http://hdl.handle.net/10366/4385 Wed, 29 Apr 2026 07:42:00 GMT 2026-04-29T07:42:00Z http://hdl.handle.net/10366/169845 [ES] El tratamiento de aguas residuales es un problema continuo en la sociedad. A medida que avanza la tecnología y la industria, las aguas residuales son cada vez más abundantes y complejas de tratar y la legislación cada más estricta y exigente en términos de la presencia de contaminantes en fluido acuosos. Para solucionar este problema se aplican cada vez más tratamientos avanzados pero que actualmente son caros de aplicar (por ejemplo, la osmosis inversa), o tienen desventajas que los hacen poco prácticos, por lo que siempre se buscan nuevas opciones más sostenibles. Las partículas magnéticas tienen características que les proporcionan varias ventajas para su utilización en el tratamiento de aguas: debido a sus propiedades superficiales y porosas se pueden utilizar como adsorbentes en procesos de adsorción; de igual modo, las partículas magnéticas con hierro en su superficie pueden servir de catalizador en procesos de Fenton heterogéneo, procesos que oxidan compuestos orgánicos y otros contaminantes por medio de especies reactivas de oxígeno que se generan in situ. Por otro lado, como presentan importantes propiedades magnéticas se pueden separar o controlar a través de campos magnéticos, lo que permite la utilización de un proceso sencillo (separación magnética) para lograr la recuperación de estas partículas y, después de regenerarlas, su reutilización. En esta Tesis Doctoral se ha investigado de forma más profundizada la eficacia de la aplicación de las partículas magnéticas en el tratamiento de aguas, incluyendo su recuperación, regeneración y reutilización y un estudio de la influencia de las principales variables. Para tal, se estudiaron varios tipos de partículas magnéticas para su utilización en procesos de adsorción, Fenton heterogéneo y Foto-Fenton heterogéneo: micropartículas de magnetita, nanopartículas de magnetita y de hematita, hierro cerovalente, y nanohilos de hierro. Con relación a los efluentes estudiados, se han utilizado efluentes conteniendo colorantes textiles, azúcares, aguas residuales de EDAR, lixiviados de CTR, y aguas conteniendo fenoles. También, se han mejorado métodos y procesos, incluyendo analíticos, de forma a poderse proporcionar al futuro investigador del campo una más eficaz y rápida obtención y evaluación de los resultados logrados. También es importante indicar que se desarrolló un método de regeneración para las partículas recuperadas, de forma que mantengan su eficacia cuando sean sucesivamente reutilizadas en tratamientos. El método de regeneración utilizado resulta eficaz, con micropartículas regeneradas con hidracina siendo capaces de eliminar más del 70% de Azul de Metileno presente en el agua por medio de Fenton heterogéneo, incluso cuando las mismas partículas han sido reutilizadas 10 veces. Por comparación, partículas sin regenerar reducen su eficacia al 40% en el segundo uso, y por debajo del 20% en el tercer uso y sucesivos. Por otro lado, el proceso de Foto- Fenton heterogéneo muestra una capacidad de autoregeneración gracias al uso de luz ultravioleta, con las mismas partículas siendo capaces de eliminar más del 95% del Azul de Metileno presente durante 10 usos aun cuando solo han sido regeneradas una única vez al principio de todo el proceso antes de ser utilizadas. Se han estudiado otros métodos diferentes de regeneración y reactivos. En todos los experimentos en los que se ha utilizado un valor óptimo para las variables principales (determinado en esta Tesis por series de secuencias de experimentos) se han logrado obtener eficacias de reducción de contaminantes elevadas, llegando en muchos de los casos a superar, como mínimo, los 90%. Como ejemplo de uno de los muchos resultados obtenidos se puede por ejemplo destacar que a la hora de tratar aguas residuales reales, 2.5 g/L de nanopartículas de magnetita son capaces de reducir el TOC un 80%, comparado con la misma cantidad de micropartículas reduciendo el TOC solo un 20%. Cuando se tratan aguas con compuestos fenólicos, 0.5 g/L de nanopartículas de magnetita eliminan más del 98% de fenoles, mientras que concentraciones superiores de micropartículas solo eliminan alrededor del 40%.; [EN] Wastewater treatment is a permanent problem in society. As technology and industries advance, wastewater becomes increasingly abundant and complex to treat, and legislation becomes more stringent and demanding regarding the presence of contaminants in aqueous fluids. To solve this problem, advanced treatments are increasingly being applied, but they are currently expensive (e.g., reverse osmosis) or have disadvantages that make them impractical, so new, more sustainable options are constantly being sought. Magnetic particles have characteristics that provide several advantages for use in water treatment: due to their surface and porous properties, they can be used as adsorbents in adsorption processes; similarly, magnetic particles with iron on their surface can serve as catalysts in heterogeneous Fenton processes, processes that oxidize organic compounds and other contaminants through the generation of reactive oxygen species. On the other hand, since they have important magnetic properties, they can be separated or controlled by magnetic fields, which allows for the use of a simple and gentle process (magnetic separation) achieving the recovery of these particles and, after regenerating them, allowing their reuse. They can be used as adsorbents in adsorption processes; and particles with iron on their surface can serve as catalysts for heterogeneous Fenton processes, processes that can oxidize organic compounds by means of reactive oxygen species. This PhD Thesis has investigated in greater depth the effectiveness of the application of magnetic particles in water treatment, including their recovery, regeneration, and reuse, and a study of the influence of the main variables. To this end, several types of magnetic particles were studied for use in adsorption processes, heterogeneous Fenton and heterogeneous photo-Fenton: magnetite microparticles, magnetite and hematite and zero-valent iron nanoparticles, and iron nanowires. Regarding the effluents studied, effluents containing textile dyes, sugars, wastewater from WWTPs, leachates from waste treatment plants, and water containing phenols were used. Also, methods and processes, including analytical ones, have been improved to provide future researchers in the field with more efficient and rapid acquisition and evaluation of the results achieved. In addition, it is also important to notice that a regeneration method was developed for the recovered particles, ensuring their effectiveness is maintained when they are subsequently reused in the treatment process. The regeneration method used is effective, with microparticles regenerated with hydrazine capable of removing more than 70% of the methylene blue present in water using heterogeneous Fenton, even when the same particles have been reused 10 times. By comparison, unregenerated particles reduce their effectiveness to 40% on the second use, and below 20% on the third and subsequent uses. Furthermore, the heterogeneous photo-Fenton process demonstrates a self-regenerative capacity thanks to the use of ultraviolet light, with the same particles capable of removing more than 95% of the methylene blue present during 10 uses, even when they have only been regenerated once at the beginning of the entire process before being used. Other regeneration methods and reagents have been studied. In all experiments using an optimal value for the main variables (determined in this thesis by a series of sequences of experiments), high pollutant reduction efficiencies have been achieved, in many cases reaching at least 90%. As an example of one of the many results obtained, it can be highlighted that when treating real wastewater, 2.5 g/L of magnetite nanoparticles are able to reduce TOC by 80%, compared to the same amount of microparticles, which reduces TOC by only 20%. When treating water with phenolic compounds, 0.5 g/L of magnetite nanoparticles removes more than 98% of phenols, while higher concentrations of microparticles only remove around 40%.; [PT] O tratamento de águas residuais é um problema permanente na sociedade. À medida que a tecnologia e a indústria avançam, as águas residuais tornam-se cada vez mais abundantes e complexas de tratar, e a legislação torna-se mais rigorosa e exigente quanto à presença de contaminantes nos fluidos aquosos. Para resolver este problema, os tratamentos avançados estão a ser cada vez mais aplicados, mas atualmente são dispendiosos (por exemplo, osmose inversa) ou apresentam desvantagens que os tornam impraticáveis, pelo que se procuram constantemente novas opções mais sustentáveis. As partículas magnéticas apresentam características que proporcionam diversas vantagens para utilização no tratamento de águas: devido às suas propriedades superficiais e porosas, podem ser utilizadas como adsorventes em processos de adsorção; da mesma forma, partículas magnéticas com ferro na superfície podem servir como catalisadores em processos Fenton heterogéneos, processos que oxidam compostos orgânicos e outros contaminantes através da geração de espécies reativas de oxigénio. Por outro lado, como possuem propriedades magnéticas importantes, podem ser separadas ou controladas por campos magnéticos, o que permite a utilização de um processo gentil (separação magnética). A separação magnética é um processo simples para obter a recuperação simples destas partículas e, após a sua regeneração, para a sua reutilização. Nesta tese de doutoramento investigou-se em maior profundidade a eficácia da aplicação de partículas magnéticas no tratamento de águas, incluindo a sua recuperação, regeneração e reutilização, e um estudo da influência das principais variáveis. Para tal, foram estudados vários tipos de partículas magnéticas para utilização em processos de adsorção, Fenton heterogéneo e foto-Fenton heterogéneo: micropartículas de magnetita, nanopartículas de magnetita e hematita, nanopartículas de ferro zerovalente e nano-fios de ferro. Relativamente aos efluentes estudados, foram utilizados efluentes contendo corantes têxteis, açúcares, águas residuais de ETAR, lixiviados de estações de tratamento de resíduos sólidos urbanos e águas contendo fenóis. Além disso, os métodos e processos, incluindo os analíticos, foram melhorados para proporcionar aos futuros investigadores da área uma aquisição e avaliação mais eficiente e rápida dos resultados obtidos. Por outro lado, é importante salientar que foi desenvolvido um método de regeneração para as partículas recuperadas, garantindo a manutenção da sua eficácia quando posteriormente reutilizadas no processo de tratamento. O método de regeneração utilizado é eficaz, com micropartículas regeneradas com hidrazina capazes de remover mais de 70% do azul de metileno presente na água utilizando Fenton heterogéneo, mesmo quando as mesmas partículas foram reutilizadas 10 vezes. Em comparação, as partículas não regeneradas reduzem a sua eficácia para 40% na segunda utilização e para menos de 20% na terceira e seguintes utilizações. Além disso, o processo foto-Fenton heterogéneo demonstra capacidade auto-regeneradora graças à utilização de luz ultravioleta, com as mesmas partículas capazes de remover mais de 95% do azul de metileno presente durante 10 utilizações, mesmo quando regeneradas apenas uma vez no início de todo o processo antes de serem utilizadas. Outros métodos e reagentes de regeneração têm sido estudados. Em todas as experiências, utilizando um valor ótimo para as principais variáveis (determinado nesta tese por uma série de sequências de experiências), foram alcançadas elevadas eficiências de redução de poluentes, em muitos casos excedendo pelo menos os 90%. Como exemplo de um dos muitos resultados obtidos, pode-se destacar que, no tratamento de águas residuais reais, 2,5 g/L de nanopartículas de magnetita são capazes de reduzir o COT em 80%, em comparação com a mesma quantidade de micropartículas, que reduz o COT em apenas 20%. No tratamento de água com compostos fenólicos, 0,5 g/L de nanopartículas de magnetita removem mais de 98% dos fenóis, enquanto concentrações mais elevadas de micropartículas removem apenas cerca de 40%.; [FR] Le traitement des eaux usées est un problème constant pour la société. Avec les progrès technologiques et industriels, les eaux usées deviennent de plus en plus abondantes et complexes à traiter, et la législation se durcit quant à la présence de contaminants dans les fluides aqueux. Pour résoudre ce problème, des traitements avancés sont de plus en plus utilisés, mais ils sont actuellement coûteux (par exemple, l'osmose inverse) ou présentent des inconvénients qui les rendent peu pratiques. De nouvelles options plus durables sont donc constamment recherchées. Les particules magnétiques présentent des caractéristiques qui offrent plusieurs avantages pour le traitement de l'eau : grâce à leur surface et à leurs propriétés poreuses, elles peuvent être utilisées comme adsorbants dans les procédés d'adsorption ; de même, les particules magnétiques contenant du fer à leur surface peuvent servir de catalyseurs dans les procédés hétérogènes de Fenton, qui oxydent les composés organiques et autres contaminants par la génération d'espèces réactives de l'oxygène. D'autre part, grâce à leurs propriétés magnétiques importantes, elles peuvent être séparées ou contrôlées par des champs magnétiques, ce qui permet un procédé doux (séparation magnétique). La séparation magnétique est un procédé simple permettant de récupérer ces particules et, après régénération, de les réutiliser. Elles peuvent être utilisées comme adsorbants dans les procédés d'adsorption ; les particules ferreuses peuvent servir de catalyseurs pour les procédés de Fenton hétérogène, procédés permettant d'oxyder des composés organiques par des espèces réactives de l'oxygène. Cette thèse de doctorat a approfondi l'efficacité de l'application des particules magnétiques au traitement de l'eau, notamment leur récupération, leur régénération et leur réutilisation, ainsi que l'étude de l'influence des principales variables. À cette fin, plusieurs types de particules magnétiques ont été étudiés pour leur utilisation dans les procédés d'adsorption, le Fenton hétérogène et le photo-Fenton hétérogène : microparticules de magnétite, magnétite et hématite, nanoparticules de fer zérovalentes et nanofils de fer. Les effluents étudiés ont porté sur des effluents contenant des colorants textiles, des sucres, des eaux usées de stations d'épuration, des lixiviats de stations de traitement de residues solide, et des eaux contenant des phénols. De plus, les méthodes et procédés, notamment analytiques, ont été améliorés afin de permettre aux futurs chercheurs du domaine une acquisition et une évaluation plus efficaces et plus rapides des résultats obtenus. De plus, il est important de noter qu'une méthode de régénération des particules récupérées a été développée, garantissant ainsi leur efficacité lors de leur réutilisation ultérieure dans le processus de traitement. La méthode de régénération utilisée est efficace : les microparticules régénérées à l'hydrazine sont capables d'éliminer plus de 70 % du bleu de méthylène présent dans l'eau avec du Fenton hétérogène, même après dix réutilisations. En comparaison, les particules non régénérées réduisent leur efficacité à 40 % lors de la deuxième utilisation, et à moins de 20 % lors de la troisième utilisation et des suivantes. De plus, le procédé photo-Fenton hétérogène démontre une capacité d'auto-régénération grâce à l'utilisation de la lumière ultraviolette : les mêmes particules sont capables d'éliminer plus de 95 % du bleu de méthylène présent lors de dix utilisations, même après une seule régénération au début du processus. D'autres méthodes et réactifs de régénération ont été étudiés. Dans toutes les expériences utilisant une valeur optimale pour les variables principales (déterminée dans cette thèse par une série d'expériences), des rendements élevés de réduction des polluants ont été obtenus, dépassant souvent au moins 90 %. À titre d'exemple, parmi les nombreux résultats obtenus, on peut souligner que lors du traitement des eaux usées réelles, 2,5 g/L de nanoparticules de magnétite permettent de réduire le COT de 80 %, contre seulement 20 % pour la même quantité de microparticules. Lors du traitement de l'eau avec des composés phénoliques, 0,5 g/L de nanoparticules de magnétite élimine plus de 98 % des phénols, tandis que des concentrations plus élevées de microparticules n'en éliminent qu'environ 40 %. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/169845 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/166638 [EN] Dishwashing is a daily task performed by millions of people, either manually or with the help of cleaning appliances. Automatic dishwashers are specifically designed for this purpose and are used in both domestic and commercial settings. The efficiency of ADWs is attributed to the distribution of various stages in the washing cycle, appropriate temperature settings, mechanical action, and the use of detergents. This combination not only ensures effective cleaning but also significantly reduces water and energy consumption compared to manual dishwashing. Detergents play a crucial role in both industrial and domestic cleaning and disinfection processes. The extensive use of these products has substantial economic implications. However, the widespread disposal of detergents leads to environmental concerns. These substances are often non-biodegradable and toxic to living organisms, causing disruptions in biological processes. Enzymes are considered viable alternatives to enhance detergent performance, reducing environmental impact, and promoting sustainability. Incorporating enzymes such as amylases and proteases into detergents eliminates the need for alkaline and highly oxidizing components, which are replaced by bleach activator systems. The introduction of new ingredients in detergent formulations with different functionalities makes the process of designing this type of formulated products complex, requiring systematic studies to assess their stability and performance efficacy under cleaning dishwashing conditions. This is why the development of mathematical tools capable of integrating the mechanisms involved in the different stages of a washing cycle to find the operating conditions, as well as the composition of the formula that maximize the satisfaction of the customer, it is essential. [ES] El lavado de platos es una tarea diaria realizada por millones de personas, ya sea de manera manual o con la ayuda de electrodomésticos de limpieza. Los lavavajillas automáticos están específicamente diseñados para este propósito y se utilizan tanto en entornos domésticos como comerciales. La eficiencia de los lavavajillas automáticos se atribuye a la distribución de varias etapas en el ciclo de lavado, configuraciones de temperatura apropiadas, acción mecánica y el uso de detergentes. Esta combinación no solo garantiza una limpieza efectiva, sino que también reduce significativamente el consumo de agua y energía en comparación con el lavado manual. Los detergentes juegan un papel crucial en los procesos de limpieza y desinfección de ámbitos industriales y domésticos. El uso extensivo de estos productos tiene importantes implicaciones económicas. Sin embargo, el vertido de aguas procedentes de procesos de lavado con detergentes disueltos conlleva problemas ambientales. Estas sustancias a menudo son no biodegradables y tóxicas para los organismos vivos, causando disrupciones en los procesos biológicos. Las enzimas se consideran alternativas viables para mejorar el rendimiento de los detergentes, reduciendo el impacto ambiental y promoviendo la sostenibilidad. La incorporación de enzimas como amilasas y proteasas en los detergentes elimina la necesidad de componentes alcalinos y altamente oxidantes, que son reemplazados por sistemas activadores de blanqueo. La introducción de nuevos ingredientes en las formulaciones de detergentes con diferentes funcionalidades hace que el proceso de diseño de este tipo de productos formulados sea complejo, requiriendo estudios sistemáticos para evaluar su estabilidad y eficacia bajo condiciones de lavado. Por ello, el desarrollo de herramientas matemáticas capaces de integrar los mecanismos involucrados en las diferentes etapas de un ciclo de lavado para encontrar las condiciones operativas de este, así como la composición de la fórmula que maximice la satisfacción del consumidor, es esencial. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/166638 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159633 [EN]The significant advancements in technologies and production processes within a highly dynamic and competitive market landscape are driving the requirements for optimizing production processes and enhancing the design and distribution of high-value-added products. This aspect is increasingly recognized as crucial. The pursuit of greater efficiency, leading to enhanced economic, social, and environmental benefits, has become a cornerstone. Achieving this entails meticulously designing specific products or processes within facility locations and establishing robust supply chains. Adopting a global perspective on the entire operation enables leveraging potential advantages deriving from collaborative efforts, with an associated reduction of distribution times, operational costs, and enhanced process integration. However, addressing complex challenges like managing multiscale variables poses significant barriers. Nonetheless, greater process integration holds promise for improving waste recovery, distribution, and treatment, with the aim of optimization. As a response, this thesis addresses the issue by employing diverse technologies rooted in the integrated design of processes and products, alongside facility location and the establishment of the supply chain. It particularly focuses on acquiring high-value-added products through waste recovery using a multi-scale and multi-period approach. To facilitate optimization, a range of algorithms is applied, including data analysis, linearization, problem reformulation, and multilevel optimization. This comprehensive approach aims to enhance process management and promote sustainability. Based on the findings, a product and process design approach has been employed for the optimization and integrated design aimed at sustainable production of a fuel additive, ETBE, being able to optimize the biomass to be used. This involves primarily utilizing ethanol and i-butene sourced mainly from switchgrass, with an annual production target of 90 ktETBE at a production cost of 0.61 €/kgETBE. Furthermore, an integrated system has been devised for the production of xylitol and sorbitol from lignocellulosic biomass, such as switchgrass and corn stover. This initiative aims to enhance the biomass selection, process efficiency and reducing the production costs, achieving annual production volumes of 145 ktXylitol and 157.6 ktSorbitol, with a production cost of 0.28 €/kg. Apart from biomass, CO2 can also be captured via human-made technologies. In terms of CO2 capture, utilization, and valorization, the integrated design, along with careful consideration of facility location and size, as well as multiperiod analysis, facilitates the identification of optimal raw material sources, chemicals for production, and suitable technologies. Consequently, methanol/methane production via biomass gasification or CO2 captured through conventional DAC process, followed by hydrogenation with renewable hydrogen, has been developed. After a joint evaluation, methanol emerged as the preferred option. Its production involves utilizing point sources of CO2 employing MEA solutions and renewable hydrogen supplied by PV panels together with wind turbines, with prices ranging between 1,000-2,600 €/tMethanol. Analyzing methane production, prices range from 18.97-20.36 €/MMBTU in 2022 and decrease to 8.90–9.09 €/MMBTU by 2050. With carbon taxes applied, prices are reduced to 2–3 €/MMBTU, competitive with market prices. Additionally, methane production from the gasification of lignocellulosic dry biomass, coupled with CO2 capture via MEA solutions, has been studied to ensure national energy security. The methane price range is 3.818-30.229 €/MMBTU from 2022 to 2050, with consideration of carbon taxes resulting in a price of 3.146 €/MMBTU. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/159633 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159593 [EN] The Paris Agreement, conceived to combat climate change, commits member states to limit global warming to 2 °C above pre-industrial levels, requiring an 80- 95% reduction in greenhouse gas emissions from 1990 levels by 2050. Industrial activities, responsible for a quarter of global emissions, must undergo decarbonization for these targets to be met. Eight categories of industrial decarbonization options are identified: (1) energy-efficiency improvements, enhancing energy efficiency can cut fuel consumption by 15-20%; (2) renewables, transitioning to renewable energy sources; (3) energy storage, addressing variability in renewable energy production through energy storage systems; (4) electrification of heat, shifting from fossil fuel-generated heat to electric-powered systems; (5) hydrogen usage, as a feedstock and substituting fossil fuels with zero-carbon hydrogen in industrial processes in process when high temperature is needed and electrification of heat is not efficient; (6) biomass usage, utilizing sustainably produced biomass as a fuel or feedstock; (7) carbon capture, collecting and storing or utilizing CO2 emissions from industrial processes; and (8) demand-side measures, reducing industrial product demand to lower production and emissions. The thesis focuses on biomass usage (6) and carbon capture (7). Sustainably produced biomass can be used in place of some fuels and feedstocks such as coal or natural gas due to, when sustainably managed, biomass is considered carbonneutral. Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies involve capturing CO2 emissions from large sources and either storing it underground or utilizing it in various processes. CCUS plays a crucial role in achieving emissions reduction goals. While recognized as vital by international bodies, there are debates about the viability of CCUS, with some publications questioning its effectiveness. Despite scepticism, CCUS is acknowledged as a key tool for industrial decarbonization. The EU emphasizes CCUS deployment in energy-intensive industries and bioenergy-based plants. Consequently, Bioenergy with Carbon Capture and Utilization (BECCU) and Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) are addressed. BECCU and BECCS processes differ in their CO2 emission balance, with BECCU considered neutral and BECCS having potential negative emissions. The thesis delves into the CIUDEN Foundation, a Spanish public foundation focused on energy research and development, particularly in the ‘three D´s’: decarbonization, digitalization, and decentralization. CIUDEN's Experimental Platform, initiated in 2009, was conceived to develop oxy-combustion and CO2 capture from coal. Nevertheless, considering that coal is no longer an option in Spain, the focus of the thesis is to propose the production of biogenic CO2 from oxycombustion of biomass as a sustainable process for CIUDEN's Experimental Platform; this biogenic CO2 could either be utilized onsite or transported in liquid phase, with both scenarios mainly considering its ultimate purpose in producing e-fuels. To achieve this goal, the thesis is divided into the following sections and steps: • Section #1 - Oxy-combustion of biomass: step #1.1 to conduct a screening process to determine the optimal approach for oxycombustion of biomass, considering existing units; step #1.2 to validate a data reconciliation model for oxy-combustion using experimental data from oxy-coal processes with varying oxygen concentrations and step #1.3, illustrating a case study on biogenic CO2 production at CIUDEN, serving as the target operating point. • Section #2 - CO2 capture: step #2.1 to validate a data reconciliation model for the warm section of the compression and purification unit (CPU) and a simulation model for the cold section. Experimental data from the existing CPU with flue gases from an oxy-mode coal-burning boiler are used for the validation. Simultaneously, the simulation model for the cold section is focused on the thermodynamic model behaviour when impure CO2 is considered, being also validated with experimental data from the CO2 compression and purification unit (CPU); step #2.2: execute the previous selected case study in both the reconciliation model (warm section) and the simulation model (cold section) to characterize the produced CO2 stream. • Section #3 - Impure CO2 transport: step #3.1, to develop a steadystate flow model for impure CO2, validated with experimental data obtained from the transport rig using a real CO2 captured stream containing different contaminants such us moisture, SO2, and oxygen. Starting the summary with the first section, as a conclusion of a screening process done in the thesis, the Circulating Fluidized Bed (CFB) boiler was selected as the best option to achieve the objective. Fluidized bed boilers operate based on the combustion of fuel within a bed of sand, limestone, and combustion residues, exhibiting fluid-like behaviour. The retrofitting of a pulverized coal (PC) boiler introduces complexities, requiring a duplicate fuel handling system, additional auxiliary equipment, and a clean and uniform biomass fuel supply. In contrast, CFB boilers offer advantages over PC boilers: (1) higher residence times, CFB boilers have longer residence times due to cyclone recirculation of solids, providing flexibility in fuel quality; (2) temperature control, the loop seal allows the regulation of bed temperature, contributing to the flexibility in the operation; (3) lower operation temperatures, CFB boilers operate at lower temperatures, reducing NOx formation; (4) no milling process required, CFB boilers are versatile with various fuels, including those in less ideal conditions, requiring no milling process; (5) safety operation, CFB boilers are safer for fuels with high volatile contents, minimizing ignition risks in the fuel feeding system; (6) de-SOx and de-NOx in the furnace, that is directly related with the higher residence times previously explained and the option of injecting limestone and ammonia for lower SO2 or NOx concentrations respectively. The primary focus of the CIUDEN´s CFB modifications lies in the latter part of the feeding system, downstream of the fuel transportation belts. In addressing this, a significant challenge arises due to the lower volume density of biomass compared to coal, resulting in a reduction in the boiler's thermal power below the nominal 15 MWth. Apart from that, certain restrictions and minimum values must be adhered to, including a minimum primary comburent of 9,100 kg/h, a minimum global O2 concentration of 21%v in the comburent streams, and a minimum ascensional velocity of 3.4 m/s. These specified values dictate the minimum biomass inlet necessary for an excess of oxygen in the flue gases, thereby determining the minimal thermal power achievable. But there are more challenges to be studied: issues like chlorine content causing corrosion and potassium content affecting ash melting point are considered. The focus then shifts to the use of Sorbacal SPS® as a sorbent for SOx control in dry sorbent injection (DSI) system. The composition and advantages of Sorbacal SPS® are discussed, highlighting its efficiency in removing acidic gas components. The first section concludes with an analysis of ash behaviour during biomass combustion, considering ash fusion temperatures. Binary systems (CaO-SiO2, K2OSiO2, MgO-SiO2, Na2O-SiO2) are examined, with a focus on potential issues arising from certain compositions. Ternary systems (SiO2-K2O-MgO, SiO2-Na2O-CaO) are introduced for a theoretical analysis, emphasizing the need for experimental validation. In the second section, focused on the CO2 capture, extensive testing involving steady-state and dynamic tests are described on the integration of the CFB boiler and CPU using coal. The warm section of the CPU was deemed suitable for handling biomass flue gases considering minor modifications, because four critical aspects are identified. Firstly, the air-ingress (or infiltration air), is analysed through a comparison of the 'base case' and the 'objective case.' The results indicated that maintaining an identical level of infiltration observed in the baseline scenario with coal is feasible for biomass. Secondly, the desulfurization unit condensing water posed a challenge due to the 3.6 times higher quantity of water in biomass flue gases compared to coal. Existing heat exchangers were found insufficient; this situation is repeated with the third bullet, the drying process at low pressure faced challenges, where the existing heat exchangers are incapable of condensing all the water. Lastly, the behaviour of NOx during compression and pre-cooling revealed a transformation of NO to NO2 under increased pressure and decreased temperature, suggesting a need for model modification when Peng-Robinson is selected as thermodynamical model for the unit. Additional findings include the successful operation of the CFB boiler in conjunction with the CPU, demonstrating a near-zero emission plant. The control philosophy of the integrated plant was tested in various scenarios, including stationary and transient periods, malfunction periods, and emergency situations, showcasing the CPU's ability to follow the boiler during disturbances. Finally, the third section of the thesis, i.e. the CO2 transport grid section. A one-dimensional model addressing CO2 transport with impurities in the dense phase was implemented in ChemCAD® and validated using experimental data from a semiindustrial transport rig operating between 10-31 ºC and 80-110 bar(a). Two thermodynamic models, Peng-Robinson (PR) and Soave-Redlich-Kwong (SRK), are employed for validation, testing low concentrations of impurities (O2, SO2, and moisture) to prevent rig damage. Results showed that 100 ppm of SO2 increased pressure drop, while 500 ppm of oxygen decreased it. Although the chosen models correctly predicted the impure stream's experimental behaviour, they did not align with absolute or relative results for oxygen. A specific study on oxygen density prediction models revealed that Benedict-Webb-Rubin (BWR) accurately matched experimental results at 158 barg and almost 31 ºC, considering an impurity concentration of 5.1 in synthetic air—a notably higher concentration compared to previous cases. This comprehensive analysis highlights the successful implementation of the CO2 transport model while emphasizing the importance of considering impurities and selecting appropriate thermodynamic models for accurate predictions. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/159593 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/153338 [EN]The optimization in the design, production and distribution of valueadded products is a key issue in an increasingly competitive market, due to globalization. The most efficient way (economically, environmentally and socially) to design a production process is to consider simultaneously the design of the product, the process and the supply chain, since it allows taking advantage of the synergies of each stage, reducing costs and launching times and increasing the possibilities of customization. This integrated design system is also very useful in waste recovery due to the large number of multi-scale variables that affect recovery. Therefore, this thesis proposes different methodologies for the integrated design of products, processes, and supply chains applied to the production of formulated products and the valorization of different types of waste, from a multi-objective, multiperiod , and multi-scale approach. To find the optimal value of the analyzed variables, different procedures are used, such as reformulations, multistage optimization, as well as the development of linearization and decomposition algorithms. The results showed that, through integrated process, product and supply chain design, it is possible to find a detergent powder formulation that can reduce the environmental impact by up to 40% without reducing the economic benefit by more than 1.5%.Similarly, by applying this integration to animal feed design, meat and crop production can be integrated, using the circular economy of waste. These integrated systems can reduce the environmental impact by up to 62% compared to the decoupled system. The optimal size and location of these facilities was also established. Regarding waste valorization, the integrated design showed that determining the best technology depended on the waste composition, the amount to be treated, and the capital available to invest in its treatment. In the case of coffee valorization, the best treatment process consists of a extraction-filtration system, obtaining a caffeine and pigments. Regarding wine production waste, the most promising process was a hexane and ethanol extraction system, which allows obtaining essential oils, polyphenols and biochar. Finally, this integrated approach is also used to analyze how a country’s energy security can be increased through the treatment of its waste, determining that it is possible to cover a demand for natural gas of up to 43%. [ES]La optimización en el diseño, producción y distribución de productos de valor añadido es una cuestión clave para competir en un mercado global. La forma más eficiente (económica, medioambiental y socialmente) de diseñar un proceso es considerar simultáneamente el diseño del producto, del proceso y de la cadena de suministro, aprovechando las sinergias entre cada etapa, reduciendo costes y tiempos de lanzamiento y aumentando las posibilidades de personalización. Este sistema de diseño integrado también es muy útil en la valorización de residuos debido a las variables multiescala que afectan a la valorización. Por ello, esta tesis propone diferentes metodologías para el diseño integrado de productos, procesos y cadenas de suministro aplicadas a la producción de productos formulados y a la valorización de residuos, desde un enfoque multiobjetivo , multiperiodo y multiescala. Para encontrar el valor óptimo de las variables analizadas, se utilizan diferentes procedimientos, como reformulaciones, optimización multietapa, así como el desarrollo de algoritmos de linealización y descomposición. Los resultados mostraron que, mediante el diseño integrado del proceso, el producto y la cadena de suministro, es posible encontrar una formulación de detergente en polvo que puede reducir el impacto ambiental hasta en un 40% sin reducir el beneficio económico en más de un 1,5 %. Del mismo modo, aplicando esta integración al diseño de piensos, es posible integrar la producción de carne y de cultivos, utilizando la economía circular de los residuos. Estos sistemas integrados pueden reducir el impacto ambiental hasta un 62% en comparación con el sistema desacoplado. También se estableció el tamaño y la ubicación óptimos de estas instalaciones. En cuanto a la valorización de residuos, el diseño integrado mostró que la determinación de la mejor tecnología dependía de la composición de los residuos, la cantidad a tratar y el capital disponible para invertir en su tratamiento. En el caso de la valorización del café, el mejor proceso de tratamiento consistió en un sistema de extracción-filtración, obteniéndose cafeína y pigmentos. En cuanto a los residuos de la producción de vino, el proceso más prometedor fue un sistema de extracción con hexano y etanol, que permite obtener aceites esenciales, polifenoles y biocarbón. Por último, este enfoque integrado también se utiliza para analizar cómo se puede aumentar la seguridad energética de un país mediante el tratamiento de sus residuos, determinando que es posible cubrir una demanda de gas natural de hasta el 43 %. Sun, 01 Jan 2023 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/153338 2023-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/151005 [ES] Los productos químicos están presentes en actividades comerciales, industriales y de consumo en todo el mercado mundial. El número de sustancias químicas que circulan por el mercado no deja de crecer, lo que puede dificultar a los organismos gubernamentales la gestión del riesgo químico mediante la imposición de restricciones reglamentarias y a las empresas la selección de químicos con perfiles más seguros antes de lanzar los productos al mercado o utilizarlos en los procesos de fabricación. La identificación de los escenarios de exposición a las sustancias químicas y de las cantidades que pueden liberarse en el medio ambiente son tareas importantes para la evaluación del riesgo. Sin embargo, para estas tareas hay que recopilar datos exhaustivos, lo que las convierte en una tarea larga y difícil. Además, estas tareas son aún más difíciles en la fase de fin de vida (EoL, por sus siglas en inglés) debido a la incertidumbre epistémica sobre las vías exactas que siguen las sustancias químicas a través de la cadena de gestión EoL. Esta tesis pretende avanzar en el desarrollo de un marco holístico que permita realizar rápidamente el análisis del flujo químico (CFA, por sus siglas en inglés) para la estimación y asignación de emisiones y la identificación de escenarios de exposición en la fase de fin de vida. Se propone un enfoque centrado en los datos, en el que la ingeniería de datos desempeña un papel crucial en la recopilación, transformación, armonización y almacenamiento de datos procedentes de sistemas de bases de datos de acceso público, reglamentarios y aislados. En primer lugar, esta tesis explora el uso de los datos reglamentarios de Estados Unidos para rastrear las sustancias químicas contenidas en los flujos de EoL transferidos por las instalaciones industriales estadounidenses a lugares externos para su posterior gestión. En segundo lugar, este trabajo se adentra en las instalaciones industriales para identificar las posibles tecnologías de reducción de la contaminación aplicadas por las industrias, mejorando así el CFA y la asignación de flujos. En tercer lugar, los resultados de los dos pasos anteriores se conectan y amplían para describir el comportamiento de la cadena de gestión de EoL y el bucle de reciclaje, permitiendonos la identificación de transferencias de flujo entre industrias y los posibles escenarios de exposición posteriores al reciclaje. En cuarto lugar, se hace un esfuerzo por ampliar el marco más allá de la información estadounidense e incorporar datos de inventario de otros países y años. Por último, los datos obtenidos en el cuarto paso se utilizan para explorar el desarrollo de modelos basados en datos capaces de identificar posibles escenarios de exposición a la EoL y de incorporarlos al marco de comprensión de la cadena de gestión de EoL. Estos estudios están destinados a contribuir al desarrollo e implementación de una metodología para la detección rápida de posibles escenarios de exposición química de EoL y estimaciones de emisiones, así como para abordar los desafíos en la realización de la evaluación de riesgos químicos para la toma de decisiones regulatorias y la selección de productos químicos de perfil más seguro basado en el pensamiento del ciclo de vida. [EN] Chemicals are involved in commercial, consumer, and industrial activities across the world marketplace. The number of chemicals circulating in the market keeps growing, which can make it difficult for government agencies to manage chemical risk by imposing regulatory restrictions and for businesses to select chemical candidates with safer profiles before launching products into the market or using them in manufacturing processes. The identification of chemical exposure scenarios and the quantities of chemicals that may be released into the environment are important tasks for risk evaluation. Nonetheless, comprehensive data must be collected for these tasks, making them time-consuming and challenging. In addition, these tasks are even more difficult at the end-of-life (EoL) stage due to the epistemic uncertainty about the exact pathways taken by chemicals through the EoL management chain. This thesis aims at moving forward to develop a holistic framework to rapidly perform chemical flow analysis (CFA) for release estimations and allocation and exposure scenario identification at the EoL stage. A data-centric approach is proposed where data engineering plays a crucial role in collecting, transforming, harmonizing, and storing data from publicly-accessible, regulatory, and siloed database systems. First, this thesis explored the use of U.S. regulatory data to track chemicals contained in EoL flows transferred by U.S. industrial facilities to off-site locations for further EoL management. Second, this work moves into industrial facilities to identify the potential pollution abatement technologies implemented by industries, thereby improving the CFA and flow allocation. Third, the results of the above two steps are connected and extended to describe the behavior of the EoL management chain and recycling loop, allowing us to identify the inter-industry flow transfers and potential post-recycling exposure scenarios. Fourth, an effort is made to extend the framework beyond U.S. information and incorporate inventory data from other countries and years. Finally, the data obtained in the fourth step is used to explore the development of data-driven models able to identify potential EoL exposure scenarios and be incorporated into the framework for understanding the EoL management chain. These studies are intended to contribute to the development and implementation of a methodology for the rapid screening of potential EoL chemical exposure scenarios and release estimates, as well as to address the challenges in performing chemical risk evaluation for regulatory decisionmaking and selecting safer profile chemicals based on life cycle thinking. Sat, 01 Jan 2022 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/151005 2022-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149569 [ES] La contaminación por nutrientes de las masas de agua es uno de los principales problemas de calidad del agua en todo el mundo. El uso excesivo de nutrientes da lugar a la eutrofización de aguas dulces y marinas, resultando en problemas medioambientales relacionados con la proliferación de algas y la hipoxia de las aguas, así como problemas de salud pública y escasez de agua potable. Las actividades agrícolas son uno de los principales contribuyentes a las emisiones antropogénicas de nutrientes. Si nos centramos en la industria ganadera, las liberaciones de nutrientes (principalmente fósforo y nitrógeno) son el resultado de la producción de grandes cantidades de residuos orgánicos. En particular, las deyecciones ganaderas provenientes de grandes instalaciones de ganadería intensiva son un reto de considerable importancia debido a las grandes cantidades de residuo generadas y su alta concentración espacial. Esta tesis tiene como objetivo llevar a cabo una evaluación holística de los procesos de tratamiento y los procedimientos de gestión de residuos para la recuperación efectiva de nutrientes de los residuos ganaderos. Se han realizado estudios tecno-económicos de las tecnologías de recuperación de fósforo y nitrógeno con el fin de determinar los sistemas cuya implementación en las instalaciones ganaderas es más viable, así como la posible integración de estos sistemas con procesos de producción de biogás. A partir de la información obtenida en estos estudios, se ha realizado una evaluación geoespacial del impacto de la recuperación de fósforo en instalaciones ganaderas en las diferentes cuencas hidrográficas de Estados Unidos. Tras establecer el tipo de procesos más adecuados para la recuperación de fósforo, se ha desarrollado una herramienta de soporte a la toma de decisiones para la selección de tecnologías comerciales de recuperación de fósforo acorde a criterios técnicos, económicos y ambientales de cada instalación ganadera. Por último, esta herramienta se ha utilizado para el diseño y análisis de políticas de incentivos para promover la implementación de estos procesos en instalaciones de ganadería intensiva, incluyendo la distribución equitativa de incentivos en escenarios de presupuesto limitado. Se pretende que estos estudios contribuyan al desarrollo y aplicación de estrategias de gestión de los nutrientes liberados por la industria ganadera, abordando uno de los principales problemas globales relacionados con la calidad del agua, y promoviendo la transición hacía un paradigma para la producción de alimentos más sostenible. Sat, 01 Jan 2022 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149569 2022-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149434 [ES] La tesis se llevó a cabo a través de compendio de artículos científicos, de modo que se lleva a cabo un resumen de cada artículo, así como la información de cada uno. Artículo 1 Título: Optimal gas treatment and coal blending for reduced emissions in power plants: A case study in Northwest Spain. Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Energy DOI: 10.1016/j.energy.2018.12.089 Resumen: En este trabajo se ha desarrollado un marco de toma de decisiones para el diseño de la sección de tratamiento de gases de combustión de una central eléctrica, que incluye operaciones de remoción de partículas, NOx y SO2. Se ha aplicado a una central térmica de carbón en España para seleccionar las tecnologías óptimas y su secuencia. Se han desarrollado modelos sustitutos para los tratamientos. El problema corresponde a una programación no lineal entera mixta que incluye la eliminación de NOx catalítica y no catalítica, lo que permite varias asignaciones para la tecnología catalítica, precipitación electrostática y eliminación de SO2 húmedo o seco. Se reformula como un problema no lineal para evaluar las oportunidades de bypass. La optimización sugiere el uso de precipitación electrostática, seguida de la eliminación catalítica de NOx y la eliminación de SO2 seco. A continuación, también se ha resuelto un problema de mezcla de carbón para dos funciones objetivo. Cuando solo se consideran los costos de tratamiento, se recomienda el uso de carbón importado, pero un aumento del 4% en su precio puede cambiar la decisión por el uso de carbón nacional. Si la energía del carbón se agrega a la función objetivo, el carbón de alquitrán crudo se incluye en la mezcla y el carbón importado se usa para mantener las emisiones dentro de los límites. La oxidación forzada de piedra caliza es la tecnología seleccionada. Artículo 2 Título: Optimal Flue Gas Treatment for Oxy-Combustion-Based Pulverized Coal Power Plants Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Industrial & Engineering Chemistry Research DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04453 Resumen: La oxicombustión es reconocida como la tecnología más limpia que utiliza carbón como fuente de energía. La limpieza de los gases de combustión es esencial para un funcionamiento sostenible. En este trabajo se determina la selección óptima de las tecnologías de tratamiento de gases de combustión en centrales de oxicombustión. Se utiliza un procedimiento de dos etapas que combina heurística y programación matemática para evaluar las tecnologías involucradas, incluida la caldera, la desnitrificación, la precipitación electrostática, la eliminación de dióxido de azufre y la captura de carbono. Para el funcionamiento de la planta, se debe seleccionar la alimentación de carbón. Se resuelve un problema de mezcla extendido para evaluar el tipo de carbón que se comprará en función de su costo y composición. El procesamiento óptimo de los gases de combustión consiste en la precipitación electrostática, seguida de la eliminación de SO2 seco y la purificación de CO2 con zeolitas. No se requiere ningún método de desnitrificación específico debido a los bajos niveles de concentración de NOx generados en la oxicombustión. Esta hoja de flujo se utiliza para seleccionar uno entre una mezcla de tres tipos diferentes de carbón: alquitrán de hulla nacional, importado y crudo. Sin embargo, no se recomienda ninguna mezcla ya que se seleccionó alquitrán de hulla crudo. Aunque los costos de procesamiento son más altos, se ve compensado por el menor coste de la materia prima. Artículo 3 Título: On the water footprint in power production: Sustainable design of wet cooling towersAutores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Applied Energy DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.114620 Resumen: Las plantas de energía renovable deben instalarse donde esté disponible el recurso principal. El clima afecta el diseño y la huella hídrica de estas plantas. Se estudian dos tipos de ciclos de potencia, un ciclo Rankine regenerativo, representativo de biomasa y plantas termosolares, y el ciclo combinado, correspondiente a procesos basados en biogás o gasificación. Las instalaciones se modelan en detalle unidad por unidad para calcular el rendimiento del ciclo, el trabajo del condensador, el consumo de agua y la geometría de la torre de enfriamiento húmedo de tiro natural para su diseño sostenible. Las regiones cálidas, apropiadas para instalaciones solares, y las regiones húmedas requieren torres más grandes y caras. Las áreas con alta disponibilidad solar también muestran un mayor consumo de agua, lo que representa un intercambio para un futuro sistema de energía basado en energías renovables. Además, también se han desarrollado pautas de diseño y modelos sustitutos para estimar el consumo de agua, el tamaño de la torre de enfriamiento y su costo en función del clima. Los sustitutos son útiles para el análisis de la huella hídrica de un sistema de energía de base renovable que sustituye al de base fósil. Artículo 4 Título: Multilayer Approach for Product Portfolio Optimization: Waste to Added-Value Products Autores: Lidia S. Guerras, Debalina Sengupta, Mariano Martín, and Mahmoud M. El-Halwagi Revista: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c01284 Resumen: Se ha desarrollado un procedimiento sistemático multicapa de varias etapas para la selección de la cartera de productos óptima a partir de biomasa residual como materia prima para sistemas que implican el nexo “wáter-energy-food”. Consiste en una metodología híbrida heurística, basada en métricas y optimización que evalúa el desempeño económico y ambiental de productos de valor agregado a partir de una materia prima en particular. La primera etapa preselecciona los productos prometedores. A continuación, se formula un problema de optimización de la superestructura para valorizar o transformar los residuos en el conjunto óptimo de productos. La metodología se ha aplicado dentro de la iniciativa “Waste to Power and Chemicals” para evaluar el mejor uso de los residuos de biomasa de la industria del aceite de oliva en alimentos, productos químicos y energía. La etapa heurística se basa en la revisión de la literatura para analizar los productos y técnicas factibles. A continuación, se han desarrollado y utilizado métricas simples para preseleccionar productos que son prometedores. Finalmente, se utiliza un enfoque de optimización de la superestructura para diseñar la instalación que procesa hojas, astillas de madera y aceitunas en productos finales. La mejor técnica para recuperar fenoles del “alperujo”, un residuo sólido húmedo/subproducto del proceso, consiste en el uso de membranas, mientras que la técnica de adsorción se utiliza para la recuperación de fenoles de hojas y ramas de olivo. La inversión necesaria para procesar los residuos asciende a 110,2 millones de euros por 100 kt/año para la instalación de producción de aceitunas, mientras que el beneficio depende del nivel de integración. Si la instalación está adscrita a la producción de aceite de oliva, el beneficio generado oscila entre los 14,5 MM €/año (cuando los residuos se compran a precios de 249 € por tonelada de alperujo y 6 € por tonelada de hojas y ramas de olivo) y 34,3 MM €/año cuando el material de desecho se obtiene de forma gratuita. Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149434 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149325 [ES] Los residuos domésticos, también denominados municipales, debido a su origen se produce una mayor cantidad de estos residuos cuanto mayor sea el nivel de vida En el caso de España, aunque la generación de residuos domésticos era superior a la de la media europea en 2005, en 2019 era inferior debido a las políticas de gestión de residuos y legislaciones más restrictivas que han llevado a una reducción en la generación de residuos municipales Dentro de la media española, la comunidad autónoma de Castilla y León presenta la misma tendencia descendente, pero tiene una generación de residuos municipales ligeramente inferior a la nacional. Si bien la disminución en la generación de residuos municipales en la Comunidad de Castilla y León y, en general, en España es algo excelente, el problema surge cuando se analiza el destino de estos residuos. Mientras en la Unión Europea un 76 % de los residuos es recuperado en forma de reciclado, compost o por valorización energética y sólo un 24 % es llevado a vertedero, en España, ocurre lo contrario: el 54 % son depositados en vertedero y sólo una proporción del 46 % son recuperados de una forma u otra. En los estudios hechos por nuestro grupo de investigación de Gestión Ambiental y Aprovechamiento de Recursos de la Universidad de Salamanca, en cuyas investigaciones se enmarca este trabajo, el porcentaje llevado a vertedero aumenta hasta un 70 % en la Comunidad de Castilla y León. Esto indica la necesidad de mejorar el tratamiento de residuos en España para reducir la cantidad de estos llevada a vertedero con el fin de proteger, preservar y optimizar la calidad del medio ambiente, así como proteger la salud humana, garantizando la utilización prudente, eficiente y racional de los recursos naturales. Partiendo de esta problemática, se ha examinado la causa de la elevada cantidad de residuos sólidos llevada a vertedero en España, buscando una solución al problema. Las caracterizaciones llevadas a cabo por nuestro grupo de investigación en las bolsas “todo uno” en la Comunidad de Castilla y León reflejaron un contenido en materia orgánica mucho más elevado. Teniendo en cuenta que, de acuerdo con el modelo actual de gestión de residuos domiciliarios dado en el Plan Integral de Residuos de Castilla y León, el residuo que llega en la bolsa “todo uno” a los Centros de Tratamiento de Residuos (CTRs) se separa en varias fracciones y que solamente una de ellas, la fracción rechazo, es la que se lleva a vertedero, obviamente, el problema radica en esta fracción ya que más del 50 % del mismo es material biodegradable Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149325 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/148543 [ES]Hoy en día, la preocupación por la sostenibilidad está dando lugar a todo un nuevo sistema económico. Este nuevo paradigma afecta a todos los sectores como la agricultura, la industria, el sector financiero, etc. Dos de los más afectados son la industria química y el sistema energético debido a su configuración actual y, estos dos sectores son particularmente estudiados en esta tesis. En cuanto a la industria química, la producción electroquímica es uno de los métodos más atractivos para producir productos químicos de forma sostenible dejando atrás la producción tradicional no renovable. En esta tesis se ha prestado especial atención a la producción sostenible de amoníaco. Se han evaluado dos rutas diferentes, la primera utiliza la electrólisis del agua y evalúa diferentes tecnologías de separación del aire en función de la escala, y la segunda utiliza la biomasa como materia prima. Utilizando estos productos electroquímicos, es posible construir una nueva industria química sostenible. En esta tesis se propone la síntesis de carbo- nato de dimetilo (DMC) utilizando metanol renovable, amoníaco y dióxido de carbono capturado. En cuanto al sector energético, la introducción de fuentes renovables es esencial para alcanzar los objetivos propuestos. En este punto, el almacenamiento de energía será crucial para garantizar la satisfacción de la demanda debido a las fluctuaciones inherentes a las energías solar y eólica. Esta tesis se centra en la evaluación de productos químicos como forma potencial de almacenamiento o como vectores de energía. Se estudia la transformación del amoníaco en electricidad a escala de proceso proporcionando los resultados necesarios para implementar esta alternativa a escala de red. El diseño y el funcionamiento de las insta- laciones basadas en renovables se abordan simultáneamente, incluyendo la ubicación de las unidades debido a que los recursos renovables estan distri- buidos. Se propone un sistema integrado para utilizar productos químicos como vectores energéticos para diferentes aplicaciones energéticas en una región de España, calculando las capacidades, la operación y la ubicación óptima de las instalaciones. Además, se realiza la integración de diferentes energías renovables intermitentes y no intermitentes junto con diferentes tecnologías de almacenamiento desde una perspectiva económica y social para satisfacer una determinada demanda eléctrica. Todos estos sistemas y herramientas propuestos contribuyen a crear un escenario futuro en el que los sectores químico y energético se transforman para ser menos impactantes en el medio ambiente que nos rodea Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/148543 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/145490 [ES] La sustitución de fuentes de energía fósiles por fuentes de energía renovables se considera necesaria por razones medioambientales y socioeconómicas: las primeras relacionadas con la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, y las segundas con la garantía de suministro, la disminución de la dependencia energética del exterior y la creación de empleo. En particular, el transporte de personas o mercancías requiere el uso de un alto porcentaje de la energía total que se consume en el mundo y, por ello, los biocarburantes juegan un papel importante en la transición al uso de energías renovables. Un biocarburante importante es el biodiésel, que es un compuesto líquido obtenido a partir de fuentes renovables, que se puede utilizar como un sustituto del diésel procedente del petróleo. La producción y el consumo de biodiésel se han incrementado significativamente desde el año 2000, de forma paralela al desarrollo de políticas regulatorias destinadas a promover el uso de biocarburantes. La síntesis de biodiésel a escala industrial se lleva a cabo generalmente mediante la transesterificación de triglicéridos con metanol, utilizando catalizadores básicos homogéneos, tales como el hidróxido sódico o el hidróxido potásico. El principal inconveniente de estos catalizadores básicos es que las materias primas no pueden contener agua ni ácidos grasos libres. El agua facilita la hidrólisis del biodiésel produciendo ácidos grasos y los ácidos grasos reaccionan con el catalizador produciendo jabones, lo que provoca una disminución en el rendimiento de la reacción y dificulta la separación de la fase glicerina. Esto implica que, para la producción de biodiésel con un catalizador básico, se tengan que utilizar materias primas de alta calidad y, con ello, de alto precio que, además, suelen ser productos aptos para la alimentación humana. Con ello, el precio del biodiésel obtenido de esta manera no puede ser competitivo con respecto al del petrodiésel, ya que se considera que en torno a un 80% del coste de producción del biodiésel se debe al precio de las materias primas. Una solución a la falta de rentabilidad económica del proceso usual de obtención de biodiésel y también a la baja aceptación social del uso de productos comestibles para la obtención de biocarburantes, es la utilización de productos de bajo coste, tales como aceites y grasas usadas o no comestibles (jatropha, karanja, mahua, camelina, cardo, linaza, algodón, etc.). El precio de estas materias primas alternativas es entre 2 y 3 veces inferior al coste de las materias primas comestibles. Wed, 01 Jan 2020 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/145490 2020-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/145458 [ES] La tesis doctoral versa sobre el uso de liposomas para encapsular la camptotecina (fármaco quimioterápico) utilizando un complejo de inclusión a través de una ciclodextrina. Con ello se consigue aumentar la solubilidad y la estabilidad del fármaco. Para ello, se realizaron experimentos para conocer la interacción entre la camptotecina y la ciclodextrina, de forma que se observó que el complejo de inclusión fue más estable a pH 3,5 que a pH 7,4; mientras que su solubilidad fue mayor a pH 7,4 que a pH 3,5. Posteriormente, se estudiaron diferentes maneras de formar los liposomas, empleando liposomas convencionales (formados por fosfatidilcolina y colesterol) y PEGilados (con adición de polietilenglicol), de forma que en ambos sistemas las condiciones más eficaces de síntesis fueron utilizar un filtro con un tamaño de poro de 100 nm, extruyéndolos a una temperatura de 65ºC y con una relación molar fosfatidilcolina:colesterol de 50:50. Una vez se sintetizaron los liposomas se encapsuló el fármaco en el interior de los liposomas, tanto en su forma libre como en forma de complejo de inclusión, a través de metodologías activas y pasivas, y se observó que encapsulando el fármaco de forma pasiva a través de un complejo de inclusión, se logró obtener una mayor concentración de fármaco encapsulado. Por otra parte, se estudió la cinética de liberación a pH 7,4 y a pH 3,5, de forma que a pH 7,4 la liberación fue prácticamente nula, y a pH 3,5 fue únicamente del 6%. Finalmente, todos los sistemas se probaron en líneas celulares, y se observó como el sistema más eficaz fue el de liposomas PEGilados con el complejo de inclusión en su interior, y la línea celular más sensible a los tratamientos fue la de cáncer de mama BT-474. Como último experimento se estudió la internalización celular del fármaco, cuyo mecanismo celular fue el de endocitosis (pinocitosis) mediada por clatrina. Wed, 01 Jan 2020 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/145458 2020-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/145283 [ES] La tesis titulada "Multi-scale Modeling and optimization for Industries with Formulated Products" se centra en el desarrollo de modelos matemáticos y técnicas de optimización para este tipo de productos. Por un lado la tesis se focaliza en modelado de secadores con diferentes metodologías. Primero, se desarrolla un modelo cinético de secado de una una única gota. Luego, se desarrolla un modelo basado en mecánica de fluidos computacional (CFD) para los secadores y el cuál se ha validado a escala industrial. Finalmente, se desarrollan modelos basados en "data-driven" y modelos subrogados para reducir el coste computacional del modelo en CFD sin perder su nivel de detalle. Por otro lado, la tesis tiene una segunda parte donde se focaliza en el desarrollo de modelos de optimización matemática para el tratamiento de residuos y la revalorización del biogás. Wed, 01 Jan 2020 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/145283 2020-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/143553 [ES] La biotecnología ha supuesto una revolución científica en los últimos años, siendo considerada una de las herramientas más potentes para el siglo XXI. La biotecnología busca utilizar microorganismos o partes de ellos para generar productos que sean de gran utilidad para los seres humanos. En esta tesis doctoral se presentan diferentes estrategias biotecnológicas para la producción de un polímero basado en residuos de fructosa, conocido como levan, así como potenciales aplicaciones del mismo en el campo de la biomedicina.Entre los diferentes productos biotecnológicos, requieren especial atención los biopolímeros, producidos por microorganismos poseen características especiales, que los distinguen de los tradicionales polímeros inorgánicos, como su biocompatibilidad o biodegradabilidad, y los hacen muy adecuados para usos diferentes, en medicina o en alimentación. Los polímeros tradicionales, basados en hexosas, como el alginato o el quitosano, han sido muy usados para diferentes fines, y actualmente se buscan alternativas, con otros polímeros que sean capaces de mejorar algunas propiedades, ofreciendo mejores resultados en el mercado. Entre estos nuevos polímeros destaca el levan porque es capaz de auto-organizarse en agua, formando nanopartículas estables y de pequeño tamaño, y porque es fácilmente modificable, es decir, pueden realizarse transformaciones químicas superficiales que mejoren su biodisponibilidad o su especificidad.Este polímero ha sido producido tradicionalmente desde bacterias, donde las especies Zymomonas mobilis y Bacillus subtilis han sido las más utilizadas. Las bacterias producen el polímero desde la sacarosa, utilizando una enzima llamada levan-sacarasa, que es capaz de hidrolizar el disacárido y polimerizar la fructosa para formar el polímero. A pesar de conocerse la estructura cristalina de esta enzima, no se había realizado ningún estudio pormenorizado analizando las diferentes secuencias entre los microorganismos que la tienen presente en su proteoma, y estudiando las posibles regiones consenso, así como posibles péptidos señal. Por esta razón, esta tesis doctoral aborda un estudio bioinformático de esta enzima, comparando más de 100 secuencias diferentes, donde se pudo identificar el péptido-señal que es responsable de la secreción de esta enzima al exterior celular (espacio periplásmico o pared de péptidoglicano), así como varias regiones consenso, que contienen aminoácidos fundamentales para la catálisis. Del alineamiento múltiple de secuencias se pudieron establecer relaciones filogenéticas, y agrupar a las bacterias productoras en ocho familias, dependiendo de la homología de sus secuencias proteicas. A pesar de haberse obtenido en varios trabajos este polímero, nunca se ha caracterizado de forma completa, ni se ha estudiado su cinética de producción. Por esta razón, se tomaron dos especies que presentaban la enzima, pero que no habían sido estudiadas en la bibliografía previamente para la producción de levan: Bacillus atrophaeus como ejemplo de Bacteria Gram positiva, y Acinetobacter nectaris como ejemplo de Bacteria Gram negativa. Mediante el cultivo líquido de estas bacterias se estudió su crecimiento, así como la producción del polímero asociada, determinando las cinéticas de crecimiento microbiano y de producción de levan, así como los valores estequiométricos de la reacción para ambos casos. Los resultados demostraron que se ajusta a una cinética de inhibición por sustrato y por intermediario (glucosa), y la producción de polímero sigue un modelo de Leudeking-Piret, donde la síntesis del polímero va acoplada al crecimiento microbiano.El polímero obtenido fue caracterizado a nivel físico-químico para certificar la naturaleza del mismo, y se procedió a la preparación de nanopartículas desde éste gracias a su reorganización en agua. Se obtuvieron nanopartículas de 130 nm de diámetro, con carga superficial próxima a 0 mV, pero permanecían estables durante al menos los primeros 15 días después de ser reorganizadas. De igual forma, se observó su forma y distribución al microscopio electrónico, y se estudió el proceso de auto-ensamblado, analizando el entorno hidrofóbico mediante espectrofotometría de fluorescencia, pudiéndose determinar la Concentración de agregación crítica, que quedó fijada en 0.07 mg/mL. Además de lo anterior, se comprobó su baja capacidad para retener proteínas de forma no-específica, lo que supone una ventaja para no ser atrapadas por el sistema inmunitario. Finalmente, con el objetivo de reducir costes en la producción del polímero, se estudió la posibilidad de usar residuos de la industria alimentaria como fuente de nitrógeno para el crecimiento de estos microorganismos. Esta estrategia resultó adecuada para el crecimiento de B. atrophaeus, consiguiéndose una reducción del 10% en el coste del medio de cultivo. Estos resultados, con el polímero obtenido de la forma tradicional, fueron comparados con una forma alternativa, basada en la síntesis exclusivamente a partir de la enzima (purificada desde B. subtilis). Se estudió el efecto de numerosos factores en la producción del polímero, tales como la concentración de sustrato, la concentración de intermediarios o de otros azúcares, la temperatura, la proporción enzima-sustrato, la presencia de elicitores como ATP o manganeso, o incluso, la posibilidad de utilizar sustratos alternativos como la rafinosa. De cada una de estas alternativas se pudo estudiar la evolución en la concentración de nanopartículas durante la síntesis, así como su tamaño; observándose diferencias significativas que podrían ser utilizadas para conseguir nanopartículas “a la carta”. El polímero obtenido también fue caracterizado por las técnicas descritas anteriormente (para el caso de la obtención microbiana), observándose diferencias en las partículas obtenidas, con respecto a la producción tradicional. Por ejemplo, se observan partículas más pequeñas, de tamaño medio 90 nm, con semejante carga superficial y estabilidad, pero una concentración de agregación crítica muy superior (0.20 mg/mL). De igual forma, se observa un peso molecular inferior para este tipo de producción, así como una menor adsorción no-específica de proteínas. Los procesos de síntesis y auto-ensamblado con el sistema enzimático fueron modelados utilizando ecuaciones diferenciales y la proposición de un modelo que englobara ambos fenómenos. Para la determinación de los parámetros se realizó una estimación hessiana, obteniendo, con elevada significación estadística, los principales valores que se encargan de gobernar el proceso. Con esos valores es posible ejecutar simulaciones bajo diferentes condiciones experimentales, que permiten predecir el comportamiento del sistema, así como optimizar para mejorar producción de polímero y ensamblado de partículas. A pesar de las ventajas que ofrece el trabajo con sistemas enzimáticos en lugar de microbianos, esta posibilidad no es completamente explotada debido a que la purificación de la enzima supone un elevado coste, que reduce considerablemente la viabilidad económica del proceso. Por esta razón, se estudiaron dos alternativas para la inmovilización de la enzima levan-sacarasa, de tal forma que pueda ser reutilizada para varios ciclos de reacción. Concretamente, se trabajó la inmovilización en un reactor de lecho fijo con esferas de alginato, donde la enzima es retenida dentro de las mismas, y en un reactor monolítico, donde la enzima es unida al soporte por un brazo espaciador que contiene un cobre terminal que retiene las enzimas por sus histidinas superficiales. En primer lugar, se cuantificó la capacidad de retención de la enzima en ambos soportes, alcanzándose valores de 80% para el caso de las esferas de alginato y del 95% para el reactor monolítico. Posteriormente se estudió el efecto de la inmovilización en la reacción enzimática, cuantificando los rendimientos de producción, así como las condiciones de operación de los reactores (caudal, porosidad, longitud del lecho, etc.). Los resultados mostraron que era necesario un elevado tiempo de residencia en el reactor para conseguir que se realizara el intercambio de moléculas entre las fases (líquido-sólido), por lo que los caudales de trabajo deberían ser muy bajos. De igual modo, se demostró que, a esos flujos másicos, el fenómeno de la pérdida de carga puede considerarse despreciable. Las nanopartículas obtenidas desde el polímero producido por este sistema también fueron caracterizadas, observándose diferencias importantes: el tamaño de las producidas desde el lecho fijo se sitúa en 230 nm, mientras que desde el reactor monolítico se mantienen en 150 nm. Con todos los valores, se formuló un modelo de transferencia de materia, que explicase las diferencias entre los reactores homogéneos y heterogéneos mediante correlaciones experimentales y números adimensionales. Estos resultados muestran que el reactor monolítico presenta una menor resistencia al transporte de materia (0.031 s-1) que el reactor de lecho fijo empaquetado (0.301 s-1). Dado que la inmovilización debe aportar una reducción de costes, se estudió la viabilidad tecnológica y económica de plantas de producción del polímero utilizando ambas estrategias. Los resultados muestran, que, en ambos casos, el coste de producción es semejante (6000€/kg), y muy inferior al coste que supondría la producción desde un reactor enzimático homogéneo. Para finalizar la tesis doctoral, se presentan tres potenciales aplicaciones de este polímero, para intentar solventar algunos de los retos de la biomedicina en los próximos años: tratamiento de tumores, control de infecciones bacterianas, prevención de infecciones en prótesis. Para el tratamiento de tumores, las nanopartículas obtenidas por vía enzimática y vía microbiana fueron usadas como vehículos para transportar un fármaco quimioterápico (5-fluorouracilo) y estudiar su liberación controlada en células tumorales de colon. Las nanopartículas presentaban una capacidad de carga del 0.65%, y los ensayos in vitro demostraron la eficiencia de este tratamiento. Para el caso del control de infecciones bacterianas, se diseñó un gel basado en alginato que contenía nanopartículas de plata y polímero levan. Estas nanopartículas son capaces de ser liberadas de forma controlada sobre la superficie con infección bacteriana, y detener el crecimiento de las bacterias. Se estudiaron diferentes dosis y con diferentes microrganismos, consiguiendo reducir la supervivencia hasta un 20% en algunos de los casos, en las primeras 24 horas. Con los datos obtenidos se formuló un modelo global que evaluaba la difusión de las partículas en el gel, su liberación, así como la supervivencia de los organismos que vivían fuera de él. Para la prevención de infecciones en prótesis, se utilizó el polímero levan como recubrimiento para impedir la bioadhesión de patógenos en prótesis de titanio-aluminio-vanadio. El recubrimiento se caracterizó por análisis química, por microscopía y por difracción de Rayos X. La eficiencia de dicho recubrimiento se evaluó al ser expuesto a cultivos de la cepa Staphylococcus, y posteriormente cultivadas en agar sangre, haciendo una cuantificación de las colonias producidas. Los resultados obtenidos muestran un recubrimiento prácticamente uniforme, con una distribución cristalina del polímero. Los resultados microbiológicos muestran que no existe crecimiento de colonias en las prótesis recubiertas mientras que sí existe en el caso de los controles. Estos resultados sugieren una vía de profundización para conseguir prótesis más biocompatibles y que eviten el rechazo o la infección en los pacientes. Tue, 01 Jan 2019 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/143553 2019-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/140430 The main challenge today is to obtain multifunctional materials that are applied to numerous processes, highlighting the processes that involve the environmental decontamination of water bodies. In this context, this Doctoral Thesis is presented in a compilation format of original research articles published in prestigious scientific journals and indexed in the scientific edition of the Journal Citation Reports. Article I presents the obtaining of composites prepared by the sol-gel method, using kaolinite, TiO2 and cobalt(II) tetracarboxyphthalocyanine. The materials obtained were duly characterized and applied in oxidation processes (degradation) of trimethoprim, caffeine and prometryn. The results showed that there was a moderate degradation of trimethoprim (30%) and prometryne (54%), and high for caffeine (90%). The obtaining of degradation byproducts was verified in all cases by mass spectrometry. Article II presents the results of the aminosilanization of laponite with ClPTES and melamine or biuret by two synthetic routes. The materials obtained were characterized and applied in trimethoprim adsorption processes. The results showed that the materials obtained have a high affinity towards the organic compound, reaching 80% elimination. Another important objective of industrial processes is to carry out these processes with lower energy and reagents expenditure, which is consistent with the precepts of green and sustainable chemistry. In this sense, Article III presents results of the synthesis of metalophthalocyanine and its immobilization in kaolinite in a single stage of reaction. The material was characterized, confirming the synthesis and immobilization of the metalophthalocyanine in the kaolinite by X-ray photoelectric spectroscopy (XPS) and nuclear magnetic resonance (NMR). The phthalocyanine formed is composed of Al (III) dissolved from the kaolinite coverslip. This process constitutes a new synthetic route for these macromolecules (metallophthalocyanines), opening new perspectives of synthesis; El principal desafío hoy en día es obtener materiales multifuncionales que se apliquen a numerosos procesos, destacando los procesos que involucran la descontaminación ambiental de los cuerpos de agua. En este contexto, esta Tesis Doctoral se presenta en un formato de compendio de artículos originales de investigación publicados en revistas científicas de prestigio e indexadas en la edición científica del Journal Citation Reports. El artículo I presenta la obtención de composites, preparados por el método sol-gel, utilizando caolinita, TiO2 y tetracarboxiftalocianina de cobalto (II), por dos rutas sintéticas, ácida y básica, para estudiar las diferencias de los materiales obtenidos. Los materiales obtenidos fueron debidamente caracterizados y aplicados en procesos de oxidación (degradación) de trimetoprim, cafeína y prometrina. Los resultados demostraron que hubo una degradación moderada de trimetoprim (30%) y prometrina (54%), y elevada para la cafeína (90%). La obtención de productos intermediarios de degradación fue verificada en todos los casos por espectrometría de masas. El artículo II presenta los resultados de la funcionalización de laponita con ClPTES y dos materiales aminados, melamina y biuret, por dos rutas sintéticas: una ruta no acuosa (utilizando tolueno como disolvente) y una ruta acuosa. Los materiales obtenidos fueron caracterizados y aplicados en procesos de adsorción de trimetoprim. Los resultados demostraron que los materiales obtenidos tienen una elevada afinidad hacia el compuesto orgánico, alcanzando el 80% de eliminación. Otro objetivo importante de los procesos industriales es la realización de dichos procesos con menor gasto energético y de reactivos, lo cual va en consonancia con los preceptos de la química verde y sostenible. En este sentido, en el artículo III se presentan resultados de la síntesis de metaloftalocianina y su inmovilización en caolinita en una única etapa de reacción. El material fue caracterizado, confirmando la síntesis e inmovilización de la metaloftalocianina en la caolinita por espectroscopia fotoeléctrica de rayos X (XPS) y resonancia magnética nuclear (RMN). La ftalocianina formada está compuesta de Al (III) disuelto de la lámina de caolinita. Este proceso constituye una nueva ruta sintética para estas macromoléculas (metaloftalocianinas), abriendo nuevas perspectivas de síntesis.; [POR] O grande desafio da atualidade é a obtenção de materiais multifuncionais que sejam aplicados a inúmeros processos, destacando processos que envolvam descontaminação ambiental de corpos hídricos. Nesse contexto, esta Tese de Doutorado se apresenta em um formato de um compilado de artigos originais de investigação, publicados em revistas científicas de prestígio e indexadas na edição científica do Journal Citation Reports. O Artigo I apresenta a obtenção de compósitos, preparados pelo método sol-gel, utilizando caulinita, TiO2 e tetracarboxiftalocianina de cobalto (II), mediante duas rotas sintéticas, ácida e básica, para estudar as diferenças dos materiais obtidos. Os materiais obtidos foram devidamente caracterizados e aplicados em processos de oxidação (degradação) de trimetoprim, cafeína e prometrina. Os resultados demonstram que houve degradação moderada de trimetoprim (30%) e prometrina (54%), e elevado para cafeína (90%). Foi verificada por espectrometria de massas, a obtenção de produtos intermediários de degradação em todos os casos. O Artigo II apresenta os resultados da funcionalização da laponita com ClPTES e dois compostos aminados, melamina e biureto, por duas rotas sintéticas: uma rota não aquosa (utilizando tolueno como solvente) e uma rota aquosa. Os materiais obtidos foram caracterizados e aplicados em processos de adsorção de trimetoprim. Os resultados demonstram que os materiais obtidos têm elevada afinidade com o composto orgânico, atingindo 80% de remoção. Também há um viés importante nos processos industriais, que são processos com menor gasto energético e de reagentes, que vão de acordo com os preceitos de química verde e sustentável. Nesse sentido, são apresentados no Artigo III os resultados da síntese de metaloftalocianina e sua imobilização em caulinita em uma única etapa reacional. O material foi caracterizado, confirmando a síntese e a imobilização da metaloftalocianina na caulinita por espectroscopia fotoelétrica de raios X (XPS) e ressonância magnética nuclear (RMN). A ftalocianina formada é composta por Al(III) dissolvido da lamela da caulinita. Este processo constitui uma nova rota sintética para essas macromoléculas (metaloftalocianinas), abrindo novas perspectivas de síntese. Tue, 01 Jan 2019 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/140430 2019-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/139751 [ES]El cáncer de pulmón es actualmente una de las enfermedades que más muertes produce y de mayor crecimiento en los últimos años. Además, los tratamientos actuales (cirugía, quimioterapia y radioterapia fundamentalmente) plantea una serie de problemas debido a su, en ocasiones, baja eficacia y efectos secundarios. Así, intentado dar respuesta a esta necesidad, se planteó inicialmente el objetivo de esta investigación. La búsqueda de mejores tratamientos hizo pensar en un direccionamiento pasivo de los fármacos, soportados ambos en un material biocompatible y biodegradable (alginato). El fármaco empleado ha sido uno de los más ampliamente utilizados en tratamientos de quimioterapia (cisplatino) y el reconocedor celular específico ha sido factor de crecimiento epidérmico (EGF). El uso de receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) como diana se debe a que el 85 % de los cánceres de pulmón son debidos a las células no pequeñas (NSCLC) y la mayoría de éstas sobreexpresan EGFR que permitirá la unión selectiva con EGF. El trabajo presentado aborda la síntesis de micropartículas y nanopartículas que actuarán de portador del fármaco y el reconocedor específico. Posteriormente se han desarrollado ensayos in vitro para probar su eficacia y biotoxicidad. En la búsqueda de nuevas vías de aplicación no parenterales de tratamientos quimioterapéuticos en cáncer de pulmón, se planteó el desarrollo de un sistema de administración de fármacos vía “in situ” y, para ello, se desarrollan diferentes tipos de partículas buscando dicho objetivo. Dichas vías de suministro vendrían caracterizadas por la aplicación: •Directamente a través de un catéter en el tumor (partículas de aproximadamente 50 μm). •En circuito cerrado realizado mediante cirugía torácica para recircular partículas en el pulmón (partículas de aproximadamente 200 nm). De este modo se plantea como objetivo principal de la línea de investigación el desarrollo y la validación de sistemas alternativos de tratamiento del cáncer de pulmón. Estos objetivos han sido desarrollados y se describen a continuación como núcleo principal del trabajo desarrollado. •Fabricación y caracterización de micropartículas basado en atomización focalizada de fluidos no newtonianos viscosos para la preparación, por gelificación iónica de alginato y cloruro de bario, de micropartículas monodispersas con un tamaño de 40 μm de manera reproducible y con un elevado rendimiento. Este objetivo implica la optimización del proceso de producción propuesto para conseguir reproducibilidad, monodispersión, escalabilidad y control sobre el tamaño, y estabilidad de las micropartículas. •Síntesis de nanopartículas basándonos también en la utilización de alginato como material biocompatible y, en este caso, piperazina como reticulante de tamaños aproximados a 200 nm mediante síntesis química y su caracterización. Asimismo y al igual que para el caso de las micropartículas se llevará a cabo la optimización del proceso de síntesis para conseguir reproducibilidad, monodispersión, escalabilidad y control sobre el tamaño, y estabilidad de las nanopartículas. •Adiccionalmente, y también basado en el uso de alginato, se han conseguido desarrollar de forma eficaz unas partículas combinadas que contienen nanopartículas de magnetita y recubrimiento de alginato que permiten la aplicación de una terapia dual (hipertermia y quimioterapia). Estas partículas se validaron para una potencial aplicación de hipertermia. La gran dificultad de la aplicación de la hipertermia es el control preciso de la temperatura; para lo cual se ha empleado y validado un sistema de termografía que permite un seguimiento preciso de la temperatura en los ensayos in vitro. •Funcionalización superficial de las micropartículas y nanopartículas con grupos orgánicos adecuados que permitan el anclaje de anticuerpos monoclonales y fármacos para su posterior utilización en terapia contra el cáncer de pulmón humano. De igual modo, se plantea la evaluación de la estabilidad de los diferentes tipos de partículas una vez realizada su funcionalización superficial. Los tres tipos de partículas sintetizadas (micropartículas, micropartículas magnéticas y nanopartículas) han sido modificados superficialmente, haciendo uso de la química de la carbodiimida (método descrito en el trabajo), para bioconjugar un fármaco antitumoral (cisplatino) y un reconocedor celular específico (EGF) habiendo obtenido un elevado rendimiento en los procesos de bioconjugación. •Estudio de la dinámica molecular del sistema cápsula de alginato, factor de crecimiento epidérmico (EGF) y receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) para predecir su comportamiento en la posterior funcionalización superficial y desarrollo del sistema de liberación controlada. •Ensayos in vitro de los diferentes tipos de micro/nanopartículas sintetizadas con la línea celular de cáncer de pulmón humano H-460 que prueben su eficacia en este tipo de tratamientos. •Por último, los sistemas de liberación microparticulados y nanoparticulados han sido probados in vivo con ratones inmunodeprimidos, habiendo obtenido muy buenos resultados para ambos tipos, tanto en mejora de la supervivencia de los animales tratados como en la reducción y/o erradicación de los tumores. Los mejores resultados se obtuvieron para la combinación de cisplatino en solución libre con micropartículas con EGF y cisplatino y repetición de una segunda dosis a los 10 días. Mon, 01 Jan 2018 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/139751 2018-01-01T00:00:00Z