Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Luiz Fernando de Lima Luz Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:41:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RiosPinto_LuisaFernanda_D.pdf: 4599056 bytes, checksum: 80a3191a923471837068d7b5f547c19e (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Atualmente, a destruição ambiental devido à exploração inapropriada dos recursos naturais não renováveis, o aquecimento global, e a contaminação da biosfera causada, principalmente, pela globalização e um crescimento tecnológico acelerado, tem levado ao desenvolvimento de diversos combustíveis de fontes de energia renováveis, que sejam capazes de manter ou superar a eficiência dos hidrocarbonetos fósseis. Neste cenário, se deu o desenvolvimento do biodiesel, um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, o qual, na sua combustão, libera menos gases tóxicos, como são os óxidos de enxofre e nitrogênio. O biodiesel pode ser produzido a partir de gorduras animais, óleos vegetais ou biomassa. A fim de reduzir os custos da produção do biodiesel, matérias primas como os lipídios vêm sendo estudadas. Neste contexto, as microalgas oferecem uma série de vantagens como fonte de lipídios, como por exemplo, altas taxas fotossintetizantes, alta produção de biomassa e um rápido crescimento, se comparado, principalmente, com outras fontes de óleo vegetal. Neste trabalho, foi realizado o estudo do crescimento da microalga Desmodesmus sp. sob condição autotrófica, mixotrófica e heterotrófica com o objetivo de obter maior teor de lipídios na célula da microalga, visando a produção de biodiesel. Nas condições autotróficas, se obteve um crescimento de 53,1 Mcélulas mL-1. No cultivo mixotrófico, conseguiram-se 181 Mcélulas mL-1 e no heteretrófico atingiu-se 298 Mcélulas mL-1, todos no sexto dia de cultivo. As porcentagens de lipídios foram de 23%, 25% e 17% (m/m) da biomassa para o cultivo autotrófico, mixotrófico e heterotrófico, respectivamente. O óleo extraído do cultivo autotrófico, foi caracterizado via cromatografia gasosa e, a partir desta análise, produziu-se um óleo sintético (mistura de óleos vegetais e animais) com as características semelhantes da microalga para realizar a cinética da reação de transesterificação, num reator em batelada. A produção de biodiesel foi feita por transesterificação ácida, com excesso de etanol. O tempo de reação foi de 24 horas e obteve-se 90% de ésteres produzidos / Abstract: Currently, environmental destruction caused by inappropriate exploitation of non-renewable natural resources, global warming, and pollution of the biosphere caused mainly by globalization and accelerated technological growth has led to the development of various fuels from renewable source, which are able to maintain or exceed the effectiveness of fossil hydrocarbons. Biodiesel, a biodegradable fuel derived from renewable source, which releases less toxic gases such as sulfur and nitrogen oxides in its combustion. Biodiesel can be obtained from animal fats, vegetable oils or biomass. In order to reduce the cost of biodiesel production, raw materials such as lipids have been studied. In this context, microalgae offer a number of advantages as a source of fat, such as high photosynthetic rates, high biomass, and fast growth rate, compared to other sources of vegetable oil. The objective of this work was to study the autotrophic, mixotrophic and heterotrophic growths of microalgae Desmodesmus sp in order to optimize the levels of lipids in the microalgae cell to produce biodiesel. In autotrophic conditions, it was observed 5.31x107 cells ml-1; in mixotrophic were achieved 1.81x108 cells ml-1; and in heterotrophic reached 2.98x108 cells ml-1 were reached after sixth day of cultivation. The percentages of lipids of biomass for autotrophic, heterotrophic mixotrophic cultivation were 23%, 25% and 17% (m/m) respectively. Oil extracted from autotrophic cultivation was characterized via gas chromatography. A synthetic oil (mixture of vegetable and animal oils) with similar characteristics to the microalgae was used to perform the transesterification kinetics in a batch reactor. The production of such biodiesel was performed under acid conditions with excess of ethanol for 24 hours yielding 90% product / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutora em Engenharia Quimica

ABSTRACT: Title: "FORWARD OSMOSIS APPLIED IN PROCESSES OF SEPARATION AND CONCENTRATION OF WASTEWATER TREATMENT SLUDGE" Forward osmosis is a membrane technique that allows the concentration of solutions or dilution of other solutions, simultaneously. As this technique has the advantage of working without applying pressure (the driving force is the osmotic pressure difference between both sides of the membrane) and also new membranes that works at higher flux are been developing, nowadays researchers are looking for new applications for forward osmosis. On the other hand, the management of wastewater sludge from municipal wastewater treatment plants could represent environmental risk as well as a great economic impact, as the cost of this sludge treatment is estimated at 60% of the total cost of wastewater treatment. This doctoral thesis has taken into account effluents of the sludge treatment and the activated sludge itself in order to be concentrated/separated by forward osmosis. In this doctoral thesis, tests have been performed in a lab-scale forward osmosis pilot plant in order to evaluate the feasibility of applying forward osmosis to the concentration of secondary sludge as well as nutrient concentration of digester centrate. To accomplish this, several wastewaters have been tested as draw solutions: fermentation brine from table olive processing, hide salting wastewater, brine from seawater desalination by reverse osmosis, and ammonium sulfate from ammonia absorption with sulfuric acid. On the other side, osmotic membrane bioreactors are being tested as an alternative to conventional membrane bioreactor that use ultra or microfiltration in torder to separate the biomass from the purified waster. Thus, in this doctoral thesis tests have been performed in a lab-scale osmotic membrane bioreactor in order to treat municipal wastewater. In the tests, two types of commercial available membranes (HTI CTA NW and HTI CTA ES) and other membranes still in development stage (Aquaporin In-side). The results show that: 1) "Aquaporin Inside" membrane is the most suitable membrane for nutrient concentration of digester centrate in terms of reverse salt flux and permeate of water flux. 2) HTI CTA ES membrane is fouled in a greater extent than HTI CTA NW membrane when digester centrate is used as feed solution. 