una fermentación controlando la T° y agitación, para luego realizar un segundo cultivo manteniendo constante el pH del medio. Además, se realizó una discusión ética mediante un marco conceptual, abordando las características de la actividad tecnocientífica desde el autor Javier Echeverría y el principio de responsabilidad de Hans Jonas, como el Principio Precautorio de la UNESCO, la Declaración de Singapur y un análisis de los fines de la actividad profesional. Los resultados del trabajo permiten corroborar que las cepas del Salar de Tara presentan un crecimiento alcalífilo, como también, que el almidón es una mejor fuente de carbono frente a la glucosa. Para los estudios posteriores se trabajó con la cepa más prometedora, desde un punto de vista terapéutico, la ST2-7A. Se encontró el pH y la T° óptima, siendo 10 y 33°C, respectivamente. Al escalar a un biorreactor de 1 L se redujo la fase exponencial de 12 a 3 horas, un aumento de 10 veces de la tasa máxima de crecimiento y un incremento de un 99% de la biomasa al llegar al estado estacionario, frente a las mismas condiciones en un volumen menor. Al controlar el pH se inhibió el crecimiento celular, teniendo una biomasa final un 45% menor frente al caso anterior. Además, se reflexiona sobre los alcances del trabajo realizado, reconociendo a la biotecnología como una actividad tecnocientífica, planteando la problemática de encontrar nuevos compuestos con fines terapéuticos provenientes un ambiente natural. Realizando así un análisis desde el principio de responsabilidad y su extensión a uno axiológico, como la necesidad de incorporar en los fines de la actividad profesional, de científicos e ingenieros, el principio de responsabilidad en un marco axiológico de la acción tecnocientífica. De esta forma, se propone seguir investigando el mejor pH para el cultivo y seguir añadiendo variables al control de este, como sería encontrar la agitación y la presión de oxígeno óptimas, además de estudiar las fases posteriores del proceso de crecimiento.

La tesis está centrada en los biorreactores en "fed-batch", dada la importancia de estos reactores agitados de alta densidad para la producción industrial eficiente de proteinas, encimas,.... utilizando microorganismos modificados genéticamente. El problema real está caracterizado por la escasez de medidas en línea. Otros problemas importantes son la (fuerte) incertidumbre paramétrica y la presencia significativa de no linealidades. Además de los problemas comentados, en el caso de biorreactores en ``fed-batch'' es necesario tratar con equilibrios parciales, es decir, sólo respecto a una parte de las variables. Los objetivos principales de la tesis son: - La búsqueda de un conjunto limitado de estructuras de modelos representando la mayor parte de los casos de interés industrial. - La solución, como primer paso en una aproximación de ``abajo-arriba'', del problema de control para el caso de cultivos puros con un sólo substrato limitante y asumiendo el oxígeno está en exceso. - El diseño de controladores para regular la tasa específica de crecimiento de los microorganismos. Utilizando solamente medidas en línea de biomasa y volumen, sin ninguna estimación de la tasa de crecimiento ni de ninguna otra variable. Y, finalmente, teniendo en cuenta las no linealidades del sistema, la incertidumbre y otros fenómenos. - Tratar el problema citado anteriormente de estabilidad parcial. El último punto ha marcado la elección de las posibles técnicas a estudiar para resolver el problema de control. En concreto: - Técnicas de control geométrico(Fradkov et al.). El problema de control de biorreactores puede ser visto como uno de "control de coordinación". La solución está relacionada con algunas propiedades específicas de los sistemas como la invarianza y la atractividad local de conjuntos no triviales en el espacio de estados. - Flatness. Aunque comunmente asociada con la linealización exacta, un sistema puede ser plano dentro de un subconjunto del espacio de estados sin ......
Picó Marco, E. (2004). Nonlinear robust control of biotechnological processes. Application to fed-batch bioreactors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2901
Palancia

Se ha diseñado y construido un biorreactor airlift de 10L de acero inoxidable con la finalidad de utilizarlo en procesos fermentativos tales como en la producción de cerveza. El diseño se realizó tomando en consideración los criterios técnicos para biorreactores de agitación neumática como son el número de aspecto (HL/D), relación entre áreas Ar/Ad, volumen y geometría de la zona de desgasificación, configuración del sistema de aireación, volumen de trabajo y geometría de la base. Una vez construido, el diseño y la configuración se evaluaron en pruebas de laboratorio antes de utilizarlo en experimentos de fermentación. Estos incluyeron el efecto de la relación Ar/Ad, flujo de aire (vvm) y distancia entre el difusor de aire y el tubo de ascenso (cm) en el tiempo de homogenización (Ɵ) y el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (KLa). Se ha utilizado un difusor microporoso de 2 µm de diámetro de material sintético. Asimismo, se han utilizado dos medios líquidos: agua bidestilada y jarabe de glucosa de 14 °Brix. El tiempo de homogenización se ha determinado por el método del “pH” adicionando una solución de NaOH 2N y midiendo la variación con un pH-metro. El coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa) se determinó por el método “gassing-out” utilizando una sonda de oxígeno disuelto. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente (20 °C). Los resultados mostraron que el incremento del flujo de aire, la relación Ar/Ad y la disminución del espaciamiento entre el difusor de aire y el tubo de ascenso resulta en la disminución del tiempo de homogenización y el incremento del KLa. Asimismo, el incremento de la densidad del fluido incrementa sustancialmente el tiempo de homogenización mientras que los valores de KLa son mínimamente afectados. Subsecuentemente se realizaron experimentos de fermentación con mosto de malta de 14 y 20 °Brix configurando el biorreactor de la siguiente manera: relación Ar/Ad = 0.8, distancia del difusor de aire al tubo de ascenso de 2 cm y flujo de aire de 0.13 vvm y se evaluó la cinética de consumo de azúcares reductores, nitrógeno amino libre, producción de etanol y crecimiento celular. Los resultados mostraron un menor rendimiento de etanol, mayor consumo de nitrógeno amino libre y mayor tasa de crecimiento celular provocado por el suministro de aire, comparado con experimentos realizados estáticamente en matraces a condiciones similares. Finalmente, se evaluó sensorialmente la cerveza producida con mosto de 14 °Brix y se comparó con una cerveza artesanal comercial. Las cervezas producidas tuvieron una mayor puntuación con respecto a los atributos de olor, sabor y color. Los resultados obtenidos en el presente estudio pueden servir para proponer futuras investigaciones en el campo de las fermentaciones utilizando biorreactores airlift.
Tesis

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El presente trabajo tiene por objetivo la formalización de fundamentos sobre la gasificación de pellets de madera para ser utilizado en el diseño de equipos o procesos. La gasificación corresponde a un proceso de producción de un gas combustible a partir de una reacción heterogénea, en este caso: pellet de madera y un reactante gaseoso. El trabajo incorpora una revisión de antecedentes que cubren aspectos cinéticos, termodinámicos, de transferencia de masa y calor, además de fluidodinámicos. Posterior a la revisión de antecedentes se desarrolla un modelo que describe la dinámica de las concentraciones en el lecho de reacción mediante un sistema de ecuaciones de derivadas parciales respecto al tiempo y al eje axial del lecho. Mediante un balance de energía se describe los valores que alcanza la temperatura. Mediante la resolución numérica del modelo, se intenta caracterizar el lecho, con ello, se pueden realizar aproximaciones de conversión, poder calorífico, porcentaje de sólidos sin reaccionar, etc. La resolución numérica contempló un flujo másico de alimentación igual a de pellet de madera, con un tamaño de partícula promedio de ; un reactante gaseoso compuesto de vapor de agua enriquecido con oxígeno, cuyos flujos corresponden a y respectivamente. Además de una presión y temperatura inicial de y . Fue posible observar el régimen transiente y estacionario del sistema. El régimen estacionario permite describir el lecho a partir de sus principales características. Para largos de lecho entre o , el modelo muestra que se alcanzarían conversiones cercanas al , con un poder calorífico de la mezcla que fluctúa entre los y , alcanzando un de eficiencia térmica respecto al combustible sólido alimentado. El flujo de salida del reactor se estima en de gas de síntesis, con una composición de de hidrógeno, de monóxido de carbono, de dióxido de carbono y de metano. Asociado a ello un flujo de sólidos igual a , el que corresponden al sólido que no alcanzó a reaccionar, se estima un tamaño de partículas igual a .

Publicación a texto completo no autorizada por el autor
Plantea el uso de las fibras naturales andinas cabuya (Furcraea andina) y paja de trigo (Triticum vulgari) como soporte bacteriano de biorreactores anaerobios UASB, para procesos de desnitrificación de aguas residuales de piscícolas de truchas arcoíris en la zona alto andina de la localidad Juan de Velasco en Ecuador. Evalúa tanto la capacidad de desnitrificar las aguas residuales de acuicultura como la de remover metales pesados, mediante el uso combinado de biofilms soportados por fibras naturales, en condiciones controladas y acondicionamiento previo del medio bacteriano. Diseña nueve biofiltros a escala piloto para la remoción de contaminantes de las aguas residuales de piscícolas de truchas arcoíris. Determina si la incubación de la microbiota con pseudomonas acelera la adaptación de la población bacteriana en las fibras naturales en seis biofiltros. Determina la tasa de desnitrificación de los efluentes de las piscícolas de los biofiltros, las diferentes alturas de la columna de los biofiltros orgánicos en un proceso anaerobio, la altura del biofiltro necesario para la descontaminación de los efluentes de las piscícolas y si el biofiltro con la fibra cabuya–pseudomonas aisladas contribuye en la remoción de metales pesados que provienen de la ceniza de la zona volcánica del sector estudiado. Evalúa la degradación de las fibras naturales como medios filtrantes mediante el análisis de los cambios en las propiedades físicas y químicas, la calidad sanitaria del efluente de los biofiltros anaerobios, con cargas hidráulicas constante, para determinar si cumplen con los criterios que marca la normatividad ambiental ecuatoriana.
Tesis

En el Perú es cada vez más frecuente que investigaciones realizadas en laboratorios de universidades públicas y privadas impliquen el uso de técnicas de biología molecular relacionadas con el clonamiento y expresión de genes en sistemas heterólogos con la finalidad de contribuir al conocimiento biomédico o industrial. El microorganismo de elección usado en la mayoría de estos casos es la bacteria Escherichia coli debido a la relativa sencillez tecnológica y procedimental, aunque sus alcances sean limitados en comparación con organismos más complejos que requieren un control más exacto de los parámetros fisicoquímicos y de suministro de los sustratos, como es el caso de la levadura Pichia pastoris o líneas celulares de mamíferos o insectos. Si bien existen biorreactores comerciales de alta eficacia y capaces de sustentar una diversidad de bioprocesos, su costo en la actualidad aún es elevado, lo que dificulta su adquisición. El presente estudio busca desarrollar un biorreactor prototipo con materiales económicos y que sea capaz de sustentar el proceso de expresión de proteínas recombinantes en E. coli y comparar su rendimiento respecto a un sistema convencional en matraz agitado. Empleando la pirazinamidasa recombinante de Mycobacterium tuberculosis como molécula modelo y el caldo Luria-Bertani como medio de cultivo, se obtuvo para un volumen de 200 ml una producción de 2.148 mg en el biorreactor prototipo y una producción de 0.885 mg en el matraz agitado convencional. Dispone de un biorreactor económico, accesible, posible de automatizar y capaz de sustentar bioprocesos relacionados a la producción de proteínas recombinantes permitiría el progreso de este tipo de investigaciones e incluso permitiría su comercialización como sistema.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil
El objetivo del presente trabajo es implementar un modelo de simulación para la mejora de la planta de tratamiento de RILes de la Bodega Cachapoal, propiedad de Viña Concha y Toro, utilizando el software GPS-X. La metodología utilizada contempla una revisión bibliográfica sobre las tecnologías disponibles para el tratamiento de RILes de la industria vitivinícola, enfocada en un sistema de biorreactores de membrana (MBR), considerando que la planta ya posee un sistema de lodos activados, la migración a un sistema de MBR implica un menor costo que migraciones hacia otros tipos de tratamiento, y además es una tecnología ya aplicada en otras bodegas de la viña. A su vez, se realiza una breve revisión acerca del software GPS-X. Para la implementación del modelo se comienza por realizar una caracterización de los RILes de la Bodega de San Javier, donde se ha realizado una migración de un sistema de lodos activados a un sistema de membranas MBR, con la finalidad de poder extrapolar dicha caracterización hacia la planta de la Bodega Cachapoal. A su vez, se caracteriza el RIL existente en la Bodega Cachapoal, en particular los parámetros de DQO, SST, N y P. Luego, se construye un modelo de simulación de la bodega de San Javier, de modo de ajustar los parámetros de fraccionamiento de la DQO para luego utilizarlos como referencia en el modelo realizado en la Bodega Cachapoal. Posteriormente se proponen 2 escenarios de modelación de la planta de tratamiento para la Bodega Cachapoal. Ambos escenarios consideran la aplicación de un biorreactor de membrana (MBR). El primer escenario considera el tamaño actual del reactor, esto es, 550 m3 y un área de membrana de 550 m2 para tratar un caudal de 300 m3/d. El segundo contempla la ampliación del volumen del reactor hasta 750 m3, con un área de membrana de 800 m2, para tratar un caudal de 400 m3/d. Además, se realiza un análisis de sensibilidad, donde se concluye que las variables que influyen mayormente en el funcionamiento de la planta son la edad del lodo, caudal y la DQO. Este ejercicio no considera variaciones en la presión transmembrana (TMP). Los resultados obtenidos para el efluente cumplen con la normativa, en particular la Tabla 1 del Decreto Supremo 90, la cual define los límites máximos de contaminantes permitidos para la descarga de RILes a cuerpos de aguas superficiales sin capacidad de dilución.

The thesis involves the development and implementation of a new and robust control system based on permeability trends but at the same time capable of reducing aeration proportionally to permeate flux. Permeability was made a key parameter for directly comparing temporary changes in membrane performance. Transmembrane pressure and flux were gathered every 10 seconds and permeability values were automatically calculated; different mathematical algorithms were applied for the signal filtering of on-line data. Short term and long term permeability trends were compared once a day, and a control action was applied proportionally to the short term/long term permeability ratio without exceeding the aeration flow recommended by the membrane suppliers.
El treball presentat a la tesi inclou el desenvolupament i la implementacio d’un nou sistema de control robust basat en les tendencies de la permeabilitat i, al mateix temps, capac de reduir l’aeracio de forma proporcional al flux de permeat. S’ha seleccionat la permeabilitat com el parametre clau per comparar directament els canvis temporals en el funcionament de les membranes. La pressio transmembrana i el flux es mesuren cada 10 segons i llavors la permeabilitat es calcula automaticament. El senyal de les dades recollides en linia es filtra adequadament mitjancant diversos algoritmes matematics. L’algoritme de control compara diariament una tendencia a curt termini de la permeabilitat amb una tendencia a llarg termini de la permeabilitat, i s’aplica una accio de control proporcional al quocient de les dues tendencies, sense excedir mai el cabal d’aeracio recomanat pels fabricants de membranes.

Ischemic heart disease is a major cause of human death worldwide owing to the heart minimal ability to repair following injury. Other than heart transplantation, there are currently no effective or long-lasting therapies for end-stage heart failure. Therefore, it is crucial to develop not only alternative therapies that potentiate heart regeneration or repair, but also new tools to study human cardiac physiology and pathophysiology in vitro. In this context, cardiac tissue engineering arises a promising strategy, as it is aimed at generating cardiac tissue analogues that would act as in vitro models of human cardiac tissue or as surrogates for heart repair. Thus, having 3D human cardiac tissue constructs resembling human myocardium could revolutionize drug discovery and toxicity testing, cardiac disease modelling and regenerative medicine. An strategy to obtain reliable cardiac tissue constructs is to mimic the native cardiac environment. The classical approach is based on seeding cardiomyocytes in biocompatible 3D scaffolds, and then culturing the construct in a biomimetic signaling system, usually a bioreactor. Although major advances have been made, the generation of thick and mature tissue constructs from human induced pluripotent stem cells-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM) is still a challenge. Therefore, the hypothesis of our study is that the combination of hiPSC-CM with 3D scaffolds and appropriate regulatory signals may lead to the generation of mature human cardiac tissue constructs resembling human myocardium, both functionally and structurally. To address this, we have characterized a collagen-based 3D scaffold and established an efficient method for cell seeding into the scaffold. We have also developed a parallelized perfusion bioreactor system, which ensures an effective mass transport between cells and culture medium and allows culturing multiple replicas of tissue constructs. In addition, we have designed and fabricated a perfusion chamber including electrodes to electrically stimulate cells during culture, as well as to monitor tissue function. With this advanced 3D culture system, we have been able to generate thick 3D human cardiac constructs with tissue-like functionality. Our results indicate that perfusion of culture medium combined with electrical stimulation and collagen-based scaffold improve the structural and functional maturation of hiPSC-CM. In general terms, electrical stimulation has improved the structural organization, alignment and coupling of cardiomyocytes in our cardiac tissue constructs. Moreover, electrical stimulation has promoted the formation of synchronous contractile constructs at the macroscale with improved electrophysiological functions. Through the development of a new electrophysiological recording system, we report for the first time to our knowledge a technique that provides information about the electrical activity of intact cardiac tissue constructs in real time. Specifically, the combination of action potentials generated by hiPSC-CM composing cardiac constructs produces ECG-like signals, which could be monitored online. Finally, we have demonstrated the ability of stimulated human cardiac tissue constructs to detect drug-induced cardiotoxicity, as typical features of arrhythmias (e.g. prolongation of RR intervals and regular blockades) could be observed upon treatment with sotalol. Taken together, results indicate that macroscopic human cardiac tissue constructs with tissue-like functionality can be obtained through the use of our advanced 3D culture system. We have studied the effects of electrical stimulation on cardiomyocytes at multiple levels: molecular (presence, distribution and expression of cardiac proteins), ultrastructural (sarcomere width and presence of specialized cellular junctions), cellular (morphology and alignment), and functional (amplitude, directionality and strain of contractions, and electrophysiological recordings). Findings validate our in vitro approach as a valuable system to obtain 3D cardiac patches with an improved maturity and functionality. Importantly, the online monitoring system developed in this study can provide essential electrophysiological information of intact cardiac tissue constructs, which opens up myriad possibilities in the field of cardiovascular research.
La cardiopatia isquèmica és una de les principals causes de mort a nivell mundial. Exceptuant el trasplantament de cor, les teràpies actuals són insuficients per restablir la funció cardíaca. Per tant, cal desenvolupar teràpies alternatives que fomentin la regeneració i/o reparació del cor, així com també noves eines per estudiar la fisiologia i fisiopatologia cardíaca in vitro. Una de les estratègies més prometedores és l’enginyeria tissular cardíaca, ja que té com a finalitat generar constructes de teixit cardíac que mimetitzin el teixit real. Aquests constructes podrien utilitzar-se com a models in vitro del miocardi humà i també com a empelts per reparar el cor malmès. Per obtenir constructes de teixit cardíac humà cal reproduir l’entorn cardíac real. Una de les estratègies més habituals consisteix en sembrar cardiomiòcits en una estructura 3D (bastida), i després cultivar el constructe en un sistema de senyalització biomimètic, normalment un bioreactor. Tanmateix, generar constructes grans i semblants al miocardi humà adult a partir de cardiomiòcits humans derivats de cèl·lules mare de pluripotència induïda (hiPSC-CM) segueix sent un repte. Així doncs, la hipòtesi d’estudi és que combinant hiPSC-CM amb una bastida 3D i estímuls biofísics adequats, es podrien generar constructes de teixit cardíac semblants al miocardi humà tant a nivell estructural com funcional. Per abordar la hipòtesi, en aquest treball s’ha caracteritzat una bastida 3D constituïda principalment per col·lagen i s’ha definit un mètode eficient per sembrar cardiomiòcits dins l’estructura. A més a més, s’ha desenvolupat un bioreactor de perfusió de sistema en paral·lel que assegura un transport de massa efectiu entre les cèl·lules i el medi de cultiu. També s’ha dissenyat una càmera de perfusió que inclou elèctrodes per estimular elèctricament les cèl·lules durant el cultiu, així com també per monitorar la funció del teixit artificial. Amb aquest avançat sistema de cultiu, s’han generat constructes de teixit cardíac humà 3D amb una funcionalitat semblant a la del teixit real. A més a més, el sistema ha permès monitorar l’electrofisiologia del teixit artificial en temps real, així com també demostrar el paper crucial de l’estimulació elèctrica per obtenir constructes amb una funcionalitat òptima.

El siguiente trabajo presenta una propuesta útil para la elaboración de un biorreactor automatizado que permite ser una alternativa viable para la micropropagación de diferentes especies vegetales, se logró la mejora significativa en cuanto a costos de producción comprado con el sistema utilizado actualmente. Además, se logró aumentar la capacidad de propagación de estos biorreactores. Se presentan los pasos levados a cabo durante la realización del presente trabajo como: * La fundamentación teórica obtenida de material bibliográfico. * La descripción del entorno de trabajo. * Se identificaron las propiedades requeridas del personal. * La validación de materiales viables, así como forma y costos. * Se describe el desarrollo de los prototipos. * Y las pruebas para validar su eficacia. Además se presenta también el desarrollo de software hara su automatización, para la cual se llevaron a cabo los siguientes pasos: * Análisis de requerimientos: En el cual de modelan, especifican y verifican las solicitudes del usuario, en este caso, el investigador biológico y se definen los lineamientos y pautas para analizarlas y definir el alcance del proyecto. * Especificaciones: Se determina la forma en cómo debe comportarse el sistema y su interacción con el usuario. * Diseño: Se determina cómo funcionará el sistema de forma general y cómo se incorporan distintos componentes que dan respuesta a las funcionalidades requeridas por el usuario. * Desarrollo: Se tienen los lineamientos para la generación de código. * Pruebas: Se comprueba que el software responda correctamente a las indicaciones especificadas.

Biorreatores, que são explorados desde a antiguidade, são sistemas capazes de realizar a fermentação de compostos orgânicos, continuam sendo amplamente utilizados atualmente devido à diversidade de aplicações. Esses sistemas podem operar em diferentes modos de fermentação, entretanto, os mais utilizados são: fermentação contínua, semicontínua e descontínua. Esse último, juntamente com o processo de digestão anaeróbia (ausência de oxigênio), permitem que uma determinada matéria orgânica seja degradada e transformada em biogás, um dos fatores chave para geração de energia limpa. Percebe-se, portanto, que o estudo de biorreatores em modo de operação descontínuo e em processo de digestão anaeróbia é fundamental para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à geração de energia renovável. Para facilitar o entendimento desse processo, alguns autores propuseram estudos baseados na identificação de parâmetros em modelos não-lineares descritivos, do tipo caixa-branca, que hoje são vastamente utilizados na modelagem de biorreatores. A grande limitação dessa abordagem é que o processo de identificação de sistemas utilizando esses modelos pode ser complexo e demorado, ou, ainda, os parâmetros dos sistemas representados podem não ser identificáveis, inviabilizando o procedimento. Tentando amenizar essas dificuldades, propomos neste trabalho a utilização de modelos polinomiais NAR e NARMA do tipo caixa-preta para a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua. Modelos caixa-preta representam sistemas reais por meio de sua saída, sem informação sobre os mecanismos internos desse sistema, simplificando a identificação. Frente a esse contexto, o objetivo deste estudo é investigar a predição e, por consequência, realizar o monitoramento da produção de metano utilizando os modelos caixa-preta propostos em sistemas de biorreatores em modo descontínuo e em processo de digestão anaeróbia. Realizamos estudos que abarcam a investigação de dados simulados e de dados reais. Num primeiro momento são propostos modelos polinomiais dos tipos NAR e NARMA. A partir desses modelos são estimados os parâmetros dos sistemas simulados, com e sem ruído na saída, baseados em condições iniciais propostas na literatura, que denominamos Grupo de Controle. Posteriormente realizamos as validações desses modelos. Em seguida, passamos à etapa de investigação do domínio de validade dos modelos caixa-preta propostos, realizando um estudo em que modificamos as condições iniciais do sistema que representa biorreatores em modo de fermentação descontínua. Por fim, utilizamos dados de um experimento real para realizar o processo de estimação de parâmetros e de validação dos modelos. Os resultados mostraram que os modelos polinomiais NAR e NARMA são bastante adequados para predição de metano em biorreatores em modo de fermentação descontínua em processo de digestão anaeróbia, tanto para os dados simulados quanto para os dados reais.
Bioreactors, which are explored since antiquity, are systems that are capable of performing the fermentation of organic compounds. Nowadays, they are widely applied due to its diversity of applications. These systems can operate in different fermentation modes: continuous, fed-batch and batch. This last fermentation method along with the process of anaerobic digestion allow organic matter to be degraded and converted into biogas, which is a key factor for clean energy generation. It is thus realized that the study of bioreactors in batch mode and anaerobic digestion process is crucial to the development of research related to renewable energy generation. For a better understanding of the process, some authors have proposed studies based on parameters identification in descriptive nonlinear models, white-box models, which are widely used in bioreactors modeling. The main limitation of this approach is that the system identification procedure using these models can be complex and time-consuming, or even the parameters of the systems may not be identifiable. In order to overcome these difficulties, we propose in this work the use of black-box polynomial models for bioreactor modeling in batch mode, with NAR and NARMA model structures. Black-box models represent real systems using its output, without explicitly considering the inner mechanisms of the system, simplifying the identification procedure. Thus, the aim of this work is to investigate the prediction and monitoring methane production using the black-box models proposed using bioreactor systems in batch and anaerobic digestion process. The investigation uses numerical simulation and experimental data. At first, polynomial models of the types NAR and NARMA are proposed. The parameters from these models using simulation data with and without noise at the output, based on initial conditions proposed in the literature, are estimated. Subsequently we perform validations of these models. The next step is the study of the validity domain of the proposed black-box models, which is performed by testing many different initial conditions of the system that represents bioreactors in batch fermentation mode. Finally, we used real experimental data to perform the estimation of the parameters from the process and validation of models. The results, both simulated and experimental, indicate that the polynomial models NAR and NARMA are appropriate for prediction of methane fermentation in batch bioreactors.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental
A engenharia de tecidos combina células humanos, materiais e engenharia de modo a induzir respostas biológicas com o objetivo de proporcionar uma regeneração rápida e correta do tecido danificado. O uso de matrizes tridimensionais (3D) para suportar o crescimento celular, ao contrário dos convencionais materiais 2D, é de grande importância para a simulação da organização estrutural de tecidos biológicos. Outros aspetos da matriz extracelular (ECM), para além da sua arquitetura são conhecidos por afetar a resposta celular. Fatores biomecânicos apresentados às células através das proteínas da ECM influenciam a adesão celular e fenómenos tais como manutenção do fenótipo, diferenciação celular e proliferação. Estudos in vitro muitas vezes falham na apresentação de fatores fisiológicos que incluem dinâmica de fluidos, o qual pode levar a uma correta oxigenação do biomaterial com células incorporadas, bem como a fenómenos de mecanotransdução. Neste trabalho, propomos um sistema que revela o efeito de 32 combinações de proteínas da ECM na adesão e expressão da alcalina fosfatasse (ALP) em células estaminais derivadas da coluna óssea (MSCs), tanto em ambiente estático como dinâmico. Um bioreator foi desenhado de modo a permitir um estudo high-throughput, para que fossem analisadas 32 combinações biomaterial-célula simultaneamente. Este bioreactor foi construído a partir de material de laboratório comum e de baixo custo (incluindo tubos e seringas descartáveis). As MSCs foram semeadas em scaffolds de quitosano poroso, modificado covalentemente com proteínas da ECM do osso, assim como proteínas responsáveis por contacto célula-célula e componentes do esmalte. Uma análise fatorial permitiu correlacionar a presença das várias combinações proteicas com melhor adesão celular ao biomaterial, assim como uma expressão de ALP após 24 horas e 5 dias de cultura. Os dados foram analisados tanto para ambiente estático, como dinâmico na presença de um pequeno fluxo, previamente comprovado como potenciador da diferenciação osteogénica de MSCs. O sistema desenvolvido foi útil na interpretação da grande complexidade das interações célula-ECM, e poderá ter possível aplicação no desenvolvimento de biomateriais para regeneração óssea, bem como em futuras aplicações como modelos de doença.
Tissue engineering combines human cells, materials and engineering to induce biological responses seeking the rapid and accurate healing of damaged tissues. The use of three-dimensional (3D) matrices to support cellular growth, in opposition to traditionally used two dimensional (2D) materials, are of utmost importance to emulate the structural organization of biological tissues. Other aspects of the extracellular matrix (ECM) beyond its architecture are known to affect cell response. The biochemical cues presented to cells by ECM proteins influence cell adhesion and phenomena as cell phenotype maintenance, cell differentiation and proliferation. In vitro studies often lack physiological-like cues that include slow fluid dynamics, which may impair the correct oxygenation of the biomaterial-cells construct. Here, we engineered a system to disclose the effect of 32 different ECM protein combinations on the adhesion and alkaline phosphatase (ALP) expression of bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs), both under static and flow perfusion conditions. A novel bioreactor was designed to enable a high-throughput study, that allowed to withdraw data from 32 biomaterial-cell combinations in one single test. The bioreactor was assembled from widely available affordable labware (including plastic tubes and disposable syringes). MSCs were seeded on chitosan porous scaffolds covalently modified with bone ECM proteins, as well as cell-cell contact proteins and enamel components. A factorial analysis study allowed correlating the presence of single and combinations of proteins with improved cell adhesion to biomaterials, as well as improved ALP quantification after 24 hours and 5 days of culture. The data was analyzed both for static culture conditions, as well as in the presence of a slow perfusion rate, previously shown to potentiate MSCs osteogenic differentiation. The developed system has proven to be useful in the interpretation of the wide complexity of cells-ECM interactions, and may find application in the development of biomaterials for tissue regeneration or as disease model platforms.

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Luiz Fernando de Lima Luz Junior
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química
Made available in DSpace on 2018-08-24T13:41:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RiosPinto_LuisaFernanda_D.pdf: 4599056 bytes, checksum: 80a3191a923471837068d7b5f547c19e (MD5) Previous issue date: 2014
Resumo: Atualmente, a destruição ambiental devido à exploração inapropriada dos recursos naturais não renováveis, o aquecimento global, e a contaminação da biosfera causada, principalmente, pela globalização e um crescimento tecnológico acelerado, tem levado ao desenvolvimento de diversos combustíveis de fontes de energia renováveis, que sejam capazes de manter ou superar a eficiência dos hidrocarbonetos fósseis. Neste cenário, se deu o desenvolvimento do biodiesel, um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, o qual, na sua combustão, libera menos gases tóxicos, como são os óxidos de enxofre e nitrogênio. O biodiesel pode ser produzido a partir de gorduras animais, óleos vegetais ou biomassa. A fim de reduzir os custos da produção do biodiesel, matérias primas como os lipídios vêm sendo estudadas. Neste contexto, as microalgas oferecem uma série de vantagens como fonte de lipídios, como por exemplo, altas taxas fotossintetizantes, alta produção de biomassa e um rápido crescimento, se comparado, principalmente, com outras fontes de óleo vegetal. Neste trabalho, foi realizado o estudo do crescimento da microalga Desmodesmus sp. sob condição autotrófica, mixotrófica e heterotrófica com o objetivo de obter maior teor de lipídios na célula da microalga, visando a produção de biodiesel. Nas condições autotróficas, se obteve um crescimento de 53,1 Mcélulas mL-1. No cultivo mixotrófico, conseguiram-se 181 Mcélulas mL-1 e no heteretrófico atingiu-se 298 Mcélulas mL-1, todos no sexto dia de cultivo. As porcentagens de lipídios foram de 23%, 25% e 17% (m/m) da biomassa para o cultivo autotrófico, mixotrófico e heterotrófico, respectivamente. O óleo extraído do cultivo autotrófico, foi caracterizado via cromatografia gasosa e, a partir desta análise, produziu-se um óleo sintético (mistura de óleos vegetais e animais) com as características semelhantes da microalga para realizar a cinética da reação de transesterificação, num reator em batelada. A produção de biodiesel foi feita por transesterificação ácida, com excesso de etanol. O tempo de reação foi de 24 horas e obteve-se 90% de ésteres produzidos
Abstract: Currently, environmental destruction caused by inappropriate exploitation of non-renewable natural resources, global warming, and pollution of the biosphere caused mainly by globalization and accelerated technological growth has led to the development of various fuels from renewable source, which are able to maintain or exceed the effectiveness of fossil hydrocarbons. Biodiesel, a biodegradable fuel derived from renewable source, which releases less toxic gases such as sulfur and nitrogen oxides in its combustion. Biodiesel can be obtained from animal fats, vegetable oils or biomass. In order to reduce the cost of biodiesel production, raw materials such as lipids have been studied. In this context, microalgae offer a number of advantages as a source of fat, such as high photosynthetic rates, high biomass, and fast growth rate, compared to other sources of vegetable oil. The objective of this work was to study the autotrophic, mixotrophic and heterotrophic growths of microalgae Desmodesmus sp in order to optimize the levels of lipids in the microalgae cell to produce biodiesel. In autotrophic conditions, it was observed 5.31x107 cells ml-1; in mixotrophic were achieved 1.81x108 cells ml-1; and in heterotrophic reached 2.98x108 cells ml-1 were reached after sixth day of cultivation. The percentages of lipids of biomass for autotrophic, heterotrophic mixotrophic cultivation were 23%, 25% and 17% (m/m) respectively. Oil extracted from autotrophic cultivation was characterized via gas chromatography. A synthetic oil (mixture of vegetable and animal oils) with similar characteristics to the microalgae was used to perform the transesterification kinetics in a batch reactor. The production of such biodiesel was performed under acid conditions with excess of ethanol for 24 hours yielding 90% product
Doutorado
Desenvolvimento de Processos Químicos
Doutora em Engenharia Quimica

Con el aumento de la población y de la demanda de bienes y servicios a escala global, se ha producido un deterioro en la calidad y disponibilidad del agua, poniendo de manifiesto la necesidad inminente de un cambio de mentalidad en la sociedad. Este cambio debe incluir, tanto la intensificación de las disposiciones legales que permitan prevenir la contaminación, como el desarrollo e implementación de tecnologías de depuración más eficaces, sostenibles y respetuosas con el ambiente. En la actualidad, en la mayoría de países desarrollados el tratamiento de aguas residuales urbanas está basado en los sistemas de fangos activados como tratamiento principal. Estos sistemas se caracterizan por presentar un elevado consumo energético y una alta generación de fango biológico, que debe ser sometido a algún tratamiento de estabilización previo a su reutilización o disposición final. Una alternativa a estas tecnologías son los sistemas basados en procesos anaerobios, cuya implementación supone mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario superar las limitaciones asociadas a las bajas velocidades de crecimiento de la biomasa anaerobia (en comparación con los microorganismos aerobios) y a la baja eficacia en la separación de la biomasa mediante procesos de sedimentación. La combinación del proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica con un proceso de filtración con membranas, permite superar los inconvenientes mencionados, pudiéndose establecer tiempos de retención celular elevados sin necesidad de incrementar el volumen de reacción y obtener un efluente de alta calidad. Una de las ventajas de los sistemas anaerobios es la recuperación de parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Sin embargo, cuando hay presencia de sulfato en el medio se desarrollan bacterias sulfatorreductoras, las cuales compiten por los sustratos, reduciéndose la eficiencia en la conversión de materia orgánica a metano, y generando sulfuro de hidrógeno (sulfurogénesis), que inhibe los procesos biológicos y disminuye la calidad del biogás generado. Debido a la importancia que tiene el proceso de sulfurogénesis en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, varios autores han propuesto modelos matemáticos que incluyen los procesos biológicos, físicos y químicos asociados a las bacterias sulfatorreductoras. Sin embargo, no existe un modelo global que permita simular en conjunto los procesos que tienen lugar tanto en la línea de agua como en la de fango, y donde esté incluido este proceso. También es destacable la ausencia de una metodología sistemática para la calibración de los parámetros de los modelos anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con elevado contenido de sulfato. Con este fin, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir el proceso biológico de sulfurogénesis y se ha propuesto una metodología de calibración de los parámetros. El modelo desarrollado ha sido incorporado al modelo global Biological Nutrient Removal Model No. 2 (BNRM2). Tanto el modelo como la metodología de calibración han sido validados mediante simulación con el programa DESASS, comparando los resultados predichos por el modelo con los valores experimentales obtenidos en un biorreactor anaerobio de membranas a escala demostración
Durán Pinzón, F. (2013). Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas incluyendo las bacterias sulfatorreductoras. Aplicación a un biorreactor anaeroio de membranas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34778
TESIS

In this Doctoral Thesis the study of the influence of the operating parameters of the activated sludge process on the physical and chemical characteristics of the mixed liquor, from different membrane bioreactors (MBR), has been carried out. In addition, an optical characterization of the mixing liquor has been performed. In order to achieve the above mentioned aim, samples of the mixed liquor from an MBR treating municipal wastewater were first analysed and then, the characteristics of two MBR mixed liquors treating the leachates from two treatment plants of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) were evaluated. It is noteworthy that the difference between the two industrial MBR lies on the feeding (inlet) to the MBR, which is determined by the treatment performed to the OFMSW, since one of them consists of a wet anaerobic digestion (MBR-LS) and the other of a dry anaerobic digestion (MBR-HS), so that the latter leachate contains higher concentration of suspended solids in its composition. For the chemical characterization of the mixture liquor, the extracellular polymeric substances (EPS) have been analysed. EPS are formed by the sum of extracted extracellular polymeric substances (eEPS) and soluble microbial products (SMP). These substances are considered the main cause of membranes fouling in MBRs and are basically formed by proteins and polysaccharides, which can be both attached to the cell wall and outside the cell, in form of eEPS or SMP. Regarding the physical characterization, in particular it has been analysed and studied the effect on the membrane fouling of the total and volatile suspended solids, the viscosity, the capillary suction time and the particle size, measured through the resistance to filtration. Finally, in the municipal MBR, cell viability with epifluorescence microscopy has been studied, as well as the main components of EPS have been stained by two different methods. In addition, a statistical study has evaluated the effect of the main operating parameters of the MBR on the characterization parameters of the mixed liquor. By means of least squares regression, the operational parameters that influence SMP production in industrial MBR have been studied. The study was completed by evaluating the fouling of an ultrafiltration membrane with proteins extracted from EPS and subsequently purified with ammonium sulphate at different pH values. To this end, different synthetic proteins (bovine serum albumin, casein, haemoglobin and lysozyme) were first analysed and then compared with the proteins extracted from the mixed liquor. Membrane fouling with purified eEPS proteins has also been studied along with sodium alginate added in the same concentration as the proteins. The results obtained demonstrate, firstly, that SMP play an important role in the membrane fouling. The concentration of proteins has been considerably higher than that of carbohydrates both in SMP and in eEPS, although SMP influenced to a greater extent on the filtration of the activated sludge. In addition, it is shown that bacteria under stress conditions, caused for example by increase in conductivity, increase the production of SMP, and therefore, membrane fouling increases. On the other hand, it is concluded that a low hydraulic retention time favours a high carbohydrates concentration and consequently drives to an increase in the viscosity and capillary suction time, also increasing the membrane fouling.
En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo el estudio de la influencia de los parámetros de operación del proceso de fangos activos en las características físicas y químicas de los licores de mezcla, procedentes de diferentes biorreactores de membrana (MBR). Además, se ha realizado una caracterización óptica del licor de mezcla. Para ello, en primer lugar se tomaron muestras del licor de mezcla de un MBR que trata aguas residuales urbanas y, a continuación, se evaluaron las características de los licores de mezcla de dos MBR que tratan los lixiviados procedentes de dos plantas de tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU). Cabe destacar que la diferencia entre los dos MBR industriales radica en la alimentación (afluentes) al MBR, que viene determinada por el tratamiento que se realiza a la FORSU, ya que uno de ellos consiste en una digestión anaerobia en vía húmeda (MBR-LS) y, el otro, en una digestión anaerobia en vía seca (MBR-HS), por lo que este último lixiviado contiene mayor concentración de sólidos en suspensión en su composición. Para la caracterización química del licor de mezcla, se han analizado las sustancias poliméricas extracelulares (EPS), formadas por la suma de las sustancias poliméricas extracelulares extraídas (eEPS) y los productos solubles microbianos (SMP). Estas sustancias se consideran las principales causantes del ensuciamiento de las membranas del MBR y están formadas básicamente por proteínas y polisacáridos, los cuales pueden estar tanto adheridos a la pared celular como fuera de la célula, en forma de eEPS o SMP. En cuanto a la caracterización física, en concreto se ha analizado y estudiado el efecto en el ensuciamiento de las membranas de los sólidos en suspensión totales y volátiles, la viscosidad, el tiempo de succión capilar y el tamaño de partícula, medido a través de las resistencias a la filtración. Finalmente, en el MBR urbano se ha estudiado la viabilidad celular con microscopía de epifluorescencia, así como se han teñido para su caracterización óptica los principales componentes de las EPS por dos métodos distintos. Además, mediante un estudio estadístico se ha evaluado el efecto de los principales parámetros de operación de los MBR sobre los parámetros de caracterización del licor de mezcla. Mediante regresión por mínimos cuadrados se han estudiado los parámetros operacionales que influyen en la producción de SMP en los MBR industriales. El estudio se ha completado evaluando el ensuciamiento de una membrana de ultrafiltración con proteínas extraídas de las EPS y posteriormente purificadas con sulfato amónico, a diferentes valores de pH. Para ello, en primer lugar se han caracterizado diferentes proteínas sintéticas (albúmina de suero bovino, caseína, hemoglobina y lisozima) para compararlas con las proteínas extraídas del licor de mezcla. También se ha estudiado el ensuciamiento de la membrana con las proteínas purificadas de las eEPS junto con alginato de sodio en la misma proporción. Los resultados obtenidos demuestran en primer lugar que los SMP juegan un papel importante en el ensuciamiento de las membranas. Tanto en su composición como en la de las eEPS, la concentración de proteínas determinada ha sido considerablemente mayor que la de carbohidratos, si bien éstos influyen incluso en mayor medida en la filtrabilidad del fango activo. Además, se demuestra que las bacterias bajo condiciones de estrés, causado por ejemplo por aumento de conductividad, aumentan la producción de SMP, y por tanto, se incrementa el ensuciamiento de las membranas. Por otro lado, se concluye que un tiempo de retención hidráulico bajo favorece una concentración elevada de carbohidratos y consecuentemente provoca un aumento de la viscosidad y el tiempo de succión capilar, aumentando también el ensuciamiento de la membrana.
En la present Tesi Doctoral s'ha dut a terme l'estudi de la influència dels paràmetres d'operació del procés de fangs actius en les característiques físiques i químiques de licors de mescla, procedents de diferents biorreactors de membrana (MBR). A més, s'ha realitzat una caracterització òptica del licor de mescla. Per a això, en primer lloc es van prendre mostres del licor de mescla d'un MBR que tracta aigües residuals urbanes i, a continuació, es van avaluar les característiques dels licors de mescla de dos MBR que tracten els lixiviats procedents de dues plantes de tractament de la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORSU). Cal destacar que la diferència entre els dos MBR industrials radica en l'alimentació (afluents) al MBR, que ve determinada pel tractament que es realitza a la FORSU, ja que un d'ells consisteix en una digestió anaeròbia en via humida (MBR-LS) i, l'altre, en una digestió anaeròbia en via seca (MBR-HS), per la qual cosa este últim lixiviat conté major concentració de sòlids en suspensió en la seua composició. Per a la caracterització química del licor de mescla, s'han analitzat les substàncies polimèriques extracel¿lulars (EPS), formades per la suma de les substàncies polimèriques extracel¿lulars extretes (eEPS) i els productes solubles microbians (SMP). Estes substàncies es consideren les principals causants de l'embrutiment de les membranes del MBR i estan formades bàsicament per proteïnes i polisacàrids, els quals poden estar tant adherits a la paret cel¿lular com fora de la cèl¿lula, en forma d'eEPS o SMP. Quant a la caracterització física, en concret s'ha analitzat i estudiat l'efecte en l'embrutiment de les membranes dels sòlids en suspensió totals i volàtils, la viscositat, el temps de succió capil¿lar i la grandària de partícula, mesurat a través de les resistències a la filtració. Finalment, en el MBR urbà s'ha estudiat la viabilitat cel¿lular amb microscòpia d'epifluorescència, així com s'han tenyit per a la seua caracterització òptica els principals components de les EPS per dos mètodes distints. A més, per mitjà d'un estudi estadístic s'ha avaluat l'efecte dels principals paràmetres d'operació dels MBR sobre els paràmetres de caracterització del licor de mescla. Per mitjà de regressió per mínims quadrats s'han estudiat els paràmetres operacionals que influeixen en la producció de SMP en els MBR industrials. L'estudi s'ha completat avaluant l'embrutiment d'una membrana d'ultrafiltració amb proteïnes extretes de les EPS i posteriorment purificades amb sulfat amònic, a diferents valors de pH. Per a això, en primer lloc s'han caracteritzat diferents proteïnes sintètiques (albúmina de sèrum boví, caseïna, hemoglobina i lisozima) per a comparar-les amb les proteïnes extretes del licor de mescla. També s'ha estudiat l'embrutiment de la membrana amb les proteïnes purificades de les eEPS junt amb alginat de sodi en la mateixa proporció. Els resultats obtinguts demostren en primer lloc que els SMP juguen un paper important en l'embrutiment de les membranes. Tant en la seua composició com en la de les eEPS, la concentració de proteïnes determinada ha sigut considerablement major que la de carbohidrats, si bé estos influeixen inclús en major grau en la filtrabilidad del fang actiu. A més, es demostra que els bacteris baix condicions d'estrès, causat per exemple per augment de conductivitat, augmenten la producció de SMP, i per tant, s'incrementa l'embrutiment de les membranes. D'altra banda, es conclou que un temps de retenció hidràulic baix afavoreix una concentració elevada de carbohidrats i conseqüentment provoca un augment de la viscositat i el temps de succió capil¿lar, augmentant també l'embrutiment de la membrana.
Zuriaga Agustí, E. (2017). Influencia de las características físicas y químicas del licor de mezcla en Bioreactores de Membrana y su correlación con los parámetros de operación en aguas residuales urbanas e industriales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90512
TESIS

