Due to the large quantity of contamination by Fe in the waterlogged wood and the composites previously processed with poliethilenglycol, PEG , we have thought the possible extraction and formation of complexes Fe-L (L= 2-Phosphonobuta-1,2,4- tricarboxylic acid, (PBTC)) and their effect on (i) structure of the wood, (ii) structure and physiques characteristics of PEG and (iii) post-treatment contamination by Fe coming from atmospheric agents. This work is a project for to study the formation of these complexes and possible modifications in structures.

Los procesos de oxidación químicos son una herramienta universal para el tratamiento de aguas subterráneas, efluentes industriales y aguas residuales. Una de estas técnicas se basa en la generación de radicales hidroxilos (•OH), y se le conoce con el nombre de proceso de oxidación avanzada (AOP). Aunque dicho proceso es considerado una poderosa herramienta para la degradación de contaminantes, este enfrenta varias limitación prácticas especialmente en función del sistema seleccionado para la generación de los •OH. El objetivo de este trabajo fue proponer y poner a prueba una estrategia novedosa con el fin de ampliar la aplicabilidad de la oxidación avazanda, integrando al sistema el uso de reactores de membrana catalítica (CMR). Los esfuerzos fueron enfocados en la aplicación de los CMRs para la oxidación de un compuesto orgánico modelo (fenol), utilizando peróxido de hidrogeno generado in situ como fuente de •OH. Las características de los CMRs permiten la síntesis directa de H2O2. / Chemical oxidation processes are the most universal tool for treatment of contaminated groundwater, industrial effluents and wastewater. Oxidation at mild conditions and based on the generation of highly reactive hydroxyl radicals (•OH) is referred to as advanced oxidation process (AOP). Even though this technique is considered as powerful regarding contaminant degradation, it faces several practical limitations in a large scale due to the cost of the system selected for •OH generation. The aim was to propose and test a novel strategy in order to extend the applicability of AOP, whereby the integration of catalytic membrane reactors (CMRs) plays a key role. The efforts were focused on the application of the CMRs for direct oxidation of a model organic compound by the in-situ generated hydrogen peroxide. The inherent properties of the CMRs permit the direct synthesis of hydrogen peroxide starting from H2 and O2 using noble metal as an active phase.

Over the past few decades, microalgae become focus of the researches again as a possible raw material for the production of biodiesel due to the myth of the oil crisis and also Kyoto Protocol which entered into force in 2005. Although microalgae have proven to be very efficient at producing oil-rich lipids, the optimum conditions for algae cultivation and methods for harvesting and oil extraction have not been determined in details yet. In particular, the harvesting process is especially important to the effectiveness of the overall process because of the large volumes of algae-rich water that must be processed. The requirements for downstream also makes complicated the chosen harvesting system. Several solid-liquid separation technologies have shown some potential for achieving microalgae/water separation; however, application of these processes to biofuel production requires an evaluation of treatment effectiveness as a function of water quality, algae particle characteristics and process chemistry. Pre-concentration (bulk harvesting) aims to separate the micro algae from culture medium (bulk solution). Flocculation, flotation or gravity sedimentation are the frequently used methods. Filtration, centrifugation and ultrasonic aggregation are mostly used in thickening. Of these technologies, from chemical and/or biological harvesting, by means of flocculants e.g. auto flocculation, chemical coagulation, inorganic coagulants, organic flocculants, combined flocculation, electro-coagulation and ultrasonic aggregation. Flocculation is used in order to ease the following dewatering steps in this study. Flocculation is also a factor that affects the mechanical properties of the culture. Therefore, it is important to study the flow behaviour of flocculated suspensions by additives. The flocculation mechanism determines the properties of the flocs and therefore the rheological behaviour of the suspension. The rheological properties of algae slurries have a direct impact on the agitation and pumping power requirements as well as process design for producing algal biofuels. Flocculation efficiency is commonly evaluated by measuring the settling rate of flocs, the percentage of solids settled, the sediment volume/weight, the moisture content and strength of flocs, and the suspension viscosity and turbidity in water treatment processes. Particle size analysis is usually applied in drinking water treatment for monitoring and controlling filtration process performance. Analysis of sizes of flocs formed in the coagulation and flocculation processes are not routinely conducted. However, particle size distribution (PSD) analysis can produce direct information about the flocs in the fluid. Through measuring and analysing the amount and size of particles, we can evaluate the efficiency of the process; assess design of the treatment or harvesting systems. A primary factor controlling the performance of sedimentation is the particle size distribution (PSD) of the incoming sediment. Particle size distribution information is needed to model the sedimentation process. From biological harvesting methods, auto-flocculation is one of the promising methods for microalgae. The mechanism of auto-flocculation depends on the alkaline conditions. According to several studies two major reactions are effective: the precipitation of calcium carbonate (CaCO3) and the precipitation of magnesium hydroxide (Mg (OH) 2), depending on the primary particles and the ions contained in the solution. To sum up, this thesis aims; (i) to determine a simple, rapid and an efficient pre-concentration method -preferentially cost effective- for Phaeodactylum tricornutum and Nannochloropsis gaditana through testing, (1) natural sedimentation; (2) flocculation with commercial flocculants (aluminium sulphate, polyaluminium chloride) and chitosan; and (3) pH induced flocculation. The drawbacks of the methods, state of the concentrated algae according to studied species after every studied treatment method, sedimentation rates of pH induced flocculation method were also shown; (ii) to know more about pre-concentration processes of studied species, characteristic properties of downstream process after treating the pre-concentration methods under author chosen conditions (viscosity, particle size and Ca and Mg ion determination analysis) were investigated after applying different methods of harvesting; (iii) to try a mathematical model and a numerical simulation procedure for the flocculation process, using usual parameterization solutions to estimate the sedimentation rate and floc size distribution for pre-concentration process. The main objective is estimating sedimentation rate coupled with that of the particle size distribution (PSD), through a population balance equation (PBE). From the thesis we could conclude; the selection of the proper harvesting method depends mainly on the process product targets. To decide which method is better for harvesting, it should be checked not only how efficient the agent as a flocculant and how appropriate to provide a cost effective harvesting, but also how feasible to use the agent in the case of using concentrated biomass in the further processes without any problem and managing the residual water after harvesting. Depending on the chemical properties of the seawater and on the properties of the outer surface of the algae, pH induced flocculation seems promising for P. tricornutum and N. gaditana species. It is effective, economical and eco-friendly. Sedimentation rates of the author chosen method are also helpful to scale-up the process. The process is also very reproducible. It is observed that after a certain pH, increasing the pH didn’t change the flocculation efficiency, however changed the mass content of the concentrated sample (higher ash content). The comparative study of pre-concentrated sample properties shows that; (I) Pre-concentration processes make both pumping and mixing easier because of the Newtonian behaviour of the samples than Non-Newtonian ones. (II) Particle size analysis of the pre-concentrated samples support settling properties sufficiently. (III) Ca and Mg ion concentrations of the pre-concentrated samples substantiate the fact that the Mg ion is the protagonist in the alkalinity-induced flocculation mechanism. A population balance model (PBM) has been tried to build to predict the floc size distribution for P. tricornutum and N. gaditana. The model was ineffective to simulate alkalinity induced flocculation -a mimic of autoflocculation in lab scale. High shear rates were needed in the model to let the floc to appear. The mathematical model for flocculation is still a framework that should be developed. Additionally, the model needs to be further adjusted and integrated with the sedimentation model simultaneously with PBM.