3) Hide salting wastewater fouls the membrane to a greater extent than fermentation brine of table olives. 4) When used as draw solution, ammonia sulfate wastewater produces more water flux than brine from reverse osmosis desalination. 5) The volume of the activated sludge was reduced by a factor of 4.32. 6) Osmotic membrane bioreactor could achieve high COD removal efficiencies (70-100%) attaining the aimed wastewater purification. / RESUMEN: Título: "APLICACIÓN DE LA ÓSMOSIS DIRECTA EN PROCESOS DE SEPARACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE FANGOS DE DEPURACIÓN" La ósmosis directa es una técnica de membrana que permite concentrar unas disoluciones o diluir otras y que, además, permite hacerlo simultáneamente. Dado que esta técnica presenta las ventajas de operar sin necesidad de aplicar presión (la fuerza impulsora es la diferencia de presión osmótica entre ambos lados de la membrana) y se están desarrollando nuevas membranas que permiten operar a una mayor densidad de flujo de permeado, actualmente se están buscando nuevas aplicaciones para esta técnica, es decir, se están considerando nuevas disoluciones de alimento que concentrar y nuevas disoluciones de arrastre que diluir. Por otra parte, la gestión de fangos de depuración procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas supone un reto medioambiental así como un gran impacto económico, pues se considera que el 60% del coste total de tratamiento de aguas residuales se corresponde con la gestión de estos fangos. En la presente Tesis Doctoral se han tenido en consideración corrientes de la línea de fangos o el fango activo en sí para su concentración/separación mediante ósmosis directa. En la presente Tesis Doctoral se han realizado ensayos con una planta de ósmosis directa a escala de laboratorio para evaluar la viabilidad de la aplicación de la ósmosis directa a la concentración de fangos secundarios y también a la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga. Para ello se han utilizado como disoluciones de arrastre varias corrientes residuales industriales reales: salmuera de fermentación del procesado de la oliva de mesa, residuo de conservación de pieles no curtidas, salmuera procedente de un proceso de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa y un residuo con sulfato amónico procedente de un proceso de absorción de amoniaco con ácido sulfúrico. Por otro lado, los biorreactores osmóticos de membrana se están probando como alternativa en determinadas aplicaciones de depuración a los biorreactores de membrana tradicionales existentes en depuradoras de aguas residuales urbanas, los cuales utilizan ultrafiltración o la microfiltración para separar la biomasa del agua depurada. Por ello, en la presente Tesis Doctoral también se ha experimentado con un biorreactor osmótico de membrana, a escala de laboratorio, con el fin de depurar agua residual urbana. En los ensayos se ha utilizado dos membranas de ósmosis directa existentes en el mercado (HTI CTA NW y HTI CTA ES) y otra aún en fase de desarrollo (Aquaporin Inside). Los resultados obtenidos indican: 1) Que a la vista de la caracterización de las membranas, la membrana tipo "Aquaporin Inside" es la más adecuada de las tres ensayadas para la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga teniendo en cuenta su bajo paso inverso de sales y la densidad de flujo de permeado que produce. 2) Que la membrana tipo HTI CTA ES se ensucia más que la HTI CTA NW cuando se utiliza escurrido de centrífuga como disolución de alimento. 3) Que el residuo de conservación de pieles no curtidas provoca más ensuciamiento sobre la membrana que la salmuera de fermentación del procesado de la oliva. 4) Que, como disolución de arrastre, el residuo de sulfato amónico produce una densidad de flujo de permeado similar a la de la salmuera de rechazo de proceso de ósmosis inversa, a pesar de la mayor conductividad eléctrica del primero. 5) Que el volumen del fango secundario se consiguió reducir en un factor de 4.32 veces. 6) Que el biorreactor osmótico alcanzó rendimientos de eliminación de DQO elevados (70-100%) logrando así la correcta depuración del agua residual. / RESUM: Títol: "APLICACIÓ DE L'OSMOSI DIRECTA A PROCESSOS DE SEPARACIÓ I CONCENTRACIÓ DE FANGS DE DEPURACIÓ" L'osmosi directa és una tècnica que permet concentrar unes dissolucions o diluir-ne unes altres i que, a més, permet fer-ho simultàniament. Atès que aquesta tècnica presenta l'avantatge d'operar sense necessitat d'aplicar pressió (la força impulsora és la diferència de pressió osmòtica entre ambdós costats de la membrana) i s'estan desenvolupant noves membranes que permeten operar a una major densitat de flux de permeat, actualment s'estan cercant noves aplicacions per a aquesta tècnica, es a dir, s'hi estan considerant noves dissolucions d'aliment per concentrar i noves dissolucions d'arrossegament que diluir. Per altra part, la gestió de fangs de depuració procedents d'estacions depuradores d'aigües residuals urbanes suposa un repte mediambiental així com un gran impacte econòmic, ja que es considera que el 60% del cost total del trac-tament d'aigües residuals es correspon amb la gestió d'aquests fangs. En la present Tesi Doctoral s'han tingut en compte corrents de la línia de fangs o el fang actiu en sí per a la seua concentració/separació mitjançant osmosi directa. En la present Tesi Doctoral s'han fet assajos amb una planta d'osmosi directa a escala laboratori per a avaluar la viabilitat de la aplicació de l'osmosi directa a la concentració de fangs secundaris i també a la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació. Per això s'han utilitzat com a dissolucions d'arrossegament diversos corrents residuals industrials reals: salmorra de la fermentació del processament de l'oliva de taula, residu de conservació de pells no adobades, salmorra procedent d'un procés de dessalatge d'aigua de mar mitjançant osmosi inversa i un residu amb sulfat amònic procedent d'un procés d'absorció d'amoníac amb àcid sulfúric. Per altra part, els bioreactors osmòtics de membrana s'estan provant com alternativa en determinades aplicacions de depuració als bioreactors de membrana tradicionals existents en depuradores d'aigües residuals urbanes, les quals utilitzen ultrafiltració o la microfiltració per a separar la biomassa de l'aigua depurada. Per tant, en la present Tesis Doctoral també s'ha experimentat amb un bioreactor osmòtic de membrana, a escala de laboratori, amb la finalitat de depurar l'aigua residual urbana. Als assajos han emprat dues membranes d'osmosi directa existents en el mercat (HTI CTA NW y HTI CTA ES) i una altra en fase de desenvolupament (Aquaporin Inside). Els resultats obtinguts indiquen que: 1) En vista de la caracterització de les membranes, la membrana tipus "Aquaporin Inside" és la més adequada de les tres assajades per la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació tenint en compte el baix pas invers de sals i la densitat de flux de permeat que produeix. 2) La membrana tipus "HTI CTA ES" s'embruta més que la "HTI CTA NW" quan s'utilitza escorreguda de centrífugació com a dissolució d'aliment. 3) El residu de conservació de pells no adobades produeix més embrutiment sobre la membrana que la salmorra de fermentació del processament de l'oliva. 4) Com a dissolució d'arrossegament, el residu de sulfat amònic produeix una densitat de flux de permeat similar a la salmorra de rebuig de procés d'osmosi inversa, a pesar de la major conductivitat elèctrica del primer. 5) El volum de fang secundari es va aconseguir reduir en un factor de 4.32 voltes. 6) El biorreactor osmòtic va assolir rendiments d'eliminació de DQO elevats (70-100%) i va aconseguir la correcta depuració de l'aigua residual. / Soler Cabezas, JL. (2017). Aplicación de la ósmosis directa en procesos de separación y concentración de fangos de depuración [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86173 / TESIS

In this Doctoral Thesis the study of the influence of the operating parameters of the activated sludge process on the physical and chemical characteristics of the mixed liquor, from different membrane bioreactors (MBR), has been carried out. In addition, an optical characterization of the mixing liquor has been performed. In order to achieve the above mentioned aim, samples of the mixed liquor from an MBR treating municipal wastewater were first analysed and then, the characteristics of two MBR mixed liquors treating the leachates from two treatment plants of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) were evaluated. It is noteworthy that the difference between the two industrial MBR lies on the feeding (inlet) to the MBR, which is determined by the treatment performed to the OFMSW, since one of them consists of a wet anaerobic digestion (MBR-LS) and the other of a dry anaerobic digestion (MBR-HS), so that the latter leachate contains higher concentration of suspended solids in its composition. For the chemical characterization of the mixture liquor, the extracellular polymeric substances (EPS) have been analysed. EPS are formed by the sum of extracted extracellular polymeric substances (eEPS) and soluble microbial products (SMP). These substances are considered the main cause of membranes fouling in MBRs and are basically formed by proteins and polysaccharides, which can be both attached to the cell wall and outside the cell, in form of eEPS or SMP. Regarding the physical characterization, in particular it has been analysed and studied the effect on the membrane fouling of the total and volatile suspended solids, the viscosity, the capillary suction time and the particle size, measured through the resistance to filtration. Finally, in the municipal MBR, cell viability with epifluorescence microscopy has been studied, as well as the main components of EPS have been stained by two different methods. In addition, a statistical study has evaluated the effect of the main operating parameters of the MBR on the characterization parameters of the mixed liquor. By means of least squares regression, the operational parameters that influence SMP production in industrial MBR have been studied. The study was completed by evaluating the fouling of an ultrafiltration membrane with proteins extracted from EPS and subsequently purified with ammonium sulphate at different pH values. To this end, different synthetic proteins (bovine serum albumin, casein, haemoglobin and lysozyme) were first analysed and then compared with the proteins extracted from the mixed liquor. Membrane fouling with purified eEPS proteins has also been studied along with sodium alginate added in the same concentration as the proteins. The results obtained demonstrate, firstly, that SMP play an important role in the membrane fouling. The concentration of proteins has been considerably higher than that of carbohydrates both in SMP and in eEPS, although SMP influenced to a greater extent on the filtration of the activated sludge. In addition, it is shown that bacteria under stress conditions, caused for example by increase in conductivity, increase the production of SMP, and therefore, membrane fouling increases. On the other hand, it is concluded that a low hydraulic retention time favours a high carbohydrates concentration and consequently drives to an increase in the viscosity and capillary suction time, also increasing the membrane fouling. / En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo el estudio de la influencia de los parámetros de operación del proceso de fangos activos en las características físicas y químicas de los licores de mezcla, procedentes de diferentes biorreactores de membrana (MBR). Además, se ha realizado una caracterización óptica del licor de mezcla. Para ello, en primer lugar se tomaron muestras del licor de mezcla de un MBR que trata aguas residuales urbanas y, a continuación, se evaluaron las características de los licores de mezcla de dos MBR que tratan los lixiviados procedentes de dos plantas de tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU). Cabe destacar que la diferencia entre los dos MBR industriales radica en la alimentación (afluentes) al MBR, que viene determinada por el tratamiento que se realiza a la FORSU, ya que uno de ellos consiste en una digestión anaerobia en vía húmeda (MBR-LS) y, el otro, en una digestión anaerobia en vía seca (MBR-HS), por lo que este último lixiviado contiene mayor concentración de sólidos en suspensión en su composición. Para la caracterización química del licor de mezcla, se han analizado las sustancias poliméricas extracelulares (EPS), formadas por la suma de las sustancias poliméricas extracelulares extraídas (eEPS) y los productos solubles microbianos (SMP). Estas sustancias se consideran las principales causantes del ensuciamiento de las membranas del MBR y están formadas básicamente por proteínas y polisacáridos, los cuales pueden estar tanto adheridos a la pared celular como fuera de la célula, en