El presente trabajo de Tesis tiene como finalidad analizar el potencial de los líquidos iónicos como medios de reacción y separación en reacciones de transesterificación enzimáticas. Los ILs inmiscibles con agua han resultado medios muy adecuados para llevar a cabo la síntesis de ésteres catalizada por la lipasa B de Candida antarctica (CALB), incrementando la actividad y selectividad enzimática con respecto a los valores obtenidos en disolventes orgánicos convencionales como n-hexano. El uso de líquidos iónicos miscibles con agua ha dado lugar a menores valores de actividad enzimática que n-hexano, aunque la selectividad en estos medios es mucho mayor. Los ILs se han revelado también como prometedores disolventes en su empleo en procesos de separación, más concretamente como fase líquida en membranas líquidas soportadas (SLMs). Se han desarrollado SLMs basadas en ILs altamente estables que permiten llevar a cabo la separación selectiva de sustratos y productos de reacciones de transesterificación. / The main objective of this thesis is to analyze the potential use of ionic liquids as reaction and separation media in lipase-catalysed transesterification reactions. The use of ionic liquids in biocatalytic processes has been shown to be an environmentally attractive alternative to classical organic solvents. Water-immiscible ionic liquids appeared as suitable media for the transesterification reactions catalysed by Candida antarctica lipase B (CALB), increasing the activity and selectivity with respect to the values obtained with a classical organic solvent, n-hexane. The use of water-miscible ionic liquids led to lower activities than obtained in n-hexane, although the selectivity values were much higher in these media. Ionic liquids have also been shown to be promising solvents for the use in separation processes, more specifically as liquid phase in supported liquid membranes (SLMs). Highly stable SLMs based on ionic liquids have been succesfully used for the selective separation of different organic compounds which are substrates and products of transesterification reactions.

The indiscriminate emission of CO2 is drastically aggravating climate change. Carbon Capture and Utilization (CCU) was born as a complementary solution to this issue. This thesis studies the consumption of carbon dioxide in industrial processes, starting from synthesis gas, and using this building block in subsequent syntheses; ultimately integrating CO2 utilization with previously non-CO2 consuming processes.

En esta Tesis se presentan metodologías que incluyen análisis de sensibilidad global, modelado y optimización dinámica, para el estudio de procesos que se llevan a cabo en sistemas de reacción biológicos, tales como biorreactores para la obtención de etanol y lagunas de tratamiento biológico de aguas residuales. Para ello se utilizan modelos cinéticos fuertemente integrados y dinámicos, de creciente complejidad, representados por sistemas de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Los modelos cinéticos presentan un elevado número de parámetros que están involucrados en funciones altamente no lineales. Dichos parámetros tienen asociada incertidumbre que resulta, por ejemplo, de errores de medición y pueden influenciar los valores de las variables de estado. Por esta razón, es importante identificar los parámetros a los que las variables de estado son más sensibles, mediante análisis de sensibilidad. Se propone la implementación del análisis de sensibilidad global, basado en la descomposición de la varianza, aplicado a modelos dinámicos de biorreactores para la producción de bioetanol y del sistema de lagunas de estabilización. Este análisis se basa en la metodología propuesta por Sobol’ y permite obtener perfiles temporales de índices de sensibilidad de primer orden, total y de interacción entre parámetros, lo cual es útil para comprender complejas relaciones entre los parámetros y las variables del modelo. Además, se analizan diferentes estimadores de la varianza condicional, siendo el de Jansen el más adecuado para modelos más complejos proporcionando mejores resultados. La finalidad del estudio es determinar cuáles son los parámetros más importantes y que deben ser estimados con mayor precisión en forma experimental, para tener un modelo ajustado que pueda proveer predicciones confiables ante cambios en las condiciones de operación, tanto en sistemas de biorreactores de producción de etanol como de lagunas de estabilización. Posteriormente, se procede al diseño óptimo de un sistema de lagunas de estabilización para el tratamiento de aguas residuales. El desempeño de estos sistemas es comparable al de los barros activados, aunque el requerimiento de espacio es una condición limitante para su empleo. El diseño se realiza planteando un problema de programación mixto entera no lineal sobre una superestructura que considera tres tipos de lagunas (aeróbica, facultativa y anaeróbica) con la posibilidad de reciclo, lo que permite obtener la configuración óptima para cumplir con el objetivo de minimizar los costos del sistema con la restricción de que la carga orgánica del efluente sea inferior al valor establecido por las regulaciones ambientales. Finalmente, se implementan estrategias de manejo de las lagunas de tratamiento como problemas de optimización dinámica, donde se proponen como variables de control el agregado de nutrientes, esenciales para el desarrollo de los procesos biológicos, y la potencia que se debe proporcionar a los aireadores para asegurar una oxigenación dentro de las lagunas. / In this Thesis, several methodologies that include global sensitivity analysis, modeling and dynamic optimization are presented to deepen the knowledge on processes which take place in biologic reaction systems, such as bioreactors for ethanol production and wastewater treatment ponds. These models are based on dynamic and highly integrated kinetic models based on first principles, which are represented by differential algebraic equations systems. Kinetic models have a large number of parameters embedded in nonlinear functions. These parameters may have a certain degree of uncertainty due, for example, to measurement errors, and can influence the values of the state variables. Sensitivity analysis provides a mean to detect and rank the importance of parameters in a model. In particular, global sensitivity analysis is applied to a dynamic model, based on the variance decomposition using Sobol's method. This allows the calculation of first order, total and interaction indices for each parameter, which are useful to understand complex relationships between parameters. Several variance estimators are considered, being Jansen's the most appropriate for complex models, yielding the best results. As a result of this study, parameters can be ranked by importance and then experiments can be designed to find with the best precision those parameters that produce the largest impact on the prediction of state variables of the model. Furthermore, the design of stabilization ponds systems for wastewater treatment is addressed through the formulation of a mixed integer nonlinear programming problem over a supestructure which considers three types of lagoons (aerobic, anaerobic and facultative), including recycle streams. The objective function is total cost minimization, subject to constraints on the maximum legally allowed organic load. Finally, several strategies are proposed for the management of stabilization pond systems within a dynamic optimization environment, where the control variables are nutrient addition rate along the time horizon and aerators power for a suitable oxygen concentration, where required.

El objetivo de esta tesis ha sido el tratamiento de un residuo (lodo de fundición) procedente del lavado húmedo de los gases del horno fusor. Para ello, se ha evaluado la peligrosidad del residuo y, posteriormente, se han estudiado diferentes tratamientos previos al vertido y se ha realizado su evaluación ambiental. El lodo de fundición es un residuo ecotóxico, debido principalmente a la alta concentración de cinc y a la carga orgánica (fenoles) del mismo, pudiéndose establecer relaciones matemáticas entre la ecotoxicidad y la concentración de cinc y fenoles, tanto en el residuo original como en los productos finales. Entre las diferentes tecnologías de tratamiento, destacan los procesos de estabilización/solidificación con cal o cemento como agente aglomerante, por su elevado interés en residuos de carácter tóxico mixto: orgánico e inorgánico. Se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo de los diferentes aditivos utilizados en dichos procesos y se han desarrollado diferentes formulaciones cal o cemento y aditivos/residuo con el fin de cumplir los parámetros ambientales, concluyéndose con la relación existente entre formulación y evaluación ambiental y obteniendo una patente de invención. / The aim of this work has been the study of the treatment of foundry sludge coming from after wet cleaning of gases of the furnace in foundry activities. Previously, the hazardous of the waste material has been evaluated. Later, different treatments have been studied and the environmental evaluation have been conducted. Foundry sludge is an ecotoxical waste due to inorganic (basically zinc) and organic (phenols) pollutants, being able to establish mathematical relationships between the ecotoxicity and the concentration of zinc and phenols, both in waste and end-products. Among the different technologies for the treatment, stabilisation/solidification processes with lime or cement as binders are very interesting technologies for waste of mixed character (organic and inorganic). An exhaustive study of different additives used in these processes has been carried out and different formulations have been developed in order to inertise the waste materials, concluding with the relationships between formulation and environmental evaluation and obtaining a patent.

La presente tesis estudia el desarrollo de tecnologías de separación y recuperación de aromas. Se busca obtener dos clases distintas de productos, concentrados aromáticos y bebidas parcialmente desalcoholizadas. En ambos productos se requiere una alta calidad aromática.Distintos casos de estudio se han seleccionado:i) La separación concentración del 2,4-decadienoato de etilo, aroma impacto de la pera, y ii) la separación-concentración del trans-2-hexen-1-ol, aroma impacto de los arándanos. En ambos casos, se tratan corrientes acuosas de la etapa de concentración de zumos en la indsutria. Para el estudio de la separación /concentración del aroma de pera se aplica adsorción en Carbón Activo Granular y Destilación con Membranas a Vacío, y para el aroma del arándano se selecciona la Pervaporación. Para todos estos casos se analiza el rendimiento del proceso y se desarrolla el modelo matemático obteniéndose sus principales parámetros de transporte.iii) La reducción del contenido de etanol en vino mediante Destilación Osmótica. Se ha desarrollado el modelo matemático que describe el transporte del etanol y los compuestos aromáticos. La validación del modelo y el análisis sensorial se llevaron a cabo mediante vino real. / The thesis document deals with the development of technologies for the separation and recovery of aromatic compounds. Two different kind of products are sought, aroma concentrates from fruit juices and partially de-alcoholised beverages. On both products high aromatic quality is required.Several cases of study have been selected: i) The separation of separation-concentration of ethyl E-2, Z-4-decadienoato, pear impact aroma compound, and ii) separation-concentration of E-2-hexen-1-ol, bilberries impact aroma compound. In both cases, aqueous streams to be treated in the industry would come from the juice concentration stage. The study of the separation and concentration of the pear aroma compound was made by using Adsorption onto Granular Activated Carbon and Vacuum Membrane Distillation, and for the bilberry aroma compound, Pervaporation was selected. For all of these cases of study, the performance analysis and mathematical modeling have been performed and the main transport parameters.iii) The reduction of the alcohol content of wine by Osmotic Distillation. A mathematical model describing both the ethanol and aroma compounds transport was developed. Model validation and sensorial analysis on real wine were made.

La intensificación de procesos consiste en el desarrollo de equipos y técnicas innovadoras que ofrecen mejoras sustanciales en el proceso, principalmente mediante la disminución del volumen del equipo, consumo de energía o generación de residuos, dando lugar a tecnologías más baratas, seguras y sostenibles. Esta tesis enfatiza la intensificación de procesos como estrategia en la recuperación de dióxido de azufre mediante el empleo de la tecnología de membranas y de líquidos iónicos como absorbente con objeto de eliminar las pérdidas de disolvente.La intensificación del proceso se lleva a cabo en dos etapas:i) Sustitución del equipo convencional (e.g. scrubbers) por un sistema de membranas para eliminar el arrastre de gotas y,ii) Sustitución del disolvente de absorción (N,N-dimetilanilina) por líquidos iónicos para eliminar pérdidas de disolvente por su volatilización en la corriente de gas debido a su presión de vapor despreciable. La selección de un líquido iónico adecuado se basa en su afinidad hacia dióxido de azufre, baja viscosidad, bajo coste y baja ecotoxicidad.En resumen, esta tesis es el primer trabajo que combina el empleo de un contactor de membranas de fibra hueca con líquidos iónicos, contribuyendo al desarrollo de procedimientos innovadores para intensificar el proceso de absorción de dióxido de azufre. / Process intensification consists of the development of innovative devices and techniques that offer significant improvements in chemical manufacturing and processing, decreasing substantially equipment volume, energy consumption, or wastes, and ultimately leading to cheaper, safer and sustainable technologies. This thesis emphasizes the process intensification as the strategy to the recovery of sulfur dioxide, according to the material efficiency and environmental protection, by means of technology based on membranes and ionic liquids as absorption solvents in order to avoid solvent losses.Process intensification is performed in two steps:i) Substitution of conventional equipment (e.g. scrubbers) for a membrane device to avoid drops dragging and,ii) Substitution of the absorption solvent (N,N-dimethylaniline) for ionic liquids to avoid solvent losses due to volatilization of solvent into the gas stream because of their negligible vapor pressure. Selection of a suitable ionic liquid is based on its affinity towards sulfur dioxide, low viscosity, low cost and low ecotoxicity.Thus, this thesis is the first work that combines a hollow fibre membrane contactor and ionic liquids, contributing to the development of innovative procedures to intensify the sulfur dioxide absorption process.