This thesis examines the response of stainless steel members when subjected to transverse and normal forces triggering the instability phenomena called web crippling and local buckling, respectively. Currently, the part of Eurocode dealing with stainless steel, EN 1993-1-4 (2006) misses design provisions for web crippling and the applicability of some of its aspects is yet to be fully verified especially for application to ferritic stainless steel. The first part of the thesis laid in the development of design equations for the treatment of web crippling in stainless steel sections which are currently designed following specifications given in EN 1993-1-3 (2006) for cold-formed carbon steel. Two design approaches were derived covering austenitic and ferritic stainless steels: an empiric equation, in line with the current provisions for web crippling design given in EN 1993-1-3 (2006); and an alternative semi-empiric design method based on strength curves which enables a better understanding of the phenomenon and showed to significantly improve web crippling predictions. For the second part of the thesis, the applicability of the local buckling design provisions given in EN 1993-1-4 (2006) to ferritic stainless steel was examined giving focus to the slenderness limits and the effective width equations. The results showed that EN 1993-1-4 (2006) can safely be applied to ferritic stainless steel, though the code is rather conservative in comparison with other methods. Finally, a modification of the effective width equation incorporating element interaction effects was proposed which allows an improvement of cross-section capacity predictions and enables to amend the effective width method to the same level of alternative design approaches but promoting the use of the concepts currently considered in Eurocode.

The design of nanocomposites, which typically consist of polymeric matrices with embedded particles having at least one characteristic length in the nanometer range, has recently been the focus of a great attention. Nanocomposites, in a large variety of morphologies and distinct compositions are already on the market. In this context, the construction of novel porous nanocomposites, exhibiting hierarchical structures, will allow the development of innovative advanced materials with promising applications in many fields: catalysis, gas/liquid storage, gas purification, etc. The use of highly concentrated phase emulsions (HIPEs) as templates has been shown to be an effective route for the preparation of macroporous polymers. Specifically, the use of suitable surface-modified inorganic oxide nanoparticles as emulsions stabilizers (so called Pickering emulsions) provide an alternative approach to the classical surfactant-based systems, to obtain such hybrid organic-inorganic nanocomposite porous materials. Thanks to the ability of finely-divided solids to adsorb spontaneously at liquid-liquid interfaces, any functionality coming from the nanoparticles can be imparted to the materials, in a single-step preparation method. It has been described that, the resulting macroporous nanocomposites, obtained in Pickering highly concentrated emulsions, typically exhibit closed-cell structures and rather large pore sizes. These drawbacks are frequently overcome by combining simultaneously surfactants and particles. Nevertheless, there is a lack of systematic study on how the interactions between these two emulsifiers influence the final physicochemical properties of the materials obtained. For instance, contrary to what is often expected, the addition of particles to a surfactant-stabilized emulsion or inversely, the addition of surfactant to a particle-stabilized emulsion can negatively influence its stability, rather than enhance it. The main objective of this research work was to investigate the formation of polymeric macroporous nanocomposites with embedded functional nanoparticles, using W/O highly concentrated emulsions as templates. For this purpose, two kinds of nanoparticles with interesting functionalities have been used: - Superparamagnetic iron oxide nanoparticles - Titanium dioxide photocatalytic nanoparticles Styrene and the crosslinker divinylbenzene are used in the emulsion continuous phase, as a model monomer system. The emulsions are processed into macroporous materials by free-radical polymerization of such a continuous phase. In all cases, nanoparticles are included in the systems, and three different types of emulsions are studied using different approaches: (a) HIPEs stabilized with surfactants and prepared by the phase inversion method, containing nanoparticles inside the continuous phase. (b) HIPEs stabilized with nanoparticles, in absence of surfactant and prepared by the drop-wise addition method. The use of Pickering emulsions to obtain nanocomposite materials constitutes a very novel approach, recently first described. (c) HIPEs stabilized primary with nanoparticles with increasing amounts of surfactant molecules, prepared by the drop-wise addition method. In this work, special emphasis has been given to the study of the individual contribution of either nanoparticles or surfactants on the (in)stability of the resultant highly concentrated emulsions. Moreover, the precise role that each emulsifier plays, focusing on their interactions and the related emulsion stabilization mechanisms, has been investigated. In addition, we have study the arrangement of the nanoparticles in the resulting porous nanocomposites, with respect to several parameters such as particle size or surfactant concentration. Likewise, the main physical properties of the materials, such as macroporous structure, porosity, permeability or mechanical strength, have been compared. Finally, the magnetic properties and photocatalytic activity of the nanocomposite materials, which contained iron oxide and titanium dioxide nanoparticles, respectively, have been characterized. / La preparación de materiales constituidos por una matriz polimérica que contiene algún tipo de elemento inorgánico, como nanopartículas o nanotubos, ha generado durante los últimos años un enorme interés científico. Generalmente, estos materiales se denominan nanocompuestos. Actualmente, existen productos en el mercado en forma de sensores ópticos o productos en fase de desarrollo comercial, como poliolefinas reforzadas con arcilla en la industria automovilística. Uno de los campos de mayor actividad es la fabricación de materiales porosos avanzados, con aplicaciones en campos tan variados como el de membranas, purificación de gases o almacenamiento de líquidos/gases. Este trabajo de tesis tiene como objetivo principal el de obtener nanocomposites macroporosos con nanopartículas incorporadas, utilizando emulsiones altamente concentradas como plantilla. Para ello se han empleado emulsiones del tipo agua en aceite, estabilizadas tanto con tensioactivos como con nanopartículas (denominadas emulsiones de Pickering). La obtención de nanocompuestos macroporosos utilizando emulsiones de Pickering constituye un método novedoso descrito por primera vez recientemente. Con este propósito, se han utilizado dos tipos de nanopartículas funcionales: nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro y nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titanio. Ambas han sido previamente funcionalizadas con ácido oleico para conferir hidrofobicidad a su superficie. Para obtener los materiales poliméricos, se ha llevado a cabo una polimerización entre el monómero estireno y el entrecruzante divinilbenceno en la fase externa de las emulsiones. De esta forma, se han obtenido materiales poliméricos porosos con nuevas funcionalidades magnéticas y fotocatalíticas. En primera instancia, se ha evaluado la interacción entre los dos emulsionantes empleados, nanopartículas y tensioactivos, y sus implicaciones en la estabilidad de las emulsiones altamente concentradas iniciales. Además, se ha estudiado la distribución de las nanopartículas en los materiales macroporosos obtenidos, en función de diversos parámetros como el tamaño o concentración de nanopartículas. Finalmente, se ha llevado a cabo una exhaustiva caracterización de las propiedades físicas de los materiales, tal como estructura macroporosa, porosidad, resistencia a la compresión o permeabilidad. También, se han estudiado las propiedades magnéticas y fotocatalíticas de los nanocompuestos, que contienen nanopartículas de óxido de hierro y de dióxido de titanio, respectivamente.

La codigestión anaeróbica es actualmente, como muestra el incremento de publicaciones, el tema más relevante en el campo de la digestión anaeróbica. La codigestión anaeróbica consiste en digerir dos o más sustratos de origen diferente, con el objetivo de compensar las carencias que los sustratos presentan cuando son digeridos individualmente. A pesar que la codigestión anaeróbica ha sido previamente estudiada, la mayoría de trabajos se han focalizado en la optimización del ratio carbono-nitrógeno o el porcentaje de cosustrato más que en analizar la influencia de la composición de la materia orgánica a digerir. Asimismo, existe poco conocimiento sobre los mecanismos sinérgicos que tienen lugar en un codigestor, aunque tales puede ser muy interesante para profundizar el conocimiento de la codigestión anaeróbica y, consecuentemente, hacer una mejor selección de los cosustratos y optimizar su dosis en el influente del digestor. Otro aspecto relevante en lo que se refiere a la viabilidad de la planta de codigestión es analizar cómo afecta la adición del cosustrato en el comportamiento del digestor y en la estabilidad del digerido. En esta tesis, la mono- y codigestión de residuos urbanos, agropecuarios e industriales ha sido estudiada con el objetivo de profundizar en el conocimiento de esta opción tecnológica, la cual permite mejorar la viabilidad económica de las plantas y, consecuentemente, fomentar su implantación. Dentro del campo de la codigestión anaeróbica, el presente trabajo hace énfasis en lo que refiere a las interacciones entre sustratos (sinergias y antagonismos), el efecto de la codigestión sobre la calidad del digerido y su modelización. La modelización de la codigestión se ha utilizado para estimar parámetros bioquímicos necesarios para el diseño y operación de estos digestores o para predecir el comportamiento del digestor. En los diferentes estudios de codigestión realizados: codigestión de residuos de matadero, codigestión de lodos de depuradora y glicerina, y codigestión de purín de cerdo y glicerina se ha podido quantificar que la codigestión de residuos es una opción tecnológica que permite incrementar la producción, mejorar la cinética de degradación y mitigar la inhibición de los microorganismos. Aunque el grado de mejora y los mecanismos que tienen lugar dependen de las propiedades susbtrato y cosustrato. / Anaerobic co-digestion consists of the anaerobic digestion of a mixture of two or more substrates with complementary characteristics; so that, the methane production is enhanced. The improvement is mainly a consequence of the increase of the organic loading rate; however, when possible, it is important to choose the best co-substrate and blend ration with the aim of favoring positive interactions. Today, there is very little knowledge about interactions between substrates that may enhance or attenuate inhibition, rate, or potential. Moreover, little attention has been paid to the digestate quality, although both biogas and digestate have to be managed in appropriate ways in order to make anaerobic digestion plants sustainable in the long term. In this thesis, several anaerobic mono- and co-digestion studies have been carried out to improve the knowledge about the interaction between wastes and to analyse the effect on the digestate quality after the addition of a co-substrate. Initially, the anaerobic digestion of sewage sludge was evaluated in order to develop a methodology which could enable the obtention of parameters, coefficients and state variables for anaerobic digestion modeling, based on the Anaerobic Digestion Model No.1. The comparision between the simulation and the experimental results showed the consistency of the developed methodology, although an underestimation of the solubilisation rate was detected. Secondly, the interaction between substrates during anaerobic co-digestion were evaluated and modeled. Pure substrates (cellulose, casein and olive oil) and slaughterhouse waste (paunch, blood and dissolved air flotation fat) were used to study the role of carbohydrates, protein and lipids in the co-digestion behaviour. It was concluded that mixing substrates lead to an improvement in kinetics for all mixtures, although the ultimate methane potencial is generally not affected. Next, co-digestion of sewage sludge or pig manure and glycerol was evaluated with the aim of identifying synergism and inhibitory mechanisms when glycerol is used as co-substrate. The results showed that glycerol is an ideal co-substrate for sludge and manure digestion, being overloading the main risk of process failure. Finally, pig manure and glycerol were co-digested at mesophilic and thermophilic conditions in a continuous reactor. The improvement of the biogas production in both cases was related with the increase of the digester organic loading rate, the balance of the carbon-to-nitrogen ratio and the reduction of the free ammonia concentration. The comparison between both digestates indicated that a lower stability is expected at thermophilic than at mesophilic conditions because of the higher accumulation of intermediate compounds in the digester medium. However, the thermophilic digestate was likely to fulfil the requirements of the European hygienisation legislation for unrestricted agricultural use.

Cellulose fiber was used to reinforce higher melting temperature engineering thermoplastics, such as nylon 6 and nylon 66. The continuous extrusion - direct compression molding processing and extrusion-injection molding were chosen to make cellulose fiber/nylon 6 or 66 composites. Tensile, flexural and Izod impact tests were used to demonstrate the mechanical properties of the composites. The continuous extrusion-compression molding processing can decrease the thermal degradation of cellulose fiber, but fiber doesn't disperse well with this procedure. Injection molding gave samples with better fiber dispersion and less void content, and thus gave better mechanical properties than compression molding. Low temperature compounding was used to extrude cellulose fiber/nylon composites. Plasticizer and a ceramic powder were used to decrease the processing temperature. Low temperature extrusion gave better mechanical properties than high temperature extrusion. The tensile modulus of nylon 6 composite with 30 % fiber can reach 5GPa; with a tensile strength of 68MPa; a flexural modulus of 4GPa, and a flexural strength of 100MPa. The tensile modulus of nylon 66 composites with 30 %fiber can reach 5GPa;with a flexural modulus of 5GPa; a tensile strength of 70MPa; and a flexural strength of 147MPa. The effect of thermal degradation on fiber properties was estimated. The Halpin-Tsai model and the Cox model were used to estimate the composite modulus. The Kelly-Tyson model was used to estimate the composite strength. The result indicates that the change of fiber properties determines the final properties of composites. Fiber length has a minor affect on both modulus and strength as long as the fiber length is above the critical length.

Thesis (M.A.)--Ohio University, November, 2007. / Title from PDF t.p. Includes bibliographical references.

Report (M.S.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1994. / Abstract. Includes bibliographical references (leaves 173-175). Also available via the Internet.

Nanotechnology and specially nanomaterials, offer a range of opportunities for the automotive industry. The improvement of physical and chemical properties or the development of new functionalities in the vehicle has driven a growing interest in the application of these new technologies. In this new paradigm, lack of information and regulation, and the uncertainty associated with certain aspects of nanotechnology, including their impact on health and the environment, make it difficult evaluate the technological alternatives to objectively. However it is necessary to evaluate not only the viability, but also the suitability of the application of nanocomposites in cars, given the large volume of the sector's market. This research is focused in the application of nanocomposites for the production of large plastic parts of the vehicle, in order to obtain compounds with lower density maintaining or improving the mechanical performance by reducing its weight. On one hand, the feasibility study is approached from an experimental point of view through the characterization and production of real parts, while simultaneously, on the other hand, a helpful tool for decision making which evaluates the application of nanotechnology alternatives is proposed. As experimental case study, a modified polypropylene compound with embedded inorganic nanofibers is analysed. Impact properties and scratch resistance are characterized, but also the study of durability of this new compound is conducted with special emphasis. Its application is technically feasible but not economically in all cases studied. Extrapolating from experimental case, the called "Multi‐Criteria Value Analysis" tool is developed. It bases on existing multi‐criteria methods for defining and structuring the appropriate functional, environmental and economic criteria for assessing alternatives in the application of compounds and polymeric nanocomposites in interior vehicle parts / La nanotecnologia i en particular els nanomaterials, ofereixen un ventall de noves oportunitats per a l'automoció. La millora de les propietats fisicoquímiques o el desenvolupament de noves funcionalitats dels materials al vehicle han impulsat un interès creixent en l'aplicació d'aquestes tecnologies en el sector. En aquest nou paradigma, la manca d'informació i regulació, i la incertesa associada a certs aspectes de la nanotecnologia, com els seus efectes en la salut i el medi ambient, fan que sigui difícil l'avaluació objectiva d'alternatives tecnològiques. No obstant això és necessari poder avaluar, no solament la viabilitat, sinó també la idoneïtat de l'aplicació de nanocompostos en quantitats significatives, donat el gran volum de mercat que presenta el sector. En la present investigació s'analitza l'aplicació de nanocompostos per a la producció de grans peces plàstiques del vehicle, amb l'objectiu d'aconseguir compostos amb menor densitat que mantinguin o millorin les prestacions mecàniques reduint el seu pes. D'una banda s'aborda l'estudi de viabilitat des d'un punt de vista experimental mitjançant la caracterització i la producció de peces reals, mentre paral∙lelament es proposa una eina d'ajuda per a la presa de decisió que permet valorar l'aplicació d'alternatives nanotecnològiques. Com a cas d'estudi experimental s’agafa un compost de polipropilè modificat que incorpora unes nanofibres inorgàniques al seu interior. S'estudien detalladament les propietats a impacte i resistència al ratllat i posant especial èmfasi en l'estudi de durabilitat d'aquest nou compost. La seva aplicació resulta viable tècnicament, però econòmicament no és favorable en tots els casos estudiats. Extrapolant a partir del cas experimental, es desenvolupa l'eina "Anàlisi de Valor Multicriteri", que es basa en mètodes multicriteri ja existents per definir i estructurar els criteris funcionals, ambientals i econòmics a valorar en la selecció de compostos i nanocompostos polimèrics per a peces de l’interior del vehicle. / La nanotecnología y en particular los nanomateriales, ofrecen un abanico de oportunidades para la automoción. La mejora de las propiedades físico químicas o el desarrollo de nuevas funcionalidades de los materiales en el vehículo han impulsado un interés creciente en la aplicación de estas nuevas tecnologías en el sector. En este nuevo paradigma, la falta de información y regulación, y la incertidumbre asociada a ciertos aspectos de la nanotecnología, como sus efectos en la salud y el medio ambiente, hacen que sea difícil la evaluación objetiva de alternativas tecnológicas. No obstante es necesario poder evaluar, no solamente la viabilidad, sino también la idoneidad de la aplicación de nanocompuestos en cantidades significativas, dado el gran volumen de mercado que presenta el sector. En la presente investigación se analiza la aplicación de nanocompuestos para la producción de grandes piezas plásticas del vehículo, con el objetivo de conseguir compuestos con menor densidad que mantengan o mejoren las prestaciones mecánicas reduciendo su peso. Por un lado se aborda el estudio de viabilidad desde un punto de vista experimental mediante la caracterización y la producción de piezas reales, mientras paralelamente se propone una herramienta de ayuda para la toma de decisión que permite valorar la aplicación de alternativas nanotecnológicas. Como caso de estudio experimental se toma un compuesto de polipropileno modificado que incorpora unas nanofibras inorgánicas en su interior. Se estudian detalladamente las propiedades a impacto y resistencia al rayado y poniendo especial énfasis en el estudio de durabilidad de este nuevo compuesto. Su aplicación resulta viable técnicamente, pero económicamente no es favorable en todos los casos estudiados. Extrapolando a partir del caso experimental, se desarrolla la herramienta “Análisis de Valor Multicriterio”, que se basa en métodos multicriterio ya existentes para definir y estructurar los criterios funcionales, ambientales y económicos a valorar en la selección de compuestos y nanocompuestos poliméricos para piezas del interior del vehículo

This thesis focused on the feasibility of substituting, partially or totally, drinking water treatment plant (DWTP) conventional pre-treatment by membrane based units, in particular by ultrafiltration (UF). For such purpose, bench and pilot scale tests with natural water were conducted, first, to address the technical feasibility and, second, to optimize its performance in order to determine whereas the proposed scheme was competitive from hydraulic and quality perspectives with the current conventional pre-treatment. Moreover, tailored microbes based tests were defined to assess its proper functioning and reliability, and additional advantages related to direct UF besides those purely related to the pre-treatment unit were investigated. The case study selected was Sant Joan Despí DWTP (Barcelona, Spain) due to its particularities: it treats Llobregat River water, which is a highly variable water resource in terms of quality and quantity, and it is a complex multistage system. As a result, this study covered a wide range of conditions and the technology under consideration could be pushed to its limits. Results showed that direct UF of raw river water was a competitive alternative to dioxichlorination, coagulation/flocculation, settling and sand filtration. The pilot plant was able to continuously treat raw river water during 2 years, independently of its quality (e.g. turbidity > 1,000 NTU), delivering water of high and stable quality, both physico-chemically and microbiologically. In terms of pre-treated water quality, most of the physico-chemical parameters monitored presented lower values and variability in the direct UF scheme than in the conventional pre-treatment process. From a microbiological perspective, the direct UF scheme tested ensured an average removal of > 5 log10 units of bacteria and viruses greater than 60 nm. The highest water yields achieved ranged between 94.0%-94.7% in optimal conditions, involving 1 or 2 chemically enhanced backwashes (CEBs) per day, transmembrane pressure (TMP) below 1 bar, filtration fluxes of 40¿70 L/(m2¿h) and low reagents consumption. When a micro-coagulation previous to the UF was applied, the increase of the hydraulic resistance during filtration was decreased and stabilized, especially in winter, the hydraulic cleaning efficiency raised and the CEB frequency diminished. Since fouling indicators (SDI15 and MFI0.45) of the direct UF permeate were lower than those associated to the conventional pre-treatment, the subsequent reverse osmosis (RO) unit would require less chemical cleanings and thus, its lifetime would be extended. In addition to this, besides the economic savings associated to the significant reduction of reagents dosed within the direct UF scheme (chemical disinfectants and coagulants mainly), a minimization of risk of RO membrane degradation was demonstrated. Studies concerning the effects on physico-chemical and transport properties of RO membranes exposed to chemicals used within the conventional pre-treatment scheme but avoided in the direct UF treatment were also undertaken. An advanced characterisation of the exposed membranes enabled understanding the RO membranes performance changes with its composition and structure modification. The implementation of direct UF would imply the pre-treatment being a single membrane filtration step. This has advantages in terms of process complexity, space requirements, as well as avoidance of chemical based disinfectants dosage. Nevertheless, the preservation of its separating properties along time is of utmost importance, especially from a microbiological standpoint. Consequently, microbes based tailored tests aiming at assessing membrane integrity were defined and conducted periodically, to determine the removal capacity reliability of the pre-treatment scheme proposed in this thesis. Results showed that membrane integrity had not been compromised despite the challenging conditions that direct UF posed. / Aquesta tesis s'ha centrat en l'estudi de la substitució, total o parcial, de l'etapa de pre-tractament d'estacions de tractament d'aigua potable (ETAPs) per processos de membrana, en particular per ultrafiltració (UF). Per a tal fi, es van realitzar experiments a nivell laboratori i pilot per, en primer lloc, avaluar la seva viabilitat tècnica, i en segon, optimitzar el seu funcionament per determinar així si l'esquema de tractament proposat era competitiu des d'un punt de vista hidràulic i de qualitat amb el pre-tractament convencional actual. A més, es van definir assajos per assegurar el seu correcte funcionament i fiabilitat, i es van identificar avantatges addicionals a les purament associades a l'etapa de pre-tractament. El cas d'estudi seleccionat va ser l'ETAP de Sant Joan Despí (Barcelona) degut a les seves particularitats: tracta aigua del riu Llobregat, que és un recurs altament variable en termes de qualitat i quantitat, i és un sistema multi-etapa complex. En conseqüència aquest estudi va cobrir un ampli rang de condicions i va permetre portar la tecnologia en qüestió a condicions límit. Els resultats vam mostrar que la UF directa d'aigua crua de riu és capaç de substituir, i resulta competitiva, amb la dioxicloració, coagulació/floculació, decantació i filtració per sorra. La planta pilot va ser capaç de tractar contínuament aigua crua durant 2 anys, independentment de la seva qualitat (ex. terbolesa d'entrada > 1000 NTU), produint aigua de qualitat alta i estable, tant fisicoquímicament com microbiològicament. La majoria dels paràmetres fisicoquímics avaluats van presentar valors inferiors i amb menor variabilitat en l'esquema d'UF directa que en el pre-tractament convencional. Des d'una perspectiva microbiològica, l'esquema d'UF directa avaluat va assegurar una eliminació > 5 log10 unitats de bactèries i virus de tamany superior a 60 nm. El rendiment hídric va oscil.lar entre 94.0-94.7% en condicions òptimes, requerint 1 o 2 contra rentats químics al dia, una pressió transmembrana per sota d'1 bar, fluxos de filtració entre 40-70 L/(m2.h) i un baix consum de reactius químics. En aplicar una micro-coagulació prèvia a la UF, l'increment de la resistència hidràulica durant la filtració va disminuir i es va estabilitzar, l'eficiència del contra rentat va augmentar, i la freqüència dels contra rentats químics va davallar. Degut a que els indicadors d'embrutiment (SDI15 i MFI0.45) del permeat d'UF directa van resultar inferiors als del pretractament convencional, és d'esperar que la unitat següent d'osmosis inversa (OI) precisi menys neteges químiques i per tant, la seva vida útil es prolongui. Addicionalment, a part de l'estalvi econòmic associat a la reducció significativa de reactius dosificats en l'esquema l'UF directa (desinfectants químics i coagulants principalment), es va demostrar una disminució del risc de degradació de les membranes d'OI. Es van dur a terme estudis avaluant els efectes de l'exposició de certs químics (dosificats en el pre-tractament convencional però no en l'UF directa) en les propietats fisicoquímiques i de transport de membranes d'OI. Una caracterització avançada va permetre relacionar els canvis de funcionament de les membranes d'OI amb els seus canvis de composició i d'estructura. La implementació de la UF directa implica que el pre-tractament consisteixi únicament en una etapa de filtració. Això suposa avantatges en termes de complexitat del procés, requeriments d'espai així com d'evitar l'ús de desinfectats químics. Tanmateix, la preservació de les seves propietats de separació al llarg del temps és de gran importància, sobretot des d'un punt de vista microbiològic. En conseqüència, es van definir i dur a terme periòdicament assajos en base a microorganismes per avaluar la integritat de la membrana d'UF directa. Els resultats van indicar que la integritat de la membrana d'UF s'havia preservat durant els 2 anys d'estudi, malgrat les condicions severes que la UF directa va suposar

In this PhD it has been analyzed the antioxidant activity of five plants: Camelia sinensis, Gentian lutea, Betula pendula, Convolvulus arvensis and Arctostaphylos uva-ursi. An Electronic Paramagnetic Resonance has been tuned up to determine the antiradical activity of white tea against the methoxy radical using ferulic acid as a standard. It has been proven that the components with more antiradical activity, against the methoxy radical, are the ones with the gallate group, EGCG and ECG. Active ingredients of the Gentian root have been obtained with hydroalcoholic extraction and their antioxidant activity has been demonstrated in both in vitro methods and food models. The antiradical activity of such extracts was determined by FRAP, DPPH, TEAC and ORAC assays. The lyophilized extract, added to the ecological beef meat in a proportion of 2% (by mass), inhibited the meat oxidation (measured by TBARS assay) in high oxygen content atmospheres (80% in volume) as well as in low oxygen content ones (20% in volume). The simultaneous addition of ascorbic acid (0.5% by mass) resulted in significant improvements in color and stability. The lyophilized extract (0.5% by mass) also inhibited oxidation in model systems, oil-in-water emulsions, stored in forced oxidation conditions and constant agitation. The protein BSA addition (0.1% by mass) showed synergic effect and increased the emulsion stability against oxidation. HPLC quantitative analysis found that gentian contained secoiridoid-glycosides (gentiopiocroside and sweroside) and the post-column addition of ABTS cationic radical demonstrated the scavenging activity of each of its compounds. For Convolvulus and Betula, the effect of the solvent polarity in the total polyphenol extraction (by the Folin Ciocalteau assay) was determined. The 50% ethanol extract was the best performer. The scavenging activity of the Convolvulus extract was analyzed by TEAC, FRAP and ORAC assays and against methoxy radical (by EPR). Furthermore, lyophilized extract was added to minced meat hamburgers in different proportions (0.1 and 0.3% by mass). They were stored in a modified atmosphere (80% of O2 and 20% of CO2). Lastly, an edible gelatin film, with Convolvulus extract, was designed. All the assays showed capacity to protect the hamburgers against oxidation. The antiradical activity of the Betula extract was also determined by TEAC, ORAC and FRAP assays and against methoxy radical (by EPR). Some of its phenolic acids were identified by HPLC. Hamburgers, with a proportion of 0.1% and 0.3% by mass of the lyophilized extract, were made and stored under refrigeration (4ºC) and in a modified atmosphere (80% of O2 and 20% of CO2). Colour and percentage of metmyoglobin changes were analyzed as well as the oxidation degree (by TBARS assay). Both percentages provided significant improvements in all the studied parameters. The last part of this thesis was focused in the study of Arctostaphylos uva-ursi. The scavenging activity against ABTS+ and methoxy radical was determined (by EPR). A percentage of 0.1% by mass of the lyophilized extract was added to oil-in-water emulsions. Oxidation was measured by VP and TBARS. There was a significant delay in oxidation. Extract was incorporated to edible gelatin films with 0.1% by mass. If such a film protects the hamburger, its life is increased. In conclusion, all five plants presented in this study have antioxidant activity (in the used proportions) that made them suitable to formulate new foods, more stable over time against oxidation without using the controversial synthetic antioxidants. Moreover, they will be able to provide additional advantages (incorporating natural antioxidants), which would provide functional foods. / Se ha analizado la actividad antioxidante de cinco plantas: Camelia sinensis, Gentian lutea, Betula pendula, Convolvulus arvensis y Arctostaphylos uva-ursi. Se ha puesto a punto, con el té blanco, la Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR) para determinar la actividad antiradicalaria frente al radical metoxi, usando como patrón el ácido ferúlico. Se ha demostrado que los componentes del té con más actividad antiradicalaria, frente a los radicales metoxi, son los que tienen el grupo galato, EGCG y ECG. Se han obtenido, por extracción hidroalcohólica, los principios activos de la raíz de genciana y se ha demostrado su actividad antioxidante tanto en métodos in vitro como en modelos de alimentos. La actividad antiradicalaria de dichos extractos se determinó por FRAP, DPPH, TEAC y ORAC. El liofilizado del extracto, añadido a la carne de ternera ecológica en proporción 0,2 % (en masa), inhibió la oxidación de la carne (medida por TBARs), tanto en atmósferas de alto contenido en oxígeno (80% en volumen) como de bajo contenido (20% en volumen). La adición simultánea de ácido ascórbico (0,5% en masa) produjo mejoras significativas en el color y en la estabilidad. El extracto liofilizado (0,5 % en masa) también inhibió la oxidación en sistemas modelo, emulsiones de aceite en agua, almacenadas en condiciones de oxidación forzada y con agitación constante. La adición de la proteína BSA (0,1 % en masa) mostró efecto sinérgico y aumento la estabilidad de la emulsión frente a la oxidación. El análisis cuantitativo mediante HPLC mostró que la genciana contenía glucósidos secoiridoides (gentiopiocrosido y swerosido) y la adición post-columna del radical catiónico ABTS, demostró la actividad antiradicalaria de cada uno de sus compuestos. Para Convulvuvus y Betula se determinó el efecto de la polaridad del disolvente en la extracción de los polifenoles totales (por el método de Folin Ciocalteau). El extracto de etanol al 50% fue el que obtuvo mejores resultados. Se analizó la actividad antiradicalaria del extracto de Convulvuvus mediante el TEAC, el FRAP, el ORAC y frente al radical metoxi (por EPR). Además se añadió el extracto liofilizado a hamburguesas de carne picada en diferentes proporciones (0,1 y 0,3 % en masa). Se almacenó en atmósfera modificada (80% de O2 y 20% de CO2). Finalmente se diseñó un film comestible de gelatina con el extracto de Convulvuvus. Todos los ensayos mostraron capacidad de proteger las hamburguesas frente a la oxidación. Se determinó la actividad antiradicalaria del extracto de Betula por TEAC, ORAC, FRAP y frente al radical metoxi (por EPR). Se identificaron por HPLC algunos de sus ácidos fenólicos. Se hicieron hamburguesas con una proporción de 0,1% y 0,3%, en masa, del extracto liofilizado y se almacenaron en refrigeración (4ºC) y en atmósfera modificada (80% O2 y 20% CO2). Se analizó el cambio de color y el cambio en el porcentaje de metamioglobina, así como el grado de oxidación (a través del TBARs). Los dos porcentajes proporcionaron mejoras significativas en todos los parámetros estudiados. La última parte de esta tesis se centró en el estudio de la Arctostaphylos uva-ursi. Se determinó la actividad antiradicalaria frente al ABTS·+ y frente al radical metoxi (por EPR). Se añadió a emulsiones de aceite en agua un porcentaje de 0,1 % en masa del extracto liofilizado. Se midió la oxidación por VP y TBARs. Se produjo un retraso significativo en la oxidación. Se incorporó extracto a films comestibles de gelatina con 0,1 % en masa. Si dicho film protege la hamburguesa, aumenta su vida útil. En conclusión, las 5 plantas presentadas en este estudio tienen una actividad antioxidante (en las proporciones utilizadas) que las hace aptas para formular nuevos alimentos, más estables en el tiempo frente a la oxidación sin el uso de los controvertidos antioxidantes sintéticos. Además podrán proporcionar ventajas adicionales (incorporación de antioxidantes naturales), lo que permitiría obtener alimentos funcionales.

Foam-like aerogels based on biodegradable polymers and sodium montmorillonite (Na+-MMT) clay were prepared through an environmentally friendly freeze-drying process. Both synthesized and bio-based polymers were utilized in this thesis, including polyvinyl alcohol (PVOH), carboxylmethylcellulose (CMC), xanthan gum, agar, Arabic gum and starch. The morphologies of aerogels were characterized using scanning electron microscopy. The mechanical properties investigation included compression and impact tests. Porosities and solid densities were measured using a helium pycnometer while the pore size distribution was determined by automated mercury porosimeters. Most of polymer-clay aerogels exhibited porous and layered structures that were formed via ice templating. However, high viscosity of the precursor solution may break the layered architecture by retarding the formation of ice crystals (e.g. 2.5 wt% agar aqueous solution). The structures as well as the properties of aerogels were mainly influenced by polymer/clay proportion. Polymer molecules play a role of glue linking the clay nanoparticles, improving the structural integrity and hence the mechanical performance of the aerogels. On the other hand, clay platelets serve as a physical barrier that increases the heat endurance. Recycled cellulose fibers (RCF) that were isolated from waste paper pulp were also used to prepare bio-based aerogels. Adding another biopolymer CMC into RCF aerogels, the resultant RCF-CMC composite aerogels showed different microstructures and enhanced mechanical properties. Physical blending and chemical crosslinking were used to tailor the mechanical properties of xanthan gum/clay aerogels and starch/clay aerogels, respectively. Blending agar with xanthan gum in aqueous solution, the resultant aerogels displayed a significant improvement in mechanical properties compared with those containing a single biopolymer. Moreover, they exhibited tunable microstructures and mechanical properties by changing agar/xanthan gum ratio in the aerogels. As to starch/clay aerogels, the incorporation of glutaraldehyde enhanced the structural integrity and mechanical properties of the aerogels through crosslinking reaction between glutaraldehyde and starch molecules, which was proved by Fourier-Transform infrared (FT-IR) spectroscopy analysis. The evaluation of the flammability of aerogels was conducted with a cone colorimeter while the thermal stability was obtained from the results of thermogravimetric analysis. In regard to PVOH-clay aerogel, different types of flame retardant fillers, such as aluminum trihydroxide (ALH), ammonium polyphosphate (APP), silica gel and potassium carbonate, were adopted to modify their flame retardant properties. The results showed that ALH addition enhanced the flame retardancy as well as mechanical properties. For RCF-CMC aerogels, APP and clay played a synergetic effect on the flame retardancy and thermal stability. / En esta Tesis se han preparado diversos aerogeles usando polímeros biodegradables como matriz y arcilla como refuerzo, a través de un proceso de fabricación amigable con el medio ambiente. Los polímeros empleados han sido tanto de origen natural (goma árabiga, agar-agar, goma xantana, almidón) o sintéticos como la carboximetilcelulosa (CMC) o el alcohol polivinílico. Los compuestos formados se han caracterizado a través de diferentes técnicas con el objeto de relacionar las morfologías generadas con las propiedades térmicas y mecánicas resultantes. La gran mayoría de los aerogeles polímero/arcilla exhiben una estructura porosa y laminar que se forma a raíz de la liofilización. Sin embargo, se ha apreciado que altas viscosidades en la solución precursora puede romper la arquitectura laminar al retardar el crecimiento de los cristales de hielo (ej. Solución acuosa de 2.5 % peso de agar). La estructura y las propiedades de los aerogeles están asimismo y en general influenciados por la relación polímero/arcilla. En estos sistemas, las moléculas de polímero actúan a manera de pegamento uniendo las partículas de arcilla, incrementando de esa manera notablemente la capacidad mecánica de los aerogeles. Por otro lado la arcilla actúa entre otras formas, como barrera térmica incrementando la resistencia térmica y al fuego de las espumas formadas. Dentro de este trabajo se han empleado fibras de celulosa recicladas de residuos de papel en un intento de preparar bio-aerogeles a partir de material de desecho. La unión de estas fibras con CMC permitió obtener aerogeles con propiedades mejoradas y la posibilidad de emplear estos residuos en un segundo uso. Además del mezclado físico, en algunos casos se ha realizado una reacción de entrecruzamiento para ajustar las propiedades finales, como en el caso de los aerogeles goma xantana/arcilla o almidón/arcilla. La mezcla de agar con goma xantana en solución acuosa resultó en un notable aumento de propiedades con respecto a las composiciones que contenían un único polímero, debido al cambio morfológico inducido, pasando de una estructura laminar a una de tipo panal de abeja (honeycomb). De esta forma y a través de la relación entre estos dos polímeros naturales ha sido posible balancear y definir las propiedades finales deseadas para el aerogel. En los sistemas almidón/arcilla el entrecruzamiento se ha conseguido a través de un agente externo como el glutaraldehido. Atendiendo a su posible uso final, unas de las propiedades más relevantes en los aerogeles que se ha estudiado ha sido la estabilidad térmica y la resistencia al fuego. En este sentido, se han preparado sistemas basados en Polivinilalcohol/arcilla modificados con diferentes retardantes de llama. De los diversos aditivos probados la combinación con hidróxido de aluminio ha mostrado un efecto sinérgico incrementando tanto de la resistencia a fuego como las propiedades mecánicas. En los sistemas basados en celulosa la presencia de polifosfato de amonio y arcilla ha demostrado así mismo un efecto potenciador de la estabilidad térmica y en el retardo de llama.