http://www.tdx.cat:80/handle/10803/318 Sat, 18 May 2013 22:52:00 GMT 2013-05-18T22:52:00Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/109047 Electrochemically actuated capillary flow control for the development of integrated microfluidic devices Washe, Alemayehu Paulos Dispositivos microfluidos operados por fuerzas capilares son fáciles de operar plataformas para realizar herramientas Lab-On-a-Chip (LOC). Si estas “simplistas” aplicaciones LOC tengan éxito, la operación unitaria del control de flujo hay que desarrollarse. Esto es particularmente verdad para herramientas “ASSURED” (término introducido por A. Guiseppi-Elie: Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable) y aplicaciones bioanalíticas en las cuales la respuesta depende de la disolución de los reactivos previamente depositados, la cinética de afinidad biológica y enzimática, y el transporte en materia de productos a un transductor en los microcanales. En esta tesis el diseño, fabricación e implementación de tres alternativas electroquímicas para el control del flujo capilar se han desarrollado basadas en electrowetting usando i) superficies superhidrófobas basándose a polímeros que responden inteligentemente a los estímulos eléctricos, ii) superficies nanoporosas superhidrófobas de electrodos de carbono, y iii) electrodos con superficies superhidrófobas acoplados a otros electrodos que facilitan la generación de gradientes que pueden propulsar el líquido. La tesis estudia el mecanismo de la respuesta en cada caso en estos sistemas y demuestra opciones para la reducción a la práctica de herramientas que pueden “democratizar” la “teranostica” (theranostics).; Capillary force-operated microfluidic devices are easy to use, low cost realization platforms for Lab-on-a-Chip (LOC) configurations. If such “simplistic” LOC applications are to have success, flow control is an important unit operation to develop. This is particularly true for ASSURED (a term introduced by A. Guiseppi-Elie: Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable) devices for bioanalytical applications where an analytical response depends on the dissolution of previously deposited reagents, the kinetics of biological affinity and enzymatic reactions, and mass transport of products to a transducer in the microchannels. In this thesis the design, fabrication and implementation of three different electrochemically actuated capillary flow control schemes have been developed through low voltage electrowetting/ electrochemical actuation of the flow using i) electrical stimuli responsive superhydrophobic surfaces based on intelligent polymers ii) superhydrophobic nanoporous carbonaceous surfaces, and iii) superhydrophobic electrodes coupled to other electrodes that facilitate the generation of gradients to propel the liquid. The thesis unravels the mechanism of response of such systems and demonstrates ways for reduction to practice of such devices for the “democratization” of theranostics. Mon, 08 Apr 2013 08:08:54 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/109047 2013-04-08T08:08:54Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108997 Optimal design of sustainable chemical processes via a combined simulation-optimization approach Brunet Solé, Robert Resum La societat es cada dia més conscient de la escassetat i els canvis ambientals. Per això les empreses químiques han d’adaptar i desarrollar processos químics més sostenibles. En aquest sentit, hi ha una clara demanda dins de la comunitat científica per desenvolupar eines sistemàtiques per aconseguir reduccions en els costos de producció i en l’impacte ambiental en els processos químics. Aquesta Tesis introdueix un nou mecanisme pel disseny de processos químics més sostenibles. El sistema que es presenta està basat en l’ús combinat de simulació de processos, eines d’optimització multi-objectiu, anàlisis econòmic, anàlisis de cicle de vida i sistemes de suport a la presa de decisions. L’estratègia presentada s’utilitza en la resolució de problemes complexos, pel que també serà necessari desenvolupar nous algoritmes i estratègies de descomposició per dividir el problema original, en sub-problemes més manejables, per obtindre el disseny òptim del procés. La Tesis es presenta utilitzant sis articles que han estat publicats en revistes científiques. La primera part, que inclou dues publicacions, està enfocada en el disseny de bioprocessos sostenibles, ja que aquests processos han guanyat molt interès al mercat degut al seu alt valor afegit. En el primer treball, s’ha estudiat la maximització del Valor Actual Net en la producció de l’amino-acid L-lisina. El cas es formulat com un problema d’optimització dinàmica entera mixta, i es soluciona mitjançant un mètode de descomposició que itera entre els sub-problemes esclau i el mestre. L’optimització dinàmica del problema esclau es resolta mitjançant un algoritme seqüencial que integra el simulador de procés (SuperPro Designer®) amb un solver de problemes de programació no lineal implementat en Matlab®. En el segon article, el problema d’optimització permet una resolució conjunta dels aspectes econòmics i ambientals del procés. En aquest cas s’optimitza el Valor Actual Net conjuntament amb diversos indicadors ambientals. La solución del problema es presentada mitjançant diverses corbes de Pareto, i en elles s’aplica l’anàlisi de components principals per tal de trobar objectius redundants entre els diversos indicadors ambientals. Degut a que la demanda d’energia s’ha incrementat dràsticament durant els últims anys, l’anàlisi energètic en els processos industrial ha guanyat molt interès. Es per això, que la segona part de la Tesis està enfocada en el disseny òptim de cicles termodinàmics. En aquesta secció s’han publicat dos articles. En el primer dels articles d’aquesta segona part es presenta un mètode per el disseny òptim de cicles d’absorció d’amoni-aigua, tenint en compte l’anàlisi econòmic i ambiental. El problema es planteja com un problema de programació no-lineal entera amb multiples objectius i es resol amb l’estratègia d’aproximació exterior. Al segon article, s’aplica una estratègia similar però incloent diversos cicles termodinàmics. En aquest article es demostren les capacitats del mètode amb diversos cicles termodinàmics, com un cicle Rankine de 10 MW modelat en Aspen Hysys® i un cicle d’absorció d’ammonia-aigua de 90 kW modelat en Aspen Plus®. La producció de biocombustibles segueix creixent a nivell mundial a una gran velocitat. A la tercera part d’aquesta Tesis, hem aplicat tècniques matemàtiques per desenvolupar processos de producció de biocombustibles. Aquesta tercera part inclou novament dos publicacions. En la primera s’adreça el problema de reduir l’impacte ambiental de les plantes de producció de biodiesel mitjançant la inclusió de panells solars per la generació del vapor utilitzat en la planta. Per dur a terme l’estudi s’utilitza un model de sistemes d’energia solar que inclou emmagatzematge d’energia implementat en GAMS®. Aquest model es combinat amb un model de simulació rigorós desenvolupat amb Aspen Plus® de la planta de biodiesel. En el problema el sistema d’energia solar té en compte la minimització del cost i del potencial d'escalfament global de la planta. En el segon treball, el problema adreça el disseny multi-objectiu d’una planta de producció de bio etanol combinada amb un sistema de panels solars per la generació de vapor en la planta. Globalment es pot considerar que la Tesis presenta un nou marc en l’àmbit del disseny òptim de processos sostenibles. Els resultants numèrics mostren que es possible aconseguir millores ambientals i econòmiques utilitzant aquest enfoc rigorós. Addicionalment, aquest mètode ha estat aplicat a diferents tipus de processos com: bioprocesos, cicles termodinàmics i biocombustibles. Aquest mètode serà molt útil per els prenedors de decisions a fi d'avaluar la topologia i les condicions de funcionament en l'enginyeria de procés.; Resumen La sociedad es cada día más consciente de la escasez y los cambios ambientales. Por lo que las empresas químicas tienen la necesidad de adaptarse y desarrollar procesos químicos más sostenibles. Por lo tanto, se ha creado una clara demanda dentro de la comunidad científica para desarrollar herramientas sistemáticas que consigan reducciones en el coste y en el impacto ambiental de los procesos químicos. Esta Tesis introduce un nuevo mecanismo para el diseño de procesos químicos más sostenibles. El sistema que se presenta está basado en el uso combinado de simulación de procesos, herramientas de optimización multi-objetivo, análisis económico, análisis de ciclo de vida y sistemas de soporte a la toma de decisiones. La estrategia presentada se utiliza en la resolución de problemas complejos, por lo que será también necesario desarrollar nuevos algoritmos y estrategias de descomposición para dividir el problema original, en sub-problemas más manejables, para obtener el diseño óptimo del proceso. La Tesis se presenta utilizando seis artículos que se han publicado en revistas científicas. La primera parte, que incluye dos publicaciones, está enfocada en el diseño de bioprocessos sostenibles, ya que han ganado mucho interés en el mercado debido a su alto valor. En el primer trabajo, se ha estudiado la maximización del Valor Actual Neto en la producción del amino-ácido L-lisina. El problema se formula como un problema de optimización dinámica entera mixta, solucionándolo mediante un método de descomposición que itera entre los sub-problemas esclavo y maestro. La optimización dinámica del problema esclavo es resuelta mediante un algoritmo secuencial que integra el simulador de proceso (SuperPro Designer®) con un solver de problemas de programación no lineal implementado en Matlab®. En el segundo artículo, el problema de optimización permite una resolución conjunta de los aspectos económicos y ambientales del proceso. En este caso se optimiza el Valor Actual Neto conjuntamente con diferentes indicadores ambientales. La solución del problema se presenta mediante diferentes curvas de Pareto, a las que se aplica el análisis de componentes principales. Debido a que la demanda de energía a incrementado drásticamente durante los últimos años, el análisis energético en los procesos industriales ha ganado mucho interés. Es por eso que en la segunda parte de la Tesis nos enfocamos en el diseño óptimo de ciclos termodinámicos. En esta sección se han publicado dos artículos. En el primero de esta segunda parte se presenta un método para el diseño óptimo de ciclos de absorción de amoníaco-agua, teniendo en cuenta el análisis económico y ambiental. El caso se plantea como un problema de programación no-lineal entera con múltiples objetivos. En el segundo, se aplica una estrategia similar al primero pero a diversos ciclos termodinámicos. En este trabajo se demuestran las capacidades del método con diversos ciclos termodinámicos. Entre ellos un ciclo Rankine de 10 MW simulado en Aspen Hysys® y un ciclo de absorción de amoníaco-agua de 90 kW simulado en Aspen Plus®. La producción de biocombustibles sigue creciendo a nivel mundial a una gran velocidad. En la tercera parte de la Tesis, hemos aplicado herramientas matemáticas a desarrollar procesos de producción de biocombustibles. Esta tercera parte incluye nuevamente dos publicaciones. En el primer trabajo el problema es reducir el impacto ambiental de las plantas de producción de biodiesel mediante la inclusión de paneles solares para la generación del vapor utilizado en dicha planta. Para realizar este estudio se utiliza un modelo de sistemas de energía solar en GAMS®. Este modelo se combina con un modelo de simulación riguroso en Aspen Plus® de la planta de biodiesel. En el problema el sistema de energía solar tiene en cuenta la minimización del coste y del potencial de calentamiento global. En el segundo trabajo, el problema es el diseño multi-objectivo de una planta de producción de bioetanol combinada con un sistema de paneles solares para la generación de vapor en la planta. En general, se puede considerar que la Tesis presenta un marco interesante en el ámbito del diseño optimo de procesos sostenibles. Los resultados numéricos muestran cómo es posible conseguir mejoras ambientales y económicas utilizando estos modelos rigurosos. Además, este método ha sido aplicado a diferentes tipos de procesos como: los bioprocesos, los ciclos termodinámicos y los biocombustibles. Este método será muy útil para los tomadores de decisiones a fin de evaluar la topología y las condiciones de funcionamiento en la ingeniería de proceso.; The society is every day more conscious about the scarce of resources, the global economy, and the environmental changes. Hence, chemical companies have the necessity to be adapted and develop more sustainable processes. There is a clear demanding to the scientific community to develop systematic tools to achieve reductions in the production costs as well as the associated environmental impact in order to develop decision support tools for the design of chemical plants. This thesis introduces a novel framework for the optimal design of sustainable chemical processes. Our approach combines process simulation, multi-objective optimization tools (MOO), economic analysis, life cycle assessment (LCA) and decision support systems (DSS). The developed strategy will be used to solve very complex problems. For that it will be necessary to develop new algorithms and decomposition strategies to divide the original problem in more manageable sub-problems, to obtain the optimum design of the process. The capabilities of the methodology have been tested in different processes along the Ph.D Thesis. This PhD dissertation is presented using six articles that have been published in international peer reviewed journals. The first part, which includes two publications, is focused in the development of sustainable bioprocesses, as these processes have recently gained wider interest for their potential to produce high-value products. In the first work, we studied the maximization of the Net Present Value (NPV) in the production of the amino acid L-lysine. The design task is mathematically formulated as a mixed-integer dynamic optimization (MIDO) problem, which is solved by a decomposition method that iterates between primal and master sub-problems. The dynamic optimization primal sub-problems are solved via a sequential approach that integrates the process simulator SuperPro Designer® with an external non-linear programming (NLP) solver implemented in Matlab®, while the task of the master problem is to decide on the value of the integer variables. In the second paper, the optimization allows for the simultaneous consideration of economic and environmental concerns. We optimize in this case the economic (NPV) and different environmental indicators. The solution is given by various bi-objective Pareto sets, and then we applied principal component analysis (PCA) in order to find redundant objective functions between the environmental indicators. Because the energy demand has drastically increased over the last few years, the energetic analysis of industrial processes has gained wider interest. Hence, we focused in the second part of the thesis in the optimal design of thermodynamic cycles. In this section, we published two papers. In the first article of the second part we present a method for the optimal design of ammonia-water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. The design task is posed as multi-objective mixed-integer non-linear programming (MINLP). In the second article, we expand our work to different thermodynamic cycles. We demonstrate the capabilities of the approach with a 10 MW Rankine cycle simulated in Aspen Hysys® and a 90 kW ammonia-water absorption cycle in Aspen Plus®. Biofuels production worldwide is continuing to grow at very rapid pace. Hence, in the third part of the thesis, we applied the techniques developed in different biofuels production processes. This third part includes two publications. In the first work we address the problem of reducing the environmental impact of biodiesel plants through their integration with a solar thermal energy system that generates steam. A mathematical model of the solar energy system that includes energy storage is programmed and coupled with a rigorous simulation model of the biodiesel facility developed in Aspen Plus®. The solar energy system accounts for the simultaneous minimization of cost and global warming potential. In the second work, we address MOO of a corn-based bioethanol plant coupled with solar assisted steam generation system with heat storage. Our approach relies on the combined use of process simulation, rigorous optimization tools and, economic and energetic plant analysis. Overall, we can consider that this thesis presents a promising framework for the optimal design of sustainable chemical processes. Numerical results show that it is possible to achieve environmental and cost saving using this rigorous approach. Additionally, this approach has been applied in very different type of processes, such as: bioprocesses, thermodynamic cycles and biofuels. This methodology will be very useful for decision-makers in order to evaluate the topology and operating conditions in process system engineering Fri, 05 Apr 2013 11:16:36 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108997 2013-04-05T11:16:36Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108957 Development of advanced mathematical programming methods for supply chain management Kostin, Andrey El objetivo es desarrollar una herramienta de apoyo a la toma de decisiones para la planificación estratégica de cadenas de suministro (CS). La tarea consiste en determinar el número, ubicación y capacidad de todos los nodos de la CS, su política de expansión, el transporte y la producción entre todos los nodos de la red. El problema se formula como un modelo de programación lineal entera mixta (MILP) que se resuelve utilizando diferentes herramientas. En primer lugar se desarrolló una estrategia de descomposición para acelerar el proceso de resolución En segundo, se utilizó el algoritmo de aproximación para resolver el problema MILP estocástico. Por último, el modelo multi-objetivo incorpora las soluciones de compromiso entre los aspectos económicos y ambientales. Todas las formulaciones se aplicaron al caso real de la industria de caña de azúcar en Argentina. El objetivo de las herramientas es ayudar a los responsables de planificación estratégica de las infraestructuras para la producción de productos químicos.; The aim of this thesis is to provide a decision-support tool for the strategic planning of supply chains (SCs). The task consists of determining the number, location and capacities of all SC facilities, their expansion policy, the transportation links that need to be established, and the production rates and flows of all materials involved in the network. The problem is formulated as a mixed-integer linear programming (MILP) model, which is solved using several mathematical programming tools. First, a decomposition strategy was developed to expedite the solving procedure. Second, the approximation algorithm was utilized to solve the stochastic version of the MILP. Finally, the multi-objective model was developed to incorporate the trade-off between economical and ecological issues. All formulations were applied to a real case based on the Argentinean sugarcane industry. The tools presented are intended to help policy-makers in the strategic planning of infrastructures for chemicals production. Thu, 04 Apr 2013 10:54:24 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108957 2013-04-04T10:54:24Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108954 Optimization of ultrafiltration membrane cleaning processes. Pretreatment for reverse osmosis in seawater desalination plants Gilabert Oriol, Guillem Esta tesis explica com mejorar la eficiencia del proceso de ultrafiltración en la desalinización de agua de mar. Esto se consigue optimizando diferentes procesos de limpieza como los contralavados y las limpiezas químicas mejoradas. Para conseguirlo se siguen diferentes estrategias como reducir el número de pasos de los contralavados, reducir la frecuencia de los contralavados, usar salmorra proveniente del concentrado de osmosis y reducir el consumo de químicos. Se propone una nueva metodología para analizar los ciclos de limpieza mediante la modelización del proceso. Diferentes tipos de fibra son analizados mediante su permeabilidad y tolerancia a la suciedad. Se presenta una nueva metodología para prevenir la cloración de las membranas de osmosis inversa causadas por las limpiezas químicas mejoradas que se llevan a cabo aguas arriba. Todos los descubrimientos son validados con datos obtenidos de plantas reales. Estas mejoras aumentan la eficiencia del proceso hasta al 98% y reducen el coste de operación de la ultrafiltración en un 7%.; This thesis gives an overview on how to improve efficiency of the ultrafiltration filtration process in seawater desalination. This is achieved by optimizing different cleaning processes such as the backwash and the chemical enhanced backwash. Key success factors rely on reducing the number of backwash steps, improving the backwash frequency, using reverse osmosis brine for backwashing and reducing the chemical consumption. A new methodology to analyze these cleanings cycles is proposed through modeling the process. Different fibers types are also analyzed according to its permeability and its fouling tolerance. A methodology to prevent reverse osmosis chlorination from upstream chemical enhanced backwash cleaning is presented. All the findings are validated through real plant operating data. The proposed improvements increase the process efficiency to 98% and lead to a 7% cost reduction in the ultrafiltration process. Thu, 04 Apr 2013 10:32:12 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108954 2013-04-04T10:32:12Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108952 Producció i caracterització de microcàpsules polimèriques Panisello Llatje, Maria Cinta Les microcàpsules són partícules habitualment esfèriques, el diàmetre de les quals es troba entre 1 i 1000 µm. Estan formades per una paret polimèrica que reté al seu interior un altre material amb la finalitat d’aïllar-lo del medi, protegir-lo o alliberar-lo de manera controlada. La microencapsulació s’utilitza en molts i diversos camps, des de la medicina fins la construcció, tractant-se d’una tecnologia en constant desenvolupament degut a les seves múltiples possibilitat. Les investigacions s’enfoquen a buscar nous mètodes de producció més fàcilment escalables i que permetin dissenyar i controlar les propietats del producte. En aquest context, el present treball té per objectiu la producció i caracterització de microcàpsules mitjançant un mètode simple i que permeti controlar les propietats del producte. S’ha treballat amb càpsules de polisulfona preparades per atomització seguida d’inversió de fases, i s’han utilitzat per encapsular vanil•lina, un material especialment difícil de encapsular.; Las microcápsulas son partículas habitualmente esféricas, cuyo diámetro se encuentra entre 1 y 1000 µm. Están formadas por una pared polimérica que retiene en su interior otro material con el fin de aislarlo del medio, protegerlo o liberarlo de forma controlada. La microencapsulación se utiliza en muchos y variados campos, desde la medicina hasta la construcción y se trata de una tecnología en constante desarrollo debido a sus múltiples posibilidades. Las investigaciones se dirigen a buscar nuevos métodos de producción, más fácilmente escalables y que permitan diseñar y controlar las propiedades del producto. En este contexto, el presente trabajo tiene por objetivo la producción y caracterización de microcápsulas mediante un método simple y que permita controlar las propiedades del producto. Se ha trabajado con cápsulas de polisulfona preparadas por atomización seguida de inversión de fases, y se han utilizado para encapsular vanilina, un material especialmente difícil de encapsular.; Microcapsules are particles, usually spherical, whose diameter is in between 1 and 1000 microns. They are constituted by a polymeric wall that retains inside it another material in order to isolate it from the environment, protect it or release it in a controlled way. Microencapsulation is used in many different fields, from medicine to construction and it is a technology which undergoes continuous development due to its many possibilities. Research is focused on proposing more simple and easy to scale up methods, which enable the design and control of the product properties. In this context, the present work is focused on the production and characterization of microcapsules through a simple method which allows to control the properties of the capsules. We have worked with polysulfone capsules prepared by atomization followed by phase inversion. Furthermore, vanillin, which is a compound especially difficult to encapsulate, has been successfully encapsulated with our method. Thu, 04 Apr 2013 10:07:05 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/108952 2013-04-04T10:07:05Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/101524 Design and synthesis of novel bio-nanohybrid materials: catalytic applications in reactions of interest to the fine-chemical/pharmaceutical industries Miranda Acevedo, Ronald Alexander Bio-nanohybrid materials based on the combination of biomolecules and inorganic supports are interesting by their versatile applications in regenerative medicine, drug delivery, bio-engineering and catalysis. In that context, understanding of organic/inorganic interactions offers an important key to design new and more complex bio-systems with modified interactions. In this thesis, amino acids and synthesised poly-amino acids were immobilised in hydrotalcite-like materials under green, controllable and efficient protocols. Additionally, these nanohybrid materials were used as heterogenized catalysts exhibiting high catalytic activity and selectivity in comparison with their counterpart components. All result data showed that the location and nature of the immobilization had an important role in the final chemical properties; moreover, this novel bio-nanohybrid material exhibited excellent synergistic behaviour which was unique for each material and could be modified according with the reaction requirements. All novel bio-nanohybrid materials were easily synthesised, recovered and, in some cases, reused without appreciable deactivation.; Materiales bio-nanohíbridos compuestos por la combinación de biomoléculas y soportes inorgánicos son interesantes por sus versátiles aplicaciones en medicina regenerativa, transporte de medicamentos, bio-ingeniería y catálisis. En este contexto, el entendimiento de las interacciones orgánico/inorgánicas ofrece importante información para el diseño de nuevos y más complejos bio-sistemas con interacciones modificadas. En esta tesis, amino ácidos y poli-amino ácidos sintéticos fueron inmovilizados en materiales tipo hidrotalcita a través de eficientes y controlables protocolos amigables con el medioambiente. Adicionalmente, estos materiales fueron usados como catalizadores heterogeneizados mostrando alta actividad y selectividad en comparación con sus componentes de partida. En este sentido, la localización y naturaleza de la interacción tuvo un importante rol en las propiedades catalíticas finales; además, estos novedosos materiales mostraron un excelente comportamiento sinérgico el cual fue único y pudo ser modificado de acuerdo a las necesidades en reacción. Todos los materiales bio-nanohíbirdos fueron sintetizados y recuperados con facilidad del medio de reacción y en algunos casos fueron reutilizados sin desactivación apreciable. Wed, 06 Feb 2013 16:32:16 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/101524 2013-02-06T16:32:16Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96661 Development of an electrochemical sensor for coeliac disease serological markers Rosales Rivera, Luis Carlos La celiaquía, intolerancia al gluten, es una enfermedad autoinmune que afecta principalmente a la parte próxima del intestino delgado y que está presente en el 1% de la población mundial. La ingestión de gluten (proteína presente en el trigo, la cebada, el centeno) desencadena la producción de anticuerpos anti-gliadina (AGA) y anti-transglutaminasa tisular (anti-tTG) que pueden provocar inflamación y daños en el intestino delgado. La detección de estos anticuerpos mediante el uso de pruebas serológicas representa una alternativa rápida, confiable y no invasiva. El objetivo principal de esta Tesis es el desarrollo de inmunosensores usando monocapas de tioles autoensambladas en superficies de oro que sean rápidos, sensibles y de bajo coste, pero eficientes para su uso en muestras reales. Dos estrategias para inmovilizar los antígenos fueron exploradas: i) Usando monocapas autoensambladas de un alcanotiol bípedo, que posee grupos carboxílicos, ii) Introduciendo grupos disulfuro a través de los distintos grupos presentes en los antígenos: carboxílicos, aminos e hidroxilos. Ambas estrategias para construir los inmunosensores fueron optimizadas y usadas para la detección amperométrica de los marcadores serológicos de la celiaquía en muestras humanas de suero.; Coeliac disease (CD), a gluten-sensitive enteropathy, is an autoimmune disorder of the upper small intestine triggered from the gluten ingestion (cereal protein found in wheat, rye and barley) and affects 1% of the population around the globe. The ingestion of gluten, triggers the production of a series of autoantibodies against gliadin (AGA) and tissue transglutaminase (anti-tTG) which can provoke inflammation and damage some parts of the intestine. The detection of those antibodies through serological testing represent a non-invasive, fast and reliable approach. The main objective of this Thesis is the development of a sensitive, rapid and cost-efficient real-sample-oriented immunosensor using thiol-self assembled monolayers on gold surfaces. Two strategies for the antigen immobilisation have been investigated: i) The use of monolayers of a carboxylic acid-ended bipodal alkanethiol, ii) The introduction of disulfide groups through three different moieties of the antigens: amine, carboxylic and hydroxyl. Both immunosensor approaches were optimized and used for the amperometric detection of CD serological markers from human serum samples. Fri, 14 Dec 2012 10:42:33 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96661 2012-12-14T10:42:33Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96660 Global optimization applied to kinetic models of metabolic networks Pozo Fernández, Carlos Recientemente, el uso de técnicas de manipulación genética ha abierto la puerta a la obtención de microorganismos con fenotipos mejorados, lo que a su vez ha llevado a unas mejoras significativas en la síntesis de algunos productos bioquímicos. Sin embargo, la mutación y selección de estos nuevos organismos se ha llevado a cabo, en la mayoría de casos, por ensayo y error. Es de esperar que estos procesos puedan ser mejorados si se usan principios de diseño cuantitativos para guiar la búsqueda hacia el perfil enzimático ideal. Esta tesis está dedicada al desarrollo de un conjunto de herramientas de optimización avanzadas para asesorar en problemas de ingeniería metabólica y otras cuestiones emergentes en biología de sistemas. Concretamente, nos centramos en problemas en qué se modelan las redes metabólicas usando expresiones cinéticas. La utilidad de los algoritmos desarrollados para resolver tales problemas es demostrada por medio de varios casos de estudio.; In recent years, the use of genetic manipulation techniques has opened the door for obtaining microorganisms with enhanced phenotypes, which has in turn led to significant improvements in the synthesis of certain biochemical products. However, mutation and selection of these new organisms has been performed, in most cases, in a trial-and-error basis. It is expected that these processes could be further improved if quantitative design principles were used to guide the search towards the ideal enzymatic profiles. This thesis is devoted to developing a set of advanced global optimization tools to assess metabolic engineering problems and other questions arising in systems biology. In particular, we focus on problems where metabolic networks are modeled making use of kinetic expressions. The usefulness of the algorithms developed to solve such problems is demonstrated by means of several case studies. Fri, 14 Dec 2012 10:33:22 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96660 2012-12-14T10:33:22Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96291 Aplicació de tècniques ecotoxicològiques en diferents matrius ambientals. Viabilitat i complementarietat Roig Montserrat, Neus L’objectiu general d’aquesta tesi ha estat avaluar l’aplicabilitat de bioassajos específics i un bioassaig estandarditzat genèric en mostres de diferents matrius ambientals. D’aquesta manera es pretén complementar la informació obtinguda de les anàlisis químiques per tal de poder establir un millor diagnòstic ambiental. S’han analitzat diferents metalls i compostos orgànics en mostres dels diferents compartiments ambientals. Per avaluar l’ecotoxicitat de mostres d’aigua dolça, s’ha triat l’alga Pseudokirschneriella subcapitata, mentre que per mostres de sòl i residus orgànics, s’han escollit plantes d’interès agrícola com són Allium cepa, Raphanus sativus i Lolium perenne. Per últim, s’han realitzat tests in vitro de toxicitat humana per avaluar la toxicitat de les partícules PM10 de l’aire amb cultius de cèl•lules pulmonars (línia A549). En tots els casos, s’ha realitzat també un assaig ecotoxicològic amb el bacteri luminescent Vibrio fischeri, per avaluar la seva idoneïtat en les diferents matrius ambientals. Els resultats, han demostrat que l’aplicació de bioassajos específics en diferents matrius ambientals pot suposar una bona eina d’“screening” per completar la informació obtinguda de les anàlisis químiques que, realitzades de forma individual, poden estimar erròniament la toxicitat real de les mostres ambientals. S’ha observat que el bioassaig amb Vibrio fischeri ha mostrat bona complementarietat amb d’altres assajos més específics de cada matriu, a més de resultar molt sensible a la presència de contaminants en aigües i sediments fluvials, fangs de depuradora i partícules d’aire PM10.; El objetivo general de esta tesis ha sido evaluar la aplicación de bioensayos específicos y un bioensayo estandardizado genérico en distintas matrices ambientales. De este modo se pretende complementar la información obtenida con los análisis químicos para poder establecer un mejor diagnóstico ambiental. Se han analizado metales y compuestos orgánicos en muestras de distintos compartimentos ambientales. Para evaluar la ecotoxicidad de muestras de agua dulce se ha escogido el alga Pseudokirschneriella subcapitata, mientras que para muestras de suelos y residuos orgánicos se han escogido plantas de interés agrícola como son Allium cepa, Raphanus sativus y Lolium perenne. Por último, se han realizado tests in Vitro de toxicidad humana para evaluar la toxicidad de las partículas PM10 del aire, con cultivos de células pulmonares (línea A549). En todos los casos se ha realizado un ensayo ecotoxicológico con la bacteria luminescente Vibrio fischeri, para evaluar su idoneidad en las distintas matrices ambientales. Los resultados han demostrado que el uso de bioensayos específicos en distintas matrices ambientales puede suponer una buena herramienta de ‘’screening’’ para completar la información obtenida de los análisis químicos, que realizados de forma individual, pueden estimar erróneamente la toxicidad real de las muestras ambientales. Además, se ha observado que el bioensayo con Vibrio fischeri presenta buena complementariedad con otros ensayos más específicos de cada matriz ambiental, además de ser muy sensible a la presencia de contaminantes en aguas y sedimentos fluviales, lodos de depuradora y PM10 del aire. Tue, 04 Dec 2012 09:22:44 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96291 2012-12-04T09:22:44Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84044 Environmental risk assessment in the mediterranean region using artificial neural networks Mújica Chacín, Marelys Josefina Los mapas auto-organizados han demostrado ser una herramienta apropiada para la clasificación y visualización de grupos de datos complejos. Redes neuronales, como los mapas auto-organizados (SOM) o las redes difusas ARTMAP (FAM), se utilizan en este estudio para evaluar el impacto medioambiental acumulativo en diferentes medios (aguas subterráneas, aire y salud humana). Los SOMs también se utilizan para generar mapas de concentraciones de contaminantes en aguas subterráneas simulando las técnicas geostadísticas de interpolación como kriging y cokriging. Para evaluar la confiabilidad de las metodologías desarrolladas en esta tesis, se utilizan procedimientos de referencia como puntos de comparación: la metodología DRASTIC para el estudio de vulnerabilidad en aguas subterráneas y el método de interpolación espacio-temporal conocido como Bayesian Maximum Entropy (BME) para el análisis de calidad del aire. Esta tesis contribuye a demostrar las capacidades de las redes neuronales en el desarrollo de nuevas metodologías y modelos que explícitamente permiten evaluar las dimensiones temporales y espaciales de riesgos acumulativos. Wed, 05 Sep 2012 08:54:10 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84044 2012-09-05T08:54:10Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84040 Detection of coeliac disease predisposition using dna biosensor arrays Joda, Hamdi Abdelazim Osman La enfermedad celíaca (EC) es una inflamación del intestino delgado, que afecta a individuos genéticamente susceptibles, provocada por la ingestión de algunos cereales. La prevalencia de EC en Europa y los EE.UU. es de aproximadamente 1%. La mayoría de los casos de CD sin diagnosticar durante muchos años porque de espectro clínico es muy variable y presentación atípica. La prueba estándar de oro para el diagnóstico de EC es la biopsia del intestino delgado, una prueba invasiva y costosa. Fuerte relación entre la CD y antígenos leucocitarios humanos (HLA) se ha demostrado, con un 95% de los pacientes con EC portadores del antígeno HLA DQ2 heterodímero y el 5% llevan DQ8 heterodímero. Personas negativos DQ2 y DQ8 han demostrado ser muy poco probable que desarrollen CD. El objetivo general de la tesis es el desarrollo de una manera rápida, fácil de utilizar, rentable matriz genosensor de diagnóstico para DQ2/DQ8 escribir como una herramienta de diagnóstico para la predisposición de CD. Dos métodos diferentes han sido investigados en paralelo. En el primer método, la matriz genosensor se desarrolló empleando el método SSOP, mediante el diseño de sondas diferentes alelos específicos. Mientras que en el segundo enfoque, la técnica SSP explotar un nuevo enfoque para la detección directa y rápida de una doble cadena de amplificación de PCR se investigó. En ambos métodos, condiciones de ensayo fueron optimizadas y finalmente el análisis de muestras clínicas reales se realizó.; Coeliac disease (CD) is a small intestinal inflammation, affecting genetically susceptible individuals, triggered by ingestion of certain cereals. Prevalence of CD in Europe and US is about 1%. Most of CD cases remain undiagnosed for many years because of highly variable clinical spectrum and atypical presentation. The gold standard test for CD diagnosis is the small-intestinal biopsy, an invasive and expensive test. Strong relation between CD and Human Leukocyte Antigens (HLA) has been proved, as 95% of the CD patients carrying HLA DQ2 heterodimer and 5% carrying DQ8 heterodimer. DQ2 and DQ8 negative individuals have been shown to be very unlikely to develop CD. The overall objective of the thesis is to develop a rapid, ease to use, cost effective diagnostic genosensor array for DQ2/DQ8 typing as a diagnostic tool for CD predisposition. Two different methods have been investigated in parallel. In the first method, the genosensor array was developed employing the SSOP method, by designing different allele specific probes. Whilst in the second approach, the SSP technique exploiting a novel approach for the direct and rapid detection of a double stranded PCR amplicon was investigated. In both approaches, assay conditions were optimised and finally analysis of real clinical samples was performed. Wed, 05 Sep 2012 06:57:37 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84040 2012-09-05T06:57:37Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84036 Selection, characterisation and analytical application of dna aptamer against the anaphylactic toxic allergen, b-conglutin, lup an 1 Nadal Polo, Pedro Lupin has recently been added to the list of allergens requiring mandatory advisory labelling on foodstuffs sold in the European Union, and since December 2008 all products containing even trace amounts of lupin must be labelled correctly. Lupin globulins consist of two major globulins called α-conglutin (11S and “legumin-like”) and β-conglutin (7S and “vicilin-like”), and another additional two globulins, γ-conglutin and δ-conglutin, which are present in lower amounts. β-conglutin is the only conglutin currently included in the list of the International Union of Immunological Societies (IUIS), designated as Lup an 1. The overall objective of these PhD is the selection of aptamers that can detect this allergen. Nucleic acid aptamers are synthetic ligands selected from vast combinatorial libraries through a process referred to as SELEX – Systematic Evolution of Ligand By Exponential Enrichment. Aptamers possess unique chemical and biochemical characteristics, such as: well known chemistry and remarkable stability, moreover, aptamers can be selected against virtually any target and in non-physiological conditions. In order to achieve the overall objective, a set of subobjectives will be achieved. The first of these involves the elucidation of protocols for the selective extraction of each of the lupin α, β, γ, and δ subunits, resulting in (i) protocols that can be used for selective extraction and isolation of the lupin α, β, γ, and δ proteins from food for subsequent analysis; (ii) standards that can be used in analytical assays and tools; and (iii) target that can be used for the selection of aptamers specific to the β-conglutin subunit. The core of the work is the selection of aptamers against the allergen Lup an 1 using a SELEX procedure, as well the preparation of protocols that can be used to monitor the evolution of aptamer selection. The functionality of the aptamer is demonstratedby exploiting it in an enzyme linked oligonucleotide assay as well as apta-PCR. Finally the resulting aptamer candidates that exhibit high affinity are fully characterised, truncated, and the structure of the final truncated aptamer is elucidated Tue, 04 Sep 2012 11:27:58 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84036 2012-09-04T11:27:58Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84033 Development of electrochemical biosensors and solid-phase amplification methods for the detection of human papillomavirus genes Civit Pitarch, Laia Un diagnòstic ràpid, precís i fiable és crucial per a la identificació d'una malaltia, com el càncer, on la detecció precoç pot millorar els resultants del tractament. El càncer de coll uterí és el tercer més comunament diagnosticat i la quarta causa de mort per càncer en les dones. La infecció persistent de virus del papil•loma humà d'alt risc (VPH) és la principal causa de càncer de coll uterí. Els biosensors electroquímics han rebut una important atenció a causa de les seves característiques. La seva compatibilitat amb tecnologies de microfabricació els fa atractius per al diagnòstic d'ADN. Els objectius del present treball són el desenvolupament d'un sensor electroquímic per a la detecció múltiple de seqüències del VPH d'alt risc (VPH16, 18 i 45) i la aplicació en mostres clíniques. Un segon objectiu és el desenvolupament de mètodes d'amplificació d’ADN en fase sòlida amb monitorització en temps real mitjançant tècniques electroquímiques.; A rapid, accurate and reliable diagnosis is crucial for the identification of a disease, like cancer, where an early detection can improve patient survival outcomes. Cervical cancer is the third most commonly diagnosed and the fourth leading cause of cancer death in women. It is well known that persistent infections with high-risk human papillomaviruses (HPV) are the primary cause of cervical cancer. Electrochemical DNA biosensors have received important attention owing to their characteristics. Moreover, their compatibility with microfabrication technologies makes them attractive for DNA diagnostics. The first objective of the work described in this thesis is the development of an electrochemical DNA sensor array for the multiplex detection of high-risk HPV sequences (HPV16, 18 and 45) and its application to human clinical samples. A second objective is the demonstration of a proof-of-concept of the development of isothermal (helicase-dependent amplification) solid-phase amplification methods with electrochemical real-time monitoring. Tue, 04 Sep 2012 11:02:09 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84033 2012-09-04T11:02:09Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84027 Preparation and characterization of psf/vanillin capsules Peña Castellanos, Brisa Marisol La industria de detergentes y suavizantes de ropas ha ido incorporado en sus procesos la tecnología de microencapsulación de perfumes. Esta tecnología permite proteger los compuestos volátiles antes, durante y después de los procesos industriales; además, también protege las fragancias durante el ciclo de lavado; asimismo, ofrece una liberación prolongada del perfume durante el secado y almacenamiento de la ropa, haciendo que la fragancia se perciba por más tiempo. Sin embargo, algunas de las cápsulas industriales presentan una serie de desventajas tales como una baja estabilidad del material de la cápsula, una baja capacidad de encapsulación y además con el método industrial de encapsulación que actualmente utilizan es extremadamente complicado encapsular compuestos polares. Con el propósito de resolver estos problemas, se ha propuesto el uso de cápsulas de polisulfona (PSf) con contenido de vainilla y preparadas por la técnica de precipitación por inversión de fases En esta investigación, han sido exitosamente preparadas y caracterizadas cápsulas de PSf/Vanillin. Los resultados muestran que estas cápsulas pueden asegurar una alta capacidad de encapsulación de perfume, una liberación prolongada de la fragancia, una buena estabilidad del material y una protección óptima del perfume. Por todas estas cualidades, las cápsulas de PSf/Vanillin presentan el potencial de ser usadas no solo en detergentes y suavizantes de ropas, sino que también en otros productos textiles.; Textile detergent and softener industries have been incorporating in their processes the perfume microencapsulation technology. This technology allows the protection of the fragrance before and during industrial processes, as well as in the product storage. Moreover, it protects the perfume during the laundry and it provides a long-lasting fragrance release after the drying and storage of fabrics. However, certain current industrial microcapsules present a number of drawbacks such as low material stability, low perfume encapsulation capacity and, in addition, with the industrial encapsulation method presently used it is extremely complicated to encapsulate polar perfumes. With the aim to solve these problems, polysulfone (PSf) capsules containing vanillin and prepared by phase inversion precipitation technique have been proposed. In this investigation, PSf/Vanillin capsules have been successfully prepared and characterized. Results show that PSf/Vanillin capsules may ensure a high perfume encapsulation capacity, a long lasting fragrance release, a good material stability, and an optimal perfume protection. Because all these qualities, PSf/Vanillin capsules have the potential to be used not only in detergents and softeners but also in other textile products. Tue, 04 Sep 2012 08:50:18 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/84027 2012-09-04T08:50:18Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/83492 Selection of aptamers against prostate specific antigen for diagnostic and therapeutic applications Svobodová, Markéta Actualmente, el antígeno prostático específico (PSA) se considera el marcador más sensible para la detección de cáncer de próstata. Hasta la fecha anticuerpos monoclonales y policlonales se han utilizado para detectar el PSA debido a su alta especificidad y sensibilidad. Sin embargo, la producción de anticuerpos es lenta y cara. En el otro lado, los aptámeros con especificidad y afinidad iguales a los de los anticuerpos podría ser una forma alternativa para la detección de PSA. El objetivo de este trabajo es la selección de aptámeros contra el PSA. Aspectos fundamentales como la caracterización de la PSA, la evaluación de las estrategias de inmovilización, la preparación de la biblioteca de oligonucleótidos y de la cadena simple de ADN (ssDNA) han sido evaluados con el fin de alcanzar el objetivo principal de esta tesis. Finalmente, la selección de aptámeros contra el PSA y su uso potencial en aplicaciones de diagnóstica y terapéutica han sido descritos.; Currently, PSA is considered the most sensitive marker available for prostate cancer detection and for monitoring its progression. To date monoclonal/polyclonal antibodies have been used to detect PSA due to their high specificity and sensitivity. However, the production of antibodies is time-consuming and expensive. On the other hand aptamers with specificity and affinity equal to those of antibodies could be an alternative way for the detection of PSA. This work overviews the selection of aptamers against prostate specific antigen (PSA). Fundamental aspects such as the characterization of PSA, evaluation of immobilization strategies, the preparation of oligonucleotide library and single stranded DNA (ssDNA) have been evaluated in order to reach the main objective of this thesis. Finally, selection of DNA and RNA based aptamers against PSA and their potential use in diagnostic and therapeutic applications have been described Fri, 06 Jul 2012 08:28:54 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/83492 2012-07-06T08:28:54Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/81709 Efectes neuroconductuals de l'exposició oral a alumini en un model animal de la malaltia d'alzheimer Ribes Fortanet, Diana Aquest estudi ha avaluat la relació entre l’exposició oral a l’alumini (Al) administrat a diferents dosis i durant diferents períodes de temps, i la malaltia d’Alzheimer a nivell conductual, cognitiu, neural i bioquímic en dos poblacions de ratolins amb diferent vulnerabilitat genètica per desenvolupar la malaltia d’Alzheimer. Els resultats d’aquest treball permeten concloure que l’exposició a l’Al genera efectes en totes les àrees estudiades. A nivell conductual, l’exposició al metall augmenta l’ansietat i l’activitat en els grups tractats amb alumini. A nivell cognitiu genera dèficits, sobretot en la població de ratolins susceptible genèticament per desenvolupar signes de la malaltia d’Alzheimer. Finalment, efectes del metall són observats a nivell neural ja que afecta la proliferació cel•lular i a nivell bioquímic donat que les exposicions perllongades a l’Al augmenten els nivells del pèptid β-amiloide 1-42. Aquest fet és important, ja que l’agregació d’aquest pèptid és un eix central de la malaltia d’Alzheimer.; In this study we evaluated the relationship between oral exposure to aluminum (Al) administered at different doses and for different periods of time and Alzheimer's disease at behavioral, cognitive, biochemical and neural domains in two populations of mice with different genetic vulnerability to develop Alzheimer's disease. The findings of this study indicated that the exposure to Al induced effects in all the domains studied. First at behavioral level, since exposure to aluminum increased anxiety and activity in the groups exposed. Second, at the cognitive level as exposure to Al generated learning deficits, particularly in genetically susceptible mice population. Finally, some effects of the metal exposure were observed in the neurogenic response at the level of cellular proliferation and at the biochemical level, where exposure to Al during long periods of time increased the levels of β-amyloid 1-42 peptide. This is important because the aggregation of this peptide is postulated as a central event in the pathogenesis of Alzheimer's disease. Wed, 06 Jun 2012 11:47:21 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/81709 2012-06-06T11:47:21Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/81707 Hydrotalcite-like compounds for the valorisation of renewable feedstocks García Álvarez, Mayra Como consecuencia de una demanda energética creciente, en los últimos años se ha incrementado la producción de biodiesel generándose un exceso de producción de glicerol y provocando que su precio disminuya considerablemente. Por este motivo, durante los últimos años la transformación del glicerol en otros compuestos de valor añadido es uno de los objetivos para la industria química y los grupos de investigación. En esta tesis se han desarrollado diferentes catalizadores basados en hidrotalcitas para la síntesis de glicerol carbonato a partir de la transesterificación del glicerol de una forma eficiente y en condiciones suaves de reacción; The valorisation of glycerol is nowadays an important target of scientific groups due to the great excess of glycerol by-product obtained as consequence of a growing biodiesel production. Catalytic processing of glycerol to more valuable chemicals is demonstrated by the large number of patents and articles reported until now. Glycerol carbonate is one of the most interesting chemicals obtained from catalytic modifications of glycerol. This work describes an approach for obtaining glycerol carbonate in a green and efficient form under soft conditions using layered double hydroxides as solid catalysts. Wed, 06 Jun 2012 10:06:23 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/81707 2012-06-06T10:06:23Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/80744 Real-time aptapcr: a novel approach exploiting nucleic acid aptamers for ultrasensitive detection of analytes for clinical diagnostic and in food analysis Pinto, Alessandro The thesis aimed to develop and characterize a novel detection approach, which we termed aptaPCR exploiting nucleic acid aptamers as combined recognition and reporter biocomponents for the ultrasensitive detection of analytes. Nucleic acid aptamers are synthetic ligands selected from vast combinatorial libraries through a process referred to as SELEX – Systematic Evolution of Ligand By Exponential Enrichment. As compared to other natural and synthetic receptor, aptamers possess unique chemical and biochemical characteristics, such as: a well known chemistry, remarkable stability, an ability to be selected against virtually any target even in non-physiological conditions Tue, 08 May 2012 10:21:51 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/80744 2012-05-08T10:21:51Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/80663 Computer simulation of nanoparticles translocation through phospholipid membranes within single chain mean field approach Pogodin, Sergey Las células biológicas, bloques elementales de construcción de la materia viva, son presentadas en grandes cantidades en nuestro planeta, y son extremadamente importantes para nosotros, porque todos estamos hechos de ellos. Un componente esencial de cada célula es la membrana celular, protegiendo las células del medio ambiente y también controlando el transporte de los productos químicos entre el interior y el exterior de la célula. Cuando un extraño nano-objeto se aproxima a la membrana celular, las preguntas importantes sobre su destino surgirán de manera natural. ¿Será el nano-objeto capaz de atravesar la membrana, o la membrana lo parará? ¿Si la nano-objeto dañará seriamente los mecanismos de membrana, provocando el muerte de la célula, o no? Alguien puede imaginar numerosas aplicaciones prácticas de las interacciones específicas posibles entre un nano-objeto y la membrana. Pueden ser utilizadas, por ejemplo, para entregar una medicina necesaria dentro de una célula enferma, o para eliminar las células dañinas específicas por la destrucción de sus membranas o por la supresión de su correcto funcionamiento. Las preguntas mencionadas anteriormente son difíciles de responder en la actualidad, tanto por los métodos experimentales como por los métodos teóricos. La mayor dificultad es la compleja estructura de la membrana celular, que consiste de una bicapa lipídica, con numerosas proteínas integradas en él y ancladas a ella. La base de lípidos de la membrana está formada por una mezcla de fosfolípidos, glucolípidos, colesterol, y los fosfolípidos son el principal compuesto de la bicapa. Así, una bicapa de fosfolípidos puros puede ser considerada como un modelo de una membrana de la célula real, tanto en estudios experimentales como en unos teóricos. Se puede utilizar para estimar las propiedades mecánicas de la membrana biológica, su permeabilidad para diferentes productos químicos y nano-objetos, para estudiar su interacción con las proteínas individuales. El número de los métodos experimentales se aplican con éxito para; Biological cells, elementary building blocks of the live matter, are presented in large amounts on our planet, and they are extremely important for us, because all we are made of them. An essential component of every cell is the cell membrane, protecting the cell from the environment and also controlling the transport of chemicals between the interior and exterior of the cell. When an extraneous nano-object approaches the cell membrane, important questions about their destiny arise naturally. Will be the nano-object able to pass through the membrane, or will the membrane stop it? Will the nano-object severely damage the membrane machinery, causing the cell death, or not? One can image numerous practical applications of specific interactions possible between a nano-object and the membrane. They may be used, for example, to deliver a necessary medicine inside a deceased cell, or to kill some specific harmful cells by destruction of their membranes or by suppression of their proper functioning. The questions outlined above are hard to answer at the present day, both using experimental or theoretical methods. The major difficulty is the complex structure of the cell membrane, consisting of lipid bilayer, with numerous proteins embed into it and anchored to it. The lipid basement of the membrane is formed by mixture of phospholipids, glycolipids, cholesterol, and the phospholipids are the major compound of the bilayer. Thus a pure phospholipid bilayer can be considered as a model of a real cell membrane both in experimental and theoretical studies. It can be used to estimate mechanical properties of the biological membrane, its permeability for different chemicals and nano-objects, to study its interaction with single proteins. Fri, 04 May 2012 10:24:01 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/80663 2012-05-04T10:24:01Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/79151 Catalyser production with microstructured components Dubert, Diana Cristina La tesis describe un método completamente nuevo sobre la aplicación de este micro-tecnología en la producción de los catalizadores, específicamente NH4-dawsonite. Las soluciones acuosas utilizadas para precipitar el material se define como nonahidrato nitrato de aluminio y carbonato de amonio. La preparación del mineral análogo se realizó por primera vez dentro de un micro-mezclador de acero inoxidable (CPMM 1200/8) con un volumen de 78μl y un principio de mezcla “split-recombine”, optimizando los parámetros del proceso para un tiempo de producción continuo que, en este caso, es significativamente afectado por la obstrucción del micro-canal. Además, la síntesis se realizó dentro del micro-sistema presurizado y se han propuesto otro tres diferentes geometrías del micro-canal: en forma de T de acero inoxidable, el poly (metylmetacrylate) (PMMA) spilt-recombine del micromixer Caterpillar y en forma de Y la unión de PMMA dos regímenes diferentes de mezcla (perfecta (spilt-recombine) / imperfecto (T / Y en forma de microsistemas)) con el objetivo de minimizar la obstrucción del canal. El enfoque de unión-Y se ha demostrado ser la mejor alternativa para reducir al mínimo la deposición de partículas en la pared del canal, lo que implica un mejor control del fenómeno de obstrucción, al estar totalmente eliminado. Esto representa un paso adelante en el proceso de intensificación con beneficios en la industria. Al superar este paso, la posibilidad de transferir esta nueva tecnología en la industria es cada vez más tangible a convertirse en realidad.; The thesis presents a new approach regarding the application of microtechnology in production of catalysts, specifically NH4-dawsonite by using microreactor technology. The aqueous solutions used to precipitate the material were defined as aluminium nitrate nonahydrate and ammonium carbonate. The mineral analogue preparation was first held within a 78μl volume split-recombine stainless steel micromixer (CPMM 1200/8 mixer) by optimizing the process parameters for a continuous time of production which in the present case is significantly affected by the channel clogging. Further, the synthesis was carried out within a pressurized micro-system and different geometries of the microchannel: T-shaped stainless steel, poly(metylmetacrylate) (PMMA) spilt-recombine Caterpillar micromixer and Y-shaped PMMA junction with two different mixing regimes (perfect (spli-recombine)/imperfect (T/Y-shaped microsystem)) with the aim of minimizing the clogging. The Y-junction approach was demonstrated to be a great alternative for minimizing the particle deposition on channel’s wall, clogging phenomenon being totally removed. This represents a significant step forward in process intensification with benefits within the industry. Over passing this step the possibility to transfer this new technology into industry is more and more tangible to become reality. Wed, 04 Apr 2012 10:10:18 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/79151 2012-04-04T10:10:18Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/37354 Geología sedimentaria y lugares de ocupación prehistóricos de la cueva de maltravieso (Cáceres, España) Mancha Flores, Eva El presente trabajo consta de: petrografía de espeleotemas, análisis de isótopos estables, datación mediante OSL y observaciones de campo (rasgos de paleokarst y descripción de los depósitos detríticos). Los datos aportados han permitido conocer la entrada original de la cavidad, desarrollando la hipótesis de la existencia de un nivel superior cercano a la superficie actual y que se halla colmatado. Este nivel, se comunica mediante una diaclasa con la cueva actual. La morfología de esta diaclasa ha permitido la entrada de luz a esta zona, además de hallar presencia constante de agua, mediante la localización de travertino. Con las dataciones que hemos realizado, redefinen mejor la morfología de la diaclasa y la propia cueva situando el cierre de la cavidad en esa zona en 120 ka aproximadamente. Ello permite reconocer los lugares de ocupación prehistóricos a partir de la morfología original y las futuras áreas de intervención arqueológica.; This work consists of: Petrography of speleothems, stable isotope analysis, dating by OSL and field observations (paleokarst features and description of the detrital deposits). The data provided have shed the original entrance to the cavity, developing the hypothesis of the existence of a higher level near the surface and which is now clogged. This level is communicated through the cave as a joint present. The morphology of these joints has allowed the entry of light into this area, in addition to finding the constant presence of water by the location of travertine. With dating we have made better redefine the morphology of the joints and the cave itself by placing the closure of the cavity in the area at approximately 120 ka. This allows us to recognize prehistoric occupation sites from the original morphology and future areas of archaeological excavations. Thu, 15 Sep 2011 09:54:11 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/37354 2011-09-15T09:54:11Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/37352 Hydrodechlorination of chlorinated organic wastes over pd supported mixed oxide catalysts Meshesha, Beteley Tekola Environmental pollution by polychlorinated chlorinated organic wastes is of great concern. Catalytic hydrodechlorination is considered clean and efficient methodology for safe disposal of chlorinated organic wastes. This work aims at studying the catalytic hydrodechlorination reaction for the removal of environmentally polluting chlorinated organic wastes: 1,2,4-trichlorobenzene (1,2,4-TCB) and Trichloroethylene (TCE). The research has focused on evaluation of the activity, selectivity and stability of newly synthesized Pd based catalysts for hydrodechlorination of 1,2,4-trichlorobenzene and trichloroethylene. The first part, related to the HDC of 1,2,4-TCB, is to obtain active and stable catalyst for the hydrodechlorination of C-Cl bond of aromatic compounds to non chlorinated organic aromatic compound (benzene). While the second part aims at obtaining catalysts that allow high selectivity to ethylene formation during the HDC Trichloroethylene. Pd based hydrotalcite derived mixed oxides with different surface property were explored as catalysts for hydrodechlorination reaction. In addition, bimetallic and monometallic heterogeneous catalytic systems were investigated for selective hydrodechlorination reaction. Detailed characterization of the active centers of the newly synthesized catalysts by different techniques was achieved. This work presents original ideas, which could find a practical application, for the treatment of organo-halogenated pollutants.; La contaminación ambiental mediante compuestos policlorados aromáticos y alifáticos es de gran preocupación. La reacción de hidrodecloración catalítica selectiva (HDC) se presenta como una nueva tecnología eficaz para una eliminación segura de estos tipos de compuestos orgánicos clorados. Es por ello, que este trabajo de investigación se ha enfocado en el estudio de nuevos catalizadores activos, selectivos y estables en diferentes reacciones de hidrodecloración de dos familias de compuestos orgánicos clorados: 1,2,4-triclorobenceno (1,2,4-TCB-compuestos aromáticos clorados) y el tricloroetileno (representativo de un compuesto clorado alifático). La primera parte de la tesis relacionadas con el HDC de 1,2,4-TCB, tiene como objetivo la obtención de catalizadores activos y estables para la hidrogenación del enlace C-Cl en compuestos aromáticos y la obtención final del compuesto aromático orgánico declorado. Mientras que la segunda parte tiene por objeto la obtención de catalizadores que permitan una gran selectividad a etileno y no hacia etano (hidrogenación profunda del tricloroetileno) durante la HDC de tricloroetileno. Por otra parte se ha realizado un estudio profundo en la síntesis de estos nuevos catalizadores, así como en la caracterización de los centros activos de dichos catalizadores, para su correlación con la actividad, selectividad y estabilidad de dichos catalizadores. Presenta ideas originales, lo que podría encontrar una aplicación práctica, para el tratamiento de compuestos órgano-halogenados contaminantes. Thu, 15 Sep 2011 09:12:49 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/37352 2011-09-15T09:12:49Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/34771 Catalytic wet air oxidation of phenol over active carbon in fixed bed reactor: steady state and periodic operation Habtu, Nigus Gabbiye La rápida industrialización y urbanización mundial ha creado un sin número de contaminantes para los medios acuosos tóxicos y peligrosos, los cuales en su gran mayoría son difícil de degradar de forma natural. Los fenoles son algunos de estos compuestos tóxicos que se encuentran con frecuencia en muchos efluentes industriales. Revisión literaria específica que la oxidación catalítica en aire húmedo utilizando carbón activado podría ser una solución prometedora para la destrucción de estos contaminantes fenólicos. Sin embargo, parece difícil lograr la estabilidad del catalizador dentro del reactor de lecho fijo, en estado estacionario, debido a la combustión lenta de carbón activado. Dentro de este contexto, el presente trabajo se centró en tres aspectos principales para extender los conocimientos actuales sobre la oxidación catalítica del aire húmedo, los cuales son: el establecimiento de las condiciones de arranque del reactor, el estudio de la cinética de reacción y la evaluación de la operación periódica de reactores de lecho fijo. Se ha demostrado que la cinética de la reacción puede llevarse a cabo en un reactor por goteo de lecho fijo sin limitaciones de transferencia de masa y calor. Y más importante aún, el catalizador pudo mantenerse estable durante la oxidación catalítica del aire húmedo de fenol sobre carbón activo en un reactor de lecho fijo, a través de la operación de un reactor dinámico mediante la optimización de los parámetros periódicos.; The fast world industrialization and urbanization creates a large number of water pollutants that are toxic and hazardous and in most cases too hard to amend naturally. Phenols are amongst those toxic compounds frequently found in many industrial effluents. A review of the specific literature points out that catalytic wet air oxidation using activated carbon can be a promising solution for the destruction of phenolic pollutants. However, it seems unlikely to achieve stable catalyst in fixed bed reactor under steady state operation due to the slow combustion of activated carbon. Within this context, the present work focus on three main aspects to extend the current state of art of catalytic wet air oxidation: establishing reactor start-up, kinetic measurements and periodic operation of fixed bed reactors. It has been shown that kinetic measurement can be conducted in trickle bed reactor without mass and heat transfer limitations. Most importantly, stable catalyst during catalytic wet air oxidation of phenol over active carbon was achieved in fixed bed reactor through dynamic reactor operation by optimizing periodic parameters. Thu, 04 Aug 2011 10:52:15 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/34771 2011-08-04T10:52:15Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/34768 New catalytic advanced oxidation processes for wastewater treatment Yalfani, Mohammad Sadegh En cuanto a la mejora de los Procesos de Oxidación Avanzada para el tratamiento de aguas residuales, se han diseñado y estudiado nuevos procesos catalíticos Fenton y ozonización catalítica para la eliminación de contaminantes orgánicos del agua. El proceso Fenton se ha realizado mediante peróxido de hidrógeno generado in situ, el cual se ha producido a partir de ácido fórmico y oxígeno sobre un catalizador de paladio soportado en alúmina. A continuación, se ha heterogeneizado totalmente el sistema utilizando un catalizador bimetálico Pd-Fe y se ha aplicado con éxito en la degradación de diferentes categorías de contaminantes orgánicos. La combinación de este proceso de oxidación con hidrodecloración ha obtenido una alta eficiencia en la degradación de clorofenoles. En cuanto al uso de diferentes sustitutos de H2, se ha observado una mayor eficiencia de la hidroxilamina en el proceso Fenton con generación in situ de peróxido de hidrógeno para efluentes neutros. Con respecto al desarrollo de nuevos materiales para ozonización catalítica, se ha estudiado la degradación de compuestos farmacéuticos mediante catalizadores de cobre-dawsonita. El cobre incorporado en la estructura de dawsonita presenta una mayor actividad en la ozonización catalítica con respecto a la muestra calcinada, cobre en solución y óxido de cobre soportado en alúmina.; Regarding to the improvement of Advanced Oxidation Processes for wastewater treatment, new catalytic Fenton process and catalytic ozonation were designed and studied in the removal of organic pollutants from water. Fenton process was performed using in situ generated hydrogen peroxide, which was produced from formic acid and oxygen over alumina-supported palladium catalyst. Then, the system was fully heterogenized by using bimetallic Pd-Fe catalyst and applied successfully for different categories of organic pollutants. The combination of the above oxidation process with hydrodechlorination led to high efficiency in the degradation of chlorophenols. The performance of different hydrogen substitutes in the Fenton process using in situ generated hydrogen peroxide showed higher efficiency of hydroxylamine for neutral solutions. Concerning the development of new catalytic materials for catalytic ozonation, the degradation of pharmaceutical compounds was performed using dawsonite-derived copper catalysts. The copper incorporated into the structure of dawsonite indicated higher activity in catalytic ozonation with respect to the calcined sample, soluble copper and aluminasupported copper oxide. Thu, 04 Aug 2011 09:44:06 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/34768 2011-08-04T09:44:06Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31940 Development of environmental tools for the management of sewage sludge on agricultural soils Passuello, Ana Carolina The application of sewage sludge from wastewater treatment plants on agricultural soils has become an increasing practice in recent years, derived from its environmental benefits (recycling of organic matter and nutrients). However, there are a few studies regarding the risks and benefits for both the environment and the human health, probably because of the complexity of the problem and the high stakeholders’ expectations. The objective of this thesis was to develop methodological tools to support the management of sewage sludge on agricultural soils. Fate, human exposure and health risk models were developed, evaluated and integrated. Furthermore, decision models were built up and integrated into Geographic Information System (GIS) so as to indicate the best agricultural areas to amend with sewage sludge. The use of these tools provides more confident decisions regarding this practice.; La aplicación de lodos residuales de depuradora en suelos agrícolas se ha convertido en una práctica cada vez más extensa en los últimos años, derivada de sus beneficios ambientales. Sin embargo, hay pocos estudios sobre los riesgos y beneficios tanto para el medio ambiente como para la salud humana, probablemente debido a la complejidad del problema y las altas expectativas de los participantes en la toma de decisiones. El objetivo de esta tesis fue desarrollar métodos para la gestión de lodos de depuradora en suelos agrícolas. Se desarrollaron, evaluaron e integraron modelos de transporte, exposición humana y riesgos para la salud. Así mismo, se construyeron modelos de decisión y se integraron en Sistemas de Información Geográfica (SIG) para indicar las mejores zonas agrícolas donde aplicar lodos de depuradora. El uso de estas herramientas proporciona decisiones más fiables con respecto a esta práctica. Wed, 15 Jun 2011 14:28:34 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31940 2011-06-15T14:28:34Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31928 Integració de cicles d'absorció en xarxes d'energia de plantes de procès Bruno Argilaguet, Joan Carles L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar la viabilitat de la integració de la tecnologia dels cicles de refrigeració per absorció ja existent comercialment, en plantes d’energia industrials, comparant els resultants amb l’alternativa convencional formada per cicles de compressió. La metodologia proposada en aquesta tesi es basa en cinc grans apartats: recopilació de dades de la planta d’energia i de la demanda de fred que es pretén cobir, seleccionar els cicles de refrigeració candidats que podrien satisfer l’esmentada demanda de fred, és a dir, establir les alternatives de disseny existents per a subministrar el fred necessari a la planta de procés utilitzant el programa XV, el qual permet la simulació i optimització de plantes d’energia. El tercer pas de la metodologia, es construir un fitxer de dades estàndard on s’introdueixen la topologia de la planta d’energia i les seves característiques específiques, incloent els paràmetres d’operació dels cicles de refrigeració. Al quart pas, es realitza l’optimització de la planta global d’energia utilitzant com a funció objectiu els costos d’operació i les prestacions de la planta i finalment es calculen els costos d’operació i els indicadors econòmics adients per a la selecció de la millor configuració. En aquesta tesi es presenten dues aplicacions pràctiques en una indústria pretroquímica de Tarragona per tal d’avaluar la metodologia proposada utilitzant equips d’amoníac/aigua i d’aigua/LiBr. Tue, 14 Jun 2011 11:17:11 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31928 2011-06-14T11:17:11Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31923 Encapsulating lipid structures: preparation and application in biosensors, nanoparticles synthesis and controlled release Genç, Rükan L’auto-assemblatge de molècules en nano- i micro-estructures és una àrea de gran interès, sent els lípids particularment atractius en la formació de diverses estructures incloent els liposomes. Hi ha un gran número de mètodes reportats en la literatura per a la preparació de liposomes, però els inconvenients que limiten l’ús generalitzat dels liposomes són; els passos de preparació que requereixen de molt de temps donant lloc a poblacions heterogènies de liposomes de mida incontrolable, l’ús de solvents orgànics i la necessitat de passos per a reduir la mida dels liposomes. Per tant; l’objectiu d’aquest doctorat és la optimització d’un mètode ultra-ràpid per a la preparació de liposomes en un sol pas i lliure de dissolvents orgànics. Anomenat “Curvature tuned preparation method” ha estat implementat en diverses formulacions lipídiques per a la formació de liposomes i d’altres superestructures de lípids. Aquestes estructures s’han emprat en diverses aplicacions, com ara en nanoreactors i plantilles per a la síntesis a mida de nanopartícules d’or, liposomes per encapsular enzims com a potenciadors de senyal en el desenvolupament de immunosensors i finalment, com a vehicles per l’alliberament controlat de fàrmacs.; The self-assembly of molecules into nano- or microstructures is an area of intense interest, with lipids being particularly attractive in the formation several structures including liposomes. There are numerous methods reported for the preparation of liposomes, however, time-consuming preparative steps resulting in heterogeneous liposome populations of incontrollable size, the use of organic solvents and the need of further size-reducing steps are the drawbacks limiting wide-spread use of liposomes. Therefore; the main concern of this PhD thesis is optimization of a one-step, organic solvent-free, ultra rapid method for the preparation of liposomes. So called “Curvature tuned preparation method” was later implemented in several lipid formulations which resulted in liposomes and other lipid superstructures. Those structures were further used in several applications, such as nanoreactors and templates for tailored synthesis of gold nanoparticles, enzyme encapsulating liposomes as signal enhancers in immunosensor development, and finally as carriers for controlled release of drugs Tue, 14 Jun 2011 08:30:41 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/31923 2011-06-14T08:30:41Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8595 Catalytic non-oxidative dehydrogenation and reactivity of biobased fatty acid derivatives Cabús Llauradó, Maria Clara Los compuestos tipo omega-3 son compuestos que han adquirido un especial interés en los últimos años debido a los importantesbeneficios que aportan si son incluidos en la dieta humana. Representan una fuente de energía para las personas que debe de ser necesariamente ingerida, dado que nuestro organismo no es capaz de sintetizarlos. La naturaleza nos ofrece diferentes fuentes de omega-e como el pescado azul y el aceite de linaza. La deshidrogenación de compuestos tipo omega-6 como el linoleato de etilo, puede dar lugar a dichos compuestos. Tue, 12 Apr 2011 18:03:06 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8595 2011-04-12T18:03:06Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8594 Ruthenium polypyridyl complexes as photosensitizers for molecular photovoltaic devices: influence of the dye structure and the presence of additives to the device performance Reynal Verdú, Anna Les cel·les solars sensitivitzades amb un colorant són un tipus de dispositius que han cridat molt l'atenció com a una alternativa menys costosa econòmicament a les actuals cel·les solars comercials de silici. Aquesta tesi s'ha focalitzat en la determinació de la influència de l'estructura molecular dels colorants i la presència d'un coadsorbent en l'eficiència de les cel·les solars sensitivitzades amb un colorant. Les etapes principals d'aquesta tesi han sigut: el disseny, la síntesi i la caracterització d'una sèrie de complexes de ruteni que contenen lligands polipiridílics amb diferents substituents; l'estudi de les propietats fotofísiques i electroquímiques dels complexes de ruteni; la introducció dels colorants a la preparació de dispositius fotovoltaics; i la caracterització dels diferents paràmetres que permeten avaluar l'eficiència d'una cel·la solar, així com la determinació de les cinètiques de les reaccions que tenen lloc en aquests tipus de dispositius fotovoltaics. Tue, 12 Apr 2011 18:03:05 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8594 2011-04-12T18:03:05Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8593 Catalytic azo dye reduction in advanced anaerobic bioreactors Mezohegyi, Gergo En un reactor anaeróbico de lecho empacado y de flujo ascendente con carbón activado (AC) biológico se obtuvieron altas velocidades de conversión del colorante azoico Acid Orange 7 a tiempos espaciales muy cortos, hasta 99% en 2.0 min. Tanto el área superficial específica como la conductividad electrónica del AC contribuyeron a las mayores velocidades de reducción. La agitación en el lecho de carbón produjo un incremento de la bioconversión del colorante. Se estableció un modelo cinético de decoloración que implica catálisis heterogénea y bioreducción. La biodegradabilidad anaeróbica de un colorante azoico en el sistema reactivo agitado pudo ser predicha a partir de su potencial de reducción. Las velocidades de decoloración fueron significativamente influenciadas por las propiedades texturales del AC y moderadamente afectadas por su química superficial. Este bioreactor catalítico parece ser una alternativa atractiva para la mejora económica de las tecnologías de tratamiento de aguas residuales textiles y de colorantes.; In an anaerobic upflow packed-bed reactor with biological activated carbon (AC), high azo dye Acid Orange 7 conversion rates were achieved during very short space times up to 99% in 2.0 min. Both electron conductivity and specific surface area of AC contributed to higher reduction rates. The application of stirring in the carbon bed resulted in an increase of dye bioconversion. A decolourisation model was developed involving both heterogeneous catalysis and bioreduction. The anaerobic biodegradability of an azo dye could be predicted by its reduction potential in the stirred reactor system. The decolourisation rates were found to be significantly influenced by the textural properties of AC and moderately affected by its surface chemistry. This catalytic bioreactor system seems to be an attractive alternative for economically improving textile/dye wastewater technologies. Tue, 12 Apr 2011 18:03:03 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/8593 2011-04-12T18:03:03Z