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica, Especialidade em Engenharia Bioquímica
Os biorreactores de membranas (MBRs, ‘membrane bioreactors’) para o tratamento de águas residuais combinam o processo de lamas activadas com um passo de filtração para obtenção de um efluente limpo, livre de sólidos. Os MBRs representam uma tecnologia em expansão no tratamento de águas residuais sobretudo devido ao reduzido espaço que requerem e à elevada qualidade do efluente obtido. No entanto, a colmatação das membranas pode reduzir o desempenho do MBR. Por este motivo, no presente trabalho, pretendeu-se estudar a monitorização dos MBRs, com o objectivo de minimizar o número de parâmetros de monitorização necessários para descrever o desempenho do processo e obter uma monitorização em tempo real com recurso mínimo a técnicas laboratoriais demoradas. Para este fim, estudou-se a aplicabilidade da fluorescência bidimensional em meios biológicos complexos, tais como as lamas activadas utilizadas para o tratamento de águas residuais. A fluorescência bidimensional mostrou ser uma técnica abrangente, capaz de recolher informação relevante sobre o estado do sistema em tempo real. Devido à complexidade da informação contida nos espectros de fluorescência, usaram-se técnicas de estatística multivariada, tais como análise de componentes principais e projecção de estruturas latentes (PLS, ‘projection to latent structures’), para extrair a informação dos espectros e correlacioná-la com parâmetros de operação e de desempenho do MBR. O uso de modelos estatísticos permitiu a previsão de parâmetros chave para o desempenho do MBR usando somente dados de processo impostos ou facilmente adquiríveis em tempo real. Adicionalmente, a modelação estatística foi combinada com um modelo mecanístico, numa estrutura híbrida, de forma a melhorar a previsão mecanística. Este estudo demonstrou ser possível usar modelos PLS para incorporar dados de fluorescência obtidos em tempo real, de modo a melhorar a previsão mecanística sem requerer análises laboratoriais adicionais.

Una línea celular de B. cordata fue cultivada en dos biorreactores agitados mecánicamente operados a 120 y 400 rpm; uno equipado con un difusor en anillo (codificado como B2-DA), mientras que el otro con difusor sinterizado (codificado como B3-DS). El biorreactor B2-DA operado a 400 rpm fue en el que se obtuvo la mayor producción de biomasa (13.62 g PS/L), así como de metabolitos secundarios tipo fenólico (MSTF: fenoles, flavonoides y feniletanoides glicosilados totales, 63.63 mg Equivalentes de Ácido Gálico/g, 5.02 mg Equivalentes de Quercetina/g y 119.24 mg Equivalentes de Verbascósido/g, respectivamente). Este sistema potenció tanto la producción de biomasa como la de MSTP, al compararse con el cultivo de CCS de B. cordata en matraz.
Los recursos vegetales son utilizados día a día por la población. Los usos son variados desde la alimentación, hasta la obtención de productos, como insecticidas, cosméticos, pigmentos y productos de importancia y uso medicinal. En México, el uso de plantas en la medicina tradicional está arraigado entre la población; dicho conocimiento recibe el nombre de herbolaria. Las plantas medicinales generalmente son recolectadas de su hábitat natural, lo que puede generar sobreexplotación. Además, las actividades antropogénicas contribuyen al deterioro de los recursos vegetales. Por lo tanto, es necesario encontrar alternativas sustentables que permitan la conservación de especies medicinales. El cultivo de tejidos vegetales (CTV) en biorreactor representa una alternativa eco sustentable para la obtención de metabolitos secundarios (MS) bioactivos, ya que es una herramienta biotecnológica que permite obtener los compuestos activos de las plantas sin socavar los recursos naturales. Un cultivo en biorreactor representa un paso importante hacia la producción comercial de compuestos de importancia industrial. Buddleja cordata es una planta utilizada en la medicina tradicional mexicana, la cual produce metabolitos secundarios del tipo fenólico (MSTF) a los cuales se les atribuye su propiedad curativa. Los cultivos de células en suspensión de B. cordata en matraces fueron capaces de producir verbascósido en alta concentración (116 mg/g~1.44 g/L), además de tener un tiempo de duplicación de 3.56 días, biomasa máxima de 12.9 g/L demostrado ser viable para su establecimiento en biorreactor. El objetivo del presente trabajo fue establecer un cultivo de células en suspensión (CCS) de B. cordata en biorreactor, como estrategia al manejo sustentable del recurso natural. Una línea celular de B. cordata fue cultivada en dos biorreactores agitados mecánicamente operados a 120 y 400 rpm; uno equipado con un difusor en anillo (codificado como B2-DA), mientras que el otro con difusor sinterizado (codificado como B3-DS). El biorreactor B2-DA operado a 400 rpm fue en el que se obtuvo la mayor producción de biomasa (13.62 g PS/L), así como de metabolitos secundarios tipo fenólico (MSTF: fenoles, flavonoides y feniletanoides glicosilados totales, 63.63 mg Equivalentes de Ácido Gálico/g, 5.02 mg Equivalentes de Quercetina/g y 119.24 mg Equivalentes de Verbascósido/g, respectivamente). Este sistema potenció tanto la producción de biomasa como la de MSTP, al compararse con el cultivo de CCS de B. cordata en matraz.
Universidad Autónoma del Estado de México

ABSTRACT: Title: "FORWARD OSMOSIS APPLIED IN PROCESSES OF SEPARATION AND CONCENTRATION OF WASTEWATER TREATMENT SLUDGE" Forward osmosis is a membrane technique that allows the concentration of solutions or dilution of other solutions, simultaneously. As this technique has the advantage of working without applying pressure (the driving force is the osmotic pressure difference between both sides of the membrane) and also new membranes that works at higher flux are been developing, nowadays researchers are looking for new applications for forward osmosis. On the other hand, the management of wastewater sludge from municipal wastewater treatment plants could represent environmental risk as well as a great economic impact, as the cost of this sludge treatment is estimated at 60% of the total cost of wastewater treatment. This doctoral thesis has taken into account effluents of the sludge treatment and the activated sludge itself in order to be concentrated/separated by forward osmosis. In this doctoral thesis, tests have been performed in a lab-scale forward osmosis pilot plant in order to evaluate the feasibility of applying forward osmosis to the concentration of secondary sludge as well as nutrient concentration of digester centrate. To accomplish this, several wastewaters have been tested as draw solutions: fermentation brine from table olive processing, hide salting wastewater, brine from seawater desalination by reverse osmosis, and ammonium sulfate from ammonia absorption with sulfuric acid. On the other side, osmotic membrane bioreactors are being tested as an alternative to conventional membrane bioreactor that use ultra or microfiltration in torder to separate the biomass from the purified waster. Thus, in this doctoral thesis tests have been performed in a lab-scale osmotic membrane bioreactor in order to treat municipal wastewater. In the tests, two types of commercial available membranes (HTI CTA NW and HTI CTA ES) and other membranes still in development stage (Aquaporin In-side). The results show that: 1) "Aquaporin Inside" membrane is the most suitable membrane for nutrient concentration of digester centrate in terms of reverse salt flux and permeate of water flux. 2) HTI CTA ES membrane is fouled in a greater extent than HTI CTA NW membrane when digester centrate is used as feed solution. 3) Hide salting wastewater fouls the membrane to a greater extent than fermentation brine of table olives. 4) When used as draw solution, ammonia sulfate wastewater produces more water flux than brine from reverse osmosis desalination. 5) The volume of the activated sludge was reduced by a factor of 4.32. 6) Osmotic membrane bioreactor could achieve high COD removal efficiencies (70-100%) attaining the aimed wastewater purification.
RESUMEN: Título: "APLICACIÓN DE LA ÓSMOSIS DIRECTA EN PROCESOS DE SEPARACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE FANGOS DE DEPURACIÓN" La ósmosis directa es una técnica de membrana que permite concentrar unas disoluciones o diluir otras y que, además, permite hacerlo simultáneamente. Dado que esta técnica presenta las ventajas de operar sin necesidad de aplicar presión (la fuerza impulsora es la diferencia de presión osmótica entre ambos lados de la membrana) y se están desarrollando nuevas membranas que permiten operar a una mayor densidad de flujo de permeado, actualmente se están buscando nuevas aplicaciones para esta técnica, es decir, se están considerando nuevas disoluciones de alimento que concentrar y nuevas disoluciones de arrastre que diluir. Por otra parte, la gestión de fangos de depuración procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas supone un reto medioambiental así como un gran impacto económico, pues se considera que el 60% del coste total de tratamiento de aguas residuales se corresponde con la gestión de estos fangos. En la presente Tesis Doctoral se han tenido en consideración corrientes de la línea de fangos o el fango activo en sí para su concentración/separación mediante ósmosis directa. En la presente Tesis Doctoral se han realizado ensayos con una planta de ósmosis directa a escala de laboratorio para evaluar la viabilidad de la aplicación de la ósmosis directa a la concentración de fangos secundarios y también a la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga. Para ello se han utilizado como disoluciones de arrastre varias corrientes residuales industriales reales: salmuera de fermentación del procesado de la oliva de mesa, residuo de conservación de pieles no curtidas, salmuera procedente de un proceso de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa y un residuo con sulfato amónico procedente de un proceso de absorción de amoniaco con ácido sulfúrico. Por otro lado, los biorreactores osmóticos de membrana se están probando como alternativa en determinadas aplicaciones de depuración a los biorreactores de membrana tradicionales existentes en depuradoras de aguas residuales urbanas, los cuales utilizan ultrafiltración o la microfiltración para separar la biomasa del agua depurada. Por ello, en la presente Tesis Doctoral también se ha experimentado con un biorreactor osmótico de membrana, a escala de laboratorio, con el fin de depurar agua residual urbana. En los ensayos se ha utilizado dos membranas de ósmosis directa existentes en el mercado (HTI CTA NW y HTI CTA ES) y otra aún en fase de desarrollo (Aquaporin Inside). Los resultados obtenidos indican: 1) Que a la vista de la caracterización de las membranas, la membrana tipo "Aquaporin Inside" es la más adecuada de las tres ensayadas para la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga teniendo en cuenta su bajo paso inverso de sales y la densidad de flujo de permeado que produce. 2) Que la membrana tipo HTI CTA ES se ensucia más que la HTI CTA NW cuando se utiliza escurrido de centrífuga como disolución de alimento. 3) Que el residuo de conservación de pieles no curtidas provoca más ensuciamiento sobre la membrana que la salmuera de fermentación del procesado de la oliva. 4) Que, como disolución de arrastre, el residuo de sulfato amónico produce una densidad de flujo de permeado similar a la de la salmuera de rechazo de proceso de ósmosis inversa, a pesar de la mayor conductividad eléctrica del primero. 5) Que el volumen del fango secundario se consiguió reducir en un factor de 4.32 veces. 6) Que el biorreactor osmótico alcanzó rendimientos de eliminación de DQO elevados (70-100%) logrando así la correcta depuración del agua residual.
RESUM: Títol: "APLICACIÓ DE L'OSMOSI DIRECTA A PROCESSOS DE SEPARACIÓ I CONCENTRACIÓ DE FANGS DE DEPURACIÓ" L'osmosi directa és una tècnica que permet concentrar unes dissolucions o diluir-ne unes altres i que, a més, permet fer-ho simultàniament. Atès que aquesta tècnica presenta l'avantatge d'operar sense necessitat d'aplicar pressió (la força impulsora és la diferència de pressió osmòtica entre ambdós costats de la membrana) i s'estan desenvolupant noves membranes que permeten operar a una major densitat de flux de permeat, actualment s'estan cercant noves aplicacions per a aquesta tècnica, es a dir, s'hi estan considerant noves dissolucions d'aliment per concentrar i noves dissolucions d'arrossegament que diluir. Per altra part, la gestió de fangs de depuració procedents d'estacions depuradores d'aigües residuals urbanes suposa un repte mediambiental així com un gran impacte econòmic, ja que es considera que el 60% del cost total del trac-tament d'aigües residuals es correspon amb la gestió d'aquests fangs. En la present Tesi Doctoral s'han tingut en compte corrents de la línia de fangs o el fang actiu en sí per a la seua concentració/separació mitjançant osmosi directa. En la present Tesi Doctoral s'han fet assajos amb una planta d'osmosi directa a escala laboratori per a avaluar la viabilitat de la aplicació de l'osmosi directa a la concentració de fangs secundaris i també a la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació. Per això s'han utilitzat com a dissolucions d'arrossegament diversos corrents residuals industrials reals: salmorra de la fermentació del processament de l'oliva de taula, residu de conservació de pells no adobades, salmorra procedent d'un procés de dessalatge d'aigua de mar mitjançant osmosi inversa i un residu amb sulfat amònic procedent d'un procés d'absorció d'amoníac amb àcid sulfúric. Per altra part, els bioreactors osmòtics de membrana s'estan provant com alternativa en determinades aplicacions de depuració als bioreactors de membrana tradicionals existents en depuradores d'aigües residuals urbanes, les quals utilitzen ultrafiltració o la microfiltració per a separar la biomassa de l'aigua depurada. Per tant, en la present Tesis Doctoral també s'ha experimentat amb un bioreactor osmòtic de membrana, a escala de laboratori, amb la finalitat de depurar l'aigua residual urbana. Als assajos han emprat dues membranes d'osmosi directa existents en el mercat (HTI CTA NW y HTI CTA ES) i una altra en fase de desenvolupament (Aquaporin Inside). Els resultats obtinguts indiquen que: 1) En vista de la caracterització de les membranes, la membrana tipus "Aquaporin Inside" és la més adequada de les tres assajades per la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació tenint en compte el baix pas invers de sals i la densitat de flux de permeat que produeix. 2) La membrana tipus "HTI CTA ES" s'embruta més que la "HTI CTA NW" quan s'utilitza escorreguda de centrífugació com a dissolució d'aliment. 3) El residu de conservació de pells no adobades produeix més embrutiment sobre la membrana que la salmorra de fermentació del processament de l'oliva. 4) Com a dissolució d'arrossegament, el residu de sulfat amònic produeix una densitat de flux de permeat similar a la salmorra de rebuig de procés d'osmosi inversa, a pesar de la major conductivitat elèctrica del primer. 5) El volum de fang secundari es va aconseguir reduir en un factor de 4.32 voltes. 6) El biorreactor osmòtic va assolir rendiments d'eliminació de DQO elevats (70-100%) i va aconseguir la correcta depuració de l'aigua residual.
Soler Cabezas, JL. (2017). Aplicación de la ósmosis directa en procesos de separación y concentración de fangos de depuración [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86173
TESIS

La demanda mundial de agua ha ido aumentando y seguirá creciendo de manera significativa en los próximos años en función del aumento de la población, del desarrollo económico y los cambios en los patrones de consumo, entre otros factores. Los niveles extremadamente bajos de tratamiento de las aguas residuales en los países con ingresos medios-altos y medios-bajos, y la reducción del agua disponible muestran la imperiosa necesidad de realizar mejoras tecnológicas para contar con opciones seguras para la reutilización del agua. La composición de las aguas residuales municipales puede variar notoriamente, debido a la gran diversidad de contaminantes liberados por las distintas fuentes domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Los hábitos de consumo de la sociedad actual generan una serie de contaminantes en el agua residual que anteriormente no eran conocidos y/o no detectados. Estos microcontaminantes (MCs) se introducen a diario en el medio ambiente en muy bajas concentraciones, principalmente a través de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) actuales. El constante aumento en el uso de MCs requiere tecnologías de tratamiento más eficientes para lograr su reducción o eliminación en las aguas residuales. En las grandes y medianas aglomeraciones urbanas el procedimiento más habitual para el tratamiento de los vertidos líquidos es el de lodos activados, en sus distintas modalidades, que desde sus primeras aplicaciones a principios del siglo XX se ha convertido en el tratamiento mundialmente más extendido. No obstante, con el objetivo de mejorar la calidad del efluente obtenido en este tratamiento convencional y promover su reutilización, en los últimos años se intensificaron las investigaciones de otras posibles tecnologías para el tratamiento de las aguas residuales. La tecnología MBR (Membrane Biological Reactor o Membrane Bioreactor) es conocida por producir efluentes de elevada calidad y eliminar eficazmente una amplia gama de MCs, incluidos algunos compuestos que son resistentes al proceso de lodos activados y otros procesos convencionales. Los MBR incluyen dos procesos principales: la unidad biológica, responsable de la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual (biodegradación), y la unidad de filtración, encargada de llevar a cabo la separación sólido-líquido del licor mezcla. En el campo de tratamiento de aguas residuales, los MBR son muy valorados por sus ventajas, aunque también presentan algunos inconvenientes. A pesar de los numerosos avances tecnológicos logrados a lo largo de los años, el ensuciamiento de la membrana sigue siendo uno de los mayores desafíos en la aplicación de esta tecnología. Esta desventaja se debe a múltiples causas, principalmente derivados de las características de las membranas, de la biomasa y del afluente, así como de las condiciones de operación. Estudios recientes reportan que para incrementar la eliminación de los contaminantes más recalcitrantes se puede combinar este proceso con otras tecnologías. Así, algunos trabajos realizados en casi su totalidad con aguas sintéticas, demuestran que la integración de procesos electroquímicos (electrocoagulación, EC) con la tecnología MBR ofrece prometedoras ventajas. La electrocoagulación es una tecnología bastante conocida y utilizada desde hace muchos años principalmente en el tratamiento de aguas residuales industriales. El proceso se lleva a cabo mediante la generación in situ de coagulantes debido a la aplicación de una corriente eléctrica que provoca la oxidación electrolítica de un material anódico apropiado, comúnmente de aluminio o de hierro. En este sentido surge un sistema innovador, el Electro-Biorreactor de Membrana (EMBR) que combina las ventajas de las tecnologías MBR (tratamiento biológico y filtración de membrana) y electrocoagulación. La aplicación de la EC puede ser capaz de reducir la adhesión de sustancias en la superficie de la membrana y mejorar la eficiencia de eliminación de diversos contaminantes. Esta investigación aborda la puesta en marcha y operación de un EMBR piloto para el tratamiento de aguas residuales reales, con el objetivo general de verificar si se reduce el ensuciamiento de la membrana, en relación con un MBR sin electrocoagulación, y si se mejora de la calidad del efluente. La planta piloto EMBR se ubicó en dos depuradoras distintas, realizándose por tanto la investigación en dos etapas, primero en la EDAR de Santomera (Murcia, España) y posteriormente en la EDAR de Monte Orgegia (Alicante, España). Se verificó de esta manera el comportamiento del EMBR con distintas características del afluente y factores estacionales. En la EDAR de Santomera, la planta piloto se alimentó con un agua residual municipal que incorpora un significativo componente industrial, mientras que en la EDAR de Monte Orgegia el agua residual urbana no tiene aporte industrial. La temperatura varió entre 12 y 30°C, el pH entre 6,7 y 8,0 y la conductividad entre 1.500 y 4.000 µS/cm. En las dos etapas de la investigación se evaluó el impacto de la densidad de corriente (DC) aplicada sobre la calidad del efluente, las propiedades del lodo y el ensuciamiento de la membrana, y los resultados fueron comparados con el sistema MBR convencional. Para analizar la calidad del efluente se verificó el grado de reducción de materia orgánica (DQO), nutrientes (nitrógeno total, amonio, fósforo total) y de un total de 22 microcontaminantes (9 fármacos, 4 parabenos, 3 hormonas, 2 surfactantes, 1 plastificante, 1 producto de higiene personal y 2 pesticidas). Respecto a las propiedades del lodo, se analizaron los parámetros biocinéticos, los bioindicadores, los sólidos suspendidos (MLSS), la viscosidad, el índice volumétrico (IVF), la morfología flocular y las sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Para la medición del ensuciamiento de la membrana se verificó la evolución de la presión transmembrana (PTM). Los resultados obtenidos en cada fase fueron contrastados mediante análisis estadístico. En relación a la mejora de calidad del efluente, los resultados demostraron que el sistema EMBR incrementó su calidad, principalmente respecto a la eliminación de fósforo, y los contaminantes carbamazepina, claritromicina y diclofenaco. En relación a la eficiencia en la reducción del ensuciamiento de la membrana, el sistema EMBR presentó un impacto positivo en las propiedades del lodo y consecuentemente en el ensuciamiento de la membrana. El índice volumétrico de fango (IVF), la viscosidad y las fracciones de proteínas y carbohidratos de las EPS solubles presentaron reducciones significativas respecto al MBR. Por su parte, se logró disminuir la PTM hasta un 73%, con una DC de 5 A/m2 lo que nos indica que con un bajo consumo energético (0,16 kWh/m3) es posible lograr una buena sinergia entre las tecnologías MBR y la electrocoagulación.

En muchas regiones del mundo con escasez de agua, la reutilización de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) se convierte en una alternativa cada vez más extendida y deseable. En los últimos años, gracias al desarrollo de técnicas analíticas avanzadas capaces de detectar contaminantes a muy baja concentración, se ha puesto en evidencia la presencia de microcontaminantes en los efluentes de las EDAR. Dado que las investigaciones recientes han demostrado que tienen efectos adversos sobre el medio ambiente y la salud humana, es necesario el uso de un tratamiento terciario para el refinado de estas aguas, a fin de evitar que los microcontaminantes (MCs) lleguen al agua de riego y a los cuerpos de aguas naturales. Se trata en muchos casos de sustancias de uso cotidiano como productos farmacéuticos y de cuidado personal, plastificantes, pesticidas, retardantes de llama, drogas de abuso, surfactantes, nanomateriales, entre otros. Todo ello probablemente relacionado con su uso masivo por parte de la población y por la deficiencia de los tratamientos biológicos actuales, que no fueron diseñados para hacer frente a este tipo de contaminantes. La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas, obteniendo un permeado de alta calidad con una elevada tasa de degradación de los microcontaminantes. No obstante, algunos son más refractarios al tratamiento MBR. Por lo tanto, es necesario un tratamiento adicional para la eliminación y la oxidación de compuestos refractarios, que pueden ser los procesos de oxidación avanzados (POA), que se basan principalmente en la generación de radicales hidroxilo (HO∙) con un alto potencial oxidativo y baja especificidad, capaces de mineralizar y degradar una gran variedad de compuestos orgánicos. Entre los POAs, la ozonización es un proceso en el que la oxidación puede tener lugar a través de vías directas e indirectas. Mientras que la vía directa de la oxidación se produce por medio de ozono molecular, durante la vía indirecta se produce a través del radical hidroxilo generado por la descomposición de ozono. En el caso de la fotólisis, que es un proceso en el que las moléculas de MCs sufren descomposición como resultado de la absorción de luz o radiaciones. Existen dos tipos de fotólisis: la fotólisis directa en la que la absorción directa de los fotones conduce a la degradación de los contaminantes y la fotólisis indirecta que se produce en presencia de fotosensibilizadores que absorben la luz y generan radicales oxigenados reactivos que realizan la degradación de la sustancia objetivo. Por otro lado, la optimización de las tecnologías existentes y el desarrollo de nuevas técnicas para el tratamiento, incluyendo la tecnología de membranas, la cual ha surgido como una importante innovación para el tratamiento y la recuperación de efluentes de EDAR. Durante los últimos años, esta tecnología ha recibido mucha atención por parte de investigadores y fabricantes, como resultado de una mejora de los materiales y técnicas de membranas, que proporcionan flujos más altos, una vida útil más larga, una disminución considerable del coste para la eliminación del ensuciamiento, etc. Además la separación de MCs del efluente tratado. El principal objetivo de la presente investigación es buscar un sistema que pueda eliminar/degradar los contaminantes emergentes de las aguas residuales, para ello se emplea un sistema combinado que consiste en una planta piloto de MBR, alimentada con aguas residuales sintéticas, de características similares a la urbana, para evaluar la eliminación de los MCs a diferentes edades del lodo. Los efluentes obtenidos se tratan mediante procesos adicionales de filtración (NF y OI), ozonización y radiación UV para eliminar los contaminantes refractarios, y su posterior comparación en cuanto a rendimiento de eliminación/degradación de los 30 MCs seleccionados. Para este estudio se utilizó un MBR a escala laboratorio de 90 L, con un módulo de membranas sumergido interno, fibra hueca de microfiltración, con un tamaño de poro de 0,4 µm y una superficie filtrante de 1 m2. El afluente utilizado es agua residual sintética dopada con los 30 microcontaminantes seleccionados, pertenecientes a las familias de triazinas, organoclorados, fármacos, hormonas, productos de cuidado personal, surfactantes, parabenos y plastificantes. Además se ha operado a tiempos de retención celular de 30 y 60 días. Para los post-tratamientos se utilizó un generador de ozono Modelo Anseros, COM-AD-01 con una generación efectiva de 4 g O3/h @ 100NL∙h-1, acoplado a una de columna de 0,75 L para el contacto ozono-agua. Para la realización del tratamiento UV se utiliza un fotoreactor con una lámpara de baja presión (LP) con una potencia regulable de 5-20 W de potencia con emisiones UV de 185 – 254 nm de la marca UV-Consulting peschl España. El sistema de filtración consiste en un módulo de células con agitación Amicon, los cuales son un soporte de filtros que posee juntas tóricas. A este módulo se le acoplaron membranas de NF (FILMTEC NF270) y OI (FILMTEC XLE-2521) con el objetivo de filtrar los efluentes del MBR. La mayoría de los compuestos han podido ser eliminado/degradado mediante el sistema MBR, Sin embargo algunos compuestos resultaron refractarios al tratamiento MBR como la simazina, atrazina, terbutilazina, linuron, alacloro y lindano, pertenecientes al grupo de triazinas y organoclorados, mientras que en el grupo de fármacos y hormonas, la carbamazepina, diclofenaco y 17-α-etinilestradiol son los compuestos refractarios al tratamiento MBR principalmente debido a sus condiciones hidrofílicas y a la persistencia de sus grupos funcionales. Según los resultados obtenidos en este estudio la dosis óptima para la ozonización es de 16 mg O3∙L-1, ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos superiores al 91% de eliminación de los compuestos refractarios, principalmente para los fármacos. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que la dosis óptima UV es de 5.374 mJ∙cm2 ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos de eliminación combinado con un pretratamiento MBR con rendimientos superiores a 87% de eliminación de los compuestos biorefractarios, siendo los organoclorados y triazinas los mejores eliminados. Debido a que el tratamiento MBR y la oxidación UV u O3 son capaces de eliminar MCs por diferentes mecanismos de degradación, un sistema híbrido que involucre MBR + UV u O3 puede aprovechar su naturaleza complementaria. La oxidación UV y O3 puede complementar muy bien el tratamiento MBR, resultando en más del 85% de eficiencia de eliminación de los 30 MCs seleccionados en este estudio, incluyendo aquellos que son mal eliminados por tratamiento MBR u oxidación con UV u O3 cuando se implementan por separado. El sistema MBR+ NF obtiene rendimientos superiores al 83%, mientras que la configuración MBR+OI presentó rendimientos superiores al 96% de separación del agua producto. De hecho, el tratamiento con membrana NF/OI complementa muy bien el tratamiento con MBR, y la mayoría de los 30 MCs seleccionados en este estudio se eliminaron por debajo de los límites de detección. En este trabajo de investigación se muestran cuatro posibles combinaciones de tecnologías para la eliminación/degradación de los MCs presentes en las aguas residuales urbanas pero se deja bien claro que la selección de la tecnología depende del tipo de agua a tratar, los tipos de microcontaminantes que estén presentes y el uso final de ese efluente. Además de otros aspectos técnicos y económicos.

Tesis Magíster en Bioquímica área de Especialización Ambiental y Memoria para optar al Título de Bioquímica
Reducir la producción de purga de lodos y generar aguas potencialmente reutilizables en los tratamientos de plantas de aguas servidas es crucial en un escenario de escasez hídrica. En este contexto, el objetivo del presente trabajo es evaluar el efecto que produce la combinación de las estrategias lisis-crecimiento críptico (ozonización) y metabolismo de mantención (biorreactor de membrana), que definen la tecnología LA+, en términos de eficiencia en la minimización de la producción de lodos y en el mejoramiento de la calidad del agua tratada obtenida. La línea base se estableció con un sistema de lodos activados convencional (LAC) y se evaluaron los efectos de cada técnica metabólica por separado mediante ozonización (LAO3) y un biorreactor de membrana (BRM). Los resultados muestran que con dosis de 0,04 gO3/gSSTo ó 0,01 gO3/h*[SSVo] el sistema LA+ fue superior a los sistemas LAC, LAO3 y BRM, cumpliendo con los límites establecidos por el DS90 en todos los parámetros evaluados respecto a la calidad del agua tratada generada y además obteniendo una producción de lodos de purga 75% menor que LAC, produciendo 0,22 gSSV/d v/s 0,88 gSSV/d
The reduction of excess sludge production and the generation of potentially reusable water in wastewater treatment plants is critical in a scenario where there is water scarcity. In this context the aim of this work was to evaluate the effect produced by the combination of lysis-cryptic growth (ozonation) and maintenance metabolism (membrane bioreactor) strategies, both of them defining parts of the AS+ technology, in terms of efficiency in minimizing sludge production and improving the quality of obtained treated water. The baseline was established with a conventional activated sludge system (CAS) and the effects of each metabolic technique were evaluated separately during ozonation (ASO3) and while using a membrane bioreactor (MBR). The results showed that with a doses of 0,04 gO3/gSSTo or 0,01 gO3/h*[SSVo], the AS+ system was superior to CAS, ASO3 and MBR systems, complying with the established limits for all parameters given by the DS 90 when evaluated for the quality of the generated treated water and also AS+ achieved a excess sludge production 75% lower than CAS, producing 0,22 gSSV/d v/s 0,88 gSSV/d

Cerca del 80% de los aceites y las grasas producidas mundialmente son aceites vegetales y el resto de origen animal. Dicha cantidad de ácidos grasos sirve como fuente para la producción de una serie de compuestos nuevos: diácidos o epóxidos de cadena larga o ácidos grasos omega-hidroxilados. Pseudomonas aeruginosa 42A2 es un bacilo gramnegativo que produce ácidos grasos trans-hidroxilados (HFA) a partir del ácido oleico cuando es cultivado en un medio mineral. Dichos HFA, los ácidos 10(S)-hidroxi-8(E)-octadecenoico ((10S)-HOME) y 7,10(S,S)-dihidroxi-8(E)-octadecenoico ((7S,10S)-DiHOME), son producidos a través de un sistema de aireación no dispersivo que permite una mayor oxigenación y homogeneidad del medio de cultivo en los que son producidos. Tanto es así que se han conseguido unos valores de productividad para estos HFA de 0.29 y 0.31 g•L-1•h-1, respectivamente. Éstos han sido purificados a unos niveles superiores del 91% para poder ser polimerizados y obtener estólidos, poliésteres de trans-HFA. Por medio de una búsqueda exhaustiva, se decidió que Novozym 435, lipasa B de Candida antarctica, era la lipasa ideal para realizar dicha polimerización in-vitro. En una primera aproximación, se sintetizaron estólidos a partir de (10S)-HOME en medio orgánico, n-hexano. Se optimizó las condiciones de reacción y el mayor rendimiento obtenido fue del 30%. Esta nueva generación de estólidos trans ha requerido unas nuevas técnicas analíticas. Estos poliésteres han sido analizados a través de MALDI-TOF-MS utilizando una matriz de DHB neutralizada con LiOH, ya que, el ion 7Li+ ayuda a estabilizar dichos compuestos y por ende obtener espectros de masas menos fragmentados. Dicha técnica estructural ha resultado ser más rápida y barata que una LC-MS convencional. Dímeros del derivado monohidroxilado fueron sintetizados. En una segunda aproximación, se sintetizaron estólidos a partir de (10S)-HOME y (7S,10S)-DiHOME en medio libres de disolventes orgánicos usando Novozym 435. Rendimientos del 71 y del 94% de conversión, respectivamente, fueron obtenidos después de optimizar los medios de reacción. Estos estólidos fueron analizados por MALDI-TOF-MS con una matriz de DHB saturada en acetonitrilo para incrementar la sensibilidad de los oligómeros de mayor peso molecular. Mediante esta técnica se llevaron a detectar oligómeros de hasta 6 y 7 unidades monoméricas, respectivamente. Así mismo se usó la RMN para determinar la estructura de los compuestos analizados con gran éxito. Finalmente, se decidió sintetizar etil ésteres de los ácidos (10S)-HOME y (7S,10S)-DiHOME debido a las propiedades aromáticas. Estos ésteres se sintetizaron en medio orgánico, cloroformo, y en un medio libre de disolventes con unos rendimientos totales, en ambos casos. Dichos etil ésteres fueron analizados por MALDI-TOF-MS y RMN para determinar su masa molecular y estructura, respectivamente. Finalmente, se realizó un estudio de diversas propiedades físico-químicas de estos compuestos obtenidos. La viscosidad y diversos parámetros calorimétricos obtenidos a partir de curvas DSC y TGA fueron determinados para saber de la naturaleza de esta nueva generación de ésteres.
About 80% of the oil and fats produced worldwide are vegetable oils and the rest are from animal origin. This amount of fatty acids is used as a source for producing new compounds: long chain diacids or epoxides or omega-hydroxylated fatty acids. Pseudomonas aeruginosa 42A2 is a gramnegative bacillus which produces hydroxy-fatty acids (HFA) when is cultivated in a mineral médium using oleic acid as carbon source. These HFA, 10(S)-hydroxy-8(E)-octadecenoic acid ((10S)-HOME) and 7,10(S,S)-dihidroxi-8(E)-octadecenoic acid ((7S,10S)-DiHOME), are produced with a non-dispersive aeration system that enhanced oxygenation and homogeneity of the culture media. The following volumetric productivity for these HFA were achieved: 0.29 y 0.31 g•l(-1)•h(-1), respectively. These HFA were purified with levels higher than 91% of purity for being later polymerizated and obtaining estolides, polyesters of HFA. For that purpose Novozym 435, lipase B from Candida antarctica, was chosen among other lipases to performance this enzymatic reaction. First of all, (10S)-HOME estolides were synthesized in organic media, n-hexane. Reaction conditions were optimized, reaching a 30% reaction yield. This new family of trans-estolides required adapted analytical techniques. These polyesters were analyzed with MALDI-TOF-MS using a DHB matrix neutralized with LiOH. 7Li+ ion stabilizes such compounds and less fragmented mass spectra were observed. This technique was less time-consuming than LC-MS. Dimers of the monohydroxylated compound were produced. Secondly, estolides from (10S)-HOME y (7S,10S)-DiHOME were synthesized in a solvent-free media using Novozym 435. Reaction yields of 71 and 94% were reached, respectively, after optimizing reaction media. These compounds were analyzed by MALDI-TOF-MS using a DHB matrix saturated in acetonitrile for detecting higher mass oligomers. This technique could detect oligomers composed of 6 and 7 monomeric units, respectively. Moreover, NMR were also used to determine the structure of these polyesters. Thirdly, trans-HFA ethyl esters were synthesized due to their aromatic properties. Such esters were produced in organic media, chloroform, and in a solvent-free media, in both cases with a total conversion. trans-HFA ethyl esters were analyzed by MALDI-TOF-MS and NMR for determing their molecular mass and structure, respectively. Finally, a physicochemical study of these compounds, estolides and ethyl ester, was carried out. Viscosity and some calorimetric parameters from DSC and TGA curves were determined.

This thesis studies a submerged membrane bioreactor (MBR) technology that is used to treat effluents. We present in detail the modeling of this process, the validation of developed models, and the results of simulation and optimization carried out with the above mentioned models. The new contributions to scientific knowledge of this work are the following: - A new dynamic model that integrates for such systems, many of the variables and the main phenomena occurring during the process of filtration in MBR wastewater treatment. That constitutes an original contribution to the analysis and development of this technology. – The simulation allows to achieve the quantification of the influence and effect of aeration on the process (membranes fouling) and the influence of the sequencing of the filtration and coarse bubbles aeration cycles. All that takes into account the behavior of biomass, the generation of exopolymeric substances and inlet characteristics. The results provided by the model are validated by comparison with experimental results. – An optimization of MBR operating conditions using the experimental design for simulation, is reported based on the results obtained using the developed models

Se estudió un proceso biohidrometalúrgico de recuperación de metales de pilas alcalinas y de cinc-carbón agotadas en una planta piloto constituida por dos biorreactores air-lift donde se produce medio ácido reductor mediante las bacterias acidófilas Acidithiobacillus thiooxidans, este medio se mezcla con las pilas en el reactor de lixiviación donde se extraen cinc y manganeso. La solución de estos metales se traslada al reactor de recuperación donde se obtiene el producto final del proceso: cinc y manganeso en forma de sales, óxidos o metales dependiendo del proceso de recuperación utilizado: electrólisis o extracción líquido-líquido. La productividad máxima de los biorreactores fue de 25mMH⁺/día, equivalente a una producción mensual de 51 moles de H⁺. La eficiencia máxima de lixiviación para el cinc fue 100% y para el manganeso, 60%. En los ensayos de electrólisis, el cinc se depositó en el cátodo con un 90% de pureza y el MnO2 en el ánodo, con una pureza de un 82%. En la extracción líquido-líquido, utilizando Cyanex 272 (ácido bis-2,4,4-trimetilpentil fosfínico), la eficiencia de extracción fue 90% para el cinc y 10% para el manganeso. Los óxidos de manganeso obtenidos en este proceso pueden ser utilizados como catalizadores para la eliminación de COVs.