Los materiales conocidos como vidrios metálicos han sido sujeto de estudio e todo el mundo desde los años 50, por el cual se ha conseguido un progreso importante en el entendimiento del comportamiento de estos materiales. Como el nombre sugiere, son aleaciones metálicas amorfas en las que no existe el orden a largo alcance. La ausencia de este tipo de orden les dota de propiedades físicas, químicas y mecánicas que son únicas comparadas con las de otros materiales metálicos convencionales.Sin embargo, los primeros sistemas amorfos fueron obtenidos por técnicas de solidificación rápida, y requerían velocidades de enfriamiento criticas de hasta 106 K s−1. Por consiguiente, se obtenían cintas finas con un espesor limitado hasta unas decenas de micrómetro. Unos treinta a cuarenta años más tarde, una gama de aleaciones multicomponentes, las cuales requiren velocidades de enfríamiento más lentas, fueron desarrolladas, lo cual significó el nacimiento de los vidrios metálicos macizos. Entre estas aleaciones multicomponentes, las que son a base de Zr han sido protagonistas por su capacidad extraordinaria de formar vidrios. Por el mismo, se hicieron como aleaciones modelo para el estudio de propiedades fúndamentales y comportamientos característicos.Su límite de fluencia excepcionalmente alto, cerca del límite teórico, les proporciona a los vidrios metálicos macizos un potencial para ser utilizados en aplicaciones estructurales. Desafortunadamente, la deformación plástica a temperatura ambiente occure de una manera muy localizada en bandas de cizalladura. En vez de endurecimiento mécanico, los vidrios metálicos sufren un ablandamiento al deformarlos lo cual impide una deformación plástica estable. Así que, a pesar de su límite de fluencia alto, la ruptura occurirá después de una deformación macroscópica limitada. Este mecanismo de deformación inhomogénea a temperatura ambiente limita la fiabilidad de los vídrios metálicos macizos en aplicaciones estructurales. Lógicamente, la mejora de la plasticidad de estos materiales ha sido ampliamente estudiada durante la última década.El concepto más explorado para evitar la ruptura catastrófica ha sido probablemente el desarollo de una microestructura heterogenea con una segunda fase. Ésta segunda fase puede tener dimensiones tanto a escala micrómetra como la escala nanométrica y puede ser tanto una fase cristalina como una fase amorfa. Varias rutas han sido probadas para obtener ésta segunda fase en la matriz amorfa: añadir directamente una fase reforzante al material fundido, diseñar una composición adecuada que resulta en un material compuesto al solidificarla o precipitar la segunda fase durante un tratamiento térmico después de colar.Por tratamientos térmicos por debajo de la temperatura de transición vidria, cambios del orden topológico y químico a corto alcance han sido observado en la literatura. El primer efecto suele deteriorar la plasticidad por relajación de la estructura amorfa. La influencia del cambio de orden químico a corto alcanze se ha estudiado en muy poco detalle. Aparte de los tratamientos térmicos, los tratamientos mecánicos pueden inducir cambios estructurales y microestructurales. El estudio del efecto de estos dos tratamientos forma la parte parte de esta tesis.Los cambios en el orden topólogico y químico de corto alcance de vídrios metálicos a base de Zr, inducidos por tratamientos térmicos y mecánicos, han sido caracterizados por técnicas de calorimetría, difracción de rayos-X y por microscópia electrónica. Luego, la influencia de estos mismos en el comportamiento mecánico de los vídrios se ha estudiado por tests de compresión y de nanoindentación.Sin embargo, en la primera parte de ésta tesis, se demuestra que al aplicar la técnica de nanoindentación, se debería tomar en cuenta la existencia de un "size-effect", correlacionado directamente con los cambios estructurales que occuren durante la deformación. Este "size-effect" implica que la dureza y el módulo elástico bajan al aumentar la profundidad de la indentación, similar a lo que se observa normalmente para materiales cristalinos. Durante la deformación, aumenta el volumen libre del vídrio metálico. Este crecimiento del volumen libre influirá en la respuesta del material a la nanoindentación. En particular, se observa un ablandamiento dinámico cuando se aplican cargas elevadas al material. Además, concentraciones más altas de volumen libre en el estado inicial después del colado, ocasionan un ablandamiento mayor y por consecuencia, aumentan el "size-effect".Después, se hizo un estudio sistemático de los cambios de corto y medio alcance, inducido por tratamientos térmicos, en particular por tratamientos a baja temperatura. Aplicando varias técnicas de caracterización, como por ejemplo la calorimetría, difracción de rayos X y microscopía electrónica, cambios importantes de orden quimico han sido observados. Ya durante tratamientos cortos a baja temperatura, se formaban clústers de Cu en una matriz con un contenido de Cu reducido. Más adelante, el estudio se enfocó en la influencia de los cambios microestructurales en las propiedades mecánicas. Aunque los cambios observados eran moderados, su influencia en el comportamiento mecánico, y en particular en la plasticidad en compresión, es enorme cuando los cambios topológicos son todavía moderados (como es el caso durante el tratamiento térmico a baja temperatura). La plasticidad aumenta significativamente, lo que va en contra a la fragilización que suele ocurrir durante los tratamientos térmicos. Durante tratamientos a temperaturas más elevadas, los cambios topológicos empiezan a dominar (disminución del volumen libre) y forman un contrapeso para el efecto positivo de los cambios del orden químico a corto alcance. Posteriormente, se investigó en más detalle la influencia de los cambios de orden químico en la cristalización. Los clústeres de Cu que se forman durante el calentamiento se puede interpretar como fases embrionarias en el proceso de cristalización.Durante los tratamientos térmicos, se dan tanto cambios de orden topológico como de orden químico, pero tienen un efecto contradictorio en la plasticidad por lo cual puede ser difícil controlarlos. Sin embargo, los cambios beneficiosos de orden químico se pueden obtener por tratamientos mecánicos de deformación severa, por ejemplo por torsión a alta presión (TAP). La deformación no causa una reducción del volumen libre sino la aumenta incluso más. Además, TAP produce una muestra maciza bastante homogenea siempre y cuando el número de revueltas sea menor, lo que es lo contrario de lo que se sabe para materiales cristalinos. Estos materiales suelen requerir más vueltas para evitar una microestructura heterogenea. / Metallic glasses have been the subject of widespread research since the 1950's with significant progress in the understanding in their behavior. As the name suggests, they are amorphous metallic alloys, i.e. with the absence of long-range order. The absence of this long-range order offers them unique physical, chemical and mechanical properties compared to conventional metallic materials.However, the early amorphous systems were obtained typically by rapid quenching techniques, with critical cooling rates up to 106 K s−1, resulting typically in ribbons or thin foils with a thickness limited to a few tens of micrometer. About thirty to forty years later, a large range of multicomponent alloys was developed which required significant lower critical cooling rates leading to the birth of so-called bulk metallic glass (BMG). Among these multicomponent systems, Zr-based alloys have been key players with outstanding glass forming ability, which has made them to model alloys for the study of fundamental properties and characteristic behaviors.The exceptionally high yield strength, close to the theoretical limit, and yield strain of these amorphous metallic systems in bulk offer them potential for structural applications. However, plastic deformation at room temperature occurs in a highly localized manner by the formation of a few shear bands. Instead of work hardening, metallic glasses soften upon deformation, which prevents stable plastic elongation. Although BMGs possess a high fracture strength, once yielding has set in, early failure after a small percentage of macroscopic deformation appears. This inhomogeneous deformation mechanism at ambient temperature still limits the reliability of BMGs for structural applications. Logically, the enhancement of ductility of this type of materials has been the subject of many research works in the last decade. Probably the most explored concept to avoid catastrophic failure has been the development of a heterogeneous microstructure, with a second phase on different length scales, both crystalline and amorphous. Various routes have been tried out to obtain this second phase in the amorphous matrix: physically adding a reinforcing phase to the melt, by direct precipitation from the melt of a properly designed composition or by (partial) nano-crystallization of the glass after casting.Upon annealing below the glass transition, changes in both topological and chemical short range order have been reported. The former is believed to deteriorate plasticity due to structural relaxation of the amorphous structure. The effect of changes of the chemical short range order on plasticity has hardly been studied into detail. Besides annealing, deformation has been reported to induce structural and microstructural changes. These (micro-)structural changes, induced by annealing and deformation, form the main topic of the work presented in this thesis. Topological and chemical changes in the short range order of Zr-based bulk metallic glasses upon annealing and deformation treatments have been characterized by calorimetry, X-ray diffraction and electron microscopy. The influence of these changes on the mechanical behavior of these glasses was investigated through compression tests and nanoindentation tests. However, in a first part of this thesis, it is shown that one should be aware when applying this technique of the existence of a so-called size-effect, directly linked with the structural changes upon deformation.A decrease of hardness and elastic modulus on the maximum penetration depth was found, similar as what is typically observed for crystalline materials. Upon deformation, free volume typically increases. Due to this increase, free volume will influence the response of the material during nanoindentation testing. In particular, a dynamic softening is observed when being plastically deformed at higher loads. Larger free volume concentrations in the as-cast state result in enhanced mechanical softening and, concomitantly, more pronounced indentation size effects. Afterwards, a systematic study on changes on the short and medium range order upon annealing was performed, in particular at low temperatures. By means of various characterization techniques, like by calorimetry, X-ray diffraction and electron microscopy, important changes in chemical ordering were found, with the formation of Cu-clusters in a more Cu-depleted matrix, already upon low temperature annealing for a short time. In a next step, the study focussed on the influence of this altered microstructures on the mechanical properties. Although the (compositional) changes observed were moderate, their influence on the mechanical behavior, and in particular plasticity under compression, is great, when the topological changes are still moderate (low temperature annealing). Plasticity is enhanced greatly, in large contrast to the generally assumed embrittlement upon annealing. A too large increase in topological short range order (free volume decrease) counterbalances the effect induced by the chemical short range order upon high temperature annealing. Finally, the influence of these changes of chemical short-range order on the crystallization behaviour was studied in more detail. The formation of the Cu-rich clusters upon annealing can thus be understood as a very embryonic phase towards crystallization.Upon annealing, topological (densification) and chemical ordering occur simultaneously, but these processes have a contradictory effect on plasticity and it might be difficult to control them. Therefore, it is interesting that the beneficial changes in chemical ordering can be achieved also upon high-deformation treatments, e.g. by high-pressure torsion (HPT). Deformation does not lead to the adverse reduction of free volume but even produces some more. HPT itself is able to produce a rather homogeneous bulky sample, in particular for a low amount of revolution - contrary to what is observed in crystalline materials, where more revolutions are necessary to overcome the undesired inhomogeneous microstructure.

La utilización de enzimas como catalizadores de procesos tiene interés debido a aspectos medioambientales y a sus principales propiedades: alta selectividad y especificidad y alta capacidad catalítica bajo condiciones suaves de operación. En esta tesis doctoral se desarrolló la síntesis enzimática de un Cbz-aminopoliol, compuesto de interés terapéutico, mediante un sistema multienzimático basado en el acoplamiento de la oxidación de un aminoalcohol a su correspondiente aminoaldehído y su posterior adición aldólica a dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Se seleccionó Cbz-etanolamina como aminoalcohol modelo. Primero se estudió la oxidación de Cbz-etanolamina a Cbz-glicinal empleando la enzima cloroperoxidasa (CPO) de Caldariomyces fumago como biocatalizador. El oxidante más adecuado para la reacción fue hidroperóxido de tert-butilo (t-BuOOH). Para minimizar la desactivación enzimática causada por la presencia de peróxido, se estudiaron diferentes estrategias de adición del mismo. El mayor rendimiento de Cbz-glicinal, de 39,1%, se alcanzó con una velocidad de adición de 3 mM/h. Además, se analizaron diferentes medios de reacción para aumentar la concentración de substrato favoreciendo la velocidad de reacción y la producción de Cbz-glicinal. Aplicando dioxano a una concentración del 5% la producción de Cbz-glicinal fue 6 veces mayor que la máxima obtenida en medio acuoso (47,6 y 7,8 mM respectivamente). Posteriormente, para aumentar la estabilidad de CPO se aplicaron técnicas de modificación química: modificaciones selectivas de grupos amino en residuos de Lys y grupos carboxilo en residuos de Asp y Glu así como entrecruzamiento y oxidación de azúcares con periodato. Se evaluó la estabilidad de las enzimas modificadas a diferentes valores de pH, temperatura y en presencia de t-BuOOH. Además se estudió el efecto de las modificaciones de CPO en la oxidación de Cbz-etanolamina. Las modificaciones de grupos carboxilo mediante adición de carbodiimida y las modificaciones resultantes de la oxidación de azúcares con periodato resultaron ser mejores catalizadores que la enzima CPO nativa en términos de estabilidad y actividad a valores elevados de pH y temperatura. A 50ºC y velocidad de adición de peróxido de 12 mM/h, los rendimientos de Cbz-glicinal aumentaron desde 16,1% (utilizando enzima nativa) a 21,5-22,1% (utilizando catalizadores modificados). Sin embargo, estos resultados no resolvieron el problema de la rápida desactivación irreversible de CPO. Buscando un mayor aumento de la estabilidad de CPO se aplicaron diferentes métodos de inmovilización: adsorción iónica, enlace covalente mediante adición de carbodiimida y enlace covalente de la enzima oxidada en geles de monoaminoetil-N-aminoetil (MANA) agarosa, así como enlace covalente en soportes Eupergit® C. Se optimizaron las condiciones de trabajo para cada método de inmovilización con el objetivo de maximizar los rendimientos de inmovilización y minimizar la desactivación enzimática durante el proceso de inmovilización. Además, se analizó la presencia de limitaciones difusionales en la catálisis con enzimas inmovilizadas, así como la estabilidad de dichas enzimas en las condiciones necesarias para la reacción de interés. El sistema enzimático más estable resultó ser el obtenido mediante enlace covalente en MANA-agarosa por adición de carbodiimida. Este catalizador se aplicó en la síntesis de Cbz-glicinal, obteniéndose una conversión más alta que la obtenida en la reacción catalizada por la enzima soluble (59,9 y 47,9%, respectivamente). Finalmente, se llevaron a cabo simultáneamente las reacciones de oxidación de Cbz-etanolamina, catalizada por CPO, y adición aldólica del aminoaldehído resultante a DHAP, catalizada por la enzima recombinante ramnulosa-1-fosfato aldolasa (RhuA) producida en Escherichia coli, obteniéndose un Cbz-aminopoliol ((3R)-5-{[(benziloxi)carbonilo]amino}-5-desoxi-1-O-fosfonopent-2-ulosa) como producto final. Se estudió el efecto de la inmovilización de ambas enzimas, la configuración del reactor y el medio de reacción con el objetivo de aumentar la producción de Cbz-aminopoliol. Aplicando ambas enzimas inmovilizadas en presencia de 5% de dioxano, dicha producción alcanzó un valor de 86,6 mM (31 g/l). / There is a growing interest for the application of the enzymes as process catalysts due to the environmental issues and the unique properties that they provide: high selectivity and specificity, and high catalytic activity while working under mild operational conditions. In this doctoral thesis, the enzymatic synthesis of the valued product Cbz-aminopolyol was achieved in a multienzymatic system by coupling the enzyme catalyzed oxidation of an amino alcohol to the corresponding amino aldehyde and enzyme catalyzed aldol addition to dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Cbz-ethanolamine was selected as a model amino alcohol. Firstly, the enzymatic oxidation of Cbz-ethanolamine to Cbz-glycinal was studied by applying chloroperoxidase (CPO) from Caldariomyces fumago as a biocatalyst. The reaction was performed successfully using tert-butyl hydroperoxide as an oxidant. Peroxide addition strategy had to be optimized in order to minimize the peroxide dependent inactivation. Cbz-glycinal yield of 39.1% was reached when the peroxide was added at the rate of 3 mM/h. Furthermore, different reaction media were analyzed looking for the way to increase substrate concentration while favoring reaction rate and Cbz-glycinal production. Use of dioxane in the concentration of 5% resulted in 6-fold improved Cbz-glycinal production compared to the value reached in aqueous reaction (47.6 mM compared 7.8 mM, respectively). Then, with the aim of further improving of the stability of CPO, chemical modifications of CPO were carried out. Side-chain selective modifications of amino groups of Lys residues, and carboxyl groups of Asp and Glu residues, as well as crosslinking and periodate oxidation of sugar moiety were performed. The stability of modified CPOs was evaluated at different pH values, temperatures, and in the presence of tert-butyl hydroperoxide. Effect of modification of CPO on the performance of the reaction of Cbz-ethanolamine oxidation was studied as well. Those modifications that involved carboxyl groups via carbodiimide coupled method and the periodate oxidation of the sugar moiety produced better catalysts than native CPO in terms of stability and activity at elevated pH values and temperatures. At the temperature of 50ºC and peroxide addition rate of 12 mM/h, yields of Cbz-glycinal were improved from 16.1%, the value reached when using native CPO, to 21.5-22.1% when using modified CPOs. Even so, the problem of rapid irreversible inactivation of CPO by peroxides remained unsolved. Expecting a more drastic improvement in CPO stability, different immobilization methods were studied: ionic adsorption, covalent attachment by carbodiimide coupled method, and covalent attachment of oxidized enzyme on monoaminoethyl-N-aminoethyl (MANA) agarose gels as well as covalent attachment on Eupergit® C. Conditions for each immobilization method were optimized in order to maximize the immobilization yields and minimize the enzyme inactivation during the immobilization process. Then, the presence of diffusion limitations of the immobilized enzyme preparations as well as the stability of immobilized enzymes in the conditions at which the reaction of interest takes place were tested. The most stable immobilized enzyme system, covalent attachment on MANA-agarose via carbodiimide coupled method was finally applied as a biocatalyst for the synthesis of Cbz-glycinal reaching higher total conversion (59.9%) than in the reaction catalyzed by soluble enzyme (47.9%). Finally, the reaction of oxidation of Cbz-ethanolamine catalyzed by CPO was successfully coupled in one-pot reactor to the aldol addition of the amino aldehyde with DHAP catalyzed by recombinant rhamnulose-1-phosphate aldolase (RhuA) from Escherichia coli yielding Cbz-aminopolyol ((3R)-5-{[(Benzyloxy)carbonyl]amino}-5-deoxy-1-O-phosphonopent-2-ulose) as a final product. The effect of the immobilization of the enzymes, reactor configuration and reaction medium were studied in order to improve Cbz-aminopolyol production. The production of Cbz-aminopolyol, when catalyzed by immobilized enzymes in presence of 5% dioxane reached the value of 86.6 mM (31 g/l).

Nowadays, factors such as globalization of trade, market uncertainty and fierce competition involve dwindling error margins in enterprises. Two key aspects for achieve it are the viability and the competitiveness of enterprises, which highly depend on the effectiveness for taking their decisions related to their manufacturing characteristics, such as economic efficiency, product quality, flexibility or reliability. For this reason, companies have taken the task, for many years, of develop better management information systems in order to help the decision makers to exploit data and models, with the final objective of discussing and improving decision-making. In this sense, decision support systems must be improved in order to deal with the large amount of available data and the heterogeneity of existing modeling approaches along the hierarchical levels in the enterprise structure. Hence, this thesis proposes the application of ontologies as a decision support tool, since they are increasingly seen as a key semantic technology for addressing heterogeneities and mitigating the problems they create and for enabling data mining by semantics-driven the knowledge processing. The aim of this thesis is to contribute to the development of decision support tools for the enterprise process industry. As a decision support tool, must be capable of become a robust model which interacts among the different decision hierarchical levels, providing a unified framework of data and information levels integration. On the other hand, this thesis also aims the improvement in the development of the ontologies. Firstly, a detailed state of the art about the different production process systems, knowledge management base on ontologies, as well as decision support systems is carried out. Based on this review, the specific thesis objectives are posed. Next, a methodology is proposed for the development and use of ontologies, based on the analysis and adaptation of previously existing methodologies. Such methodology is based on the improvement cycle (PSDA), allowing a better way to design, construct and apply domain ontologies. The second part of this thesis is devoted to the application of the different parts of the previously proposed methodology for the development of an ontological framework in the process industry domain concerning the strategic, tactical and operational decision levels. Next, the description of the decision areas in which the ontological framework is applied is presented. Namely, in the process control decision level, the coordination control is considered. Regarding scheduling decisions level, mathematical optimization approaches are applied. Finally, the distributed hierarchical decision level considers the mathematical optimization for decentralized supply chain networks is adopted. These decision areas and the performance of the proposed framework interaction are studied along the different case studies presented in the thesis. On the whole, this thesis represents a step forward toward the integration among the enterprise hierarchical levels, the process and enterprise standardization and improved procedures for decision-making. The aforementioned achievements are boosted by the application of semantic models, which are currently increasingly used. / En la actualidad, factores como la globalización del comercio, la incertidumbre del mercado y la feroz competencia implican la disminución de los márgenes de error en las empresas. Dos aspectos claves para lograrlo son la viabilidad y la competitividad de las enterprisesm, que dependen en gran medida la eficacia para la toma de sus decisiones relacionadas con sus características de fabricación, tales como eficiencia económica, la calidad del producto, la flexibilidad y fiabilidad. Por esta razón, las empresas han dado a la tarea, desde hace muchos años, de desarrollar mejores sistemas de gestión de la información con el fin de ayudar a los tomadores de decisiones de explotación de datos y modelos, con el objetivo final de la discusión y mejorar la toma de decisiones. En este sentido, los sistemas de apoyo a las decisiones deben ser mejorados con el fin de hacer frente a la gran cantidad de datos disponibles y la heterogeneidad de los métodos de modelización existentes a lo largo de los niveles jerárquicos en la estructura de la empresa. Por lo tanto, esta tesis se propone la aplicación de ontologías como herramienta de apoyo a la decisión, ya que son cada vez más como una tecnología clave semántica para hacer frente a las heterogeneidades y la mitigación de los problemas que crean y para permitir la extracción de datos por la semántica impulsado la elaboración del conocimiento. El objetivo de esta tesis es contribuir al desarrollo de herramientas de apoyo para la industria de procesos empresariales. Como una herramienta de apoyo a la decisión, debe ser capaz de convertirse en un modelo sólido que interactúa entre los diferentes niveles de decisión jerárquica, proporcionando un marco unificado de datos e integración de los niveles de información. Por otra parte, esta tesis también tiene como objetivo la mejora en el desarrollo del área de ingeniería ontológica. En primer lugar, un estado detallado de la técnica sobre los diferentes sistemas de procesos de producción, la base de la gestión del conocimiento en ontologías, así como los sistemas de soporte de decisiones se ha llevado a cabo. Basado en esa revision, los objetivos específicos de la tesis se plantean. A continuación, se propone una metodología para el desarrollo y uso de ontologías, con base en el análisis y adaptación de las metodologías ya existentes. Dicha metodología se basa en el ciclo de mejora (PSDA), lo que permite una mejor manera de diseñar, construir y aplicar las ontologías de dominio. La segunda parte de esta tesis se dedica a la aplicación de las diferentes partes de la metodología propuesta anteriormente para el desarrollo de un marco ontológico en el ámbito de la industria de procesos relativos a los niveles de decisiones estratégicas, tácticas y operativas. A continuación, la descripción de las áreas de decisión en la que se aplica el marco ontológico se presenta. Es decir, en el nivel de decision de proceso de control, el control de la coordinación se considera. En cuanto al nivel de decisiones de programación de la producción, los métodos matemáticos de optimización se aplican. Finalmente, el nivel jerárquico distribuido decisión considera la optimización matemática de las redes descentralizadas de la cadena de suministro que se adopte. Estas áreas de decisión y el desempeño de la interacción marco propuesto se estudian a lo largo de los diferentes casos de estudio presentados en la tesis. En general, esta tesis supone un paso hacia adelante en la integración entre los niveles jerárquicos de la empresa, el proceso y la estandarización de la empresa y mejorar los procedimientos de toma de decisiones. Los logros mencionados se potencian mediante la aplicación de modelos semánticos, que actualmente se utilizan cada vez más.

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Aquest treball es centra en l’estudi del procés de producció de la proteïna Ramnulosa 1-fosfat aldolasa (RhuA) en cultius d’alta densitat cel·lular d’Escherichia coli M15ΔglyA [pREP-4] pQEαβrham i la seva posterior purificació i immobilització a partir de tècniques de cromatografia d’afinitat a metalls. L’estudi de diferents estratègies de procés en bioreactor a escala laboratori heretades de treballs anteriors al grup de recerca on s’emmarca aquest treball permeten determinar una estreta dependència entre les condicions d’operació amb què es du a terme el procés i la qualitat (UA·mg-1RhuA) de la proteïna recombinant sintetitzada així com els rendiments de purificació de la proteïna sobre suports de tipus IMAC. És per aquest motiu doncs, que s’avaluen diferents estratègies de procés alternatives amb l’objectiu de maximitzar la qualitat de la proteïna recombinant sintetitzada i mantenir elevats nivells de purificació i immobilització d’aquesta per al seu ús com a biocatalitzador. Un primer pas per a l’optimització de la qualitat proteica consisteix a modelitzar matemàticament la producció de la proteïna recombinant en cultius d’alta densitat cel·lular en bioreactors a escala laboratori amb l’objectiu d’identificar l’efecte de les principals variables operacionals sobre aquesta. La modelització es realitza sobre una estratègia de procés base diferent de les heretades de treballs anteriors, que permet obtenir qualitats proteiques de partida superiors i identifica l’acumulació de glucosa, principal font de carboni, com a possible causa de degradació proteica ben entrada la fase d’inducció del cultiu a partir d’IPTG. Per altra banda, l’efecte de la inducció sobre el creixement cel·lular i sobre la pròpia producció de RhuA planteja la necessitat de redefinir les estratègies de cultiu implementades durant l’etapa d’inducció responent a perfils d’alimentació lineals (no incrementals) front els exponencials pre-programats tradicionals i a l’addició de determinats aminoàcids, prèviament a la inducció (i després d’un estudi de l’estructura primària de la proteïna), per tal de minimitzar les respostes d’estrès cel·lular a la sobreexpressió de proteïna. La combinació d’aquestes estratègies a escala laboratori porten a l’avaluació de la viabilitat del procés a una major escala productiva (30 L) amb resultats prometedors (màxims nivells d’activitat enzimàtica produïda i increments considerables de la quantitat de proteïna intracel·lular acumulada front d’estratègies de cultiu estàndard) que obren les portes a posteriors estudis per tal d’explotar la potencialitat del procés. / This work focuses on the study of the production process of the protein Rhamnulose 1-phosphate aldolase (RhuA) in high cell density cultures of Escherichia coli M15ΔglyA [PREP-4] pQEαβrham and its purification and immobilization through immobilized metal ion affinity chromatography techniques. The study of different process strategies in a laboratory scale bioreactor inherited from previous work allowed to determine a close dependency between the operating conditions that the culture is carried out through and protein quality ( AU·mg-1RhuA) as well as immobilization yields on IMAC supports. For this reason then, several alternative process strategies were tested in order to maximize the quality of the recombinant protein synthesized and maintain high yields of purification and immobilization to effectively use it as a biocatalyst. A first step for protein quality optimization was achieved by mathematical modeling the production of Rhamnulose 1-phosphate aldolase in high cell density cultures of E. coli in laboratory scale bioreactors in order to identify the effect of main operational variables on it. Cultures performed to calibrate the mathematical model were carried out through specific process strategies different than those inherited from earlier studies. These strategies allowed to obtain better values of protein quality and also to identify accumulation of glucose, the main carbon source, as a possible cause of protein degradation at the end of the induction stage of the process. Moreover, the effect of induction on cell growth and on RhuA production itself raised the need to redefine process strategies to be implemented during the induction stage of the process. Linear feeding profiles versus traditional predefined exponential feeding profiles and the addition of certain amino acids, before the induction stage (as a result of the study of the primary structure of the recombinant protein), were implemented to minimize the stress responses to overexpression of protein. The combination of these strategies, effective at laboratory scale, was used to scale-up the process to a 30 L fermenter to determine the feasibility of the process at a larger productive scale. Results obtained were promising from a production of RhuA point of view since maximum values for enzymatic activity were achieved and considerably increase of the amount of intracellular accumulated protein (comparing with induction schemes at the same intensity) was detected. The results open the door to further studies to be done in order to fully exploit the potential of the process

En aquest estudi es presenta el procés d'obtenció d'una proteïna recombinant, l'hormona gonadotrofina coriònica equina (eCG) en el llevat metilotròfic Pichia pastoris.S'ha sintetitzat els gens mitjançant la tècnica de PCR, ja que les seqüències són relativament curtes, 294 i 472 nucleòtids pels gens codificadors de la cadena α i β, respectivament. Això ha permès poder modificar la seqüència per tal d'adaptar-la a l'ús codons més utilitzats per P. pastoris, eliminar i afegir dianes de restricció per facilitar el clonatge, eliminar la seqüència senyal pròpia i treure els introns que conté la seqüència genòmica de la cadena β.D'acord amb la seqüència de DNA optimitzada obtinguda s'han dissenyat una sèrie d'oligonucleòtids amb una petita part de seqüència solapada que serviran per la síntesi de cada un dels dos gens. La tècnica de PCR ha permès la fusió d'aquests oligonucleòtids per obtenir els dos gens, els quals s'han clonat al plasmidi d'expressió pPICZα sota el control del promotor AOX.A partir dels plasmidis que contenen només un dels dos gens s'han obtingut dues construccions que contenen els dos cassets d'expressió en els dos ordres possibles: pPICZα-eCGα+β i pPICZα-eCGβ+α.S'han obtingut cinc transformants amb cada construcció, se n'ha avaluat la seva capacitat productiva amb cultius en erlenmeyer i una transferència de punts. S'han fet cultius en discontinu i en discontinu alimentat per produir suficient hormona per poder desenvolupar un procés de purificació i poder caracteritzar parcialment l'hormona recombinant. La cua de 6 histidines present en la cadena α hauria de permetre fer una purificació en un sol pas amb una cromatografia d'afinitat amb metalls quelants, però no ha estat així; la proteïna era incapaç d'unir-se a la resina i per tan, no s'ha pogut separar de la resta de proteïnes del brou mitjançant aquesta tècnica.Per això s'ha plantejat un procés de purificació més complex, tot i que s'ha procurat minimitzar-ne el nombre d'etapes. La concentració inicial del brou obtingut permet treballar amb volums més reduïts. Segueix una diafiltració que permet disminuir l'alt contingut en sals del brou de cultiu i tenir la proteïna en un tampó estàndard. D'aquesta manera també s'han eliminat les proteïnes de pes molecular més petit de 10 kDa.Segueixen dues etapes de cromatografia, la primera de bescanvi iònic i la segona ha estat de sedàs molecular. Amb aquest procés s'ha aconseguit un producte final suficientment pur, tot i que alguns dels resultats de la caracterització apunten que encara hi pot haver quedat alguna proteïna no desitjada de propietats físico-químiques molt semblants a la eCG.S'ha caracteritzat, breument, l'hormona recombinant parcialment purificada, comparant-la amb l'hormona nativa. S'ha determinat el pes molecular, el punt isoelèctric i el grau de glicosilació.Amb una preparació de eCG recombinant en solució salina s'han fet les proves d'activitat in vitro, que han donat positives i d'activitat in vivo, que han donat negatives.Així doncs, podem dir que s'ha aconseguit produir l'hormona eCG amb el llevat P. pastoris, tot i que falta perfeccionar el procés de purificació per a obtenir-la en quantitat i qualitat adequada. / In this study, the process of obtaining the recombinant protein equine Chorionic Gonadotrophin hormone (eCG) in the methylotrophic yeast Pichia pastoris is presented.The genes have been synthesized through the technique of PCR, since the sequences are relatively short, 294 and 472 nucleotides for the genes coding the alpha and beta chain, respectively. This has allowed to modify the sequence in order to adapt the sequence to the more used by P. pastoris, to eliminate and to add targets of restriction to improve the cloning, to eliminate the own signal sequence and to remove the introns that the genomic sequence contains.In accordance with the optimized sequence of DNA, we design four oligonucleotides for each chain, with a small part of overlapped sequence that will serve for the synthesis of each alpha and beta gene. The technique of PCR has allowed the fusion of these oligonucleotides. The genes have been cloned in pPICZα, a expression plasmid where the expression is under the control of the promoter AOX.From the plasmids that content only one of the genes, we construct the plasmids that content both cassettes of expression in the two possible orders: pPICZ-eCGα+β and pPICZ-eCGβ+α.Five transformants have been obtained with each construction, its productive capacity with erlenmeyer culture has been estimated.Cultures have been made in batch and in fed-batch for producing enough hormone for being able to develop a process of purification and being able to characterize partially the recombining hormone.The presents of 6 histidines tag in the alpha chain should allow to make a purification in one step by an affinity chromatography, but it has not been possible; the protein was incapable of joining to the resin and for so, it has not been able to break away from the rest of proteins of the broth.Because of that, a process of purification more complex has been brought up; even though it has been tried to minimize the number of stages. The initial concentration of the broth allows to work with more reduced volumes. A diafiltration allows to reduce the high concentrations of salts from the medium culture and to have the protein in a standard buffer. In this way also the proteins of smaller molecular weight (10 kDa) have been eliminated.Two stages of chromatography follow the concentration; the first is a ionic exchange and the second is a gel-filtration chromatography. With this process a final product pure enough has been achieved, even though some of the results of the characterization aim that some protein is not eliminated, a protein with Physico-chemical properties very similar to the eCG.The recombinant hormone partially purified is briefly characterized and it is compared with the native hormone. The molecular weight, the isoelèctric point and the degree of glycosylation have been determinate. With the same recombinant hormone the in vitro and in vivo activity has been analyzed, the first one gives us a positive result but not the second one.So, we can say that it has been achieved to produce the hormone eCG with the yeast P. pastoris, even though an improve of the process of purification in needed to obtain a recombinant product in a suitable quality.