forma de eEPS o SMP. En cuanto a la caracterización física, en concreto se ha analizado y estudiado el efecto en el ensuciamiento de las membranas de los sólidos en suspensión totales y volátiles, la viscosidad, el tiempo de succión capilar y el tamaño de partícula, medido a través de las resistencias a la filtración. Finalmente, en el MBR urbano se ha estudiado la viabilidad celular con microscopía de epifluorescencia, así como se han teñido para su caracterización óptica los principales componentes de las EPS por dos métodos distintos. Además, mediante un estudio estadístico se ha evaluado el efecto de los principales parámetros de operación de los MBR sobre los parámetros de caracterización del licor de mezcla. Mediante regresión por mínimos cuadrados se han estudiado los parámetros operacionales que influyen en la producción de SMP en los MBR industriales. El estudio se ha completado evaluando el ensuciamiento de una membrana de ultrafiltración con proteínas extraídas de las EPS y posteriormente purificadas con sulfato amónico, a diferentes valores de pH. Para ello, en primer lugar se han caracterizado diferentes proteínas sintéticas (albúmina de suero bovino, caseína, hemoglobina y lisozima) para compararlas con las proteínas extraídas del licor de mezcla. También se ha estudiado el ensuciamiento de la membrana con las proteínas purificadas de las eEPS junto con alginato de sodio en la misma proporción. Los resultados obtenidos demuestran en primer lugar que los SMP juegan un papel importante en el ensuciamiento de las membranas. Tanto en su composición como en la de las eEPS, la concentración de proteínas determinada ha sido considerablemente mayor que la de carbohidratos, si bien éstos influyen incluso en mayor medida en la filtrabilidad del fango activo. Además, se demuestra que las bacterias bajo condiciones de estrés, causado por ejemplo por aumento de conductividad, aumentan la producción de SMP, y por tanto, se incrementa el ensuciamiento de las membranas. Por otro lado, se concluye que un tiempo de retención hidráulico bajo favorece una concentración elevada de carbohidratos y consecuentemente provoca un aumento de la viscosidad y el tiempo de succión capilar, aumentando también el ensuciamiento de la membrana. / En la present Tesi Doctoral s'ha dut a terme l'estudi de la influència dels paràmetres d'operació del procés de fangs actius en les característiques físiques i químiques de licors de mescla, procedents de diferents biorreactors de membrana (MBR). A més, s'ha realitzat una caracterització òptica del licor de mescla. Per a això, en primer lloc es van prendre mostres del licor de mescla d'un MBR que tracta aigües residuals urbanes i, a continuació, es van avaluar les característiques dels licors de mescla de dos MBR que tracten els lixiviats procedents de dues plantes de tractament de la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORSU). Cal destacar que la diferència entre els dos MBR industrials radica en l'alimentació (afluents) al MBR, que ve determinada pel tractament que es realitza a la FORSU, ja que un d'ells consisteix en una digestió anaeròbia en via humida (MBR-LS) i, l'altre, en una digestió anaeròbia en via seca (MBR-HS), per la qual cosa este últim lixiviat conté major concentració de sòlids en suspensió en la seua composició. Per a la caracterització química del licor de mescla, s'han analitzat les substàncies polimèriques extracel¿lulars (EPS), formades per la suma de les substàncies polimèriques extracel¿lulars extretes (eEPS) i els productes solubles microbians (SMP). Estes substàncies es consideren les principals causants de l'embrutiment de les membranes del MBR i estan formades bàsicament per proteïnes i polisacàrids, els quals poden estar tant adherits a la paret cel¿lular com fora de la cèl¿lula, en forma d'eEPS o SMP. Quant a la caracterització física, en concret s'ha analitzat i estudiat l'efecte en l'embrutiment de les membranes dels sòlids en suspensió totals i volàtils, la viscositat, el temps de succió capil¿lar i la grandària de partícula, mesurat a través de les resistències a la filtració. Finalment, en el MBR urbà s'ha estudiat la viabilitat cel¿lular amb microscòpia d'epifluorescència, així com s'han tenyit per a la seua caracterització òptica els principals components de les EPS per dos mètodes distints. A més, per mitjà d'un estudi estadístic s'ha avaluat l'efecte dels principals paràmetres d'operació dels MBR sobre els paràmetres de caracterització del licor de mescla. Per mitjà de regressió per mínims quadrats s'han estudiat els paràmetres operacionals que influeixen en la producció de SMP en els MBR industrials. L'estudi s'ha completat avaluant l'embrutiment d'una membrana d'ultrafiltració amb proteïnes extretes de les EPS i posteriorment purificades amb sulfat amònic, a diferents valors de pH. Per a això, en primer lloc s'han caracteritzat diferents proteïnes sintètiques (albúmina de sèrum boví, caseïna, hemoglobina i lisozima) per a comparar-les amb les proteïnes extretes del licor de mescla. També s'ha estudiat l'embrutiment de la membrana amb les proteïnes purificades de les eEPS junt amb alginat de sodi en la mateixa proporció. Els resultats obtinguts demostren en primer lloc que els SMP juguen un paper important en l'embrutiment de les membranes. Tant en la seua composició com en la de les eEPS, la concentració de proteïnes determinada ha sigut considerablement major que la de carbohidrats, si bé estos influeixen inclús en major grau en la filtrabilidad del fang actiu. A més, es demostra que els bacteris baix condicions d'estrès, causat per exemple per augment de conductivitat, augmenten la producció de SMP, i per tant, s'incrementa l'embrutiment de les membranes. D'altra banda, es conclou que un temps de retenció hidràulic baix afavoreix una concentració elevada de carbohidrats i conseqüentment provoca un augment de la viscositat i el temps de succió capil¿lar, augmentant també l'embrutiment de la membrana. / Zuriaga Agustí, E. (2017). Influencia de las características físicas y químicas del licor de mezcla en Bioreactores de Membrana y su correlación con los parámetros de operación en aguas residuales urbanas e industriales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90512 / TESIS

La demanda mundial de agua ha ido aumentando y seguirá creciendo de manera significativa en los próximos años en función del aumento de la población, del desarrollo económico y los cambios en los patrones de consumo, entre otros factores. Los niveles extremadamente bajos de tratamiento de las aguas residuales en los países con ingresos medios-altos y medios-bajos, y la reducción del agua disponible muestran la imperiosa necesidad de realizar mejoras tecnológicas para contar con opciones seguras para la reutilización del agua. La composición de las aguas residuales municipales puede variar notoriamente, debido a la gran diversidad de contaminantes liberados por las distintas fuentes domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Los hábitos de consumo de la sociedad actual generan una serie de contaminantes en el agua residual que anteriormente no eran conocidos y/o no detectados. Estos microcontaminantes (MCs) se introducen a diario en el medio ambiente en muy bajas concentraciones, principalmente a través de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) actuales. El constante aumento en el uso de MCs requiere tecnologías de tratamiento más eficientes para lograr su reducción o eliminación en las aguas residuales. En las grandes y medianas aglomeraciones urbanas el procedimiento más habitual para el tratamiento de los vertidos líquidos es el de lodos activados, en sus distintas modalidades, que desde sus primeras aplicaciones a principios del siglo XX se ha convertido en el tratamiento mundialmente más extendido. No obstante, con el objetivo de mejorar la calidad del efluente obtenido en este tratamiento convencional y promover su reutilización, en los últimos años se intensificaron las investigaciones de otras posibles tecnologías para el tratamiento de las aguas residuales. La tecnología MBR (Membrane Biological Reactor o Membrane Bioreactor) es conocida por producir efluentes de elevada calidad y eliminar eficazmente una amplia gama de MCs, incluidos algunos compuestos que son resistentes al proceso de lodos activados y otros procesos convencionales. Los MBR incluyen dos procesos principales: la unidad biológica, responsable de la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual (biodegradación), y la unidad de filtración, encargada de llevar a cabo la separación sólido-líquido del licor mezcla. En el campo de tratamiento de aguas residuales, los MBR son muy valorados por sus ventajas, aunque también presentan algunos inconvenientes. A pesar de los numerosos avances tecnológicos logrados a lo largo de los años, el ensuciamiento de la membrana sigue siendo uno de los mayores desafíos en la aplicación de esta tecnología. Esta desventaja se debe a múltiples causas, principalmente derivados de las características de las membranas, de la biomasa y del afluente, así como de las condiciones de operación. Estudios recientes reportan que para incrementar la eliminación de los contaminantes más recalcitrantes se puede combinar este proceso con otras tecnologías. Así, algunos trabajos realizados en casi su totalidad con aguas sintéticas, demuestran que la integración de procesos electroquímicos (electrocoagulación, EC) con la tecnología MBR ofrece prometedoras ventajas. La electrocoagulación es una tecnología bastante conocida y utilizada desde hace muchos años principalmente en el tratamiento de aguas residuales industriales. El proceso se lleva a cabo mediante la generación in situ de coagulantes debido a la aplicación de una corriente eléctrica que provoca la oxidación electrolítica de un material anódico apropiado, comúnmente de aluminio o de hierro. En este sentido surge un sistema innovador, el Electro-Biorreactor de Membrana (EMBR) que combina las ventajas de las tecnologías MBR (tratamiento biológico y filtración de membrana) y electrocoagulación. La aplicación de la EC puede ser capaz de reducir la adhesión de sustancias en la superficie de la membrana y mejorar la eficiencia de eliminación de diversos contaminantes. Esta investigación aborda la puesta en marcha y operación de un EMBR piloto para el tratamiento de aguas residuales reales, con el objetivo general de verificar si se reduce el ensuciamiento de la membrana, en relación con un MBR sin electrocoagulación, y si se mejora de la calidad del efluente. La planta piloto EMBR se ubicó en dos depuradoras distintas, realizándose por tanto la investigación en dos etapas, primero en la EDAR de Santomera (Murcia, España) y posteriormente en la EDAR de Monte Orgegia (Alicante, España). Se verificó de esta manera el comportamiento del EMBR con distintas características del afluente y factores estacionales. En la EDAR de Santomera, la planta piloto se alimentó con un agua residual municipal que incorpora un significativo componente industrial, mientras que en la EDAR de Monte Orgegia el agua residual urbana no tiene aporte industrial. La temperatura varió entre 12 y 30°C, el pH entre 6,7 y 8,0 y la conductividad entre 1.500 y 4.000 µS/cm. En las dos etapas de la investigación se evaluó el impacto de la densidad de corriente (DC) aplicada sobre la calidad del efluente, las propiedades del lodo y el ensuciamiento de la membrana, y los resultados fueron comparados con el sistema MBR convencional. Para analizar la calidad del efluente se verificó el grado de reducción de materia orgánica (DQO), nutrientes (nitrógeno total, amonio, fósforo total) y de un total de 22 microcontaminantes (9 fármacos, 4 parabenos, 3 hormonas, 2 surfactantes, 1 plastificante, 1 producto de higiene personal y 2 pesticidas). Respecto a las propiedades del lodo, se analizaron los parámetros biocinéticos, los bioindicadores, los sólidos suspendidos (MLSS), la viscosidad, el índice volumétrico (IVF), la morfología flocular y las sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Para la medición del ensuciamiento de la membrana se verificó la evolución de la presión transmembrana (PTM). Los resultados obtenidos en cada fase fueron contrastados mediante análisis estadístico. En relación a la mejora de calidad del efluente, los resultados demostraron que el sistema EMBR incrementó su calidad, principalmente respecto a la eliminación de fósforo, y los contaminantes carbamazepina, claritromicina y diclofenaco. En relación a la eficiencia en la reducción del ensuciamiento de la membrana, el sistema EMBR presentó un impacto positivo en las propiedades del lodo y consecuentemente en el ensuciamiento de la membrana. El índice volumétrico de fango (IVF), la viscosidad y las fracciones de proteínas y carbohidratos de las EPS solubles presentaron reducciones significativas respecto al MBR. Por su parte, se logró disminuir la PTM hasta un 73%, con una DC de 5 A/m2 lo que nos indica que con un bajo consumo energético (0,16 kWh/m3) es posible lograr una buena sinergia entre las tecnologías MBR y la electrocoagulación.

En muchas regiones del mundo con escasez de agua, la reutilización de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) se convierte en una alternativa cada vez más extendida y deseable. En los últimos años, gracias al desarrollo de técnicas analíticas avanzadas capaces de detectar contaminantes a muy baja concentración, se ha puesto en evidencia la presencia de microcontaminantes en los efluentes de las EDAR. Dado que las investigaciones recientes han demostrado que tienen efectos adversos sobre el medio ambiente y la salud humana, es necesario el uso de un tratamiento terciario para el refinado de estas aguas, a fin de evitar que los microcontaminantes (MCs) lleguen al agua de riego y a los cuerpos de aguas naturales. Se trata en muchos casos de sustancias de uso cotidiano como productos farmacéuticos y de cuidado personal, plastificantes, pesticidas, retardantes de llama, drogas de abuso, surfactantes, nanomateriales, entre otros. Todo ello probablemente relacionado con su uso masivo por parte de la población y por la deficiencia de los tratamientos biológicos actuales, que no fueron diseñados para hacer frente a este tipo de contaminantes. La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas, obteniendo un permeado de alta calidad con una elevada tasa de degradación de los microcontaminantes. No obstante, algunos son más refractarios al tratamiento MBR. Por lo tanto, es necesario un tratamiento adicional para la eliminación y la oxidación de compuestos refractarios, que pueden ser los procesos de oxidación avanzados (POA), que se basan principalmente en la generación de radicales hidroxilo (HO∙) con un alto potencial oxidativo y baja especificidad, capaces de mineralizar y degradar una gran variedad de compuestos orgánicos. Entre los POAs, la ozonización es un proceso en el que la oxidación puede tener lugar a través de vías directas e indirectas. Mientras que la vía directa de la oxidación se produce por medio de ozono molecular, durante la vía indirecta se produce a través del radical hidroxilo generado por la descomposición de ozono. En el caso de la fotólisis, que es un proceso en el que las moléculas de MCs sufren descomposición como resultado de la absorción de luz o radiaciones. Existen dos tipos de fotólisis: la fotólisis directa en la que la absorción directa de los fotones conduce a la degradación de los contaminantes y la fotólisis indirecta que se produce en presencia de fotosensibilizadores que absorben la luz y generan radicales oxigenados reactivos que realizan la degradación de la sustancia objetivo. Por otro lado, la optimización de las tecnologías existentes y el desarrollo de nuevas técnicas para el tratamiento, incluyendo la tecnología de membranas, la cual ha surgido como una importante innovación para el tratamiento y la recuperación de efluentes de EDAR. Durante los últimos años, esta tecnología ha recibido mucha atención por parte de investigadores y fabricantes, como resultado de una mejora de los materiales y técnicas de membranas, que proporcionan flujos más altos, una vida útil más larga, una disminución considerable del coste para la eliminación del ensuciamiento, etc. Además la separación de MCs del efluente tratado. El principal objetivo de la presente investigación es buscar un sistema que pueda eliminar/degradar los contaminantes emergentes de las aguas residuales, para ello se emplea un sistema combinado que consiste en una planta piloto de MBR, alimentada con aguas residuales sintéticas, de características similares a la urbana, para evaluar la eliminación de los MCs a diferentes edades del lodo. Los efluentes obtenidos se tratan mediante procesos adicionales de filtración (NF y OI), ozonización y radiación UV para eliminar los contaminantes refractarios, y su posterior comparación en cuanto a rendimiento de eliminación/degradación de los 30 MCs seleccionados. Para este estudio se utilizó un MBR a escala laboratorio de 90 L, con un módulo de membranas sumergido interno, fibra hueca de microfiltración, con un tamaño de poro de 0,4 µm y una superficie filtrante de 1 m2. El afluente utilizado es agua residual sintética dopada con los 30 microcontaminantes seleccionados, pertenecientes a las familias de triazinas, organoclorados, fármacos, hormonas, productos de cuidado personal, surfactantes, parabenos y plastificantes. Además se ha operado a tiempos de retención celular de 30 y 60 días. Para los post-tratamientos se utilizó un generador de ozono Modelo Anseros, COM-AD-01 con una generación efectiva de 4 g O3/h @ 100NL∙h-1, acoplado a una de columna de 0,75 L para el contacto ozono-agua. Para la realización del tratamiento UV se utiliza un fotoreactor con una lámpara de baja presión (LP) con una potencia regulable de 5-20 W de potencia con emisiones UV de 185 – 254 nm de la marca UV-Consulting peschl España. El sistema de filtración consiste en un módulo de células con agitación Amicon, los cuales son un soporte de filtros que posee juntas tóricas. A este módulo se le acoplaron membranas de NF (FILMTEC NF270) y OI (FILMTEC XLE-2521) con el objetivo de filtrar los efluentes del MBR. La mayoría de los compuestos han podido ser eliminado/degradado mediante el sistema MBR, Sin embargo algunos compuestos resultaron refractarios al tratamiento MBR como la simazina, atrazina, terbutilazina, linuron, alacloro y lindano, pertenecientes al grupo de triazinas y organoclorados, mientras que en el grupo de fármacos y hormonas, la carbamazepina, diclofenaco y 17-α-etinilestradiol son los compuestos refractarios al tratamiento MBR principalmente debido a sus condiciones hidrofílicas y a la persistencia de sus grupos funcionales. Según los resultados obtenidos en este estudio la dosis óptima para la ozonización es de 16 mg O3∙L-1, ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos superiores al 91% de eliminación de los compuestos refractarios, principalmente para los fármacos. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que la dosis óptima UV es de 5.374 mJ∙cm2 ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos de eliminación combinado con un pretratamiento MBR con rendimientos superiores a 87% de eliminación de los compuestos biorefractarios, siendo los organoclorados y triazinas los mejores eliminados. Debido a que el tratamiento MBR y la oxidación UV u O3 son capaces de eliminar MCs por diferentes mecanismos de degradación, un sistema híbrido que involucre MBR + UV u O3 puede aprovechar su naturaleza complementaria. La oxidación UV y O3 puede complementar muy bien el tratamiento MBR, resultando en más del 85% de eficiencia de eliminación de los 30 MCs seleccionados en este estudio, incluyendo aquellos que son mal eliminados por tratamiento MBR u oxidación con UV u O3 cuando se implementan por separado. El sistema MBR+ NF obtiene rendimientos superiores al 83%, mientras que la configuración MBR+OI presentó rendimientos superiores al 96% de separación del agua producto. De hecho, el tratamiento con membrana NF/OI complementa muy bien el tratamiento con MBR, y la mayoría de los 30 MCs seleccionados en este estudio se eliminaron por debajo de los límites de detección. En este trabajo de investigación se muestran cuatro posibles combinaciones de tecnologías para la eliminación/degradación de los MCs presentes en las aguas residuales urbanas pero se deja bien claro que la selección de la tecnología depende del tipo de agua a tratar, los tipos de microcontaminantes que estén presentes y el uso final de ese efluente. Además de otros aspectos técnicos y económicos.

