Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / El propósito de esta tesis es el estudio de algunos problemas que surgen desde la ingeniería de bioprocesos. En particular, el análisis del comportamiento y el cultivo óptimo de microalgas y la conexión de múltiples bioreactores. Se proponen y analizan tres problemas. El primero se basa en un reciente trabajo en el cual los autores alteran el clásico modelo de Monod incorporando incidencia de luz en la dinámica a través de la función de crecimiento de la biomasa. La idea es estudiar un problema de optimización no lineal más general, el cual considera la maximización de la biomasa de microalgas promedio respecto del tiempo, para diferentes intervalos temporales. La dificultad matemática que se presenta tiene relación con que la discontinuidad en los intervalos de tiempo provoca la no diferenciabilidad en partes del dominio temporal. Esta falta de regularidad implica la formulación de un problema de optimización no suave. En el segundo problema se analiza un modelo matemático reducido de un estanque de microalgas con nitrificación, asumiendo que las microalgas pueden crecer, ya sea consumiendo nitrato como amonio, con preferencia por el amonio. La limitación de luz por auto-sombreado también es incluida en la tasa de crecimiento de microalgas como inhibición no competitiva. Es factible reducir el sistema usando la teoría de sistemas asintóticamente autónomos y el sistema limitante obtenido se puede considerar como una perturbación de un sistema de dos especies que compiten por un sustrato. Por lo tanto, utilizamos un resultado de sistemas perturbados no evanescentes para obtener teorema de estabilidad que demuestra la coexistencia. El último problema tiene relación con sistemas compartimentados. Se prueba que para una gran clase de sistemas entrada-salida positivos de dimensión finita que representan redes de transporte y difusión de soluto entre compartimentos móviles e inmóviles, existen representaciones MINC (multiple interacting continua) y MRMT (multi-rate mass transfer) algebraicamente equivalentes. Más aún, se entregan métodos explícitos para construir estas representaciones equivalentes, donde la controlabilidad de los sistemas juega un rol importante. / The purpose of this thesis is to study some problems that arise from bioprocess engineering, in particular the behaviour analysis and optimal cultivation of microalgae and the connection of multiple bioreactors. The thesis consists of three problems. The first is based on a recent study in which the authors extend the classical Monod model incorporating light incidence on the dynam-ics through the role of biomass growth. The idea is to study a more general problem of nonlinear optimization which considers maximization average biomass of microalgae versus time, for dif-ferent time intervals. The mathematical difficulty that arises is related to that discontinuity of the time intervals which causes non differentiability in some domain points. This lack of regu-larity involves the formulation of a non-smooth optimization problem. In the second problem, a reduced mathematical model of a microalgal pond with nitrification is analyzed, assuming that microalgae can grow either by ammonium consumption or by nitrate consuming, with preference for ammonium. Light limitation by self-shading is also included in the growth rate of microalgae as a noncompetitive inhibition. It is feasible to reduce the system using the theory of asymptoti-cally autonomous systems and the limiting system obtained can be considered as a perturbation of a system of two species competing for a substrate. So, we use a result of non-vanishing pertur-bated systems to obtain a strong stability theorem for equilibrium coexistence. The last problem is related to compartmental systems. It is proved that for a large class of finite dimensional input-output positive systems that represent networks of transport and diffusion of solute in mobile and immobile compartments, there exist MINC (multiple interacting continua) and MRMT (multi-rate mass transfer) algebraically equivalent representations. Moreover, we provide explicit methods to construct these representations, where controllability property is playing a crucial role. Keywords: Bioprocess, optimization, mathematical modelling, compartmental system, mi-croalgae growth, controllability. / L’objet de cette thèse est l’étude de certains problèmes liés à l’ingénierie des bioprocédés, en particulier l’analyse du comportement et de la culture optimale des microalgues et la connexion de plusieurs bioréacteurs. Trois problèmes sont proposés et analysés. Le première est basé sur une étude récente dans laquelle les auteurs modifient le modèle classique du Monod en incorpo-rant l’incidence de la lumière sur la dynamique à travers le rôle de la croissance de la biomasse. L’idée est d’étudier un problème plus général de l’optimisation non linéaire qui considère max-imisation de la biomasse moyenne de microalgues en fonction du temps, pour des intervalles de temps différents. La difficulté mathématique qui se pose est lié à la discontinuité des inter-valles de temps qui rend la fonction à optimiser non différentiable. Ce manque de régularité comprend la formulation d’un problème d’optimisation non-lisse. Dans le deuxième problème, un modèle réduit du réservoir microalgues avec nitrification est analysé, en supposant que les microalgues peuvent se développer à partir de la consommation de nitrate et d’ammonium, de préférence par l’ammonium. La limitation de la lumière par l’auto-ombrage est également inclus dans le taux de croissance du microalgues comme inhibition non compétitive. En réduisant le système en utilisant la théorie des systèmes asymptotiquement autonomes, il peut être considéré comme une perturbation d’un système de deux espèces en compétition pour un substrat. Par conséquent, nous utilisons un résultat de systèmes perturbés non-évanescentes pour obtenir un théorème de stabilité pour la coexistence. Le dernier problème est lié aux systèmes compartimen-tés. Il est prouvé que pour une grande classe de systèmes entrées-sorties positifs de dimension finie, représentant transport et diffusion de soluté entre des compartiments mobiles et immobiles, il existe des représentations MINC (multiple interacting continua) et MRMT (multi-rate mass transfer) algébriquement équivalentes. En outre, des méthodes explicites sont donnés pour construire ces représentations équivalentes, où la contrôlabilité des systèmes joue un rôle important. Mots clés: Bioprocédés, optimisation, modélisation mathématique, systèmes compartimen-taux, croissance des microalgues, contrôlabilité. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Conicyt Beca de Doctorado Nacional y CONICYT PAI / Concurso Nacional Tesis de Doctorado en la Empresa, convocatoria 2014, 781413008

El desarrollo de observadores para la estimación de variables y/o parámetros en un proceso biotecnológico es el tema central del presente trabajo. Se aborda así el desarrollo de un observador de estados que considera en su diseño las incertidumbres presentes en el modelado del sistema, definidas éstas dentro de un politopo cuyos vértices son los límites de operación del sistema. Este desarrollo se presenta en dos vertientes. Una es la aplicación del concepto a un observador Luenberger clásico. Este desarrollo tiene como principal característica que la matriz de ganancia es determinada empleando el procedimiento de desigualdades matriciales lineales (LMI). La otra aplicación es hacia un observador híbrido, el cuál se compone de un observador Luenberger, desarrollado bajo el esquema mencionado anteriormente, y un observador Asintótico, en el cuál mediante un parámetro que depende del modelo, hace que el observador transite entre uno u otro tipo de observador. Además se desarrolla una extensión del observador híbrido para aplicarse a un esquema multifrecuencial, el cuál se define mediante las medidas disponibles en línea y las medidas realizadas fuera de línea y con retardo. Estas propuestas se comparan con un observador asintótico clásico y un filtro Kalman extendido, mostrándose los resultados de la misma bajo condiciones de simulación. / Chiu Nazaralá, R. (2009). Análisis y desarrollo de observador empleando LMI aplicado a bioprocesos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6883

Tesis por compendio / [ES] El aprovechamiento de subproductos para producir biocombustibles, energía y compuestos químicos básicos es cada vez más necesario en la situación actual de escasez de petróleo y preocupación por el medioambiente. Muchos compuestos que tradicionalmente han sido producidos a partir del petróleo pueden sintetizarse hoy día de forma biotecnológica empleando recursos renovables. En este contexto, los microorganismos pueden aprovecharse eficazmente como biocatalizadores para llevar a cabo estas transformaciones. Con este tipo de procesos se pueden aprovechar residuos o materias primas renovables para la obtención de productos de interés como bioplásticos de origen microbiano o productos químicos que pueden servir como monómeros para la síntesis de plásticos biodegradables u otro tipo de aplicaciones. La contaminación ambiental causada por los residuos de polímeros sintéticos no biodegradables es un problema en aumento debido a la estabilidad de los compuestos derivados de los combustibles fósiles. En contraste, los bioplásticos pueden obtenerse de fuentes renovables, lo que posibilita el desarrollo de procesos de producción sostenible. En este trabajo de investigación se han estudiado y desarrollado bioprocesos para la producción de polihidroxialkanoatos, 2,3-butanodiol y ácido D-láctico de forma sostenible empleando materias primas renovables como el suero lácteo de quesería, aceite de camelina, glicerina, fracción orgánica de residuos urbanos y residuos de naranja. La caracterización de las materias primas de partida se realizó mediante técnicas de análisis composicional, análisis en HPLC, cromatografía de gases y técnicas espectrofotométricas. Con estos resultados se hizo una selección de cepas bacterianas capaces de sintetizar los productos de interés a partir de los sustratos seleccionados. Una vez seleccionadas las cepas, el trabajo se centró en el desarrollo de los procesos para conseguir buenos rendimientos de fermentación y su escalado. Por lo tanto, este trabajo de investigación aporta conocimientos sobre la identificación y selección de biocatalizadores industriales para el uso de materias primas renovables y residuos industriales para la producción de productos químicos y polímeros de base biológica. Estos estudios allanan el camino para el futuro desarrollo de procesos biotecnológicos sostenibles en el marco de las biorrefinerías y de la bioeconomía circular. / [CA] L'aprofitament de bioproductes per produir biocombustibles, energia i compostos químics bàsics és cada vegada més necessari en la situació actual d'escassetat de petroli i preocupació pel medi ambient. Molts compostos que tradicionalment s'han produït a partir de petroli es poden sintetitzar hui en dia biotecnològicament utilitzant recursos renovables. En aquest context, els microorganismes es poden utilitzar eficaçment com a biocatalitzadors per dur a terme aquestes transformacions. Amb aquest tipus de processos es poden utilitzar residus o matèries primeres renovables per obtenir productes d'interès com bioplàstics d'origen microbià o químics que puguen servir de monòmers per a la síntesi de plàstics biodegradables o altres aplicacions. La contaminació ambiental causada per residus de polímers sintètics no biodegradables és un problema creixent a causa de l'estabilitat dels compostos de combustibles fòssils. Per contra, els bioplàstics es poden obtenir a partir de fonts renovables, permetent el desenvolupament de processos productius sostenibles. En aquest treball de recerca s'han estudiat i desenvolupat bioprocessos per a la producció de polihidroxialcanoats, 2,3-butanodiol i àcid D-làctic de manera sostenible utilitzant matèries primeres renovables com sèrum de llet, oli de camelina, glicerina, fracció orgànica de residus urbans i residus de taronges. La caracterització de matèries primeres inicials es realitza mitjançant tècniques d'anàlisi composicional, anàlisi HPLC, cromatografia de gasos i tècniques espectrofotomètriques. Amb aquests resultats es crea una selecció de soques bacterianes capaç de sintetitzar els productes d'interès dels substrats seleccionats. Una vegada seleccionades les soques, el treball es va centrar en el desenvolupament dels processos per aconseguir uns bons rendiments de fermentació i el seu escalat. Per tant, aquest treball de recerca aporta coneixements sobre la identificació i selecció de biocatalitzadors industrials per a l'ús de matèries primeres renovables i residus industrials per a la producció de productes químics i polímers de base biològica. Aquests estudis amplien el coneixement per al futur desenvolupament de processos biotecnològics sostenibles en el marc de la biorefineria i la bioeconomia circular. / [EN] The use of by-products to produce biofuels, energy and basic chemicals is increasingly necessary in the current situation of oil shortages and environmental concern. Many compounds that have traditionally been produced from oil can now be synthesised in a biotechnological way using renewable resources. In this context, microorganisms can be effectively used as biocatalysts to carry out these transformations. With this type of process, waste streams or renewable raw materials can be used to obtain products of interest such as bioplastics of microbial origin or chemical products that can serve as monomers for the synthesis of biodegradable plastics or other types of applications. Environmental pollution caused by non-biodegradable synthetic polymer waste is a growing problem due to the stability of compounds derived from fossil fuels. In contrast, bioplastics can be obtained from renewable sources, which enables the development of sustainable production processes. In this research work, bioprocesses for the production of polyhydroxyalkanoates, 2,3-butanediol and D-lactic acid using renewable raw materials such as cheese whey, camelina oil, glycerine, organic waste and orange waste were studied and developed. The characterisation of the raw materials was carried out using compositional analysis, HPLC analysis, gas chromatography and spectrophotometric techniques, among others. With these results, a selection of bacterial strains capable of synthesising the products of interest from the selected substrates was made. Once the strains were selected, the work was focused on process development in order to optimize fermentation yields and scale-up. Therefore, this research work provides knowledge on the identification and selection of industrial biocatalysts for the use of renewable feedstocks and industrial wastes for the production of bio-based chemicals and polymers. These studies pave the way for further development of sustainable biotechnological processes in the framework of biorefineries and circular bioeconomy. / Bustamante Jaramillo, DA. (2021). Production of Bio-Based Chemicals and Polymers from Renewable Feedstocks: Bioprocesses Development [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175819 / Compendio