En aquest treball s'utilitza el fong Trametes versicolor, per al tractament de lleixius negres. Aquestes aigües residuals, procedents de la industria paperera son molt tòxiques i contenen una elevada càrrega orgànica, constituint un veritable problema ambiental per aquelles empreses que les produeixenDesprés d'una introducció general sobre la producció del paper i la seva problemàtica ambiental, es continua amb la presentació dels resultats obtinguts. Aquests es presenten diferenciats en dos capítols:- Inicialment es presenten les investigacions realitzades en el tractament del lleixius negres amb el fong Trametes versicolor. Aquests treballs es varen iniciar amb erlenmeyer, determinat-se les condicons de treball en quant a temperatura agitació i concentració de glucosa. Seguidament es passà a realitzar assaigs amb bioreactors. S'han utilitzat diferents tipus de bioreactors i de diferents volums. S'ha treballat des de tancs agitats de 300 ml, fins a un reactor tipus air-lift de 2 l. Els millors resultats, però, s'han obtingut amb reactors de tipus llit fluiditzat de 450 ml i reactors de llit fix de 450 ml. S'ha treballat amb el fong en forma de pellets i amb el fong immobilitzat en cubs de niló i d'escuma de poliuretà. A partir dels resultats obtinguts s'ha estudiat tant, la relació entre la producció enzimàtica i els paràmetres ambientals seguits com, la relació entre si dels diferents paràmetres ambientals.- En un segon apartat es presenten els treballs duts a terme en el monitoratge del procés. En aquest sentit s'ha realitzat el muntatge d'un sistema d'adquisició de dades que inclou, mesura del pH i del pO2 i, mesures en línia, utilitzant la tècnica FIA (Flow Injection Analysis) del color, els compostos aromàtics i dels enzims lacasa i lignina peroxidasa. A més, en realitzar la validació del FIA de lignina peroxidasa amb lleixius negres, es va detectar un problema d'inhibició de l'enzim en presència de composts lignínics.El treball finalitza amb l'Apèndix, on s'inclouen una bona part dels programes, muntatges i circuits electrònics realitzats, que han estat utilitzats en el monitoratge del procés. / En este trabajo se utiliza el hongo Trametes versicolor, para el tratamiento de lejías negras. Estas aguas residuales, procedentes de la industria papelera son muy tóxicas y contienen una elevada carga orgánica, constituyendo un verdadero problema ambiental en aquellas empresas que las producen.Después de una introducción general sobre la producción del papel y su problemática ambiental, se continúa con la presentación de los resultados obtenidos. Estos se presentan diferenciados en dos capítulos:- Inicialmente se presentan las investigaciones realizadas en el tratamiento del lejías negras con el hongo Trametes versicolor. Estos trabajos se iniciaron a escala erlenmeyer, determinándose las condiciones de trabajo en cuanto a temperatura agitación y concentración de glucosa. Seguidamente se pasó a realizar ensayos con biorreactores. Se han utilizado diferentes tipos de biorreactores y de diferentes volúmenes. Se ha trabajado con reactores de tanque agitado de 300 ml, así como con un reactor tipo air-lift de 2 l. Los mejores resultados, pero, se han obtenido con reactores de tipo lecho fluidizado de 450 ml y reactores de lecho fijo de 450 ml. Se ha trabajado con el hongo en forma de pellets y con el hongo inmovilizado en cubos de nylon y de espuma de poliuretano. A partir de los resultados obtenidos se ha estudiado tanto, la relación entre la producción enzimática y los parámetros ambientales seguidos como, la relación entre si de los diferentes parámetros ambientales.- En un segundo apartado se presentan los trabajos llevados a cabo en la monitorización del proceso. En este sentido se ha realizado el montaje de un sistema de adquisición de datos que incluye, medida del pH y del pO2 y, medidas en línea, utilizando la técnica FÍA (Flow Injection Analysis) del color, los compuestos aromáticos y de las enzimas lacasa y lignina peroxidasa. Además, al realizar la validación del FÍA de lignina peroxidasa con lejías negras, se detectó un problema de inhibición de la enzima en presencia de compuestos lignínicos.El trabajo finaliza con un Apéndice, dónde se incluyen una buena parte de los programas, montajes y circuitos electrónicos realizados, que han sido utilizados en la monitorización del proceso. / In this work the white-rot fungus Trametes versicolor is used for the treatment of black liquors. This type of wastewaters, coming from the pulp and paper industry, are very toxic and they content a high organic load, constituting a significant environmental problem for those companies that produce them.A general introduction on the pulp and paper industry and its environmental problems is followed with the presentation of the obtained results. These results are shown in two main chapters:- Initially the research carried out with Trametes versicolor applied to the treatment of black liquor is shown. These works started at Erlenmeyer level, to determine the work conditions with respect to agitation, temperature and glucose concentration. Next, assays in bioreactor were carried out. Different types of bioreactors (with different volumes) have been used. Work was performed with agitated tanks of 300 ml, and air-lift type reactor of 2 l. The best results, however, were obtained when 450 ml bed fluidized reactor was used. Assays were performed with the fungus in the form of pellets and with the fungus immobilized in cubes of nylon and polyurethane foam. From the obtained results, correlations between the enzymatic production and the environmental parameters, and the correlation among the different environmental parameters, have been studied.- In a second chapter research carried out on process monitoring are presented. An automated system for on-line measurement of enzyme activity is proposed. The system uses a flow injection manifold in the stopped-flow mode to measure initial reaction rates. The time during which the flow is halted is selected in such a way as to optimise the enzyme/substrate ratio for the correct determination of activity values. The proposed system was used to determine the activity of laccase produced by the fungus Trametes versicolor immobilised on nylon in a fixed-bed reactor used for treating pulp mill waste water. Also a data acquisition system was developed for the monitoring of pH, pO2, color and aromatic compounds.