No description available.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

O câncer é um problema de saúde mundial que ceifa a vida de muitas pessoas, todos os dias. Nesse sentido, pesquisas voltadas à melhor compreensão do seu progresso e cura são de vital importância. Assim, um importante aspecto do desenvolvimento e crescimento de um tumor é a formação de novos vasos sanguíneos - angiogênese - e o desenvolvimento vascular. As catecolaminas estão envolvidas neste processo, entretanto, sua participação e mecanismos de ação ainda não estão completamente elucidados. Neste sentido, a contribuição específica do sítio catecólico e do sítio amínico, para a interação entre as catecolaminas e seus receptores específicos, bem como a relação com a angiogênese, tornou-se objeto de interesse de estudo. A fim de avaliar a participação de cada grupamento específico, realizou-se a imobilização do sítio catecólico, pela coordenação ao metal rutênio, gerando complexos com fórmula [Ru(NH3)4(cat-R)]Cl, onde \"cat-R\" é isoproterenol, dopamina, noradrenalina, catecol ou adrenalina. Cálculos teóricos e propriedades físico-químicas (por diversas técnicas) foram analisados após a coordenação ao íon metálico. Estudos de estabilidade fotoquímica foram conduzidos. Na sequência, estudou-se a atividade citotóxica e angiogênica destes complexos - utilizando-se como plataforma a membrana corioalantoica (CAM) de embriões de galinha. Para avaliar a atividade moduladora do tônus vascular exercida por estes compostos, estudos de reatividade vascular foram conduzidos para os complexos metálicos em comento, em aorta torácica de ratos. Os resultados obtidos sugerem se tratarem de agonistas parciais e/ou antagonistas dos respectivos receptores. Posteriormente, realizaram-se estudos em células para a análise de aumento de cálcio intracelular, em células tratadas com os complexos. Outrossim, ensaios de regeneração celular foram conduzidos com o intuito de se avaliar a atividade antiproliferativa dos complexos metálicos. Embora a possibilidade de interação específica entre os complexos com fórmula [Ru(NH3)4(cat-R)]Cl com os receptores celulares tenha sido verificada, estudos de interação com fs-DNA, via espectroscopia UV-vis e por deslocamento do brometo de etídio - acompanhada por espectroscopia de fluorescência - foram conduzidos. Na sequência, a interação entre os complexos e a proteína do soro humano albumina (HSA) foi analisada, por supressão de fluorescência. Posteriormente, com a finalidade de se entender o quanto a alteração dos coligantes afetaria as propriedades biológicas dos complexos, uma nova série de complexos metálicos com fórmula genérica [Ru(bpy)2(cat-R)]Cl onde \"cat-R\" é isoproterenol, dopamina, noradrenalina, catecol ou adrenalina. Essas novas espécies foram caracterizadas por técnicas físico-químicas e testada em alguns dos ensaios biológicos realizados para os complexos precedentes. Os resultados evidenciaram que as catecolaminas possuem atividade na angiogênese, sendo que seus efeitos podem ser modulados quando há impedimento do sítio catecólico, por exemplo, pela coordenação ao metal rutênio. Além disso, a substituição dos coligantes amônia, por ligantes piridínicos ocasionou o aumento da citotoxicidade, bem como da interação com DNA (provavelmente por mecanismos de intercalação) e HSA. / Cancer is a global health problem that causes the death of many people every day. In this way, researches aimed at understanding the progress and cure of this disease are desirable. Therefore, an important aspect of the development and growth of a tumor is the formation of the new blood vessels, known as angiogenesis, and the vascular development. The catecholamines are involved in this process, however, their role and mechanism of action are not completely elucidated. In this way, interaction between catecholamines and its receptors should be of interest, in order to understand the blocking mechanism of angiogenesis. Interactions with receptor should occur by catechol or amine site. In order to evaluate the participation of each specific group, the immobilization of the catechol site has been achieved by coordination to the ruthenium metal ion, generating [Ru(NH3)4(cat-R)]Cl, whereas \"cat-R\" is isoproterenol, dopamine, noradrenaline, catechol or adrenaline. Theoretical calculations and physical chemistry properties were analyzed after coordination to the metal ion. Photochemical studies were conducted. Subsequently, the cytotoxicity and angiogenic activity of these complexes were studied - using the chorioallantoic membrane (CAM) of chicken embryos - as well the vascular tone modulating activity of these compounds - analyzed in thoracic aorta of rats. The results obtained suggest that they are partial agonists and/or antagonists of the respective receptors. The intracellular calcium increase was analyzed in cells treated with the complexes. Moreover, cell regeneration assays were conducted with the purpose of evaluating the antiproliferative activity of the ruthenium complexes. Although the possibility of specific interaction between [Ru(NH3)4(cat-R)]Cl complexes with cell receptors have been verified, we have checked also the involvement of DNA on all process. For this fs-DNA interaction studies using UV-vis spectroscopy and with ethidium bromide displacement assay were performed. Afterwards, the interaction between the complexes and Human serum albumin protein (HAS) was evaluated, by fluorescence quenching. The next question to be answered is concerning to the structure of ruthenium complex. Aiming to understand this we have synthesized new [Ru(bpy)2(cat-R)]Cl complexes whereas \"cat-R\" is isoproterenol, dopamine, noradrenaline, catechol or adrenaline. Those species were physical chemistry characterized, and they were analyzed by some biological assays. In conclusion, the results showed that catecholamines have activity in angiogenesis, and their effects can be modulated when the catechol site is not available, for example by the coordination of the ruthenium metal. In addition, the substitution of amino ligands by pyridine ligands has resulted in increased cytotoxicity as well as interaction with DNA (probably by intercalating mechanism) and HSA.

Septinas são GTPases capazes de se polimerizar. Essas proteínas, componentes do citoesqueleto, participam de diversos processos celulares nos quais elas se encontram associadas às membranas, como na citocinese, na ciliogênese e na exocitose. Para que possam exercer essas variadas funções, as septinas organizam-se como hetero-oligômeros (complexos) não-polares, os quais podem interagir entre si, formando estruturas maiores como filamentos, anéis e redes. Essas proteínas são altamente conservadas em eucariotos, todavia, o número de genes de septinas entre espécies é variável de uma, em Chlamydomonas reinhardtii, até mais de uma dezena de genes de septinas em humanos. Estudos anteriores do nosso grupo de pesquisa descreveram quatro septinas em Schistosoma mansoni, nomeadas SmSEPT5, SmSEPT10, SmSEPT7.1 e SmSEPT7.2. Ainda, recentemente, foi verificado que essas septinas são capazes de se ligar a membranas modelo, constituindo um modelo mais simples, quando comparadas às humanas, para estudar os mecanismos de associação às membranas. Neste trabalho, foram investigadas a influência da curvatura das membranas para a interação septinas-lipídios e a especificidade de septinas por diferentes fosfolipídios. Além das septinas de S. mansoni, o complexo de septinas de Ciona intestinalis foi também incluído, visando análises comparativas. Experimentos de microscopia confocal de fluorescência mostraram que tanto a SmSEPT10 isolada, quanto os complexos de septinas de S. mansoni e de C. intestinalis ligam-se, preferencialmente, a membranas com curvaturas de 2 μm-1(diâmetro de 0,96 μm). Essa tendência parece ser intrínseca de septinas, visto que complexos de outros organismos já haviam apresentado a mesma preferência. A capacidade de uma septina individual, no caso SmSEPT10, de distinguir curvaturas é um indicativo de que a polimerização não é necessária para esse mecanismo. A interação das septinas aos modelos de membrana só foi detectada na presença de dextrose, sugerindo que esse açúcar atue na estabilização dessas proteínas e abrindo novas frentes de estudo sobre a estabilidade das septinas. Os experimentos de microscopia, em conjunto com ensaios de PIP Strips, demonstraram que o complexo de septinas de C. intestinalis liga-se, preferencialmente, à fosfatidilserina, enquanto as septinas de S. mansoni apresentam uma preferência por fosfoinositóis. Finalmente, ensaios preliminares com construções mutantes do C-terminal da SmSEPT10 possibilitaram o desenvolvimento de uma hipótese para o mecanismo de associação dessa septina às membranas. / Septins are polymerizable GTPases. These cytoskeletal proteins are involved in several cellular processes in which they are associated to membranes, including cytokinesis, ciliogenesis and exocytosis. In order to perform these various functions, septins assemble into non-polar hetero-oligomers (complexes), which interact with each other forming higher-order structures such as filaments, ring and gauzes. These proteins are highly conserved in eukaryotes, yet the number of septin genes varies from one, in Chlamydomonas reinhardtii, to more than a dozen septin genes in humans. Previous studies from our research group described four septins in Schistosoma mansoni, named SmSEPT5, SmSEPT10, SmSEPT7.1 and SmSEPT7.2. Recently, it was verified that these proteins are capable of binding to model membranes, constituting a simpler model, when compared to human septins, to study the mechanism of membrane association. In this work, the influence of membrane curvature to the septin-lipid binding and the septin specificity to different phospholipids were investigated. In addition to S. mansoni septins, the septin complex from Ciona intestinalis was also included for comparative analyzes. Confocal fluorescence microscopy experiments showed that both SmSEPT10 and the septin complexes from S. mansoni and C. intestinalis bind, preferably, to membranes with 2 μm-1 curvatures (0,96 μm diameter). This tendency seems to be intrinsic to septins, as hetero-oligomers from other organisms had already presented the same binding preference. The capacity of an individual septin to distinguish curvatures is an indicative that the polymerization is not required for this mechanism. The interaction of these septins to the membrane models was only detected in the presence of dextrose, suggesting that this sugar acted in the protein stabilization, thus opening up new to study septin stability. These microscopy experiments, together with PIP Strips assays, demonstrated that the septin complex from C. intestinalis binds preferentially to phosphatidylserine, whereas septins from S. mansoni show a preference to phosphoinositides. Finally, preliminary assays with mutant constructions of SmSEPT10 C-terminal enabled the development of a hypothesis for the association mechanism of these proteins to membranes.

Nesta tese, foram produzidas e estudadas membranas de gelatina e quitosana com nanopartículas de prata, visando obter sinergia em suas propriedades para aplicações em engenharia de tecidos. Os materiais foram escolhidos por suas propriedades e aplicações similares. A gelatina é um polipeptídio biocompatível e biodegradável, obtido do colágeno de animais. A quitosana, um polímero encontrado na parede celular de alguns organismos do reino fungi, pode ser obtida da desacetilação da quitina. É biocompatível, biodegradável, e pode ter efeito antimicrobiano. Nanopartículas de prata também têm efeito antimicrobiano. As membranas foram preparadas por método de casting, e as nanopartículas de prata (AgNPs) foram sintetizadas com o método de Turkevich adaptado (TK-AgNPs) e outro similar com adição de ácido tânico (AT-AgNPs). Membranas com diferentes composições foram fabricadas: de gelatina apenas, de quitosana, e blendas de gelatina com quitosana (GQ), com adição de diferentes concentrações de AT-AgNPs ou TK-AgNPs, reticuladas com glutaraldeído (Gta) ou não. O objetivo era identificar uma composição com boa capacidade antimicrobiana e baixa toxicidade para células humanas. As membranas eram visualmente homogêneas, e a incorporação de nanopartículas foi comprovada por difração de raios X e espectroscopia no infravermelho. As AT-AgNPs eram menores e mais monodispersas do que as TK-AgNPs. As membranas contendo apenas quitosana e gelatina não apresentaram atividade antimicrobiana. As que continham AgNPs foram tóxicas para a bactéria Gram- positiva Staphylococcus aureus segundo testes de halo de inibição, com toxicidade dependente da concentração de AgNPs. As mais eficazes foram as membranas quitosana/TK- AgNPs/Gta, GQ 0,05% AT-AgNPs e GQ 0,1% AT-AgNPs. Nenhuma das membranas apresentou toxicidade contra células de fibroblastos humano. Tais resultados confirmam a possibilidade de aplicação dos materiais estudados como curativos para regeneração tecidual. / In this thesis, gelatin and chitosan membranes with silver nanoparticles were produced and studied, aiming at obtaining synergy in their properties for tissue engineering applications. The materials were chosen for their similar properties and applications. Gelatin is a biocompatible and biodegradable polypeptide derived from animal collagen. Chitosan, a polymer found in the cell wall of some fungi, can be obtained from the deacetylation of chitin. It is biocompatible, biodegradable, and may have antimicrobial effect. Silver nanoparticles also have antimicrobial effect. The membranes were prepared using the casting method, and the silver nanoparticles (AgNPs) were synthesized with an adapted Turkevich method (TK- AgNPs) and a similar one with addition of tannic acid (AT-AgNPs). Membranes with different compositions were made: gelatin only, chitosan, and blends of gelatin and chitosan (GQ), with the addition of different concentrations of AT-AgNPs or TK-AgNPs, crosslinked with glutaraldehyde (Gta) or not. The objective was to identify a composition with good antimicrobial capacity and low toxicity to human cells. The membranes were visually homogeneous, and the incorporation of nanoparticles was confirmed by X-ray diffraction and infrared spectroscopy. The AT-AgNPs were smaller and more monodisperse than the TK- AgNPs. Membranes containing only chitosan and gelatin had no antimicrobial activity. Those containing AgNPs were toxic to the Gram-positive Staphylococcus aureus bacterium according to halo tests, with AgNP concentration-dependent toxicity. The most effective were the chitosan/TK-AgNPs/Gta membranes, 0.05% GQ AT-AgNPs and 0.1% GQ AT-AgNPs. None of the membranes showed toxicity against human fibroblast cells. These results confirm the possibility of application of the membranes as curatives for tissue regeneration.

DE LA TESIS:El DAG es esencial para formar los intermediarios de transporte que se dirigen a la membrana plasmática. Sin embargo, no existen evidencias de su posible participación en las etapas tempranas de la vía secretora. Por tanto, nos centramos en averiguar la implicación del DAG en el transporte de proteínas en la zona del ER/Golgi. Para ello, utilizamos una variedad de fármacos conocidos que inhiben las enzimas responsables de la producción del DAG. Nuestros datos indican que el DAG está implicado en la formación de vesículas COPI en el compartimento temprano del Golgi, concretamente en el proceso de fisión, a través del reclutamiento de ArfGAP1. Posteriormente, estudiamos si la LPP3 (PAP2b) era una de las enzimas responsables de controlar los niveles necesarios de DAG en el cis-Golgi para la formación de las vesículas COPI y la regulación del transporte retrógrado. Para determinar el papel de la LPP3 en la regulación de los niveles de DAG y en la organización y transporte asociado a este compartimento seguimos dos estrategias experimentales: ARN de interferencia para disminuir la expresión de la LPP3 y vectores de expresión para aumentarla. Los resultados sugieren que la LPP3 regula la producción de DAG en las membranas de Golgi y, además, que participa en la organización estructural y funcional del complejo de Golgi, al menos en el transporte retrógrado.Paralelamente, estudiamos si la PKC epsilon era un efector del DAG en el Golgi implicado en la formación de las vesículas COPI. El DAG actúa como un segundo mensajero modulando la localización y la actividad enzimática de ciertas proteínas citoplasmáticas en el Golgi. Estas proteínas tienen un dominio de unión a DAG (dominio C1) que le permite su interacción directa con este lípido y así regular diferentes procesos asociados al Golgi. La PKD se recluta al TGN a través de su unión con el DAG y resulta esencial para la formación de intermediarios de transporte en el TGN. Teniendo en cuenta que la PKC epsilon interacciona con el coatómero, pensamos que podría ser un buen candidato para regular el transporte ER/Golgi de forma similar a la que PKD realiza en el TGN. Nuestros resultados muestran que la PKC epsilon se recluta en el Golgi de manera dependiente de DAG, pero no parece participar en el transporte retrógrado en la zona endoplasmático /complejo de Golgi.

Els adenovirus oncolítics són una estratègia molt prometedora pel tractament del càncer, però l'augment de la seva potència i dispersió intratumoral és imprescindible per tal que aquests vectors presentin una eficàcia òptima pel seu ús en humans. Una estratègia molt prometedora per tal d'augmentar l'eficàcia dels adenovirus oncolítics és la inserció de transgens terapèutics en el genoma adenoviral. En aquest treball es presenta la generació i evaluació d'adenovirus oncolítcs armats amb dos transgens diferents: les glicoproteïnes fusogèniques de membrana (FMG) per una banda, i la hialuronidasa PH20 per l'altre. Les FMG són altament citotoxiques per les cèl·lules tumorals degut a la seva capacitat de fusionar les cèl·lules en grans sincitis multinucleats. En aquest treball hem generat dos adenovirus fusogenics salvatges: l'AdwtRGD-F, que expressa la proteïna F del paramixovirus SV5 i l'AdwtRGD-GALV que expressa la proteïna de l'envolta del virus de la leucèmia de gibbó (GALV). L'expressió de la proteïna F pel virus AdwtRGD-F va resultar en la formació de sincitis petits, però la fusió induïda per la proteïna F no va ser capaç d'augmentar la potència de l'adenovirus AdwtRGD-F. En canvi, l'expressió de la proteïna GALV pel virus AdwtRGD-GALV va resultar en la formació de grans sincitis i en la millora de la potència citotòxica de l'adenovirus in vitro. A continuació, el gen de la glicoproteïna GALV va ser inclós en el genoma d'un adenovirus de replicació selectiva de tumor: l'ICOVIR5. Per tal d'insertar el gen de la glicoproteïna GALV en el genoma de l'ICOVIR5 sense afectar la capacitat d'encapcidació de l'adenovirus vam eliminar una part del genoma d'aquest virus (els ORFS 1,2 i 3 de la regió E4) per tal de generar l'ICOVIR9dE4. L'expressió de la glicoproteïna GALV per part de l'ICOVIR9dE4 va augmentar significativament la capacitat citotòxica del virus respecte l'ICOVIR5 in vitro. Tot i això, les diferents modificacions realitzades en l'ICOVIR9dE4 van resultar en una disminució de la producció viral i en una potència antitumoral in vivo molt similar a la presentada per l'ICOVIR5. A continuació, vam insertar el gen de la glicoproteïna GALV en el genoma de l'ICOVIR15 (un adenovirus oncolític molt similar a l'ICOVIR5 però amb un genoma més curt) per tal de generar l'ICOVIR16. La inserció del gen GALV en l'ICOVIR16 no va requerir l'eliminació de cap gen viral. In vitro, l'adenovirus fusogènic ICOVIR16 va presentar una elevada capacitat citotòxica i una producció viral similar a la de l'ICOVIR15. In vivo, l'administració d'ICOVIR16 (tan per via intratumoral com sistèmica) va controlar el creixement tumoral més eficientment que l'adenovirus control en tots els models tumorals analitzats. Per una altra banda, per tal que l'adenovirus sigui capaç d'eliminar la totalitat de la massa tumoral es necessari que el virus sigui capaç de distribuir-se eficientment pel tumor. En aquest treball hem analitzat si l'eliminació de la matriu extracel·lular mitjançant l'enzim hialuronidasa facilita la dispersió d'adenovirus oncolítics. Primer vam demostrar que la coadministració intratumoral de hialuronidasa soluble i un adenovirus oncolític en tumors xenografts de ratolí millora l'activitat antitumoral de l'adenovirus oncolític en monoteràpia. A continuació, vam construir l'adenovirus AdwtRGD-PH20, un adenovirus salvatge que expressa una forma soluble de la hialuronidasa testicular PH20. L'administració de l'AdwtRGD-PH20 a ratolins amb tumors de melanoma humà va resultar en la degradació de l'àcid hialurònic present en el tumor, una millor distribució del virus per la massa tumoral i la regressió de tots els tumors tractats. Finalment, vam insertar el cDNA de la hialuronidasa PH20 en el genoma de l'adenovirus oncolític ICOVIR15 per generar l'adenovirus ICOVIR17. L'ICOVIR17 va demostrar una millor eficàcia i distribució antitumoral que l'ICOVIR15 després de ser administrat via intratumoral o sistèmica en ratolins amb tumors humans preestablerts. Els resultats obtinguts en aquesta tesi indiquen que els adenovirus ICOVIR16 i ICOVIR17 són bons candidats per ser analitzats en assajos clínics de fase I. / Oncolytic adenoviruses hold considerable promise for treating solid tumors, although the potency and spread of the virus needs improvement if its full clinical potential is to be realized. On the one hand, we tested here whether the insertion of the gene encoding the gibbon ape leukemia virus envelope (GALV) glycoprotein into the genome of a replication competent adenovirus is able to increase adenovirus potency. The GALV glycoprotein efficiently kills tumor cells by inducing fusion of neighboring cells to form multinucleated syncytia. The in vitro characterization of the fusogenic adenovirus (AdwtRGD-GALV) showed that this virus can induce massive syncytia formation, leading to a significantly increased tumor cytotoxicity compared with a nonfusogenic virus. Next, the GALV gene was inserted into an oncolytic adenovirus which selectively kills pRb pathway-defective tumor cells. The antitumoral activity of the oncolytic adenovirus expressing GALV (ICOVIR-16) was compared to that of the parental virus ICOVIR-15 in nude mice with pre-established human tumors. GALV expression greatly improved the antitumor efficacy of ICOVIR16. When injected directly to the tumor, ICOVIR16 induced tumor regression in 70% of treated tumors, whereas only 30% of tumors treated with ICOVIR15 regressed. When injected systemically, ICOVIR16 showed a greater reduction in tumor progression that was significant compared with the parental virus, ICOVIR15. On the other hand, we tested whether the expression of hyaluronidase, an enzyme which dissociates the extracellular matrix, could enhance the intratumoral distribution of an oncolytic adenovirus and improve its therapeutic activity. As a proof of concept, we demonstrated that intratumoral coadministration of hyaluronidase in nude mice bearing tumor xenografts improves the antitumor activity of an oncolytic adenovirus. Next, we constructed a replication competent adenovirus (AdwtRGD-PH20) and an oncolytic adenovirus (ICOVIR17) expressing a soluble form of the human sperm hyaluronidase (PH20). The antitumoral activity of both adenoviruses expressing PH20 was compared to that of the parental viruses AdwtRGD and ICOVIR-15. Both AdwtRGD-PH20 and ICOVIR-17 showed more antitumor efficacy following intratumoral administration in mice with pre-established tumors, along with an improved spread of the virus within the tumor mass. Importantly, a single intravenous dose of ICOVIR-17 induced tumor regression in 60% of treated tumors. Our results indicate that ICOVIR-16 and ICOVIR-17 are promising candidates for clinical testing.

Zeolite NaA membranes have attracted special attention in the last years in light of their high selectivities (>40000) and fluxes in the dehydration of alcohol/water mixtures. This Ph.D. thesis is aimed at developing new methods for zeolite NaA membrane synthesis together with the characterization of their mass transfer mechanisms for their further application in membrane reactors.The membranes have been prepared onto the outer and inner surface of ceramic tubular supports by in situ and seeded hydrothermal synthesis. To avoid the shortcoming of low accessibility to the lumen of the tubes in inner-side membrane synthesis, a new seeding technique is here presented that relies on a controled filtration of a zeolite particle suspension. The seeding weight gain strongly depends on the retentate flow rate, transmembrane pressure and pH. On the other hand, for the hydrothermal syntheses, four different techniques have been used: (1) synthesis in a batch system, (2) synthesis in a centrifugal force field, (3) semi-continuous synthesis and (4) continuous synthesis. The as-synthesized membranes have been characterized by gas permeance, PV of ethanol/water mixtures, XRD and SEM. The results reveal that techniques (3) and (4) that involve gel renewal improve the PV performance, with selectivities and fluxes up to 16000 and 1.2 kg m-2 h-1, respectively, for ethanol/water mixtures 92:8 wt.% at 323 K. Moreover, despite the presence of a certain amount of intercrystalline defects in the layers, their use is suitable for dehydrating long-chain alcohols and ethers, which opens up the possibility of being used in membrane reactors to carry out etherificarion reactions.The PV process in zeolite NaA membranes has been modeled using the generalized Maxwell-Stefan diffusional theory, including the explicit contribution of intercrystalline porosity and the binary adsorption isotherm of water and ethanol. The surface diffusivities of water obtained from the fittings to PV fluxes are ca. 3-5 orders of magnitud higher than those obtained from adsorption kinetics experiments. This apparent contradiction might be ascribed to the role of grain boundaries between adjacent zeolite grains as fast diffusion paths. / Les membranes zeolítiques hidrofíliques, caracteritzades per les seves elevades relacions Al/Si, constitueixen una camp de recerca prometedor per a la deshidratació de mescles orgàniques mitjançant pervaporació (PV). Més específicament, les membranes de zeolita NaA han rebut especial atenció per les seves altes selectivitats (>40000) y fluxos en la deshidratació de mescles alcohol/aigua. En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral ha estat el desenvolupament de nous mètodes de preparació d'aquestes membranes, juntament amb la caracterització dels seus mecanismes de transport per a la seva posterior aplicació en reactors de membrana.En els capítols IV i V de la memòria es descriu la preparació de membranes de zeolita NaA sobre suports tubulars ceràmics, tant a la seva superficie externa com interna, mitjançant síntesi hidrotèrmica in situ y creixement secundari. En aquesta configuració, la sembra del suport és complexa a causa de la poca accessibilitat a la seva superficie interior. Per a paliar aquesta limitació, en esta tesi s'ha desenvolupat un mètode de sembra basat en la filtració controlada d'una suspensió de partícules de zeolita NaA. S'ha observat que el guany de de sembra [mg cm-2] depèn fortament del cabal de retingut, pressió transmembranal y pH. D'altra banda, la síntesi hidrotèrmica de les capes s'ha realizat mitjançant quatre tècniques diferents: (1) síntesi en un sistema batch, (2) síntesi sota l'acció d'un camp centrífug, (3) síntesi en un sistema semi-continu i (4) síntesi en un sistema continu. Les capas sintetizades s'han caracteritzat mitjançant permeació de gasos, PV de mescles etanol/aigua, DRX y SEM. Els resultats obtinguts indiquen que la renovació del gel a l'interior dels tubs millora la qualitat pervaporativa de les membranes, amb selectivitats y fluxos de fins a 16000 y 1.2 kg m-2 h-1, respectivament, per a mescles etanol/aigua 92:8 wt.% a 323 K. Les membranes també mostren bones prestacions en la deshidratació d'alcohols primaris C1-C5 i mescles ternàries 1-pentanol/DNPE/aigua. Els resultats també reflecteixen que, a pesar de la presència de defectes en les capes, el seu ús sembla adequat per a deshidratar alcohols y èters de cadena llarga, la qual cosa en possibilitaria l'ús en reactors de membrana per a dur a terme reaccions d'eterficació. Aquesta possibilitat s'il·lustra a partir de la simulació d'un reactor de membrana de zeolita NaA per a la reacció de l'1-pentanol a di-n-pentil éter (DNPE) en fase líquida catalitzada per resines àcides de bescanvi iònic.En el capítol VI es presenta un model matemàtic per a la predicció de distribucions de tamanys de porus en membranes de MF, UF i NF a partir de la teoria de moments a partir de tres experiments independients: (1) permeació de N2 en règim Knudsen, (2) permeació d'agua pura, i (3) difusió iònica no impedida. Posteriorment, aquest mètode s'ha extès a la caracterització de defectes meso- i macroporosos en capes zeolítiques a partir d'una col·lecció d'experiments de PV. S'observa que les membranes de zeolita NaA perden parcialment la seva capacitat deshidratadora per a porositats intercristal·lines >10-4.Finalment, en els capítols VII y VIII es descriu la modelització del procés de PV en membranes de zeolita NaA mitjançant la teoria generalitzada de Maxwell-Stefan. La modelització inclou explícitament la contribució de la porositat intercristal·lina i la informació de l'adsorció binària d'aigua i etanol. La modelització de l'equilibri d'adsorció binari s'ha realitzat a partir de la teoria IAST i la versió modificada PRAST. Els models resultants representen satisfactòriament les tendències experimentals. Les difusivitats superficials de l'aigua obtingudes a partir dels ajustos a fluxos de PV són 3-5 ordres de magnitud superiors als obtinguts a partir de cinètiques d'adsorció. Aquesta aparent contradicció s'argumenta a partir de la contribució dels límits de gra en les capes, el quals podrien actuar com a camins de difusió ràpida.

L'ús de materials híbrids ha estat demostrat que és una aposta important en moltes àrees de la ciència i particularment, dels processos de separació. En aquest treball s'ha utilitzat el carbó activat per obtenir membranes compostes. Les membranes de naturalesa carbonosa ofereixen el potencial de combinar la senzilla utilització dels polímers amb les bones propietats de separació dels tamisos moleculars carbonosos. Tanmateix, la incorporació del carbó activat respon a una segona motivació corresponent al seu ús com a suport per obtenir reactors de membrana enzimàtics (EMR). D'aquesta manera s'aconsegueix obtenir en un únic procés una operació de separació i una de reacció, fet que es coneix com intensificació de processos, i que respon a una de les principals tendències de la recerca actual. En la primera etapa del treball es van sintetitzar membranes polimèriques de polisulfona mitjançant el mètode de precipitació per immersió, i en primer terme, es va estudiar l'efecte de la concentració de polímer, i el tipus de solvent a utilitzar. Determinades aquestes condicions, es va realitzar un estudi més profund considerant la variació de la composició del bany de coagulació. La caracterització va incloure la microscòpia electrònica d'escombratge (SEM), la microscòpia de força atòmica, la tècnica experimental de rebuig de sòlids i l'angle de contacte. També es van caracteritzar les membranes mecànicament. Els resultats van demostrar que amb la variació de la concentració del bany de coagulació s'obtenen membranes amb morfologies molt diferents, aptes per processos de micro i ultrafiltració, les quals ofereixen un rang de tall d'entre 25 i 700 kDa (mesurat amb dextrans). El mètode de SEM és un dels més versàtils ja que permet caracteritzar morfològicament tota la superfície de la membrana, de manera relativament ràpida i senzilla i sobretot podent-la examinar globalment. Tanmateix, els resultats són qualitatius, i en aquest treball es va desenvolupar una eina informàtica (IFME®) que permet obtenir resultats quantitatius, ràpids i sistemàtics. Relatiu al mètode experimental, cal destacar que el rendiment de les membranes es veu decisivament afectat pel disseny del mòdul: un mal disseny pot implicar un inadequat flux sobre la mateixa i l'aparició de fenòmens com l'embrutiment o la polarització que implica una sensible reducció del flux de permeat i una modificació del tall de la membrana. És per això, que es van considerar diversos mòduls, i per cada un d'ells es va realitzar un estudi de la dinàmica de fluid (CFD) per tal d'estudiar-ne el seu comportament i optimitzar-lo en els casos necessaris.La segona etapa va consistir en l'obtenció i caracterització de membranes compostes mitjançant l'ús de carbó activat (mateixos mètodes). Se'n van obtenir de dos tipus: les formades per una i dues capes. En les primeres, el carbó es va addicionar juntament amb el polímer i el solvent, de manera que quedava una mescla homogènia a partir de la qual s'obtenia la membrana. En les de dues, el carbó es va addicionar a la part superior del film un cop estava format, però abans d'obtenir la membrana. Els resultats van mostrar que l'addició de carbó activat no modificava les propietats morfològiques de les membranes, i conseqüentment, la seva capacitat de separació, malgrat les funcionalitzava.En la darrera etapa es van desenvolupar dos tipus d'EMRs. Un primer utilitzant enzim sòlid que es va immobilitzar entre dues capes de membrana (sense enllaç químic), i un segon que va incloure un complex enzimàtic líquid enllaçat químicament al carbó activat de dues maneres: directament a ell i mitjançant l'ús d'un ió metàl·lic, Cu(II), (tècnica IMAC). D'aquest darrer tipus, se'n van obtenir dos configuracions: d'una capa, on el complex es va addicionar juntament amb el polímer i el solvent obtenint una mescla homogènia de tots els components, i de dues capes, addicionant el complex damunt el film polimèric, però abans d'introduir-lo al bany de coagulació i obtenir la membrana. Totes les membranes enzimàtiques obtingudes van mostrar una adequada immobilització de l'enzim i una bona reactivitat i per tant, es va aconseguir un bon equilibri entre la velocitat de reacció i la de separació. Els reactors monocapa obtinguts amb l'enzim líquid són els que van oferir un rendiment global millor, ja que permeten l'obtenció d'aquells components més desitjats, mantenen inalterada la capacitat de separació de la membrana, són vàlids també per processos difusius i són sistemes molt compactes. / The utilization of hydride materials has been demonstrated to be an important approach in many fields of science, and particularly, in separation processes. In this work, activated carbon was used to obtain composite membranes. They offer the potential of combine the simple utilization of polymers with the functional properties of carbon materials. Nevertheless, the incorporation of the activated carbon responds also to a second objective: the production of enzymatic membrane reactors by taking advantage of its adsorption capability. Therefore it is possible to obtain a single unit which carries out two processes: separation and reaction. This is process intensification, which is one of the main research trends. In the first stage, polysulfone membranes were synthesized by immersion precipitation. Firstly, the effect of its concentration in the polymeric mixture was studied. Secondly, the type of solvent was also investigated. When the best conditions of these variables were encountered, the effect of the composition of the coagulation bath was deeply studied. The characterization included methods as the scanning electron microscopy (SEM), the force atomic microscopy, the experimental related to solid exclusion and the contact angle. Membranes were also mechanical characterized by strain-stress tests. Results demonstrated that with the variation of the coagulation bath it is possible to obtain a wide range of membrane morphologies with a cut-off range from 25 to 700 kDa (measured with dextrans). The SEM is one of the most versatile method because allows to characterize morphologically almost all the membrane surface, in a quick and simple way. But the results obtained are qualitative, and in this work, a software (IFME®) was developed to obtain quantitative results, quickly and systematically. Related to the experimental, the global performance of membranes depends also on the module design: a wrong design could imply a non-adequate flux flow over the membrane, which facilitates the phenomena of fouling and polarization that reduces the permeate flow. For this reason, several modules were considered, used and also simulated with computational fluid dynamics, and in those necessary cases, were also optimized. The second stage consisted on the synthesis and characterization of composite membranes by adding activated carbon (same techniques). Two types of composite membranes were obtained. A single-layered one, which the activated carbon was added to the polymeric solution at the beginning of the process and, therefore, a homogeneous film and membrane were obtained, and a two-layered one. The activated carbon was added over the surface of the film obtained before immersing it in the coagulation bath, and therefore, producing the membrane. Results showed that the addition of the carbon did not modify the morphology of the membranes and therefore, their separation capability, but it added functionality to the membrane.The last stage of the work consisted on the synthesis of two types of EMR. The first one contained a solid enzyme which was immobilized between two membrane layers (without chemical bind). The second one contained an enzymatic liquid complex with was bounded directly to the activated carbon and by using an ion metal (IMAC technique). Related to this second type of enzyme, two different EMR configurations were obtained: a single-layered one (adding the complex to the polymeric mixture) and two-layered one (adding the complex over the obtained film before producing the membrane). All the configurations demonstrated a successfully immobilization of the enzyme and also proper reactivity results (a good equilibrium between the kinetics of the reaction and the membrane flux was achieved). The monolayer enzymatic membrane reactor was the one which showed best overall results, since the desired reaction products could be obtained, the separation capability of the membrane was not altered, the system is also valid for diffusive processes and the system is very compact.