Con el aumento de la población y de la demanda de bienes y servicios a escala global, se ha producido un deterioro en la calidad y disponibilidad del agua, poniendo de manifiesto la necesidad inminente de un cambio de mentalidad en la sociedad. Este cambio debe incluir, tanto la intensificación de las disposiciones legales que permitan prevenir la contaminación, como el desarrollo e implementación de tecnologías de depuración más eficaces, sostenibles y respetuosas con el ambiente. En la actualidad, en la mayoría de países desarrollados el tratamiento de aguas residuales urbanas está basado en los sistemas de fangos activados como tratamiento principal. Estos sistemas se caracterizan por presentar un elevado consumo energético y una alta generación de fango biológico, que debe ser sometido a algún tratamiento de estabilización previo a su reutilización o disposición final. Una alternativa a estas tecnologías son los sistemas basados en procesos anaerobios, cuya implementación supone mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario superar las limitaciones asociadas a las bajas velocidades de crecimiento de la biomasa anaerobia (en comparación con los microorganismos aerobios) y a la baja eficacia en la separación de la biomasa mediante procesos de sedimentación. La combinación del proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica con un proceso de filtración con membranas, permite superar los inconvenientes mencionados, pudiéndose establecer tiempos de retención celular elevados sin necesidad de incrementar el volumen de reacción y obtener un efluente de alta calidad. Una de las ventajas de los sistemas anaerobios es la recuperación de parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Sin embargo, cuando hay presencia de sulfato en el medio se desarrollan bacterias sulfatorreductoras, las cuales compiten por los sustratos, reduciéndose la eficiencia en la conversión de materia orgánica a metano, y generando sulfuro de hidrógeno (sulfurogénesis), que inhibe los procesos biológicos y disminuye la calidad del biogás generado. Debido a la importancia que tiene el proceso de sulfurogénesis en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, varios autores han propuesto modelos matemáticos que incluyen los procesos biológicos, físicos y químicos asociados a las bacterias sulfatorreductoras. Sin embargo, no existe un modelo global que permita simular en conjunto los procesos que tienen lugar tanto en la línea de agua como en la de fango, y donde esté incluido este proceso. También es destacable la ausencia de una metodología sistemática para la calibración de los parámetros de los modelos anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con elevado contenido de sulfato. Con este fin, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir el proceso biológico de sulfurogénesis y se ha propuesto una metodología de calibración de los parámetros. El modelo desarrollado ha sido incorporado al modelo global Biological Nutrient Removal Model No. 2 (BNRM2). Tanto el modelo como la metodología de calibración han sido validados mediante simulación con el programa DESASS, comparando los resultados predichos por el modelo con los valores experimentales obtenidos en un biorreactor anaerobio de membranas a escala demostración / Durán Pinzón, F. (2013). Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas incluyendo las bacterias sulfatorreductoras. Aplicación a un biorreactor anaeroio de membranas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34778 / TESIS

[ES] Esta Tesis ha sido dedicada al modelado multiescala considerando al anfitrión celular para el análisis y ajuste de circuitos genéticos sintéticos para bioproducción. Los objetivos principales fueron: 1. El desarrollo de un modelo que considere el anfitrión celular de tamaño reducido enfocado para simulación y análisis. 2. El desarrollo de herramientas de programación para el modelado y la simulación, orientada a la biología sintética. 3. La implementación de un modelo multiescala que considere las escalas relevantes para la bioproducción (biorreactor, célula y circuito sintético). 4. El análisis del controlador antitético considerando las interacciones célula-circuito, como ejemplo de aplicación de las herramientas desarrolladas. 5. El desarrollo y la validación experimental de leyes de control robusto para biorreactores continuos. El trabajo presentado en esta Tesis cubre las tres escalas del proceso de bioproducción. La primera escala es el biorreactor: esta escala considera la dinámica macroscópica del sustrato y la biomasa, y como estas dinámica se conecta con el estado interno de las células. La segunda escala es la célula anfitriona: esta escala considera la dinámica interna de la célula y la competencia por los recursos limitados compartidos para la expresión de proteínas. La tercera escala es el circuito genético sintético: esta escala considera la dinámica de expresión de los circuitos sintéticos exógenos y la carga que inducen en la célula anfitriona. Por último, como <<cuarta>> escala, parte de la Tesis se ha dedicado a desarrollar herramientas de software para el modelado y la simulación. Este documento se divide en siete capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general al trabajo de la Tesis y su justificación; también presenta un mapa visual de la Tesis y enumera las principales contribuciones. El Capítulo 2 muestra el desarrollo del modelo del anfitrión celular (los Capítulos 4 y 5 hacen uso de este modelo para sus simulaciones). El Capítulo 3 presenta OneModel: una herramienta de software desarrollada en la Tesis que facilita el modelado y la simulación en biología sintética, en particular, facilita el uso del modelo del anfitrión celular. El Capítulo 4 utiliza el modelo del anfitrión celular para montar el modelo multiescala que considera el biorreactor y analiza el título, la productividad y el rendimiento en la expresión de una proteína exógena. El Capítulo 5 analiza un circuito más complejo, el recientemente propuesto y muy citado controlador biomolecular antitético, utilizando el modelo del anfitrión celular. El Capítulo 6 muestra el diseño de estrategias de control no lineal que permiten controlar la concentración de biomasa en un biorreactor continuo de forma robusta. El Capítulo 7 resume y presenta las principales conclusiones de la Tesis. En el Apéndice A se muestra el desarrollo teórico del modelo del anfitrión celular. Esta Tesis destaca la importancia de estudiar la carga celular en los sistemas biológicos, ya que estos efectos son muy notables y generan interacciones entre circuitos aparentemente independientes. La Tesis proporciona herramientas para modelar, simular y diseñar circuitos genéticos sintéticos teniendo en cuenta estos efectos de carga y permite el desarrollo de modelos que conecten estos fenómenos en los circuitos genéticos sintéticos, que van desde la dinámica intracelular de la expresión génica hasta la dinámica macroscópica de la población de células dentro del biorreactor. / [CA] Aquesta Tesi tracta del modelat multiescala considerant l'amfitrió ce\lgem ular per a l'anàlisi i ajust de circuits genètics sintètics per a bioproducció. Els objectius principals van ser: 1. El desenvolupament d'un model de grandària reduïda que considere l'amfitrió ce\lgem ular, enfocat al seu ús en simulació i anàlisi. 2. El desenvolupament d'eines de programari per al modelatge i la simulació, orientada a la biologia sintètica. 3. La implementació d'un model multiescala que considere les escales rellevants per a la bioproducció (bioreactor, cè\lgem ula i circuit sintètic). 4. L'anàlisi del controlador antitètic considerant les interacciones cè\lgem ula-circuit, com a exemple d'aplicació de les eines desenvolupades. 5. El desenvolupament i la validació experimental de lleis de control robust per a bioreactors continus. El treball presentat en aquesta Tesi cobreix les tres escales del procés de bioproducció. La primera escala és el bioreactor: aquesta escala considera la dinàmica macroscòpica del substrat i la biomassa, i com aquestes dinàmiques es connecten amb l'estat intern de les cè\lgem ules. La segona escala és la cè\lgem ula amfitriona: aquesta escala considera la dinàmica interna de la cè\lgem ula i la competència pels recursos limitats compartits per a l'expressió de proteïnes. La tercera escala és la del circuit genètic sintètic: aquesta escala considera la dinàmica d'expressió de circuits sintètics exógens i la càrrega que indueixen en la cè\lgem ula amfitriona. Finalment, com a <<quarta>> escala, part de la Tesi s'ha dedicat a desenvolupar eines de programari per al modelatge i la simulació. Aquest document es divideix en set capítols. El Capítol 1 és una introducció general al treball de la Tesi i la seua justificació; també presenta un mapa visual de la Tesi i enumera les principals contribucions. El Capítol 2 mostra el desenvolupament del model de l'amfitrió ce\lgem ular (els Capítols 4 i 5 fan ús d'aquest model per a les seues simulacions). El Capítol 3 presenta OneModel: una eina de programari desenvolupada en la Tesi que facilita el modelatge i la simulació en biologia sintètica, en particular, facilita l'ús del model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 4 utilitza el model de l'amfitrió ce\lgem ular per a muntar el model multiescala que considera el bioreactor i analitza el títol, la productivitat i el rendiment en l'expressió d'una proteïna exògena. El Capítol 5 analitza un circuit més complex, el recentment proposat i molt citat controlador biomolecular antitètic, utilitzant el model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 6 mostra el disseny d'estratègies de control no lineal que permeten controlar la concentració de biomassa en un bioreactor continu de manera robusta. El Capítol 7 resumeix i presenta les principals conclusions de la Tesi. En l'Apèndix A es mostra el desenvolupament teòric del model de l'amfitrió ce\lgem ular. Aquesta Tesi destaca la importància d'estudiar la càrrega ce\lgem ular en els sistemes biològics, ja que aquests efectes són molt notables i generen interaccions entre circuits aparentment independents. La Tesi proporciona eines per a modelar, simular i dissenyar circuits genètics sintètics tenint en compte aquests efectes de càrrega i permet el desenvolupament de models que connecten aquests fenòmens en els circuits genètics sintètics, que van des de la dinàmica intrace\lgem ular de l'expressió gènica fins a la dinàmica macroscòpica de la població de cè\lgem ules dins del bioreactor. / [EN] This Thesis was devoted to the multi-scale host-aware analysis and tuning of synthetic gene circuits for bioproduction. The main objectives were: 1. The development of a reduced-size host-aware model for simulation and analysis purposes. 2. The development of a software toolbox for modeling and simulation, oriented to synthetic biology. 3. The implementation of a multi-scale model that considers the scales relevant to bioproduction (bioreactor, cell, and synthetic circuit). 4. The host-aware analysis of the antithetic controller, as an example of the application of the developed tools. 5. The development and experimental validation of robust control laws for continuous bioreactors. The work presented in this Thesis covers the three scales of the bioproduction process. The first scale is the bioreactor: this scale considers the macroscopic substrate and biomass dynamics and how these dynamics connect to the internal state of the cells. The second scale is the host cell: this scale considers the internal dynamics of the cell and the competition for limited shared resources for protein expression. The third scale is the synthetic genetic circuit: this scale considers the dynamics of expressing exogenous synthetic circuits and the burden they induce on the host cell. Finally, as a <<fourth>> scale, part of the Thesis was devoted to developing software tools for modeling and simulation. This document is divided into seven chapters. Chapter 1 is an overall introduction to the Thesis work and its justification; it also presents a visual map of the Thesis and lists the main contributions. Chapter 2 shows the development of the host-aware model (Chapters 4 and 5 make use of this model for their simulations). Chapter 3 presents OneModel: a software tool developed in the Thesis that facilitates modeling and simulation for synthetic biology---in particular, it facilitates the use of the host-aware model---. Chapter 4 uses the host-aware model to assemble the multi-scale model considering the bioreactor and analyzes the titer, productivity (rate), and yield in expressing an exogenous protein. Chapter 5 analyzes a more complex circuit, the recently proposed and highly cited antithetic biomolecular controller, using the host-aware model. Chapter 6 shows the design of nonlinear control strategies that allow controlling the concentration of biomass in a continuous bioreactor in a robust way. Chapter 7 summarizes and presents the main conclusions of the Thesis. Appendix A shows the theoretical development of the host-aware model. This Thesis emphasizes the importance of studying cell burden in biological systems since these effects are very noticeable and generate interactions between seemingly unconnected circuits. The Thesis provides tools to model, simulate and design synthetic genetic circuits taking into account these burden effects and allowing the development of models that connect phenomena in synthetic genetic circuits, ranging from the intracelullar dynamics of gene expression to the macroscopic dynamics of the population of cells inside the bioreactor. / This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 grant number PID2020-117271RB-C21, and MINECO/AEI, EU grant number DPI2017-82896- C2-1-R. The author was recipient of the grant “Programa para la Formación de Personal Investigador (FPI) de la Universitat Politècnica de València — Subprograma 1 (PAID-01-2017)”. The author was also a grantee of the predoctoral stay “Ayudas para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València 2019”. The Control Theory and Systems Biology Lab of the ETH Zürich is acknowledged for accepting the author in their facilities as predoctoral stay and their valuable collaboration sharing knowledge. / Santos Navarro, FN. (2022). Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183473 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales