[ES] Históricamente, el sector del transporte de servicio mediano y pesado ha sido desafiado por las regulaciones de emisiones que se han impuesto a lo largo de los años, lo que requirió intensificar el esfuerzo de investigación con el objetivo de avanzar en el desarrollo tecnológico para ofrecer una opción que cumpla con las normas a un precio similar para el propietario. No obstante, la reciente introducción de la normativa EUVI ha requerido la adición de un complejo sistema de postratamiento, agregando nuevos costes fijos al producto, así como costes operativos con el consumo de urea. Este avance fue necesario debido a la limitación de la combustión diésel convencional que no puede desacoplar las altas emisiones de NOx y la eficiencia. Esta limitación tecnológica ha impulsado la investigación sobre diferentes conceptos de combustión que podrían mantener niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel controlando la formación de emisiones durante el proceso de combustión. Entre las diferentes soluciones que han ido apareciendo a lo largo de los años, se demostró que la Ignición por Compresión Controlada por Reactividad (RCCI por sus siglas en inglés) tiene una ventaja competitiva debido a su mejor controlabilidad, alta eficiencia y bajas emisiones de hollín y NOx. A pesar de sus beneficios, la extensión de RCCI a la operación de mapa completo ha indicado limitaciones importantes como gradientes de presión excesivos a alta carga, o alta inestabilidad de combustión y productos no quemados a baja carga del motor. Recientemente, se introdujo el concepto de combustión Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) como un intento de resolver los inconvenientes de la combustión RCCI manteniendo sus ventajas. Los resultados preliminares obtenidos en un motor mono cilíndrico (SCE por sus siglas en inglés) han demostrado que el DMDF puede alcanzar niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel convencional al mismo tiempo que favorece niveles ultra bajos de hollín y NOx. Si bien, los requisitos de la condición límite son difíciles de encajar en el rango operativo de sistema de gestión de aire, así como inconvenientes como el exceso de HC y CO que aún persiste en la zona de baja y media carga, lo que puede ser un desafío para el sistema de postratamiento. Además, las futuras regulaciones a corto plazo exigirán una reducción del 15 % de las emisiones de CO2 en 2025, reto que la literatura sugiere que no se logrará fácilmente solo mediante la optimización del proceso de combustión. En este sentido, esta tesis tiene como objetivo general la implementación del concepto de combustión DMDF en un motor multicilindro (MCE por sus siglas en inglés) bajo las restricciones de las aplicaciones reales para realizar una combustión limpia y eficiente en el mapa completo a la vez que brinda alternativas para reducir la concentración de HC y CO y lograr un ahorro de CO2. Este objetivo se logra mediante un primer extenso procedimiento de calibración experimental que tiene como objetivo trasladar las pautas de la combustión DMDF del SCE al MCE respetando los límites operativos del hardware original, evaluando su impacto en los resultados de combustión, rendimiento y emisiones en condiciones estacionarias y condiciones de ciclo de conducción. A continuación, se realizan estudios específicos para abordar el problema relacionado con la concentración excesiva de productos no quemados mediante investigaciones experimentales y simulaciones numéricas para comprender las consecuencias del uso de combustibles con diferente reactividad en la eficiencia de conversión del catalizador de oxidación original y su capacidad para lograr emisiones en el escape menores que el límite EUVI. Finalmente, se busca la reducción de CO2 a través de la modificación del combustible, investigando tanto la mejora del proceso de combustión como el equilibrio entre el ciclo de vida del combustible. / [CA] Històricament, el sector del transport de servei mitjà i pesat ha sigut desafiat per les regulacions d'emissions que s'han imposat al llarg dels anys, la qual cosa va requerir intensificar l'esforç d'investigació amb l'objectiu d'avançar en el desenvolupament tecnològic per a oferir una opció que complisca amb les normes a un preu similar per al propietari. No obstant això, la recent introducció de la normativa EUVI ha requerit l'addició d'un complex sistema de postractament, agregant nous costos fixos al producte, així com costos operatius amb el consum d'urea. Aquest avanç va ser necessari a causa de la limitació de la combustió dièsel convencional que no pot desacoblar les altes emissions de NOx i l'eficiència. Aquesta limitació tecnològica ha impulsat la investigació sobre diferents conceptes de combustió que podrien mantindre nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel controlant la formació d'emissions durant el procés de combustió. Entre les diferents solucions que han anat apareixent al llarg dels anys, es va demostrar que la Ignició per Compressió Controlada per Reactivitat (RCCI per les seues sigles en anglés) té un avantatge competitiu a causa de la seua millor controlabilitat, alta eficiència i baixes emissions de sutge i NOx. Malgrat els seus beneficis, l'extensió del RCCI a l'operació de mapa complet ha indicat limitacions importants com a gradients de pressió excessius a alta càrrega, o alta inestabilitat de combustió i productes no cremats a baixa càrrega del motor. Recentment, es va introduir el concepte de combustió Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) com un intent de resoldre els inconvenients de la combustió RCCI mantenint els seus avantatges. Els resultats preliminars obtinguts en un motor mono-cilíndric (SCE per les seues sigles en anglés) han demostrat que el DMDF pot aconseguir nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel convencional al mateix temps que afavoreix nivells ultra baixos de sutge i NOx. Si bé, els requisits de la condició límit són difícils d'encaixar en el rang operatiu de sistema de gestió d'aire, així com inconvenients com l'excés de HC i CO que encara persisteix en la zona de baixa i mitja càrrega, la qual cosa pot ser un desafiament per al sistema de postractament. A més, les futures regulacions a curt termini exigiran una reducció del 15% de les emissions de CO¿ en 2025, repte que la literatura suggereix que no s'aconseguirà fàcilment només mitjançant l'optimització del procés de combustió. En aquest sentit, aquesta tesi té com a objectiu general la implementació del concepte de combustió DMDF en un motor multi-cilindre (MCE per les seues sigles en anglés) sota les restriccions de les aplicacions reals per a realitzar una combustió neta i eficient en el mapa complet alhora que brinda alternatives per a reduir la concentració de HC i CO i aconseguir un estalvi de CO¿. Aquest objectiu s'aconsegueix mitjançant un primer extens procediment de calibratge experimental que té com a objectiu traslladar les pautes de la combustió DMDF del SCE al MCE respectant els límits operatius del motor original, avaluant el seu impacte en els resultats de combustió, rendiment i emissions en condicions estacionàries i condicions de cicle de conducció. A continuació, es realitzen estudis específics per a abordar el problema relacionat amb la concentració excessiva de productes no cremats mitjançant investigacions experimentals i simulacions numèriques per a comprendre les conseqüències de l'ús de combustibles amb diferent reactivitat en l'eficiència de conversió del catalitzador d'oxidació original i la seua capacitat per a aconseguir emissions al tub d'escapament menors que el límit EUVI. Finalment, es busca la reducció de CO2 a través de la modificació del combustible, investigant tant la millora del procés de combustió com l'equilibri entre el cicle de vida del combustible. / [EN] The medium and heavy-duty transport sector was historically challenged by the emissions regulations that were imposed along the years, requiring to step up the research effort aiming at advancing the product development to deliver a normative compliant option at similar price to the owner. Nonetheless, the recent introduction of EUVI normative have required the addition of a complex aftertreatment system, adding new fixed costs to the product as well as operational costs with the urea consumption. This breakthrough was required due to the limitation of the conventional diesel combustion which cannot decouple high NOx emissions and efficiency. This technological limitation has boosted the investigation on different combustion concepts that could maintain similar efficiency levels than the diesel combustion while controlling the emission formation during the combustion process. Among the different solutions that have appeared along the years, Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) was demonstrated to have a competitive edge due to its better controllability, high efficiency and low soot and NOx emissions. Despite the benefits, the extension of RCCI to full map operation has presented significant limitations, as excessive pressure gradients at high load and high combustion instability and unburned products at low engine load. Recently, Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) combustion concept was introduced as an attempt of solving the drawbacks of the RCCI combustion while maintaining its advantages. The preliminary results obtained in single cylinder engine (SCE) have evidenced that DMDF can achieves similar efficiency levels than those from conventional diesel combustion while promoting ultra-low levels of soot and NOx. Albeit, the boundary condition requirements are hard to fit in the operating range of commercial air management system as well as drawbacks like excessive HC and CO that still persists from low to medium load, which can be a challenge for the aftertreatment system. Moreover, short-term future regulations will demand a 15 % reduction of CO2 emissions in 2025 which was proven in the literature to not be easily achieved only by combustion process optimization. In this sense, this thesis has as general objective the implementation of the DMDF combustion concept in a multi-cylinder engine (MCE) under the restrictions of real applications to realize clean and efficient combustion in the complete map while providing alternatives to reduce the HC and CO concentration and accomplish CO2 savings. This objective is accomplished by means of a first extensive experimental calibration procedure aiming to translate the guidelines of the DMDF combustion from the SCE to the MCE while respecting the operating limits of the stock hardware, assessing its impacts on combustion, performance, and emission results under steady and driving cycle conditions. Next, dedicated studies are performed to address the issue related with the excessive concentration of unburned products by means of experimental investigations and numerical simulations, to understand the consequences of using fuels with different reactivity in the stock oxidation catalyst conversion efficiency and its ability in achieving EUVI tailpipe emissions. Finally, CO2 reduction is explored through fuel modification, investigating both combustion process improvement and well-to-wheel balance as paths to realize CO2 abatement. / This doctoral thesis has been partially supported by the Spanish Ministry of Science Innovation and Universities under the grant:"Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores" (PRE2018-085043) / Lago Sari, R. (2021). Dual Mode Dual Fuel Combustion: Implementation on a Real Medium Duty Engine Platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165366

[ES] Las regulaciones medioambientales imponen el uso de refrigerantes con cada vez menor Poder de Calentamiento Atmosférico (PCA), y obligan a que la búsqueda de refrigerantes alternativos a los actuales sea una necesidad real acorde a las tendencias del sector. El paso de los refrigerantes actuales a la utilización de refrigerantes alternativos no es inmediato ni mucho menos sencillo. La complejidad a nivel tecnológico es muy elevada, dado que el uso de un nuevo refrigerante exige diseñar y desarrollar de cero todos los componentes del circuito, puesto que poseen unas especificaciones y requerimientos de funcionamiento totalmente diferentes de los que poseen los refrigerantes actuales. La motivación principal de la tesis doctoral es la de plantear lo primeros pasos para el desarrollo de un equipo de bomba de calor para climatización que utilice un refrigerante con un bajo índice de PCA como el propano, en sustitución del que emplea la unidad actualmente (R410A), reduciendo así el impacto medioambiental del equipo y mejorando sus propiedades. Todo esto se encuentra incluido en los siguientes puntos: - Anticipar el cambio de tecnología necesario para el cumplimiento de la regulación F-GAS, asegurando menores emisiones para el medio ambiente y manteniendo la eficiencia energética actual mediante el desarrollo de equipos de bomba de calor con capacidad de modulación y con propano como fluido refrigerante. - Desarrollar herramientas de modelado y simulación para las diferentes plataformas objetivo. - Obtener conocimiento específico sobre el comportamiento de la bomba de calor mediante el análisis experimental con prototipos funcionales bajo las condiciones de trabajo especificadas, con la intención de conocer su funcionamiento, además de sus limitaciones, exigencias prácticas y sus necesidades de control. - Facilitar el diseño y desarrollo industrial de nuevos equipos de climatización mediante las herramientas de simulación y los datos experimentales obtenidos a través de prototipos funcionales. Motivada por este nuevo escenario, esta tesis se centra en estudiar qué posibilidades existen en medio-largo plazo en el desarrollo de bombas de calor para ajustarse a la regulación existente, no solo en cuanto a requerimientos ambientales sino también energéticos. Para ello, el primer paso ha sido el de realizar una sustitución directa del refrigerante original de la unidad aerotérmica, el R410A, por R290 para establecer el punto de referencia y poder conocer qué prestaciones es capaz de desarrollar esa misma unidad sin un rediseño del circuito de refrigerante. Tras esta primera evaluación, se ha llevado a cabo un estudio teórico de distintas configuraciones de circuito frigorífico con propano para evaluar las ventajas e inconvenientes entre ellas, con el objetivo de elegir la que mejor se ajuste al cumplimiento de los objetivos marcados. Este estudio se ha efectuado en tres ámbitos distintos: calefacción a baja temperatura, alta temperatura y condiciones de alta temperatura de impulsión de agua hasta 75ºC. En todos ellos, el resultado principal que se ha considerado ha sido el de eficiencia, lo que ha permitido obtener un orden de las tipologías estudiadas en función de los resultados obtenidos. A pesar de esto, esta evaluación también ha puesto de manifiesto otra característica intrínseca a cada uno de ellos como es su límite de funcionamiento en relación con la máxima temperatura de impulsión de calefacción. Tras ello, se ha construido un prototipo de bomba de calor funcional completo para ejecutar la fase experimental, que incluya hasta tres de las tipologías evaluadas en la fase teórica previa, para que, con todos los ensayos pertinentes, los resultados permitan seleccionar la tipología de circuito de refrigerante que se integre en un prototipo final. Este prototipo permitirá caracterizar el funcionamiento del sistema tanto para una plataforma aire-agua, como para una plataforma salm / [CA] Les regulacions mediambientals imposen l'ús de refrigerants amb cada vegada menor Poder d'Escalfament Atmosfèric (PCA), i obliguen a que la recerca de refrigerants alternatius als actuals sigui una necessitat real d'acord amb les tendències del sector. El pas dels refrigerants actuals a l'utilització de refrigerants alternatius no és immediat ni tampoc fàcil. La complexitat a nivell tecnològic és molt elevada, ja que l'ús d'un nou refrigerant exigeix dissenyar i desenvolupar de zero tots els components del circuit, tenint en conta que tenen unes especificacions i requeriments de funcionament totalment diferents dels que posseeixen els refrigerants actuals. La motivació principal de la tesi doctoral és la de plantejar el primers passos per al desenvolupament d'un equip de bomba de calor per a climatització que utilitzi un refrigerant amb un baix índex de PCA com el propà, en substitució del què empra la unitat actualment (R410A), reduint així l'impacte mediambiental de l'equip i millorant les seves propietats. Tot això es troba inclòs en els següents punts: - Anticipar el canvi de tecnologia necessari per al compliment de la regulació F-GAS, assegurant menors emissions per al medi ambient i mantenint l'eficiència energètica actual mitjançant el desenvolupament d'equips de bomba de calor amb capacitat de modulació i amb propà com a fluid refrigerant. - Desenvolupar ferramentes de modelatge i simulació per a les diferents plataformes objectiu. - Obtenir el coneixement específic sobre el comportament de la bomba de calor mitjançant l'anàlisi experimental amb prototips funcionals en les condicions de treball especificades, amb la intenció de conèixer el seu funcionament, a més de les seues limitacions i exigències pràctiques i les seues necessitats de control. - Facilitar el disseny i desenvolupament industrial de nous equips de climatització mitjançant les ferramentes de simulació i les dades experimentals obtingudes a través de prototips funcionals. Motivada per aquest nou escenari, aquesta tesi es centra a estudiar quines possibilitats hi ha al mitjá-llarg termini en el desenvolupament de bombes de calor per a ajustar-se a la regulació existent, no només en relació amb el requeriments ambientals sinó també energètics. Per això, el primer pas ha sigut el de fer una substitució directa del refrigerant original de la unitat aerotèrmica, el R410A, per R290 per establir el punt de referència i poder conèixer quines prestacions és capaç de desenvolupar aquesta mateixa unitat sense un redisseny del circuit de refrigerant. Després d'aquesta primera avaluació, s'ha dut a terme un estudi teòric de diferents configuracions de circuit frigorífic amb propà per avaluar els avantatges i inconvenients entre elles, amb l'objectiu de triar la que millor s'ajusti a l'acompliment dels objectius marcats. Aquest estudi s'ha efectuat en tres àmbits diferents: calefacció a baixa temperatura, alta temperatura i condicions d'alta temperatura d'impulsió d'aigua fins a 75ºC. En tots ells, el resultat principal que s'ha considerat ha sigut el d'eficiència, el que ha permès obtenir un ordre de les tipologies estudiades en funció dels resultats obtinguts. Tot i això, aquesta avaluació també ha posat de manifest una altra característica intrínseca a cada un d'ells com és el seu límit de funcionament en relació amb la màxima temperatura d'impulsió de calefacció. Després d'això, s'ha construït un prototip de bomba de calor funcional complet per executar la fase experimental, que inclogui fins a tres de les tipologies avaluades en la fase teòrica prèvia, perquè, amb tots els assajos pertinents, els resultats permeten seleccionar la tipologia de circuit de refrigerant que s'integri en un prototip final. Aquest prototip permetrà caracteritzar el funcionament de sistema tant per a una plataforma aire-aigua, com per a una plataforma salmorra-aigua, a través del canvi del bescanviador / [EN] Environmental regulations impose the use of refrigerants with less and less Global Warming Potential (GWP), and force that the search for alternative refrigerants in order to substitute the current ones is a real need according to the trends in the sector. The transition from current refrigerants to the use of alternative refrigerants is neither immediate nor simple. The complexity at the technological level is very high, since the use of a new refrigerant requires a new design and a new development for all the components along the refrigerant circuit, since they may have totally different specifications and operating requirements compared to the traditional refrigerants. The main motivation of this thesis is to present the initial stages concerning the development of a heat pump unit for space heating that uses a lo GWP refrigerant like propane, replacing the current refrigerant of the unit (R410A), leading to a reduction of the environmental impact of this equipment and improving its properties. All this has been included on the following points: - Anticipate the required technology change to be compliant with the F-GAS regulation, ensuring low-impact emissions to the atmosphere and keeping a similar energy efficiency through the development of heat pump units with heating capacity modulation and with propane as refrigerant. - Develop modelling and simulation tools for the different platforms approaches. - Obtain specific knowledge about the heat pump performance through experimental analysis with functional prototypes under the specified working conditions, with the aim of acquiring knowledge not only about its operation, but also about its limitations, practical requirements and its control needs. - Contribute to the industrial design and development of new space heating equipment using simulation tools and experimental data obtained through functional prototypes. Motivated by this new scenario, this thesis focuses on studying the available options in the medium-long term concerning the heat pump development in order to be compliant with the applicable regulations, not only in terms of environmental requirements but also energy requirements. To do this, the first step has been related to carry out a direct replacement of the original refrigerant of the aerothermal unit, R410A, with R290 to establish the reference point and to be able to know the performance of the original unit without considering a redesign of the refrigerant circuit. After this initial evaluation, a theoretical study of different refrigerant circuit configurations with propane has been carried out with the purpose of evaluating the advantages and disadvantages among them, in order to choose the one that fulfils the performance requirements the best. This study has been executed in three different areas: low heating temperature, high heating temperature and high water flow temperature conditions up to 75ºC. In all of them, the main result considered has been the efficiency, which has enabled to obtain a priority order based on the results obtained. Despite this, this evaluation has also revealed another attached feature, such as their operating limit in relation to the maximum heating flow temperature. After that, a complete functional heat pump prototype has been built to execute the experimental phase, which includes up to three of the typologies evaluated in the previous theoretical phase, so that, with all the corresponding tests, the results allow to select the typology of refrigerant circuit to be integrated into a final prototype. This prototype has also enabled the performance characterization for two different types of platforms, air-water and brine-water, by changing of the corresponding exchanger using cutting valves. In parallel to this, a certain phenomenon related to the behaviour of the refrigerant have been studied through different operating conditions for each typology as well as the proper measures to improve the system control. As / López Juárez, E. (2021). Desarrollo de una bomba de calor doméstica que usa propano como fluido de trabajo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174570

[ES] La reducción de emisiones en motores de combustión interna (MCI) es uno de los mayores desafíos técnicos de la sociedad. Aunque están surgiendo nuevas tecnologías para la movilidad, el ICE seguirá teniendo un papel clave en el transporte durante las próximas décadas. Los motores diesel son un desafío en términos de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOX) y hollín. De hecho, el último representa el 50 % de las emisiones totales de este tipo de motores. En este contexto, las nuevas tecnologías de hardware y los nuevos combustibles renovables han mostrado un gran potencial para reducir las emisiones de hollín sin afectar la eficiencia del motor (emisiones de CO2). Por esta razón, los impactos del uso de e-fuels (OMEX y FT diesel) y diferentes geometrías del bowl del pistón (reentrante, labio escalonado y labio escalonado con ondas) en la formación de hollín y el desarrollo de la combustión han sido analizados en un motor óptico mono cilíndrico diesel. Primero, se realizó una caracterización del flujo en el cilindro utilizando un pistón de geometría real (Reentrante) y aplicando la técnica de velocímetro de imágenes por partículas (PIV). Posteriormente, se analizó el movimiento de la llama, el proceso de combustión y la formación de hollín para diferentes geometrías de pistón mediante diversas técnicas ópticas como la velocímetro de imagen por combustión (CIV), luminosidad natural, quimioluminiscencia OH * y pirometría de 2 colores. Finalmente, se estudió el proceso de combustión y la formación de hollín al utilizar diferentes e-fuels aplicando las mismas técnicas ópticas utilizadas anteriormente. Además, para esta parte del estudio, se incluyó una técnica óptica específica denominada espectroscopia de alta velocidad para el análisis de hollín. Con respecto a la evaluación de las distintas geometrías del bowl, el labio escalonado y el labio escalonado con ondas presentaron una oxidación tardía del hollín que ha sido más rápida en comparación con la geometría reentrante. En condiciones extremas de hollín, también se observaron diferencias entre el labio escalonado y el labio escalonado con ondas. Se observó una oxidación más rápida del hollín para el segundo. Los e-fuels mostraron una notable reducción en la formación de hollín (especialmente OMEX) en comparación con el diesel fósil. A partir del análisis de espectroscopia, es posible afirmar la ausencia de hollín durante la combustión de OMEX puro. En general, tanto la aplicación de nuevos hardware (geometrías de bowls) como nuevos tipos de combustibles (e-fuels) en motores diesel han presentado un gran potencial para disminuir las emisiones de hollín / [CA] La reducció d'emissions en motors de combustió interna (MCI) es un dels majors reptes tècnics de la societat. Encara que estan sorgint noves tecnologies per a la mobilitat, el ICE seguirà tenint un paper clau en el transport durant les pròximes dècades. Els motors diesel son un dels reptes en termes d'emissió de contaminants, en particular òxids de nitrogen (NOX) i sutge. De fet, l'últim representa el 50% de les emissions totals d'aquest tipus de motor. Dins aquest context, les noves tecnologies de hardware y de nous combustibles renovables han mostrat un gran potencial per reduir les emissions de sutge sense afectar l'eficiència del motor (emissions de CO2). Per aquesta raó, els impactes sobre l'ús de e-fuels (OMEX i FT-diesel) i diferents geometries de bowl del pistó (re-entrant, llavi escalonat i llavi escalonat amb ones) en la formació de sutge i el desenvolupament de la combustió, han estat analitzats en un motor òptic mono-cilíndric diesel. Primer, es va realitzar una caracterització de flux en el cilindre utilitzant un pistó amb geometria real (re-entrant) i aplicant la tècnica de velocimetria de imatges per partícules (PIV). Posteriorment, es va analitzar el moviment de la flama, el procés de combustió i la formació de sutge per a diferents geometries de pistó mitjançant diverses tècniques òptiques com per exemple la de velocimetria de imatge per combustió (CIV), lluminositat natural, quimioluminescència de OH* i pirometria de 2 colors. Finalment, es va estudiar el procés de combustió i la formació de sutge utilitzant diferents e-fuels aplicant les mateixes tècniques òptiques utilitzades anteriorment. A més, per aquesta part de l'estudi, es va implementar una tècnica òptica específica denominada espectroscòpia d'alta velocitat per a l'anàlisi del sutge. Respecte a l'avaluació de les distintes geometries de bowl, els llavis escalonats i els escalonats amb ones presentaren una oxidació tardana del sutge que ha estat més ràpida en comparació amb la de geometria re-entrant. En condicions extremes de sutge, també es varen observar diferencies entre la geometria de llavi escalonat y la de llavi escalonat amb ones. Es va observar una oxidació més ràpida del sutge per al segon. Els e-fuels mostraren una reducció més ràpida del sutge (especialment l'OMEX) en comparació amb el diesel fòssil. A partir de l'anàlisi d'espectroscòpia, es possible afirmar l'absència de sutge durant la combustió de l'OMEX pur. En general, tant l'aplicació de nous hardwares (geometries de bowl) com nous tipus de combustibles (e-fuels) en motors diesel han presentat un gran potencial per a la reducció d'emissions de sutge. / [EN] The emissions reduction in internal combustion engines (ICE) is one of the greatest technical challenges of society. Although new technologies for mobility are emerging, the ICE will still have a key role in transport over the next decades. Diesel engines are challenging in terms of pollutant emissions, in particular nitrogen oxides (NOX) and particles. In fact, the last one represents 50 % of total emissions of this kind of engine. In this context, new hardware technologies as well as new renewable fuels have shown great potential to reduce soot emissions without affecting engine efficiency (CO2) emissions. For this reason, the impacts of using e-fuels (OMEX and FT-diesel) and different piston bowl geometries (re-entrant, stepped lip and stepped lip-wave bowl) on soot formation and combustion development were analyzed in a single cylinder optical diesel engine. First, an in-cylinder flow characterization when using a real bowl shape was performed by applying particle image velocimetry (PIV) technique. Subsequently, the flame movement, combustion process and soot formation were analyzed for different piston geometries through several optical techniques such as combustion image velocimetry (CIV), natural luminosity, OH* chemiluminescence and 2 color pyrometry. Finally, the combustion process and soot formation when using different e-fuels were studied by applying the same optical techniques used previously. In addition, for this part of the study, it was included a specific optical technique named high-speed spectroscopy for the soot analysis. Regarding the bowl geometries evaluation, the stepped lip and wave-stepped lip presented a faster late soot oxidation in comparison with the re-entrant geometry. Under extreme soot conditions, differences were also observed between the wave-stepped lip and the stepped lip. A faster soot oxidation was observed for the first one. The e-fuels showed a remarkable reduction in soot formation (especially OMEX) when compared with fossil diesel. From the spectroscopy analysis, it is possible to state the absence of soot during the combustion of pure OMEX. In general, the application of new hardware (bowl geometries) as well as new kind of fuels in diesel engines have presented a great potential in order to diminish the soot emissions. / This work was partially funded by Generalitat Valenciana through the Programa Santiago Grisolía (GRISOLIAP/2018/142) program. / Vargas Lewiski, FD. (2021). Analysis of the combustion process and soot formation in a single cylinder optical engine fueled with e-fuels and using different piston geometries [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180351

[ES] Las normativas cada vez más restrictivas sobre las emisiones contaminantes de los vehículos de motor impuestas por la Unión Europea han obligado a los fabricantes de equipos originales (OEM) a proporcionar a los centros de investigación herramientas e instalaciones que pueden reproducir de forma precisa y repetida diferentes condiciones atmosféricas durante las primeras etapas del desarrollo del motor. En la actualidad la legislación europea incluye pruebas de emisiones reales en conducción (RDE) en diferentes condiciones atmosféricas, con altitudes de hasta 1300 metros sobre el nivel del mar y temperaturas que alcanzan los -7 ºC. Esto se ha hecho típicamente utilizando cámaras climáticas y altimétricas que permiten la reproducción de las condiciones atmosféricas en toda la celda de prueba, y más recientemente conectando a motor simuladores de altitud acoplados con unidades de tratamiento de aire (AHU). En esta Tesis Doctoral, se presenta la mejora del simulador de altitud comercializado por la empresa HORIBA denominado MEDAS, utilizando procedimientos tanto inductivos como deductivos, con el objetivo de ampliar el rango de prestaciones de la instalación, así como mejorar la precisión del control de la presión del aire comburente y reducir el consumo energético global. Además, durante esta fase, se lleva a cabo el desarrollo de un modelo 1D del simulador de altitud, con el que es posible obtener resultados precisos sobre el desempeño de la instalación para diferentes condiciones de contorno, como puede ser el punto operativo del motor, la presión de la sala o la temperatura del agua de refrigeración. A continuación, se han desarrollado dos nuevos equipos: el Módulo de Temperatura del MEDAS (MTM) y el Módulo de Humedad del MEDAS (MHM); mejorando las estrategias de control y algunos componentes clave (por ejemplo, la columna de agua de burbujas) para controlar con precisión la temperatura y la humedad del aire de combustión. Estos dos junto con el MEDAS crean un simulador de atmósfera completo, que permite el control independiente de las tres variables psicrométricas del aire de combustión del motor: presión, temperatura y humedad. Por último, el simulador de atmósfera desarrollado se utiliza para estudiar el efecto que las tres variables psicométricas del aire ambiente tienen sobre el rendimiento y las emisiones contaminantes de un motor Diesel Euro 6 turboalimentado, demostrando el gran efecto que tiene la humedad ambiental sobre las emisiones contaminantes de los motores Diesel y la necesidad de considerar este parámetro en las estrategias de calibración. Algunos resultados obtenidos podrían ser la reducción de potencia que el motor sufre al operar en condiciones de altitud, los cambios que la temperatura ambiente causa en el punto de operación del turbo grupo o como las emisiones de NOx se reducen cuando la humedad ambiente aumenta. / [CA] Les normatives cada vegada més restrictives sobre les emissions contaminants dels vehicles de motor imposades per la Unió Europea han obligat als fabricants d'equips originals (OEM) a proporcionar als centres d'investigació eines i instal·lacions que poden reproduir de manera precisa i repetida diferents condicions atmosfèriques durant les primeres etapes del desenvolupament del motor. En l'actualitat la legislació europea inclou proves d'emissions reals en conducció (RDE) en diferents condicions atmosfèriques, amb altituds de fins a 1300 metres sobre el nivell de la mar i temperatures que aconsegueixen els -7 °C. Això s'ha fet típicament utilitzant cambres climàtiques i altimètriques que permeten la reproducció de les condicions atmosfèriques en tota la cel·la de prova, i més recentment connectant a motor simuladors d'altitud acoblats amb unitats de tractament d'aire (AHU). En aquesta Tesi Doctoral, es presenta la millora del simulador d'altitud comercialitzat per l'empresa HORIBA denominat MEDAS, utilitzant procediments tant inductius com deductius, amb l'objectiu d'ampliar el rang de prestacions de la instal·lació així com millorar la precisió del control de pressió de l'aire de combustió i reduir el consum energètic global. A més, durant aquesta fase, es du a terme el desenvolupament d'un model 1D del simulador d'altitud, amb el qual és possible obtindre resultats precisos sobre l'acompliment de la instal·lació per a diferents condicions de contorn, com pot ser el punt d'operació del motor, l'altitud d'instal·lació o la temperatura de l'aigua de refrigeració. A continuació, s'han desenvolupat dos nous equips: el Mòdul de Temperatura del MEDAS (MTM) i el Mòdul d'Humitat del MEDAS (MHM); millorant les estratègies de control i alguns components clau (per exemple, la columna d'aigua de bambolles) per a controlar amb precisió la temperatura i la humitat de l'aire de combustió. Aquests dos juntament amb el MEDAS creen un simulador d'atmosfera complet, que permet el control independent de les tres variables psicromètriques de l'aire de combustió del motor: pressió, temperatura i humitat. Finalment, el simulador d'atmosfera desenvolupat s'utilitza per a estudiar l'efecte que les tres variables psicomètriques de l'aire ambient tenen sobre el rendiment i les emissions contaminants d'un motor Dièsel Euro 6 *turboalimentado, demostrant el gran efecte que té la humitat ambiental sobre les emissions contaminants dels motors Dièsel i la necessitat de considerar aquest paràmetre en les estratègies de calibratge. Alguns resultats obtinguts podrien ser la reducció de potència que el motor pateix en operar en condicions d'altitud, els canvis que la temperatura ambient causa en el punt d'operació del turbo grup o com les emissions de NOx es redueixen quan la humitat ambiente augmenta. / [EN] Increasingly restrictive regulations on pollutant emissions for motor vehicles imposed by the European Union have forced original equipment manufacturers (OEMs) to provide research centers with tools and facilities that can accurately and repeatedly reproduce different atmospheric conditions during the early stages of engine development. Nowadays, the European legislation includes real driving emissions (RDE) tests at different atmospheric conditions, with altitudes up to 1300 meters above sea level and temperatures reaching -7 ºC. This has been done typically using altimetric and climatic chambers, which allow the reproduction of the atmospheric conditions in the whole test cell. More recently, connecting to the engine altitude simulators coupled with air handling units (AHU). In this Ph.D. Thesis, the improvement of the altitude simulator commercialized by the company HORIBA called MEDAS, carried out by inductive and deductive procedures, is presented to extend the installation's performance range, improve the combustion air pressure control accuracy, and reduce the installation global energy consumption. Furthermore, during this phase, the development of a 1D model of the altitude simulator is carried out, with which it is possible to obtain accurate results about the performance of the installation for different boundary conditions such as the engine operation point, the room pressure, or the cooling water temperature. Following, two new pieces of equipment have been developed: MEDAS Temperature Module (MTM) and MEDAS Humidity Module (MHM), improving the control strategies and some key components (i.e., the bubbles water-column) to increase the accuracy of the combustion air temperature and humidity control. Together with the MEDAS, these two create a complete atmosphere simulator, which allows the independent control of the three psychrometric variables of the engine combustion air: pressure, temperature, and humidity. Lastly, the atmosphere simulator developed is used to study the effect that the three psychometric variables of the ambient air have on the performance and the pollutant emissions of a Euro 6 turbocharged diesel engine, proving the significant effect that the ambient humidity has on the diesel engines pollutant emissions and the necessity of considering this parameter in the calibration strategies. Some results could be the reduction in power that the engine suffers when operating in altitude conditions, the changes that the ambient temperature causes at the turbocharger operative point, or the decrease in NOx emissions that happen when the ambient humidity increases. / Tabet Aleixandre, R. (2022). Development of an Installation to Emulate Altitude, Ambient Temperature, and Ambient Humidity on Thermal Engines. Application to the Study of the Impact over E6 Engine Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183753

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales. / [CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals. / [EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract FPU17/02803 of the Programa de Formación de Profesorado Universitario of Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. / Medina Tomás, N. (2022). Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185820

[ES] La ingeniería tisular ha evolucionado hacia el modelado de la fisiología humana in vitro. El microambiente de la médula ósea (BM) es también hogar de procesos malignos. El mieloma múltiple (MM) es una neoplasia hematológica caracterizada por proliferación y acumulación en la BM de células plasmáticas monoclonales. Los tratamientos han mejorado, sin embargo, sigue siendo incurable. Moléculas de la matriz extracelular como fibronectina (FN) o ácido hialurónico (HA) tienen un papel reconocido en la resistencia a fármacos (DR). La inadecuación de los modelos preclínicos bidimensionales es una de las bases del problema de DR. Se han intentado diferentes enfoques in vitro, sin embargo, se basan en hidrogeles y andamios celulares diseñados para células adherentes, mientras que las células de MM presentan crecimiento en suspensión. El objetivo principal de esta Tesis es desarrollar, optimizar y validar una plataforma de cultivo 3D, denominada microgel, basada en microesferas en un medio líquido y que coexisten con células de MM creciendo dinámicamente en suspensión. Se desarrollaron y caracterizaron diferentes microesferas con diferentes funcionalizaciones. Optimizamos un protocolo de polimerización en suspensión para la obtención de microesferas a base de acrilatos con dos composiciones diferentes (presencia (10%) o ausencia (0%) de ácido acrílico (AA)) i dos distribuciones de tamaño diferentes (< 60 y > 70 ¿m). La FN se adsorbió en la superficie de la microesfera, mientras que el HA, colágeno I y diferentes secuencias peptídicas se injertaron covalentemente. Se modificaron las microesferas comerciales Cytodex 1 para adaptar sus características a la plataforma. Se utilizaron técnicas capa por capa (LbL) para introducir HA y sulfato de condroitina (CS) en su superficie. Por tanto, se ha generado un amplio repertorio de microesferas para desarrollar microgeles. Se optimizaron y validaron las condiciones de cultivo para la plataforma de microgel. Las condiciones óptimas se establecieron como 150 rpm de velocidad de agitación utilizando un agitador orbital y microesferas de < 60 ¿m. Los microgeles con diferentes composiciones y funcionalizaciones permitieron una buena proliferación de las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S. Todos los sistemas respetaron el patrón de crecimiento en suspensión, factor que ha demostrado ser clave para su buen desempeño en cultivo 3D. En estudios iniciales de DR, la línea celular RPMI8226 cultivada en microgeles que contenían AA mostró una resistencia significativamente mayor a la dexametasona que sus cultivos en suspensión. Y las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S cultivadas en microgeles que contenían AA mostraron una resistencia significativamente mayor a bortezomib que sus cultivos en suspensión. Por lo tanto, la presencia de AA en la matriz polimérica mostró un efecto positivo en la generación de DR in vitro y requerirá más estudios. Se ha validado la reducción de escala del sistema para trabajar con volúmenes más pequeños de microesferas y números reducidos de células, lo que es de gran relevancia para su traslación clínica. Finalmente, se han realizado cultivos preliminares con la línea celular RPMI8226 en los microgeles basados en Cytodex 1. Las microesferas de Cytodex 1 sin modificación tuvieron un efecto negativo sobre la viabilidad de las células de MM. La modificación mediante LbL con los pares quitosano/CS y quitosano/HA aumentó la viabilidad y proliferación. Sin embargo, estos sistemas no respetaron el carácter no adherente de las células MM. Hemos desarrollado y validado un novedoso sistema de cultivo basado en un medio 3D semisólido definido por microesferas y células de MM especialmente diseñado para células en suspensión. Este sistema constituye una herramienta versátil que debe explorarse más a fondo para el cultivo 3D de neoplasias hematológicas y para estudios de resistencia a fármacos in vitro. / [CAT] L'enginyeria tissular ha evolucionat cap al modelat de la fisiologia humana in vitro. El complex microambient de la medul·la òssia (BM) és també llar d'alguns processos malignes. El mieloma múltiple (MM) és una neoplàsia hematològica caracteritzada per una proliferació i acumulació a la BM de cèl·lules plasmàtiques monoclonals. Els tractaments han millorat, no obstant, el MM segueix sent incurable. Molècules de la matriu extracel·lular com fibronectina (FN) o àcid hialurònic (HA) tenen un paper reconegut en la generació de resistència a fàrmacs (DR) en MM. La inadequació dels models preclínics bidimensionals és una de les bases del problema de DR. Per això, s'han intentat diferents aproximacions in vitro, tanmateix es basen en hidrogels i andamis cel·lulars dissenyats per a cèl·lules adherents, mentre que les cèl·lules de MM presenten creixement en suspensió. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és desenvolupar, optimitzar i validar una plataforma de cultiu 3D, denominada microgel, basada en microesferes en un medi líquid i que coexisteixen amb cèl·lules de MM que creixen dinàmicament en suspensió. S'han produït i caracteritzat diferents microesferes amb diferents funcionalitzacions. S'ha optimitzat un protocol de polimerització en suspensió per a l'obtenció de microesferes d'acrilats amb dues composicions diferents (presència (10%) o absència (0%) d'àcid acrílic (AA)) i amb dos distribucions de diàmetres diferents (< 60 y > 70 ¿m). La FN es va adsorbir, mentre que el HA, el col·lagen I i diferents seqüències peptídiques es van unir covalentment. S'han modificat microesferes comercials Cytodex 1 per tal d'adaptar les seves característiques a la plataforma del microgel. Mitjançant tècniques capa a capa (LbL) s'han introduït HA i sulfat de condroïtina (CS) a la seua superfície. Per tant, s'ha generat un ampli repertori de microesferes per desenvolupar microgels. Es van optimitzar i validar les condicions de cultiu per a la plataforma de microgel. Les condicions òptimes de cultiu es varen establir com a 150 rpm de velocitat d'agitació utilitzant un agitador orbital i microesferes de < 60 ¿m. Els microgels amb diferents composicions i funcionalitzacions van permetre una bona proliferació de les línies RPMI8226, U226 i MM1.S. Tots els sistemes van respectar el patró de creixement en suspensió, factor que ha demostrat ser clau per al seu bon rendiment en cultius 3D. En estudis inicials de DR línia cel·lular RPMI8226 cultivada en microgels que contenien AA va mostrar una resistència significativament major a la dexametasona que els seus cultius en suspensió convencionals. Línies RPMI8226, U226 y MM1.S cultivades en microgels que contenien AA mostraren una resistència significativament major a bortezomib que els seus cultius en suspensió convencionals. Per tant, la presencia d'AA a la matriu polimèrica de les microesferes va mostrar un efecte positiu en termes de generació de DR in vitro, cosa que requerirà estudis futurs. S'ha validat la reducció de l'escala del sistema per treballar amb volums més petits de microesferes i menys cèl·lules, el que és de gran rellevància per a la seva translació clínica. Finalment, s'han realitzat cultius preliminars amb la línia cel·lular RPMI8226 en els microgels basats en les Cytodex 1. Les microesferes de Cytodex 1 sense modificar van mostrar efecte negatiu sobre la viabilitat de les cèl·lules de MM. La modificació mitjançant LbL amb els parells quitosà/CS i quitosà/HA va augmentar la viabilitat i proliferació de cèl·lules MM. No obstant, aquests sistemes no respectaren el caràcter no adherent de les cèl·lules de MM. S'ha desenvolupat i validat un nou sistema de cultiu cel·lular basat en un medi 3D semisòlid definit per microesferes i cèl·lules de MM, especialment dissenyat per a cèl·lules no adherents. Aquest sistema constitueix una eina versàtil que ha de ser explorada per al cultiu 3D de neoplàsies hematològiques i per a estudis de resistència a fàrmacs in vitro. / [EN] Tissue engineering has evolved towards modeling of human physiology in vitro. The bone marrow (BM) microenvironment is likewise the home of some malignant processes. Multiple myeloma (MM) is a hematological neoplasia characterized by proliferation and BM accumulation of monoclonal plasma cells. Treatments have improved; however, MM remains incurable. Extracellular matrix molecules such as fibronectin (FN) or hyaluronic acid (HA) have a recognized role in drug resistance (DR). The inadequacy of two-dimensional preclinical models is one cause of the DR problem, different in vitro approaches have been developed, however, all these studies are based on hydrogels and scaffolds designed for adherent cells while MM cells are suspension growing cells. The main objective of this Thesis is to develop, optimize and validate a 3D culture platform, termed as microgel, based on microspheres suspended in a liquid media and coexisting with MM cells growing dynamically in suspension. Different microspheres with different functionalities were developed and characterized. We optimized a suspension polymerization protocol for the obtention of acrylates-based microspheres with two different compositions: with presence (10%) or absence (0%) of acrylic acid (AA). We obtained two different size distributions (< 60 and > 70 ¿m). FN was adsorbed on microsphere surface, while HA, collagen I and different peptide sequences were covalently grafted. Commercial Cytodex 1 microspheres were modified to adapt their characteristics to the microgel platform. Layer-by-layer (LbL) technics were used to introduce HA and chondroitin sulfate (CS) on Cytodex 1 surface. Therefore, a wide repertoire of microspheres has been generated to develop microgels. The culture conditions for the microgel platform were optimized and validated. Agitation is needed to keep microspheres and cells in suspension. Optimal culture conditions were 150 rpm of stirring speed using orbital shaker and < 60 ¿m diameter microspheres. Microgels with different compositions (0% AA, 10% AA) and functionalizations (none, HA, FN, collagen 1 and peptide sequences) allowed good proliferation of RPMI8226, U226 and MM1.S cells under 3D conditions. All the 3D systems respected the suspension growth pattern which appears as key factor for their good performance in 3D culture. In the initial DR studies, we found that MM cell line RPMI8226 cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to dexamethasone than their conventional suspension cultures. And that MM cell lines RPMI8226, U226 and MM1.S cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to bortezomib than their conventional suspension cultures. Thus, AA in the polymeric microsphere matrix showed a positive effect on the generation of DR in vitro and will require further studies. The scale-down of the system to work with smaller volumes of microspheres and reduced cell numbers has been validated, this is of great relevance for their clinical application. Finally, preliminary cultures with the cell line RPMI8226 have been performed with the Cytodex 1-based microgels. Cytodex 1 microspheres without modification had a negative effect on MM cells viability. LbL modification with the pairs chitosan/CS and chitosan/HA increased MM cells viability and proliferation. However, these systems did not respect the non-adherent character of MM cells. We have developed and validated a novel cell culture system based on a semi-solid 3D media defined by microspheres and MM cells which is specially designed for cells in suspension. It represents a versatile tool that should be further explored for the 3D culture of hematological malignancies and drug resistance studies in vitro. / Me gustaría agradecer al Servicio de Microscopía de la UPV y a sus técnicos por su valiosa ayuda con las técnicas de microscopía electrónica, a la Agencia Estatal de Investigación (proyecto PID2019-106099RB-C41 / AEI / 10.13039/501100011033) y al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (ayuda predoctoral FPU17/05810) que han financiado esta Tesis. / Clara Trujillo, S. (2022). Development of a 3D in Vitro Disease Model for Multiple Myeloma [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186054

Tesis por compendio / [ES] Actualmente las lesiones del sistema nervioso periférico que conllevan una pérdida de continuidad de los haces axonales suelen implicar secuelas de tipo permanente. Es cierto que en el sistema nervioso periférico existe una cierta regeneración natural de los tractos axonales dañados, pero solamente cuando el espacio entre ambos extremos de la lesión es pequeño, como máximo de 5 mm. Si el espacio es mayor que esta distancia la regeneración no sucede de forma natural y se crea un neuroma traumático. Por tanto, estas lesiones largas requieren de una intervención quirúrgica para puentear la lesión, normalmente con un nervio autógrafo del propio paciente o un nervio alógrafo de un cadáver. No obstante, su uso presenta diversos inconvenientes, como la morbilidad del sitio donante donde puede ocurrir un neuroma, la necesidad de realizar una segunda cirugía, la diferencia de tamaño entre nervio receptor y donante o la necesidad de inmunosupresión en el caso de los nervios alógrafos. Por ello, la ingeniería de tejidos trabaja en el desarrollo de los conductos de guiado nervioso que incorporan estrategias para guiar topográficamente la regeneración, así como células y moléculas bioactivas. La presente tesis doctoral presenta un nuevo conducto de guiado nervioso con una aproximación multimodular para su aplicación en la regeneración de lesiones nerviosas largas (a partir de 15 mm) que hace uso de conductos tubulares huecos modulares de ácido hialurónico (HA) que contienen en su interior una estructura tubular de microfibras de ácido poliláctico (PLA). La estructura fibrilar aporta un guiado topográfico necesario para guiar el crecimiento axonal durante la regeneración a la vez que mantiene unidos los diferentes módulos de HA. Por su parte, los conductos de HA son un hidrogel que evita adherencias con el tejido circundante. A su vez, proporcionan un soporte sobre el que pueden crecer células presembradas. En concreto se ha optado por presembrar células de Schwann, las cuales son unas células gliales de soporte críticas para la regeneración del sistema nervioso periférico. Se ha observado que dichas células son capaces recubrir por completo las paredes internas de los conductos de HA formando una estructura tipo vaina, así como de recubrir las microfibras de PLA creciendo en dirección longitudinal. Los experimentos in vivo en modelo de nervio ciático de conejo han mostrado que la aproximación multimodular mejora significativamente la regeneración nerviosa gracias a proporcionar una mejor neovascularización. A su vez, gracias a las células de Schwann presembradas se ha logrado una mejora adicional de la regeneración nerviosa gracias a su efecto favorecedor del crecimiento axonal. Además, se han estudiado diferentes mejoras aplicables al conducto de guiado nervioso con el objetivo de mejorar los resultados obtenidos in vivo. Gracias a la incorporación de fibroína de seda a los conductos de HA se ha logrado mejorar sus propiedades mecánicas y biológicas. Asimismo, también se ha desarrollado un sustrato electroconductor de microfibras de PLA recubiertas con el polímero electroconductor Polipirrol gracias al cual se ha observado in vitro que es capaz de mejorar el crecimiento axonal al aplicar una estimulación eléctrica. Además, mediante un sistema de modificación génica de las células de Schwann por electrotransfección se ha logrado aumentar su secreción del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), gracias a lo cual se ha observado que se incrementa la velocidad de crecimiento axonal in vitro. / [CA] Actualment les lesions del sistema nerviós perifèric que comporten una pèrdua de continuïtat dels feixos axonals solen implicar seqüeles de tipus permanent. És cert que al sistema nerviós perifèric hi ha una certa regeneració natural dels tractes axonals danyats, però només quan l'espai entre ambdós extrems de la lesió és petit, com a màxim de 5 mm. Si l'espai és més gran que aquesta distància la regeneració no succeeix de manera natural i es crea un neuroma traumàtic. Per tant, aquestes lesions llargues requereixen una intervenció quirúrgica per pontejar la lesió, normalment amb un nervi autògraf del pacient o un nervi al·lògraf d'un cadàver. No obstant això, el seu ús presenta diversos inconvenients, com la morbilitat del lloc donant on pot ocórrer un neuroma, la necessitat de fer una segona cirurgia, la diferència de mida entre nervi receptor i donant o la necessitat d'immunosupressió en el cas dels nervis al·lògrafs . Per això, l'enginyeria de teixits treballa en el desenvolupament dels conductes de guiatge nerviós que incorporen estratègies per guiar topogràficament la regeneració, així com cèl·lules i molècules bioactives. Aquesta tesi doctoral presenta un nou conducte de guiatge nerviós amb una aproximació multimodular per a la seva aplicació en la regeneració de lesions nervioses llargues (a partir de 15 mm) que fa ús de conductes tubulars buits modulars d'àcid hialurònic (HA) que contenen al seu interior una estructura tubular de microfibres d'àcid polilàctic (PLA). L'estructura fibril·lar aporta un guiatge topogràfic necessari per guiar el creixement axonal durant la regeneració alhora que manté units els diferents mòduls d'HA. Per part seva, els conductes d'HA són un hidrogel que evita adherències amb el teixit circumdant. Alhora, proporcionen un suport sobre el qual poden créixer cèl·lules presembrades. En concret s'ha optat per presembrar cèl·lules de Schwann, les quals són unes cèl·lules glials de suport crítiques per a la regeneració del sistema nerviós perifèric. S'ha observat que aquestes cèl·lules són capaces de recobrir completament les parets internes dels conductes d'HA formant una estructura tipus beina, així com de recobrir les microfibres de PLA creixent en direcció longitudinal. Els experiments in vivo en model de nervi ciàtic de conill han mostrat que l'aproximació multimodular millora significativament la regeneració nerviosa gràcies a proporcionar una millor neovascularització. Alhora, gràcies a les cèl·lules de Schwann presembrades s'ha aconseguit una millora addicional de la regeneració nerviosa gràcies al seu efecte afavoridor del creixement axonal. A més, s'han estudiat diferents millores aplicables al conducte de guiatge nerviós per tal de millorar els resultats obtinguts in vivo. Gràcies a la incorporació de fibroïna de seda als conductes d'HA s'ha aconseguit millorar les seues propietats mecàniques i biològiques. També s'ha desenvolupat un substrat electroconductor de microfibres de PLA recobertes amb el polímer electroconductor Polipirrol gràcies al qual s'ha observat in vitro que és capaç de millorar el creixement axonal quan s'aplica una estimulació elèctrica. A més, mitjançant un sistema de modificació gènica de les cèl·lules de Schwann per electrotransfecció s'ha aconseguit augmentar la secreció del factor neurotròfic derivat del cervell (BDNF), gràcies a la qual cosa s'ha observat que s'incrementa la velocitat de creixement axonal in vitro. / [EN] Currently, lesions of the peripheral nervous system that lead to a loss of continuity of the axonal bundles usually involve permanent sequelae. It is true that in the peripheral nervous system there is some natural regeneration of damaged axonal tracts, but only when the space between the two ends of the lesion is small, at most 5 mm. If the gap is greater than this distance, regeneration does not occur naturally, and a traumatic neuroma is created. Therefore, these long injuries require surgical intervention to bridge the injury, usually with an autograph nerve from the patient or an allograph nerve from a cadaver. However, its use has various drawbacks, such as the morbidity of the donor site where a neuroma can occur, the need to perform a second surgery, the difference in size between the recipient and donor nerves, or the need for immunosuppression in the case of allograft nerves. For this reason, tissue engineering works on the development of nerve guidance conduits that incorporate strategies to topographically guide the regeneration, as well as cells and bioactive molecules. This doctoral thesis presents a new nerve guidance conduit with a multimodular approach for its application in the regeneration of long nerve lesions (from 15 mm) that makes use of modular hollow tubular conduits of hyaluronic acid (HA) that contain in their inside a tubular structure of microfibers of polylactic acid (PLA). The fibrillar structure provides the necessary topographic guidance to guide axonal growth during regeneration while keeping the different HA modules together. For their part, the HA conduits are a hydrogel that prevents adhesions with the surrounding tissue. In turn, they provide a support on which preseeded cells can grow. Specifically, it has been decided to pre-seed Schwann cells, which are glial support cells that are critical for the regeneration of the peripheral nervous system. It has been observed that these cells are capable of completely covering the inner walls of the HA conduits, forming a sheath-like structure, as well as covering the PLA microfibers by growing in a longitudinal direction. In vivo experiments in a rabbit sciatic nerve model have shown that the multimodular approach significantly improves nerve regeneration by providing better neovascularization. In turn, thanks to the pre-seeded Schwann cells, an additional improvement in nerve regeneration has been achieved thanks to its promoting effect on axonal growth. In addition, different improvements applicable to the nerve guidance conduit have been studied with the aim of improving the results obtained in vivo. Thanks to the incorporation of silk fibroin into HA conduits, their mechanical and biological properties have been improved. Likewise, an electroconductive substrate of PLA microfibers coated with the electroconductive polymer Polypyrrole has also been developed, thanks to which it has been observed in vitro that it is capable of improving axonal growth by applying electrical stimulation. In addition, by means of a gene modification system of Schwann cells by electrotransfection, it has been possible to increase their secretion of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), thanks to which it has been observed that the speed of axonal growth is increased in vitro. / Agradezco la ayuda de los diferentes proyectos del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España que han hecho posible la financiación de esta tesis doctoral: MAT2015-66666-C3-1-R, DPI2015-72863-EXP, AEI RTI2018-095872-B-C21-C22/ERDF y FPU16/01833 del Ministerio de Universidades del Gobierno de España, sin la cual no hubiera podido realizar esta tesis doctoral. / Gisbert Roca, F. (2022). Strategies for Guidance and Electrical and Biological Stimulation in a Neural Regeneration Device [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/189937 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El aumento de la esperanza de vida conlleva la aparición de problemas muscoloesqueléticos afectando a la calidad de vida de los pacientes. Las nuevas terapias regenerativas óseas se centran en el uso de las células madre mesenquimales, MSCs, encargadas de la regeneración del tejido in vivo. La inducción de un fenotipo osteogénico prediferenciado in vitro, previo a la implantación de las MSCs, resulta en una mejor capacidad de regeneración del tejido óseo. Habitualmente se han empleado medios de diferenciación osteogénica que contienen dexametasona. Estos métodos son poco eficientes, por lo que el uso de métodos físicos está adquiriendo relevancia. El hueso es un tejido con propiedades piezoeléctricas debido a las fibras de colágeno que forman parte de su matriz extracelular. Este estímulo ha sido relacionado con su capacidad de responder al estrés mecánico y autoregenerarse, donde juegan un papel importante las MSCs. Éstas se encuentran en un entorno electroactivo, y son precisamente estas señales físicas las que pueden influir en su proceso de diferenciación osteogénica pudiendo ser empleadas para su prediferenciación in vitro de forma efectiva. Para comprobar esta hipótesis, en la presente Tesis Doctoral se han diseñado soportes de cultivo piezoeléctricos en 2 y 3 dimensiones basados en el uso del polímero piezoeléctrico polifluoruro de vinilideno (PVDF) combinados con partículas magnetostrictivas de ferrita de cobalto (CFO). Esta combinación permite la estimulación de los soportes de cultivo aplicando un campo magnético con un biorreactor. Este campo magnético genera la deformación del componente magnetostrictivo, que es transmitida a la matriz polimérica, deformándola y generando un campo eléctrico. Ésta última es transmitida a las células cultivadas en estos soportes para estudiar su efecto sobre la diferenciación osteogénica. En el primer capítulo se desarrollaron y caracterizaron membranas electroactivas de PVDF fabricadas por el método de separación de fases inducida por no-solventes. Se empleó etanol como no-solvente, dando lugar a membranas homogéneas altamente porosas. Estas cristalizan en fase g. Se optimizó un recubrimiento basado en la técnica capa a capa (LbL), empleando recombinámeros similares a la elastina (ELRs) que contenían secuencias de adhesión celular RGD. Se estudió la respuesta celular inicial de las MSCs y se comparó con los mismos soportes recubiertos únicamente con fibronectina adsorbida. La presencia de los ELRs es necesaria para promover la adhesión inicial de las MSCs en este tipo de soportes. En el segundo capítulo se combinó el PVDF con CFO, usando agua como no-solvente. Las membranas eran no simétricas, con una superficie lisa, que fue empleada para cultivo celular, con una mayoría en fase b, la más electroactiva. Se recubrieron y caracterizaron las membranas mediante LbL con colágeno tipo I y heparina. Se estudió el comportamiento de las MSCs sobre el LbL, resultando esencial para la proliferación celular en el caso de las membranas PVDF-CFO. En el capítulo tres se desarrollaron films de PVDF y PVDF-CFO cristalizados en presencia del líquido iónico [Bmim][Cl]. La presencia de éste indujo la nucleación del PVDF en fase b. Las MSCs eran capaces de adherirse y proliferar. Se realizaron ensayos de estimulación piezoeléctrica empleando un biorreactor magnético. Las MSCs respondieron a la estimulación incrementado la longitud de sus adhesiones focales, así como reduciendo la vimentina en el citoplasma. Finalmente, se diseñaron soportes de cultivo piezoeléctricos en 3D. Para ello se desarrollaron microesferas de PVDF y PVDF-CFO mediante la técnica de electropulverizado. Las microesferas se encapsularon en hidrogeles de gelatina junto con las MSCs. Se estimularon y tras 7 días, se observó un incremento en la expresión del factor de transcripción RUNX2 en las muestras estimuladas demostrando que la estimulación piezoeléctrica es capaz de activar en mayor medida la diferenciación de las MSCs. / [CA] L'augment de l'esperança de vida comporta l'aparició de problemes muscoloesquelètics afectant la qualitat de vida dels pacients. Les noves teràpies regeneratives òssies es centren en l'ús de les cèl·lules mare mesenquimals, MSCs, encarregades de la regeneració del teixit in vivo. La inducció d'un fenotip osteogènic prediferenciat in vitro, previ a la implantació de les MSCs, resulta en una millor capacitat de regeneració del teixit ossi. Habitualment s'han fet servir mitjans de diferenciació osteogènica que contenen dexametasona. Aquests mètodes són poc eficients, per la qual cosa l'ús de mètodes físics està adquirint rellevància. L'os és un teixit amb propietats piezoelèctriques a causa de les fibres de col·lagen que formen part de la seva matriu extracel·lular. Aquest estímul ha estat relacionat amb la capacitat de respondre a l'estrès mecànic i autoregenerar-se, on juguen un paper important les MSCs. Aquestes es troben en un entorn electroactiu, i són precisament aquests senyals físics els que poden influir en el seu procés de diferenciació osteogènica podent ser emprats per a la seva prediferenciació in vitro de manera efectiva. Per comprovar aquesta hipòtesi, a la present tesi doctoral s'han dissenyat suports de cultiu piezoelèctrics en 2 i 3 dimensions basats en l'ús del polímer piezoelèctric polifluorur de vinilidè (PVDF) combinats amb partícules magnetostrictives de ferrita de cobalt (CFO). Aquesta combinació permet l'estimulació dels suports de cultiu aplicant un camp magnètic amb un bioreactor. Aquest camp magnètic genera la deformació del component magnetostrictiu, que és transmesa a la matriu polimèrica, deformant-la i generant un camp elèctric. Aquesta última és transmesa a les cèl·lules cultivades en aquests suports per estudiar-ne l'efecte sobre la diferenciació osteogènica. En el primer capítol es van desenvolupar i caracteritzar membranes electroactives de PVDF fabricades pel mètode de separació de fases induïda per no solvents. Es va emprar etanol com a no-solvent, donant lloc a membranes homogènies altament poroses. Aquestes cristal·litzen en fase g. S'optimitzà un recobriment basat en la tècnica capa a capa (LbL), emprant recombinàmers similars a l'elastina (ELRs) que contenien seqüències d'adhesió cel·lular RGD. Es va estudiar la resposta cel·lular inicial de les MSCs i es va comparar amb els mateixos suports recoberts únicament amb fibronectina adsorbida. La presència dels ELR és necessària per promoure l'adhesió inicial de les MSCs en aquest tipus de suports. En el segon capítol es va combinar el PVDF amb CFO, usant aigua com a no-solvent. Les membranes eren no simètriques, amb una superfície llisa, que va ser emprada per a cultiu cel·lular, amb una majoria en fase b, la més electroactiva. Es van recobrir i caracteritzar les membranes mitjançant LbL amb col·lagen tipus I i heparina. Es va estudiar el comportament de les MSCs sobre el LbL, resultant essencial per a la proliferació cel·lular en el cas de les membranes PVDF-CFO. Al capítol tres es van desenvolupar films de PVDF i PVDF-CFO cristal·litzats en presència del líquid iònic [Bmim][Cl]. La seva presència va induir la nucleació del PVDF en fase b. Les MSCs eren capaces d'adherir-se i proliferar. Es van realitzar assajos d'estimulació piezoelèctrica emprant un bioreactor magnètic. Les MSCs van respondre a l'estimulació incrementant la longitud de les seves adhesions focals, així com reduint la vimentina al citoplasma. Finalment, es van dissenyar suports de cultiu piezoelèctrics en 3D. Per això es van desenvolupar microesferes de PVDF i PVDF-CFO mitjançant la tècnica d'electropolveritzat. Les microesferes es van encapsular en hidrogels de gelatina juntament amb les MSCs. Es van estimular i després de 7 dies, es va observar un increment en l'expressió del factor de transcripció RUNX2 a les mostres estimulades demostrant que l'estimulació piezoelèctrica és capaç d'activar més la diferenciació de les MSCs. / [EN] Life expectancy increase entails the presence of musculoskeletal disorders producing a substantial impact on patient's quality of life. New bone regenerative therapies are focused on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), the main effectors of bone regeneration in vivo. Over the years, it has been demonstrated that the induction of a pre-differentiated phenotype in vitro, before MSCs implantation, results in a better capacity for bone tissue regeneration. For this purpose, biochemical approaches based on the use of osteogenic differentiation medium containing dexamethasone have traditionally been used. These methods are not efficient, which has favoured the use of physical methods as an alternative. Bone is a piezoelectric tissue due to the collagen fibres that conform its extracellular matrix. This stimulus has been related to its ability to respond to mechanical stress and self-regenerate, a process in which MSCs play a key role. MSCs are subjected to an electroactive environment. It is hypothesised that these physical signals may influence their osteogenic differentiation process and be used to effectively pre-differentiate them in vitro. To test this hypothesis, along this Doctoral Thesis, piezoelectric cell culture supports have been designed in 2 and 3 dimensions based on the use of the piezoelectric polymer poly(vinylidene) fluoride (PVDF) combined with magnetostrictive cobalt ferrite oxide (CFO) nanoparticles. This combination allows the stimulation of culture supports by applying a magnetic field with a bioreactor. This magnetic field induces the deformation of the magnetostrictive component, which is transmitted to the polymeric matrix, generating a deformation and producing an electric field, which is transmitted to the MSCs to study its effect on their osteogenic differentiation. In the first chapter, electroactive PVDF membranes manufactured by the non-solvent induced phase separation technique were developed and characterised. Ethanol was used as a non-solvent, which gave rise to highly porous homogeneous membranes crystallised in the g phase. A coating protocol based on the layer-by-layer (LbL) technique, using elastin-like recombinamers (ELRs) containing RGD cell adhesion sequences, was optimised. MSCs' initial cellular response was studied and compared with the membranes coated with adsorbed fibronectin. The presence of the ELRs was necessary to promote MSCs' initial adhesion in this type of support. In the second chapter, PVDF was combined with CFO, using water as a non-solvent. The membranes were not symmetrical, with a smooth surface used for cell culture, with a majority in phase b, the most electroactive. Membranes were coated and characterised by LbL with type I collagen and heparin. The behaviour of MSCs on LbL was studied, essential for cell proliferation in the case of PVDF-CFO membranes. In chapter three, PVDF and PVDF-CFO films crystallised in the presence of the ionic liquid [Bmim][Cl] were developed. The presence of ionic liquid induced PVDF nucleation in the b phase. MSCs were able to adhere and proliferate. Piezoelectric stimulation tests were performed using a magnetic bioreactor. MSCs responded to stimulation by increasing the length of their focal adhesions and reducing vimentin in the cytoplasm. Finally, 3D piezoelectric culture supports were designed. For this, PVDF and PVDF-CFO microspheres were developed using the electrospray technique. The microspheres were encapsulated in gelatin hydrogels together with the MSCs. They were stimulated, and after 7 days, an increase in the expression of the transcription factor RUNX2 was observed in the stimulated samples, demonstrating that piezoelectric stimulation is capable of activating the differentiation of MSCs to a greater extent. / La presente tesis doctoral no podría haberse realizado sin la financiación del Ministerio de Economía y Competitividad a través de la beca para formación de personal investigador BES-2017-080398 y a la Agencia Estatal de Investigación a través de los proyectos PID2019-106000RB-C21 / AEI / 10.13039/501100011033, PID2019-106099RB- C41 y –C43 / AEI / 10.13039/501100011033. / Guillot Ferriols, MT. (2022). Electroactive Environments for Mesenchymal Stem Cells Osteogenic Differentiation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191003 / Compendio

[EN] Nowadays, the improvements and developments carried out in reciprocating internal combustion engines are especially based on fuel consumption and pollutant emissions reduction. These reductions are promoted by the depletion of world fossil fuel reserves and the increase in health and environmental problems that have been reported over the years. Actual regulations are forcing manufacturers to include different technologies which lead to a reduction in harmful compounds emissions, and therefore, the pollutants emission limits can be achieved. In this regard, the aftertreatment systems located in the exhaust line in all engine architectures have become commonly used as a solution to reduce such compounds. Furthermore, the manufacturers are also developing different strategies that directly affect the combustion process such as EGR systems or exploring new combustion modes, which are focus on the reduction of pollutants. This PhD thesis has as a main objective the experimental evaluation of the pollutant emissions (CO, HC, NOx, PM and PN) obtained through the use of emerging strategies for reducing pollutant compounds in reciprocating internal combustion engines. In this context, this work also includes the development of a methodology for the evaluation and assessment of the soot concentration emitted by these engines during dynamic operating conditions. On the one hand, the strategies that are use along this work and applied to compression ignition engines have been focused on aftertreatment systems, and more precisely on the diesel oxidation catalysts and diesel particle filters. Thus, the influence of the placement of these systems in the exhaust line over pollutants emissions has been analyzed. Following in the field of diesel particle filters, the analysis of the influence of pre-DPF water injection strategy on pollutants compounds has been carried out. On the other hand, concerning spark ignition engines, the influence of low pressure EGR strategy in a turbocharged direct injection engine on pollutant emission, and the efficiency of the aftertreatment system incorporated (three way catalyst) has been studied. Through these works it has been possible to determine the effects of different emission control techniques on pollutant compounds, establishing the advantages and disadvantages of each one and, as a results, proposing how to continue the development of these strategies. / [ES] Hoy en día, el desarrollo y mejora de los MCIA está especialmente forzado por la reducción en el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Estas reducciones están motivadas debido al agotamiento de las reservas mundiales de combustibles fósiles y el aumento de los problemas de salud y medioambientales que se han ido reportando a lo largo de los años. Las actuales regulaciones anticontaminación están obligando a los constructores a incluir diferentes tecnologías que permitan la reducción de la emisión de compuestos nocivos y el cumplimiento de los límites máximos establecidos. En este sentido, los sistemas de post-tratamiento en la línea de gases de escape se han convertido en la solución comúnmente empleadas en todas las arquitecturas de motores existentes para la reducción de dichos compuestos; aunque también se están desarrollando diversas estrategias que afectan directamente al proceso de combustión, tales como los sistemas de recirculación de gases de escape, o nuevos modos de combustión, que buscan este fin. Esta tesis tiene como objetivo principal la evaluación experimental de las emisiones (CO, HC, NOx, PM y PN) que se obtienen a través del uso de nuevas estrategias emergentes para la reducción de contaminantes en MCIA. En este contexto, este trabajo también contempla el desarrollo de una metodología que permita la evaluación y estimación de la concentración hollín emitido durante condiciones de operación dinámicas de motor. Por un lado, las estrategias analizadas en esta tesis aplicadas a motores de encendido por compresión han estado centradas en los sistemas de post-tratamiento; concretamente, en los DOC y DPF. Así pues, se ha analizado la influencia sobre las emisiones contaminantes de la arquitectura de estos sistemas en la línea de escape, situándolos aguas arriba de la turbina de sobrealimentación, en configuración conocida como pre-turbo. Siguiendo con el campo de los DPFs, también se ha llevado a cabo el análisis de la influencia de la estrategia de inyección de agua en este sistema sobre las emisiones contaminantes con este tipo de motor. Por otro lado, y concerniente a las motorizaciones MEP, se ha estudiado la influencia de la estrategia de EGR sobre las emisiones de un motor turboalimentado y de inyección directa, así como sobre el sistema de post-tratamiento que incorpora (TWC). A través de estos trabajos se han podido evaluar los efectos de diferentes técnicas de control de emisiones, estableciendo las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas y proponiendo finalmente como continuar el desarrollo de las mismas. / [CA] En l'actualitat, el desenvolupament i millora dels MCIA està especialment forçat per la reducció del consum de combustible i les emissions contaminants. Aquestes reduccions estàn promogudes per l'esgotament de les reserves mundials de combustibles fòssils i l'augment dels problemes de salut i medioambientals que s'han produït durant el últims anys. Les actuals regulacions anticontaminants han fet que els fabricants incloguen distintes tecnologies que permeten la reducció de l'emissió de compostos nocius i el compliment dels límits màxims establerts. En aquest sentit, els sistemes de post-tractament en la línia dels gasos d'escapament s'han convertit en la solució més utilitzada en totes les arquitectures de motors existents per a la reducció dels compostos mencionats anteriorment; encara que també estàn desenvolupant-se diverses estratègies que afecten directament al procés de combustió, com son els sistemes de recirculació de gasos d'escapament, o nous tipus de combustió, que busquen aquest fi. Aquesta tesi té com a objetiu principal l'avaluació experimental de les emissions (CO, HC, NOx, PM y PN) que s'obtenen a través de l'ús de noves estratègies emergents per a la reducció de contaminants en MCIA. En aquest context, el treball també contempla el desenvolupament d'una metodologia que permeta l'avaluació i estimació de la concentració de sutja emés durant condicions d'operació dinàmiques del motor. Per una banda, les estratègies analitzades en aquesta tesi aplicades a motors d'encesa per compressió han estat centrades en els sistemes post-tractament; concretament, en els DOC i DPF. Així doncs, s'ha analitzat la influència sobre les emissions contaminants de l'arquitectura d'aquestos sistemes en la línia d'escapament, situant-los aigües amunt de la turbina de sobrealimentació, en configuració coneguda com pre-turbo. Seguint amb el camp dels DPF, també s'ha dut a terme l'anàlisi de la influència de la estrategia d'injeccio d'aigua en aquest sistema sobre les emissions contaminants amb aquest tipus de motor. Per altre costat, pel que concerneix a les motoritzacions MEP, s'ha estudiat la influència de l'estratègia de EGR sobre les emissions d'un motor turboalimentat i d'injecció directa, així com sobre el sistema de post-tractament que incorpora (TWC). Mitjançant aquests treballs s'han pogut avaluar els efectes de diferents tècniques de control d'emissions, establint els avantatges i inconvenients de cadascuna d'elles i propossant finalment com continuar amb el desenvolupament de les mateixes. / Campos Navarro, D. (2016). Estudio de las emisiones de escape en motores de combustión interna alternativos utilizando diferentes sistemas de control de contaminantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64066

[EN] This PhD thesis studies the application of the magnetic refrigeration technology in the air-conditioning system of automobiles. Thermal models of each of the components of such a system have been developed with the purpose of determining accurately its global performance. A dynamic one-dimensional model of a parallel-plate active magnetic regenerator (AMR) has been developed. The model is based in a new numerical scheme that reduces the computation time by 88% compared to the most commonly employed method. The model reproduces very accurately the passive regenerator cases with analytic solution and has been thoroughly validated against experimental results of both passive regenerator and AMR tests. The inclusion in the model of the magnetocaloric properties experimentally measured with a sample of the employed material, the demagnetizing effect, the fluid flow maldistribution and the losses to the ambient in the experimental setup have all been keys to obtain a good agreement with the experiments. The influence of the uncertainties and simplifications assumed when modelling these physical phenomena has been analyzed in detail, which has allowed the validation of different approaches. Besides, a dynamic model of the air-conditioning (AC) system of an electric vehicle has been developed. Thermal models of each of the system components have been included, namely the cabin, the hydraulic loops with the air-to-coolant heat exchangers and the electric auxiliaries. The modelling methodology employed is based on the combination of the conservation equations with the semi-empirical fitting of the global heat transfer coefficient. Excellent validation results have been obtained with experimental results in a wide range of operating conditions. The vehicle model has been employed to obtain the cooling and heating demand of a commercial full electric minibus, as well as the working temperatures. A broad optimization study has been carried out with the AMR model with the purpose of determining the design and working parameters of such a refrigerator that fulfil the cooling requirements of the vehicle with a minimum combined total system mass (affecting the weight of the vehicle and the economic cost) and electric consumption. The electric demand of the electrical AC auxiliaries has also been considered. Additionally, the heating performance of the optimal designs has been calculated. The application of AMR refrigerators in mobile air-conditioning systems is analyzed in comparison to the features of current vapor-compression systems. / [ES] En la presente tesis doctoral se ha estudiado la aplicación de un refrigerador magnético en un sistema de aire acondicionado para automóviles. Con el fin de determinar las prestaciones de dicho sistema de manera global y precisa, se ha desarrollado un modelo térmico de cada uno de sus componentes. Por un lado, se ha desarrollado un modelo dinámico unidimensional de regenerador magnético activo (AMR) de placas planas paralelas, basado en un nuevo esquema numérico que reduce el tiempo de cálculo hasta en un 88% respecto al esquema más empleado. El modelo reproduce con gran exactitud los casos de regenerador con solución analítica y ha sido validado exhaustivamente con resultados experimentales funcionando como regenerador pasivo y como AMR. Para obtener buenos ajustes ha sido clave la inclusión en el modelo de las propiedades magnetocalóricas medidas experimentalmente con una muestra del material empleado, el efecto desmagnetizante, la mala distribución del fluido y las pérdidas hacia el ambiente del montaje experimental. La influencia de las incertidumbres y las simplificaciones en el modelado de estos fenómenos se ha analizado detalladamente, lo cual ha permitido validar diferentes aproximaciones. Por otro lado, se ha desarrollado un modelo dinámico del sistema de aire acondicionado de un vehículo eléctrico. Se incluye el modelo térmico de la cabina, los bucles hidráulicos para la distribución de la potencia térmica con los intercambiadores de calor agua-aire y los auxiliares eléctricos. La metodología empleada para el desarrollo de estos modelos, basada en la combinación de ecuaciones de conservación con el ajuste semi-empírico de los coeficientes globales de transmisión de calor, ha producido excelentes resultados de validación con resultados experimentales en un amplio rango de condiciones de funcionamiento. El modelo del vehículo se ha empleado para obtener la demanda de refrigeración y calefacción de un minibús eléctrico comercial, así como las temperaturas de funcionamiento del sistema. Con el modelo de AMR se ha llevado a cabo un amplio estudio de optimización para determinar los parámetros de diseño y de funcionamiento de dicho refrigerador que cubren las necesidades de refrigeración del vehículo una masa del conjunto del sistema y un consumo eléctrico mínimos, incluyendo el consumo de los auxiliares. Adicionalmente se han calculado las prestaciones de calefacción de las combinaciones óptimas. La aplicabilidad de este sistema en automóviles se analiza en comparación con un sistema equivalente de compresión de vapor. / [CA] En aquesta tesi doctoral s'ha estudiat l'aplicació d'un refrigerador magnètic en un sistema d'aire condicionat per a automòbils. A fi de determinar les prestacions d'aquest sistema de manera global i precisa, s'ha desenvolupat un model tèrmic de cadascun dels components. D'una banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic unidimensional de regenerador magnètic actiu (AMR) de plaques planes paral·leles, basat en un nou esquema numèric que redueix el temps de càlcul fins d'un 88% respecte a l'esquema més emprat. El model reprodueix amb gran exactitud els casos de regenerador amb solució analítica, i ha sigut validat exhaustivament amb resultats experimentals funcionant com a regenerador passiu i com a AMR. Per a obtenir bons ajustos ha sigut clau la inclusió en el model de les propietats magnetocalòriques mesurades experimentalment amb una mostra del material emprat, l'efecte desmagnetitzador, la mala distribució del fluid i les pèrdues cap a l'ambient del muntatge experimental. La influència de les incerteses i les simplificacions en la modelització d'aquests fenòmens s'ha analitzat detalladament, la qual cosa ha permès validar diferents aproximacions. D'altra banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic del sistema d'aire condicionat d'un vehicle elèctric. S'hi inclouen el model tèrmic de la cabina, els bucles hidràulics per a la distribució de la potència tèrmica amb els bescanviadors de calor aigua-aire i els auxiliars elèctrics. La metodologia emprada per al desenvolupament d'aquests models, basada en la combinació d'equacions de conservació amb l'ajust semiempíric dels coeficients globals de transmissió de calor, ha produït excel·lents resultats de validació amb resultats experimentals en un ampli rang de condicions de funcionament. El model del vehicle s'ha emprat per a obtenir la demanda de refrigeració i calefacció d'un minibús elèctric comercial, així com les temperatures de funcionament del sistema. Amb el model d'AMR s'ha dut a terme un ampli estudi d'optimització per determinar els paràmetres de disseny i de funcionament de la refrigeradora esmentada que cobreixen les necessitats de refrigeració del vehicle, una massa del conjunt del sistema i un consum elèctric mínims, incloent el consum dels auxiliars. Addicionalment s'han calculat les prestacions de calefacció de les combinacions òptimes. L'aplicabilitat d'aquest sistema en automòbils s'analitza comparant-la amb la d'un sistema equivalent de compressió de vapor. / Torregrosa Jaime, B. (2016). Modelling and analysis of an air-conditioning system for vehicles based on magnetocaloric refrigeration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68503 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales