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[eng] Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR), which is a combination of membrane separation and anaerobic digestion, is an emerging biotechnology for municipal sewage treatment. The application of AnMBRs in the mainline of wastewater treatment plants (WWTPs) can provide several advantages compared with conventional activated sludge processes, such as no aeration requirements, biogas production and reduction in the sludge management costs. However, despite these advantages, mainstream AnMBR application still presents challenges, whose resolution requires considering both technical and economic aspects. The goal of this thesis is to evaluate the technical and economic implications of implementing AnMBRs for municipal sewage treatment. Specifically, the thesis covered the techno-economic implications of two main topics: (i) forward osmosis (FO) pre- concentration before AnMBR, and (ii) plant-wide impact of AnMBR implementation in a WWTP. In the first part of this thesis, the techno-economic effects of combining FO and AnMBR technologies have been evaluated. First, a lab-scale mesophilic AnMBR operated at pre- concentration factors of 1, 2, 5 and 10 achieved chemical oxygen demand (COD) removal efficiencies above 90% for all the conditions. The differences between the soluble COD concentration of the permeate and digester suggested that membrane biofilm contributed to COD removal efficiency. Second, the techno-economic analysis of combining FO, reverse osmosis (RO) and AnMBR was conducted. The results showed that the wastewater treatment cost of the FO-RO+AnMBR system ranged between 0.80 and 1.40 € per m3 of wastewater treated. A sensitivity analysis illustrated that FO fluxes above 10 L m-2 h-1 (LMH) would improve the economic competitiveness of the FO-RO+AnMBR system. Finally, the impact of the draw solute and FO membrane material on the economic balance of this system was evaluated. The membrane material had a high impact on the economic balance since thin film composite (TFC) membranes substantially reduced the net cost when compared with cellulose triacetate (CTA) membranes. Conversely, the draw solute featured a moderate impact on the net cost. CH3COONa and CaCl2 were the most economically favourable draw solutes for CTA membrane, whereas MgCl2 was the most economically favourable draw solute for TFC membrane. In the second part of this thesis, the plant-wide impact of implementing AnMBRs in WWTPs has been evaluated. First, the effect of specific gas demand (SGD) and flux on membrane performance and process economics of granular AnMBRs was analysed. SGD and membrane flux impacted membrane fouling, but they did not impact organic matter rejection. The economic evaluation of granular AnMBRs showed that the most competitive strategy for fouling control relied on operating the membrane at normalised fluxes and SGDs of 7.8 LMH and 0.5 m3 m-2 h-1, respectively. Second, the economic feasibility of implementing mainstream AnMBR in a WWTP was evaluated for five different WWTP layouts. The results showed that the net treatment cost ranged between 0.33 and 0.43 € m-3 (100-1200 mg COD L-1) for WWTP layouts combining AnMBR, degassing membrane, primary settler and anaerobic digester. However, when partial nitritation-anammox and chemical phosphorus precipitation were included for nutrients removal, the net treatment cost increased from 0.33-0.43 to 0.51-0.56 € m-3. Finally, the techno-economic implications of co-digesting food waste with sewage sludge in the sidestream anaerobic digester of an AnMBR-WWTP were analysed. Co-digestion reduced the net cost of the sludge line when the nutrients backload was treated in the mainstream. However, when the nutrients backload was treated in the sidestream with partial nitritation-anammox and struvite crystallisation, the electricity revenue did not offset the additional costs of these two processes. The results also indicated that biosolids disposal cost represented the highest cost contributor in the sludge line of an AnMBR- WWTP., [spa] El biorreactor anaeróbico de membranas (AnMBR, por sus siglas en inglés) es una tecnología emergente para el tratamiento de aguas residuales municipales. El AnMBR no requiere de aeración, produce biogás y reduce la producción de fangos en comparación con procesos convencionales de lodos activos. Sin embargo, la aplicación del AnMBR en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) es muy limitado, ya que la tecnología debe superar barreras técnicas y económicas antes de una implementación generalizada. El objetivo de esta tesis es evaluar las implicaciones técnicas y económicas de implementar el AnMBR para el tratamiento de aguas residuales municipales. En concreto, la tesis aborda dos temáticas relacionadas con el AnMBR: (i) preconcentración del agua residual municipal mediante osmosis directa (FO, por sus siglas en inglés), e (ii) impacto global de implementar un AnMBR en una EDAR. En la primera parte de esta tesis se ha evaluado la combinación de las tecnologías de FO y AnMBR. El sistema experimental AnMBR alcanzó eliminaciones de demanda química de oxígeno por encima del 90% para el tratamiento de aguas residuales preconcentradas. Un análisis tecno-económico sobre la combinación de la FO, osmosis inversa y AnMBR mostró que el coste de tratamiento osciló entre 0,80 y 1,40 € por m3 de agua residual tratada. Los resultados también mostraron que el material de la membrana de FO tuvo un gran impacto sobre el balance económico del sistema. En la segunda parte de esta tesis se ha evaluado el impacto de implementar un AnMBR en una EDAR. La demanda específica de gas y el flujo de permeado tuvieron un impacto directo sobre el ensuciamiento de la membrana en un sistema AnMBR con fango granular. El análisis tecno-económico de la implementación de un AnMBR en una EDAR mostró que el coste de tratamiento se situaba entre 0,33 y 0,43 € m-3 para configuraciones que combinaron AnMBR, membrana de desgasificación, sedimentador primario y digestor anaeróbico. Finalmente, se determinó que la codigestión de fangos y residuos alimenticios tiene el potencial de reducir el coste de la línea de fangos de una EDAR que utiliza un AnMBR para tratar las aguas residuales.

121 páginas. Doctorado en Ingeniería de Procesos. El propósito de este estudio fue desarrollar un proceso biotecnológico para producir ácido cítrico, mediante la biorreacción de residuos de Opuntia ficus indica, como materia prima, a partir del Residuo Agroindustrial generado en la Alcaldía Milpa Alta, Ciudad de México. Los hongos Pycnoporus cinnabarinus y Aspergillus niger realizaron los procesos de biorreacción en biorreactores homogéneos. La eficiencia de la deslignificación con Pycnoporus cinnabarinus se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 4 y 6, temperaturas de 30° C y 50° C; y tamaño de partículas de 0.074 mm y 0.25 mm, y la eficiencia de la biotransformación con Aspergillus niger se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 2 y 4, 20 g/L y 30 g/L de celulosa, y concentraciones altas y bajas de metales traza: Cobre (Cu), Manganeso (Mn) y Zinc (Zn). La deslignificación y la producción de ácido cítrico se evaluó mediante espectroscopía IR y los efectos de los factores y sus interacciones se evaluaron mediante el análisis de varianza (ANOVA). Además, durante las biorreacciones se mantuvo bajo control el pH, el oxígeno disuelto (OD) y el potencial de óxido reducción (ORP), así como las concentraciones de biomasa y de carbohidratos reductores totales, para su determinación se utilizaron los métodos de Bradford y del ácido 3,5-Dinitrosalicílico (DNS) respectivamente. Mediante el análisis de la espectroscopía IR se midieron los porcentajes de deslignificación, logrando alrededor del 67 % de deslignificación durante las biorreacciones. La cantidad máxima de ácido cítrico obtenida fue de 6.2 g/L en las condiciones de operación optimizadas, a partir de 20 g de celulosa, y los valores de las constantes asociadas a la formación de producto fueron α de 2.91, β de 4.28, μm de 0.1362 d-¹, ks de 0.603 g sustrato/l, kd de 0.0102. The purpose of this study was to develop a biotechnological process to produce citric acid, through the bioreaction of Opuntia ficus indica residues, as raw material, from Agroindustrial Residue generated in the Milpa Alta Delegation, Mexico City. The microorganisms Pycnoporus cinnabarinus and Aspergillus niger performed the bioreactions process in homogeneous bioreactors. The efficiency of the deslignification with Pycnoporus cinnabarinus was measured under different operating conditions: 4 and 6 pH levels, 30° C and 50° C temperatures; and 0.074 mm and 0.25 mm particle size, and the efficiency of the biotransformation with Aspergillus niger was measured under different operating conditions: 2 and 4 pH levels, 20 g/L and 30 g/L of cellulose, and high and low concentrations of trace elements: Copper (Cu), Manganese (Mn) and Zinc (Zn). The deslignification and citric acid production was evaluated by IR spectroscopy and the effects of the factors and their interactions were evaluated through the analysis of variance (ANOVA). Moreover the pH, dissolved oxygen (DO) and the oxide-reduction potential (ORP) were monitored during the bioreactions, as well as the concentrations of biomass and total reducing carbohydrates, using the methods of Bradford and 3,5-Dinitrosalicylic acid (DNS) respectively. Using analysis of IR spectroscopy percentages of deslignification were observed around 67% during bioreactions. The maximum citric acid amount obtained was 6.2 g/L at the optimized operation conditions, from 20 g of cellulose, and the values of the constants associated with product formation were α of 2.91, β of 4.28, μm of 0.1362 d-¹, ks of 0.603 g substrate/l, kd of 0.0102.

Wastewater treatment plants (WWTP) are special structures designed to purify wastewater. The main objective of this work is to model the WWTP from Antequera (Malaga, Spain). The model consists of two combined simulations: (1) a 0D biological plug-flow reactor in a stationary state, establishing the concentration profiles at along the volume of the multizone reactor and, (2) a 3D clarifier. The model is based on global material balances of the WWTP has been done, based on the information from the concentrations that exist in a stationary state in each of the streams. Through this work, detailed description of two of the most important parts of the WWTP have been modeled. The results will be used in future works related to optimizing the use of these facilities for real problems related to controlling the phosphorus and nitrogen levels in the secondary effluent. Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech.

Programa Oficial de Doutoramento en Bioloxía Celular e Molecular . 5004V01 [Resumen] Se ha investigado el efecto de la concentración de sacarosa en el medio de cultivo sobre el desarrollo de brotes axilares de tres especies leñosas cultivadas in vitro en medio líquido en biorreactores, con el objetivo de conseguir su propagación fotoautotrófica. El material vegetal consistió en dos clones de Castanea sativa x Castanea crenata, que se cultivaron en un sistema de inmersión temporal Plantform® y en un sistema de inmersión continua de 6 litros, en dos variedades locales de Prunus doméstica y en un clon de Salix viminalis, que se cultivaron en biorreactores de inmersión temporal RITA®. Para lograr la propagación fotoautotrófica los cultivos crecieron con intensidad de luz media o alta (50 o 150 μmol m-2 s-1) y fueron suplementados o no con aire enriquecido con CO2. A fin de caracterizar el efecto de la sacarosa y las condiciones de cultivo en el desarrollo de los explantos se analizaron sus medidas morfológicas, compuestos fenólicos solubles totales, compuestos antioxidantes, pigmentos fotosintéticos, contenido en azúcares, capacidad de enraizamiento y aclimatación. Se ha conseguido cultivar la mimbrera sin azúcar exógeno y reducir hasta un sexto y un tercio la concentración de azúcar convencional en castaño y ciruelos, respectivamente [Resumo] Investigouse o efecto da concentración de sacarosa no medio de cultivo no desenvolvemento de brotes axilares de tres especies leñosas cultivadas in vitro en medio líquido en biorreactores, co obxectivo de conseguir a súa propagación fotoautótrofa. O material vexetal estaba formado por dous clons de Castanea sativa x Castanea crenata, que se cultivaron nun sistema de inmersión temporal Plantform® e nun sistema de inmersión continua de 6 litros, dúas variedades locais de Prunus domestica e un clon de Salix viminalis. cultivados en biorreactores de inmersión temporal RITA®. Para conseguir a propagación fotoautótrofa, os cultivos cultiváronse con intensidade luminosa media ou alta (50 ou 150 μmol m-2 s-1) e complementáronse ou non con aire enriquecido en CO2. Para caracterizar o efecto da sacarosa e as condicións de cultivo no desenvolvemento dos explantos, analizáronse as súas medidas morfolóxicas, compostos fenólicos solubles totais, compostos antioxidantes, pigmentos fotosintéticos, contido en azucres, capacidade de enraizamento e aclimatación. Foi posible cultivar o vimbio sen azucre esóxeno e reducir a concentración de azucre convencional en castiñeiros e ameixeiras ata nun sexto e nun terzo, respectivamente. [Abstract] The effect of sucrose concentration in the culture medium on the development of axillary shoots of three woody species grown in vitro in liquid medium in bioreactors has been investigated, with the aim of achieving their photoautotrophic propagation. The plant material consisted of two clones of Castanea sativa x Castanea crenata, which were grown in a Plantform® temporary immersion system and in a 6-liter continuous immersion system, two local varieties of Prunus domestica and one clone of Salix viminalis, which were grown in RITA® temporary immersion bioreactors. To achieve photoautotrophic propagation, cultures were grown with medium or high light intensity (50 or 150 μmol m-2 s-1) and were supplemented or not with CO2 enriched air. In order to characterize the effect of sucrose and culture conditions on the development of explants, their morphological measurements, total soluble phenolic compounds, antioxidant compounds, photosynthetic pigments, sugar content, rooting capacity and acclimatization were analyzed. It has been possible to grow willow without exogenous sugar and reduce the concentration of conventional sugar in chestnut and plum trees by up to one sixth and one third, respectively.

El projecte MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) es va concebre per a desenvolupar un sistema tancat de suport vital regeneratiu basat en la integració de sis compartiments biològics en un circuit tancat pensat per missions humanes de llarga duració. La present tesis es focalitza en desenvolupar diferents models per descriure el comportament d’alguns dels compartiments del MELiSSA en operació en solitari i també en la connexió entre diferents compartiments i diferents fases de gas, líquid i sòlid. En una primera etapa, s’ha desenvolupat un model que descriu la operació del reactor nitrificant de llit empacat. Aquest reactor opera en condicions axèniques amb dues soques de nitrificació Nitrosomonas europaea i Nitrobacter winogradsky. El model s’estructura en diferents nivells: la descripció de la hidrodinàmica del reactor i la descripció del creixement del biofilm. Aquest últim està basat en la consideració del creixement de les diferents espècies basat en un model de difusió 1-D simplificat i inclou una aproximació simplificada per simular la consolidació del biofilm. La validesa d’aquest model s’ha testejat usant dades experimentals del bioreactor durant un període d’operació de 2 anys en el que diferents concentracions i càrregues d’amoni s’han usat per a caracteritzar la seva operació en continu. Els resultats obtinguts encaixen bastant bé amb les dades experimentals i els perfils de concentració de biomassa observats al final del període operacional analitzat. Això és rellevant en aquest cas, considerant les limitacions existents en mostreig durant la operació de llarga duració per a no pertorbar la estructura del llit empacat. En una segona fase, s’ha creat un model que descriu la operació d’un fotobioreactor tipus air-lift de loop extern colonitzat amb Limnospira indica. (commpartiment 4a de la MPP). Aquest model integra coneixement existent en transferència de llum en el líquid, la transferència gas-líquid d’oxigen i diòxid de carboni i cinètiques de creixement de les microalgues. En una tercera fase, s’ha desenvolupat també un model simplificat per a la consumició d’oxigen i la producció de diòxid de carboni a la fase gas del compartiment de la tripulació. Aquest compartiment està configurat per un aïllador d’animals on hi viuen un conjunt de rates. Per a desenvolupar el model, s’han calculat els coeficients de consum d’acord amb dades experimentals existents. Després, el coneixement generat en el desenvolupament d’aquests dos últims models s’ha integrat amb el sistema de control de la MPP per a simular la integració en fase gas d’aquests dos compartiments (el fotobioreactor i el compartiment dels animals) en continu. A partir d’un objectiu específic d’oxigen al compartiment dels animals, el sistema de control incrementa la il·luminació en el fotobioreactor per a assolir el nivell necessari d’oxigen per a mantenir el nivell desitjat en el compartiment dels animals. Finalment, el conjunt de models creats s’han validat usant dades experimentals de dues series llargues d’operació del sistema complet (fotobioreactor i tripulació) en loop de gas tancat. El desenvolupament dels models permet reproduir amb precisió els resultats i les dinàmiques del sistema global associades a la introducció d’una tripulació real en el loop tancat de gas. Aquests resultats són una prova de concepte de l’alt potencial dels models matemàtics per entendre i donar suport a la operació de sistemes d’operació complexos com aquest. Els resultats obtinguts en aquesta tesis representen un pas endavant en el desenvolupament del loop MELiSSA. El coneixement generat en la formulació dels models proposats pot ser usat per la definició de un sistema de control simplificat basat en coneixement que serà crític per a les etapes de desenvolupament futur i l’estudi d’escenaris d’integració com una eina per a simular el comportament de l’arquitectura del loop en diferents condicions operacionals. El proyecto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) se concibió para desarrollar un sistema cerrado de soporte vital regenerativo basado en la integración de seis compartimentos biológicos en un circuito cerrado. La presente tesis se focaliza en el desarrollo de distintos modelos para describir el comportamiento de algunos de los compartimentos del MELiSSA en operación en solitario y en la conexión entre distintos compartimentos y distintas fases de gas, líquido y sólido. En una primera etapa, se ha desarrollado un modelo que describe la operación el reactor nitrificante de lecho empacado. Este reactor opera en condiciones axénicas con dos cepas de nitrificación Nitrosomonas europaea i Nitrobacter winogradsky. El modelo se estructura en distintos niveles: la descripción de la hidrodinámica del reactor y la descripción del crecimiento del biofilm. Este último está basado en la consideración del crecimiento de las distintas especies basadas en un modelo de difusión 1-D simplificado que incluye una aproximación simplificada para simular la consolidación del biofilm. La validez de este modelo se ha testeado usando datos experimentales del biorreactor durante un período de operación de 2 años en el que se han usado distintas concentraciones y cargas de amonio para caracterizar su operación en continuo. Los resultados obtenidos encajan bastante bien con los datos experimentales y los perfiles de concentración de biomasa observados al final del período operacional analizado. Esto es relevante, considerando las limitaciones existentes en muestreo durante la operación para no perturbar la estructura del lecho empacado. En una segunda fase, se ha creado un modelo para la operación de un fotobiorreactor tipo air-lift de loop externo colonizado con Limnospira indica. (compartimento 4a MPP). Este modelo integra el conocimiento en la transferencia de luz en el líquido, la transferencia gas-líquido de oxígeno y dióxido de carbono y las cinéticas de crecimiento de microalgas. En una tercera fase, se ha desarrollado también un modelo simplificado para el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono en la fase gas del compartimento de la tripulación. Este compartimento está configurado para un aislador de animales donde viven un conjunto de ratas. Para desarrollar el modelo, se han calculado los coeficientes de consumo de acuerdo con datos experimentales existentes. Después, el conocimiento generado en el desarrollo de estos dos últimos modelos se ha integrado con el sistema de control de la MPP para simular la integración en fase gas de estos dos compartimentos (el fotobiorreactor y el compartimento de los animales) en continuo. A partir de un objetivo específico de oxígeno al compartimento de los animales, el sistema de control incrementa la iluminación en el fotobiorreactor para lograr el nivel necesario de oxígeno para mantener el nivel deseado en el compartimento de los animales. Finalmente, el conjunto de modelos creados se ha validado usando datos experimentales de dos largas series de operación del sistema completo (fotobiorreactor y tripulación) en un circuito de gas cerrado. El desarrollo de los modelos permite reproducir con precisión los resultados y las dinámicas del sistema global asociadas a introducir una tripulación real en el circuito cerrado de gas. Los resultados demuestran el alto potencial de los modelos matemáticos para entender y dar soporte a la operación de sistemas de operación complejos. Los resultados obtenidos en esta tesis representan un paso adelante en el desarrollo del MELiSSA. El conocimiento generado en la formulación de los modelos propuestos puede ser usado para la definición de un sistema de control basado en conocimiento que será crítico para las etapas de desarrollo futuro y estudio de escenarios de integración como una herramienta para simular el comportamiento de la arquitectura del circuito en diferentes condiciones operacionales. MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) is a project conceived to develop a closed regenerative life support system where the integration of six biological compartments in a loop can enable to provide life support functions in long-term human space missions. The present thesis is focused on developing different models to describe the performance of some of the compartments in MELiSSA loop in stand-alone operation as well as considering the connection between different compartments in different gas liquid and solid phases. In a first step, a model for the description of the operation of the packed-bed nitrifying compartment 3 has been developed. This reactor operates in axenic conditions with two nitrification strains Nitrosomonas europaea and Nitrobacter winogradsky. The model is structured in different levels: the global reactor hydrodynamics and the biofilm that considers the growth of the different species based on a simplified 1-D diffusion model and includes a simplified approach to simulate biofilm consolidation. The validity of this model has been tested by using experimental data from the bioreactor operation during a period of 2 years in which different concentrations and loads of ammonium have been tested to characterize the continuous operation of the reactor. The obtained results fit reasonably well the experimental data and final biomass concentration profiles observed at the end of the operational period. This is especially relevant considering the limitation to obtain biofilm samples during the long-term operation in order not to perturbate the packed-bed structure. In a second phase, a model has been also created to describe the operation of the external loop air-lift photobioreactor colonized with Limnospira indica, corresponding to compartment 4a in the MPP. This model integrates existing knowledge on light transfer in the photobioreactor liquid, gas-liquid mass transfer of oxygen and carbon dioxide and the growth kinetics of microalgae. In a third phase, a simplified model has also been developed for the oxygen consumption and carbon dioxide production in the gas phase of the crew compartment. This compartment is configured in the MPP by an animal isolator with a cohort of rats. To develop the model, the consumption coefficients have been calculated based on experimental data. Then, the knowledge generated in the development of these last two models has been integrated with the MPP control system to support the gas-phase integration of these two compartments (the photobioreactor and the animal compartment) in continuous operation. Given an oxygen set point in the animal compartment, the control system increases the illumination in the photobioreactor to reach the necessary oxygen production in order to maintain the oxygen level in the animal compartment. Finally, the complete set of models has been validated by using two series of long-term operation experimental data of the complete system (photobioreactor and animal compartment) in closed gas loop. The developed models reproduce with high accuracy the experimental profile of the photobioreactor and the global system dynamics associated to the introduction of a real living crew in the gas close loop. This provides a proof of concept of the high potential of mathematical models to understand and support such type of complex systems dynamics. The results obtained in the present thesis represent a step forward in the development of the MELiSSA loop. The knowledge generated in the formulation of the proposed models can be used for the definition of simplified knowledge-based control systems critical for future development steps as well as their use in the study of future integration scenarios as a tool to simulate the performance of different loop architecture options and operational conditions. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologia

This master thesis is devoted to the state estimation of a particular form of PDE systems, coupled parabolic PDEs with spatial dependent coefficients. This form of PDEs represent some dynamic systems such as Tubular Reactors, Diffusion in lithium-ion cells and Diffusive Gradient in Thin Films sensor. Other methods for this problem use "Backstepping" observers, in which the estimation error system is transformed into another system that is stable, reducing the problem to calculate the Kernel functions making the transformation possible. In some cases this calculation is not simple, also the simulation in real time of the observer system, that is also a PDE, can be difficult. The method presented in this thesis uses the properties of the so-called Modulating Functions in order to estimate the states. The procedure con- sists of generating an orthonormal basis of functions that can represent the state as a combination of them. Then auxiliary systems are formed from the original systems with boundary conditions that help in the simplification of the problem. Resolving these auxiliary systems, result in the calculation of the Modulating kernels. All of these steps can be made offline and do not have to be repeated. The functions are used together with the orthonormal basis in the online part, that consists of an inte- gration of a combination of the kernel functions, inputs and outputs of the system in a time window. Finally, with a matrix multiplication the coefficients for the ba- sis expansion of the state can be obtained, resulting in the desired state estimation. The present method is tested in systems that resemble the forms of the dynamics of Tubular Reactors and the performance is compared to other methods. Diese Masterarbeit widmet sich der Zustandsschätzung einer bestimmten Art von Systemen, gekoppelten partiellen Differenzialgleichungen mit raumabhängigen Ko- effizienten. Diese besondere Form von PDEs repräsentiert einige dynamische Sys- teme wie Röhrenreaktoren, Diffusion in Lithium-Ionen-Batterien und Gradienten in dünnen Schichten. Andere Methoden für dieses Problem benutzen "Backstep- ping" Beobachter, bei denen das Schätzfehlersystem in ein anderes stabiles System transformiert wird, wodurch das Problem reduziert wird, um die Kernfunktionen zu berechnen, die die Transformation ermöglichen. In manchen Fällen ist diese Berech- nung nicht einfach. Auch die Simulation in Echtzeit des Beobachters System, das auch eine PDE ist, kann sehr schwierig sein. Die in dieser Arbeit vorgestellte Meth- ode verwendet die Eigenschaften der sogenannten Modulationsfunktionen, um die Zustände zu schätzen. Das Verfahren besteht darin, eine Orthonormalbasis von Funktionen zu erzeugen können, die den Zustand als Kombination von ihnen repräsen- tieren, dann werden Hilfssysteme gebildet von dem ursprünglichen Systemen mit Randbedingungen, die bei der Vereinfachung helfen, von dem Problem. Das Au- flösen dieser Hilfssysteme ergibt die Berechnung der modulierende Kerne. Alle diese Schritte können offline durchgeführt und müssen nicht wiederholt werden. Die Funktionen werden zusammen mit der Orthonormalbasis im Online-Teil ver- wendet. Dieser Teil besteht aus einer Integration einer Kombination der Kernfunk- tionen, Eingaben und Ausgaben des Systems in einem Zeitfenster. Schließlich kön- nen die Koeffizienten zur Basiserweiterung mit einer Matrixmultiplikation berech- net werden, was zu der gewünschte Zustandsschätzung führt. Das Verfahren wird am Beispiel der Dynamik eines Rohreaktors getestet und die Ergebnisse werden mit anderen Methoden verglichen.

Producción Científica, The abatement of indoor volatile organic compounds (VOCs) represents a major challenge due to their environmental risk, wide nature and concentration variability. Biotechnologies represent a cost-effective, robust and sustainable platform for the treatment of hazardous VOCs at low and fluctuating concentrations. However, they have been scarcely implemented for indoor air purification. Thus, little is known about the influence of the reactor configuration or the VOC nature and concentration variability on the removal, resilience and the microbial population of bioreactor configurations susceptible to be implemented, both in indoors and industrial environments. The present study aims at comparing the removal performance of four VOCs with different hydrophobicity and molecular structure -acetone, n-hexane, α-pinene and toluene-at two inlet concentrations (5 and 400 mg m−3), which mimics the concentrations of contaminated indoor and industrial air. To this aim a stirred tank, flat biofilm and latex-based biocoated flat bioreactor were comparatively evaluated. The results demonstrated the superior performance of the stirred tank reactor for the removal of hydrophilic VOCs at high inlet concentrations, which achieved removals >99% for acetone and toluene. At low concentrations, the removal efficiencies of acetone, toluene and α-pinene were >97% regardless of the bioreactor configuration tested. The most hydrophobic gas, n-hexane, was more efficiently removed in the flat biofilm reactor without latex. The microbial community analyses showed that the presence of VOCs as the only carbon and energy source didn't promote the growth of dominant bacterial members and the populations independently evolved in each reactor configuration and operation mode. The fungal population was more diverse in the biofilm-based bioreactors, although, it was mainly dominated by uncultured fungi from the phylum Cryptomycota., Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (project RTI2018-0-096441-B-I00), Junta de Castilla y Leon - Fondo Europeo de Desarrollo Regional (grants CLU 2017-09, and CL-EI-2021-07)

Producción Científica, Junta de Castilla y León (grants CLU 2017-09 and UIC 071), Biogas contain minor concentration of volatile methyl siloxanes (VMS), responsible for severe damages in turbines or internal combustion engines. Sustainable biological processes for VMS abatement are limited by the low aqueous solubility of VMS. In order this limitation, the siloxanes (D4, D5, L2 and L3) removal performance of a two-phase partitioning biotrickling filter (TP-BTF) was study in terms of the empty bed residence time (EBRT) and the fraction of the organic phase (silicone oil). A decrease in the total VMS removal from 76 to 49% was observed when the EBRT was reduced from 60 to 15 min. The highest removals were achieved for D4 (53–84%) and D5 (69–87%), compared to the lower values recorded for L2 (19–45%) and L3 (31–81%). The increase in the share of silicone oil in the recycling mineral medium from 5 to 45% resulted in an improvement of the total VMS abatement from 35 to 52%. This enhancement was observed for L3 (21–50%), D4 (26–64%) and D5 (58–78%), whereas L2 removals remained < 25%. A highly specialized bacterial community dominated by the genus KCM-B-112 was retrieved at the end of the experiment., European Commission-H2020-MSCA–IF–2019 (project 897284), Bio Based Industries Joint Undertaking (Horizon 2020 grant 745785)

traduction; International audience; Inventado por J. Monod, e independientemente por A. Novick y L. Szilard, en 1950, el quimiostato es a la vez un dispositivo de cultivo de microorganismos y un ecosistema abstraído, gestionado por un flujo controlado de nutrientes.Este libro estudia modelos matemáticos de crecimiento de una sola especie, así como modelos de competencia de múltiples especies integrando trabajos recientes en ecología teórica y dinámica de poblaciones. A través de un enfoque de modelización, las hipótesis y conclusiones extraídas de los principales resultados matemáticos se analizan e interpretan desde una perspectiva crítica. Se hace gran hincapié en las simulaciones numéricas, cuyo uso prudente se recomienda.El quimiostato está dirigido a los lectores que poseen conocimientos matemáticos de grado e incluye un apéndice detallado de ecuaciones diferenciales relacionadas con nociones y resultados específicos utilizados a lo largo de este libro.

El objetivo de esta tesis fue utilizar células completas o subproductos de Pseudomonas veronii 2E, para eliminar cobre de efluentes y así desarrollar un sistema de biotratamiento eficaz. El trabajo consta de tres partes, en la primera parte, se estudió la interacción bacteria-Cu(II), obteniendo una retención del 90% y una recuperación del 54% de cobre. La segunda parte consistió en la inmovilización de la biomasa sobre diferentes soportes. Se estudiaron diversos diseños de biorreactores, alcanzando una biosorción del 71% (24 h) y 77% (216 h) del metal y una recuperación del 70% y 96% para reactores batch y continuos respectivamente, a 32 °C y pH 5,5. Finalmente, en la tercera parte del trabajo se aislaron las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) producidas por las bacterias para estudiar su interacción con cobre, obteniendo un 80% de retención, del cual se recuperó el 73%. Estos resultados son prometedores para la implementación de un biotratamiento a escala de laboratorio, sin embargo, también representa un primer paso necesario para la implementación de un biotratamiento de efluentes conteniendo Cu(II) sostenible a escala industrial. Fil: Busnelli, María Pía. Universidad Nacional de General Sarmiento. Instituto de Ciencias; Argentina.

El presente trabajo tiene por fin aplicar el modelo de gestión de innovación EMOI a un reactor de compostaje controlado, con el propósito de desarrollar un modelo de negocios, que impulse la tecnología diseñada como alternativa, para promover el desarrollo sostenible y economía circular. Se pretende aplicar la metodología al diseño de un reactor controlado, cuyas principales variables de control son humedad, temperatura, aireación y pH, se tiene en cuenta el modelo del sistema, con la ecuación en diferencias de la reacción cinética, el contenido de calor, de humedad, de oxigeno y el balance de calor. Controlar éstos parámetros permitirán producir compost en 24 horas, pues normalmente la transformación tiene una duración de hasta 3 meses, bajo condiciones normales. El control del reactor, se visiona como la propuesta de valor del prototipo. Se presenta el desarrollo del pentágono de impulsores de la innovación, para analizar las tendencias y demandas actuales, para comprender la entrada en el mercado del diseño mecatrónico. Inicialmente se usa el mapa de empatía y el mapa de experiencia, para determinar las expectativas básicas, las expectativas de rendimiento y las expectativas de deleite del cliente. Estos mapas se desarrollan con el objetivo de identificar, analizar y entender las partes interesadas. Estos mapas hacen parte de el proceso SDCA o también denominadas, herramientas de metaplanificación. El modelo Canvas Herzberg-Kano es definido por categorías donde las características del producto de innovación son ordenadas por importancia. Con ésta herramienta se genera una clasificación de los atributos del reactor que traerán más beneficios, como lo son: garantizar el tiempo de conversión de materia orgánica. El diseño de una compuerta para lixiviados y asegurar un filtro de aire para mitigar malos olores. En términos de comercialización, que el pedido llegue en el tiempo establecido por la página web. Finalmente, el usar estas metodologías en el reactor, conllevan a aplicar el modelo canvas de Alex Osterwalder para determinar la fuente de ingresos, la estructura de costos, actividades, recursos, socios, canales, clientes y la propuesta de valor del prototipo del reactor de compostaje, analizando el modelo de negocios del artefacto y su viabilidad comercial. The purpose of this work is to apply the EMOI innovation management model to a controlled composting reactor, with the purpose of developing a business model that promotes technology designed as an alternative, to promote sustainable development and a circular economy. It is intended to apply the methodology to the design of a controlled reactor, whose main control variables are humidity, temperature, aeration and pH, the system model is taken into account, with the equation in differences of the kinetic reaction, the heat content, humidity, oxygen and heat balance. Controlling these parameters will allow compost to be produced in 24 hours, since normally the transformation lasts up to 3 months, under normal conditions. The control of the reactor is seen as the value proposition of the prototype. The development of the Innovation Drivers Pentagon is presented, to analyze current trends and demands, to understand the market entry of mechatronic design. Initially, the empathy map and the experience map are used to determine the basic expectations, performance expectations, and customer delight expectations. These maps are developed with the objective of identifying, analyzing and understanding stakeholders. These maps are part of the SDCA process or also called meta-planning tools. The Canvas Herzberg-Kano model is defined by categories where the characteristics of the innovation product are ordered by importance. With this tool, a classification of the reactor attributes that will bring more benefits is generated, such as: guaranteeing the conversion time of organic matter. The design of a hatch for leachate and ensure an air filter to mitigate bad odors. In terms of marketing, that the order arrives in the time established by the website. Finally, using these methodologies in the reactor, lead to applying Alex Osterwalder's canvas model to determine the source of income, the cost structure, activities, resources, partners, channels, customers and the value proposition of the prototype of the reactor of composting, analyzing the artifact's business model and its commercial viability. Pregrado

figuras, tablas Modeling and simulation have become over time a key tool for the continuous improvement of designs, control systems, and understanding of industrial processes, including biotechnology. Processes that respond to the need to make use of alternative sources to those based on petroleum, for the production of consumer products of all kinds. This is why this work focuses on modeling biotechnological processes such as enzymatic transformation and fermentation. The modeling was investigated using stochastic and deterministic approaches for two case studies, enzymatic reactions with and without inhibition, as well as the xylitol bioproduction from glucose and xylose. The deterministic approach was based on the solution of the ordinary differential equations obtained from the mass balances for a batch reactor and the chemical kinetics of the mass action law and the Michaelis-Menten type. On the other hand, the stochastic approximation was based on the application of the Gillespie stochastic solution algorithm, from the stochastic chemical kinetics and the stochastic approximation of the Michaelis-Menten equations. Thus, the objective of this thesis is to investigate the application of stochastic models and evaluate the uncertainty of these systems, as well as to re-estimate parameters for the xylitol production model. It was found in this work that stochastic methods have the same predictive power as deterministic ones for the most common cases of inhibition in the literature (Competitive, Non-competitive, Un-competitive) and the xylitol production, but with the advantage of being able to analyze the inherent uncertainty of biological systems (enzymatic reactions and fermentation). Besides, It was possible to evaluate the evolution of the uncertainty of the stochastic model throughout the simulation and its relationship with the relative uncertainty of the experimental measurements. The sensitivity analysis allowed making a conscious selection of the size of the system and the number of realizations necessary to obtain a practically constant uncertainty value. Moreover, these methods served to propose a translation of the xylitol bioproduction model into stochastic terms, despite the lack of information on the reactions that lead to the formation of biomass and the inclusion of the mass transport model. Besides, the deterministic re-adjustment of the parameters showed a better fit of the model to the experimental data of xylitol (compound of interest). The greatest contribution, in this case, was to illustrate how this method (ABC rejection sampler) offers greater robustness when evaluating the uncertainty of the model and being able to optimize under uncertainty. Therefore, this thesis includes contributions to the state of the art in Process System Engineering that will provide new perspectives for the modeling and analysis of systems under uncertainty. El modelado y la simulación se han convertido con el tiempo en una herramienta clave para la mejora continua de los diseños, los sistemas de control y la comprensión de los procesos industriales, incluida la biotecnología. Procesos que responden a la necesidad de hacer uso de fuentes alternativas a las basadas en petróleo, para la elaboración de productos de consumo de todo tipo. Es por ello que este trabajo se centra en la modelización de procesos biotecnológicos como la transformación enzimática y las fermentaciones. El modelado se investigó utilizando enfoques estocásticos y deterministas para dos estudios de caso, reacciones enzimáticas con y sin inhibición, así como la bioproducción de xilitol a partir de glucosa y xilosa. El enfoque determinista se basó en la solución de las ecuaciones diferenciales ordinarias obtenidas de los balances de masa para un reactor discontinuo y la cinética química de la ley de acción de masas y el tipo de Michaelis-Menten. Por otro lado, la aproximación estocástica se basó en la aplicación del algoritmo de solución estocástica de Gillespie, a partir de la cinética química estocástica y la aproximación estocástica de las ecuaciones de Michaelis-Menten. Así, el objetivo de esta tesis es investigar la aplicación de modelos estocásticos y evaluar la incertidumbre de estos sistemas, así como reestimar parámetros para el modelo de producción de xilitol. En este trabajo se encontró que los métodos estocásticos tienen el mismo poder predictivo que los deterministas para los casos más comunes de inhibición en la literatura (Competitivo, No competitivo, No competitivo) y la producción de xilitol, pero con la ventaja de poder analizar la incertidumbre inherente a los sistemas biológicos (reacciones enzimáticas y fermentación). Además, se pudo evaluar la evolución de la incertidumbre del modelo estocástico a lo largo de la simulación y su relación con la incertidumbre relativa de las medidas experimentales. El análisis de sensibilidad permitió hacer una selección consciente del tamaño del sistema y el número de realizaciones necesarias para obtener un valor de incertidumbre prácticamente constante. Además, estos métodos sirvieron para proponer una traducción del modelo de bioproducción de xilitol en términos estocásticos, a pesar de la falta de información sobre las reacciones que conducen a la formación de biomasa y la inclusión del modelo de transporte masivo. Además, el reajuste determinista de los parámetros mostró un mejor ajuste del modelo a los datos experimentales del xilitol (compuesto de interés). El mayor aporte, en este caso, fue ilustrar cómo este método (muestreador de rechazo ABC) ofrece una mayor robustez a la hora de evaluar la incertidumbre del modelo y poder optimizar bajo incertidumbre. Por lo tanto, esta tesis incluye contribuciones al estado del arte en Ingeniería de Sistemas de Procesos que brindarán nuevas perspectivas para el modelado y análisis de sistemas bajo incertidumbre. Maestría Magister en Ingeniería - Ingeniería Química

[ES] Los mini-biorreactores son una herramienta de gran interés en los laboratorios de biología sintética. Estos mini-biorreactores se encargan de monitorizar y controlar las condiciones de los cultivos de bacterias para los experimentos (entrada y salida de medio, agitacíon del cultivo, aireación, etc.). En este proyecto, el objetivo principal consiste en la implementación de un bucle de control de temperatura mediante un sensor de infrarrojos. Se diseñarán e implementarán leyes de control novedosas basadas en condicionamiento de referencia para hacer frente a la fuerte diferencia entre la dinámica de calentamiento y la de enfriamiento. Objetivos adicionales serán: - Implementar derivadores software para estimar la derivada de la temperatura en el biorreactor. - Implementar un simulador embebido del biorreactor. - Utilización de Github para el control de versiones del código desarrollado. - Calibración del sistema: bomba peristáltica, sensor de densidad óptica, sensor de fluorescencia y del sensor de temperatura basado en infrarrojos. El sensor de densidad óptica y el de fluorescencia ya están implementados, asíi como su software asociado. - Pruebas experimentales para validar el control de temperatura, [EN] Mini-bioreactors are a tool of great interest in synthetic biology laboratories. These mini-bioreactors are in charge of monitoring and controlling the conditions of the bacteria cultures for the experiments (inlet and outlet of medium, shaking the culture, aeration, etc.). In this project, the main objective is to implement a temperature control loop using an infrared sensor. Novel control laws based on reference conditioning will be designed and implemented to cope with the strong difference between heating and cooling dynamics. As secondary objectives, the calibration of the sensor, experimental tests to validate the temperature control will be carried out and, finally, work will be carried out towards the start-up of the mini-bioreactor. Additional objectives will be: - Implement software derivatives to estimate the derivative of the temperature in the bioreactor. - Implement an embedded simulator of the bioreactor. - Use of Github for version control of the developed code. - Calibration of the system: peristaltic pump, optical density sensor, fluorescence sensor and infrared-based temperature sensor. The optical density sensor and the fluorescence sensor are already implemented, as well as their associated software. - Experimental tests to validate the temperature control

[ES] Con la ayuda de la biotecnología, es posible producir metabolitos de interés (por ejemplo, aminoácidos, biocombustibles, fármacos) en células cultivadas en biorreactores. Este proyecto busca diseñar e implementar un sistema de placas de milifluídica para automatizar las tareas de alimentación de medio fresco, control de volumen y muestreo para un sistema de biorreactores de laboratorio de pequeña escala (10 ml a 100 ml) para su uso en aplicaciones de biología sintética. Tras revisar el estado del arte, se diseñan e implementan prototipos de validación para probar el proceso de fabricación y las funciones básicas de las placas de milifluídica. El proceso de fabricación consiste en la preparación del material con un adhesivo, el procesamiento mediante una cortadora láser y el montaje de las placas. Tras la calibración de la bomba peristáltica, se realizan pruebas experimentales de los prototipos de validación para validar el sistema y mejorar el diseño y el proceso de fabricación. Posteriormente, se diseña y fabrica un prototipo para controlar cuatro biorreactores en paralelo. Se desarrolla un simulador para comparar diferentes estrategias y parámetros de control para los experimentos que utilizan el sistema milifluídico. El simulador permite elegir cualquier número de biorreactores a controlar, lo que lo hace aplicable a una amplia gama de configuraciones experimentales. Finalmente, se discuten los aspectos de escalabilidad del sistema., [EN] With the help of biotechnology, it is possible to produce metabolites of interest (e.g. amino acids, biofuel, drugs) in cells that are cultured in bioreactors. This project seeks to design and implement a millifluidic board system to automate the tasks of fresh medium feeding, volume control and sampling for a small scale (10 ml to 100 ml) laboratory bioreactor system for use in synthetic biology applications. After reviewing the state of the art, validation prototypes are designed and implemented to test the manufacturing process and the basic functions of the millifluidic boards. The manufacturing process consists of preparation of the material with adhesive, laser processing and the assembly. After calibration of the peristaltic pump, experimental tests of the validation prototypes are carried out to validate the system and to improve the design and manufacturing process. Subsequently, a prototype for controlling four bioreactors in parallel is designed and manufactured. A simulator is developed to compare different control strategies and parameters for experiments which use the millifluidic system. The simulator allows choosing any number of bioreactors to control thus making it applicable to a wide range of experimental setups. Finally, the scalability aspects of the system are discussed.

Infectious bursal disease virus (IBDV) is the etiological agent of an immunosuppressive and highly contagious disease that affects young birds, thus causing important economic losses in the poultry industry. Multimeric particles with different architectures based on the capsid protein VP2 have been widely produced for different purposes. We hereby show the production and easy recovery of IBDV subviral particles (SVP) from transiently transformed Nicotiana benthamiana. The SVP, which were observed by electronic microscopy, proved to be antigenically and immunogenically similar to the virion. Indeed, anti-IBDV antibodies from samples of infected birds recognized these SVP and, when injected intramuscularly, these subviral particles also evoked a humoral immune response in chickens. We developed an in-house ELISA using SVP as coating reagent that demonstrated to be highly accurate and in good agreement with a commercial ELISA. This study demonstrates that the recombinant antigen generated and the technology used to produce it are suitable for developing a diagnostic tool against Infectious bursal disease. Fil: Gómez, Evangelina Raquel. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular; Argentina Fil: Cassani, Maria Florencia. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular; Argentina Fil: Lucero, María Soledad. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular; Argentina Fil: Parreño, Gladys Viviana. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación En Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Virología E Innovaciones Tecnológicas. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Pque. Centenario. Instituto de Virología E Innovaciones Tecnológicas; Argentina Fil: Chimeno Zoth, Silvina Andrea. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular; Argentina Fil: Berinstein, Analía. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular; Argentina