DSpace Colección :http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/2282024-03-28T14:29:13Z2024-03-28T14:29:13ZModificación superficial de membrana de nanofiltración para incrementar su productividad en la desalinización de agua de mar.Vargas Figueroa, Catalina Adrianahttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/117242024-01-11T06:02:43Z2023-01-01T00:00:00ZTítulo : Modificación superficial de membrana de nanofiltración para incrementar su productividad en la desalinización de agua de mar.
Autor : Vargas Figueroa, Catalina Adriana
Resumen : Como consecuencia de la creciente escasez de agua dulce, la implementación de plantas de desalinización ha aumentado a gran escala llegando incluso a 21000 plantas instaladas en el mundo al 2022, aumentando en casi al doble en una década. Dentro de los procesos de desalinización mediante membranas operadas por presión el más masivo es la ósmosis inversa, seguido por la nanofiltración. Una de las desventajas que presenta la nanofiltración frente a ósmosis inversa es la baja retención de iones monovalentes, sin embargo, presenta mayores flujos de permeado trabajando a menores presiones de operación. Otro de los problemas que presenta junto a las otras membranas manejadas por presión, es el ensuciamiento. El ensuciamiento provoca una disminución en el rendimiento de la operación, un acortamiento de la vida útil de las membranas y mayores costos operacionales. La modificación superficial de las membranas ha sido altamente considerada con el fin de encontrar una solución a los problemas referidos. La modificación superficial a diferencia de la creación de nuevas membranas posee la ventaja de poder lograr variadas combinaciones de soluciones partiendo de una matriz inicial, adicionalmente es más económico. Existen diversas metodologías de modificación que están siendo utilizadas actualmente, pero los objetivos son principalmente los mismos: aumentar el desempeño de las membranas en la operación, es decir, aumentar permeabilidad, aumentar la retención de sales y aumentar la resistencia al ensuciamiento. Las propiedades que se deben caracterizar y que influyen los objetivos de las modificaciones son: grupos funcionales en la superficie, rugosidad, ángulo de contacto (hidrofilicidad) y carga superficial. En este estudio se analizan tres tipos distintos de modificaciones a membranas de nanofiltración: interpenetración de redes poliméricas (INPs) con una mezcla de monómeros (ClAPTA, APSA y GMA-NMG), crecimiento in situ de nanotubos de carbono mediante metodología PopTube (asistido por microondas) y Sputtering de ZnO (depósitos de metales y óxido de metal mediante campo magnético en atmósfera de gas inerte Argón). Las membranas comerciales de nanofiltración seleccionadas (NF90 y NF270, Dow chemical) mostraron buena resistencia a todas las modificaciones realizadas. Los resultados obtenidos de las modificaciones con INPs mostraron cambios más importantes, específicamente la mezcla de 0,13 M ClAPTA - 0,07 M GMA-NMG presentó un mejor rendimiento como resultado de un mayor aumento de la permeabilidad en un 84,3 %, manteniéndose estables los rechazos iónicos en comparación con las membranas comerciales originales (~90 %). Para modificaciones PopTube, se observa mejores resultados en el caso de la membrana NF270 aumentando ligeramente el rendimiento de rechazo del NaCl en un 14 %, sin sacrificar excesivamente la permeabilidad de la membrana. Por último, para la modificación mediante Sputtering, el depósito de ZnO sobre la membrana le puede otorgar un aumento en el rechazo de iones monovalentes hasta del 10 %, sin embargo, este aumento es en desmedro de la densidad de flujo de permeado la cual puede caer en un 40 %. Finalmente, los resultados obtenidos en estas modificaciones permiten avalar la hipótesis planteada de que, por medio de modificaciones químicas y físicas, es posible aumentar la permeabilidad y el rechazo de iones monovalentes de una membrana de nanofiltración de poliaramida en la desalinización de agua de mar. Los resultados generados en este trabajo dan lugar a otras interrogantes a ser abarcadas en futuros estudios, como lo son, la modificación de variables que en este estudio se mantuvieron fijas, desarrollar todas las modificaciones a una escala de sobremesa para poder estudiar la transferencia de masa y que éstos resultados sean escalables a una escala industrial y estudiar las cargas superficiales de las membranas modificadas y cómo estas se comportan/varían con las modificaciones incorporadas.
Descripción : Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química.2023-01-01T00:00:00ZStudy of the poultry manure treatment process using sequential anaerobic digestion and biological nitrogen removal in the presence of organic matter.Arriagada Gajardo, Constanza Beatrizhttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/116162024-01-03T16:51:25Z2023-01-01T00:00:00ZTítulo : Study of the poultry manure treatment process using sequential anaerobic digestion and biological nitrogen removal in the presence of organic matter.
Autor : Arriagada Gajardo, Constanza Beatriz
Resumen : The objective of the present work was to develop a global treatment system that ensures the removal of organic matter and nitrogen from ammonia-rich wastes, such as poultry manure, and to determine operational ranges of the proposed system that allow high methane production, high nitrogen removal and reduction of waste dilution in the treatment of a real and complex substrate. The process consists of biological treatment by anaerobic digestion (AD) followed by the simultaneous process of partial nitrification, Anaerobic Ammonia Oxidation, and denitrification (SNAD, Simultaneous Nitrification, Anammox, and Denitrification).
This work has focused on the treatment of poultry manure and the identification of operational conditions to obtain high methane yields with a hydraulic retention time (HRT) lower than 15 d in the anaerobic digestion and nitrogen removal close to the theoretical maximum for the SNAD process, treating wastewater with high total ammonia nitrogen (TAN) concentration. This study is innovative because there are partial studies on the treatment of poultry manure, but there are unsolved problems. There is no information available on the AD of poultry manure with high methane yields and TRH shorter than 15 d, and there is limited information available on the treatment of digested poultry manure using the SNAD process. In addition, the presence of ammonia inhibits anaerobic digestion and the SNAD process, resulting in a diluted substrate with significant costs due to increased freshwater consumption, making the process infeasible for industrial application based on the reported data. Therefore, this research aims to address the unexplored research gap in the performance of AD reactor operated with short HRT and SNAD reactors at high TAN concentrations for poultry manure treatment. The study was divided into four chapters.
Chapter 1 reviews the current literature on poultry manure treatment by anaerobic digestion. It was concluded that high methane yields of 0.25 to 0.30 LCH4 /gVS could be obtained when operating at ammonia concentrations between 0 to 500 mgNH3-N/L and with HRT less than 23 days. The average methane yield was 0.218 LCH4 /gVS added.
Chapter 2 evaluates the efficiency of an anaerobic digestion system (ADS) focused on treating high substrate concentrations (10.09 to 35.25 g VS/L) with low HRT, less than 10 d. Methane yields of 0.22 LCH4 /gVS added with HRT from 3.38 to 4.66 d and at ammonia concentrations between 323 to 460 mg NH3-N/L were obtained.
Chapter 3 studies how to improve nitrogen removal in a continuous SNAD reactor. The apparent kinetics of the process was studied in a global and simplified way, using the Haldane inhibition model. Also, the effect of the influent TAN concentration and the effect of the HRT on the reactor performance were analyzed. The analysis of the apparent kinetics showed the high sensitivity of the process to the ammonia concentration in the bulk liquid, with an ammonia inhibition constant, K'I,NH3, equal to 19 mg NH3-N/L. An optimum average ammonia concentration of 3.2 mg NH3-N/L was obtained, with an average nitrogen removal rate of 483 mg N/ L d. From the performance analysis, safe (stable) and risky (unstable) operating ranges were determined for an industrial operation. The safe operating range, with an influent concentration less than or equal to 450 mg TAN/L and an HRT between 0.4 and 1.4, allows for high nitrogen removal (74 to 83%), supports high nitrogen loading rates (1.1 g N/L d), and has shown high stability over time.
Chapter 4 analyzes the stoichiometric substrate composition and the effect of the influent composition for the carbon and nitrogen abatement, in a semi-continuous SNAD reactor fed with anaerobic digested poultry manure with high TAN concentration (above 700 mg TAN/L). The effect of inorganic carbon-to-nitrogen ratio (IC/N) and organic carbon-to-nitrogen ratio (TOC/N) on SNAD reactor performance was analyzed. It was observed that the limitation of IC and/or TOC generates a decrease in nitrogen removal and an imbalance in the biomass of the process, in terms of specific activity. Based on the results, it was recommended to operate with IC/N ratios = 1.7 and TOC/N = 1.07 to improve nitrogen removal in a semi-continuous SNAD reactor fed with concentrations above 700 mg TAN/L.
Finally, the obtained results highlight the technical feasibility of the process studied, under conditions of low HRT (3.38 to 4.66 d) for the AD and high substrate concentrations (400 to 794 mg TAN/L) for the SNAD process and defining safe operating ranges for treatment of poultry manure at industrial scale. These findings are crucial for the successful implementation and operation of industrial-scale processes that aim to generate renewable energy, efficiently remove organic matter and nitrogen, and reduce the environmental impact of this type of waste.; El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un sistema de tratamiento global que asegure la eliminación de materia orgánica y nitrógeno desde residuos ricos en nitrógeno, como el estiércol avícola, y determinar rangos operacionales del sistema, que permitan elevada producción de metano, alta eliminación de nitrógeno y reducción de la dilución del residuo en el tratamiento de un sustrato real y complejo.
El proceso consiste en el tratamiento biológico mediante digestión anaeróbica (AD) seguido del proceso simultaneo de nitrificación parcial, Anammox y desnitrificación (SNAD, por su sigla en inglés Simultaneous Nitrification, Anammox, and Denitrification).
Este trabajo se centró en el tratamiento de estiércol avícola y la determinación de condiciones operacionales, que permitan obtener altos rendimientos de metano con tiempos de residencia hidráulica (HRT) menores a 15 d en un digestor anaeróbico y remociones de nitrógeno en cercanas al máximo teórico para el proceso SNAD, tratando efluentes con alta concentración de nitrógeno amoniacal total (TAN). Este estudio es innovador porque existen estudios parciales sobre el tratamiento del estiércol avícola, pero existen problemas sin resolver. No se dispone de información sobre la DA de estiércol avícola con altos rendimientos de metano y TRH inferior a 15 d, y la información disponible sobre el tratamiento del efluente de la digestión anaeróbica de estiércol avícola mediante el proceso SNAD es limitada. Además, la presencia de amoníaco inhibe la AD y el proceso SNAD, lo que requiere la alta dilución del sustrato. Esto genera altos costos operacionales debido al consumo de agua fresca, lo que hace que el proceso no sea factible para su aplicación industrial en base a los datos reportados. Por lo tanto, esta investigación tiene como objetivo abordar la brecha de investigación inexplorada en el tratamiento de estiércol avícola, con respecto a aumentar el rendimiento del reactor de AD operado con bajo HRT, aumentar la eficiencia del
reactor SNAD alimentado con altas concentraciones de TAN. El estudio se dividió en cuatro capítulos.
En el Capítulo 1 se analizó la literatura actual de tratamiento de estiércol avícola mediante digestión anaeróbica. Se concluyó que se podrían obtener altos rendimientos de metano de 0,25 a 0,30 L CH4/g VS alimentado al operar a concentraciones de amoniaco entre 0 a 500 mg NH3-N/L y con HRT menores a 23 días. El rendimiento promedio de metano fue de 0,218 L CH4/g VS alimentado.
En el Capítulo 2 se evaluó la eficiencia de un sistema de digestión anaeróbica (ADS) enfocado en tratar altas concentraciones de sustrato (10,09 a 35,25 g VS/L) con bajos HRT, menores a 10 d. Se obtuvieron rendimientos de metano de 0,22 LCH4/gVS alimentado con HRT de 3,38 a 4,66 d y a concentraciones de amoniaco entre 323 a 460 mg NH3-N/L.
En el Capítulo 3 se estudió cómo mejorar la eliminación de nitrógeno en un reactor SNAD continuo. Se estudió la cinética aparente del proceso de manera global y simplificada, usando el modelo de inhibición de Haldane y se analizó el efecto de la concentración TAN del afluente y el efecto del HRT sobre el desempeño del reactor. El análisis de la cinética aparente demostró la alta sensibilidad del proceso a la concentración de amoniaco en el medio, con una constante de inhibición por amoniaco, K’I,NH3, igual a 19 mg NH3-N/L. Se obtuvo una concentración promedio óptima de amoniaco igual a 3,2 mg NH3-N/L, con la que se obtuvo una velocidad de remoción de nitrógeno promedio de 483 mg N/ L d. Del análisis de desempeño, se determinaron los rangos de operación seguros y riesgosos para una operación industrial. El rango de operación seguro, con una concentración de afluente menor o igual a 450 mg TAN/L y HRT entre 0,4 a 1,4, permite alta eliminación de nitrógeno (74 a 83%), soporta alta velocidad de carga nitrogenada (1,1 g N/L d) y demostró alta estabilidad en el tiempo.
En el Capítulo 4 se analizó la relación estequiométrica de sustrato requerida para el proceso SNAD y el efecto de la composición de la alimentación en un reactor SNAD semicontinuo alimentado con el efluente de la digestión anaeróbica del estiércol avícola con alta concentración de TAN (sobre 700 mg TAN/L). Se analizó el efecto de la razón de carbono inorgánico-nitrógeno (IC/N) y la razón de carbono orgánico-nitrógeno (TOC/N) sobre el desempeño del reactor SNAD. Se observó que la limitación de IC y/o TOC genera una disminución en la remoción de nitrógeno y un desequilibrio en la biomasa del proceso, en términos de actividad específica. En base a los resultados, se recomendó operar con razones de IC/N = 1,77 y TOC/N = 1,07 para mejorar la eliminación de nitrógeno en un reactor SNAD semi continuo alimentado con concentraciones sobre 700 mg TAN/L.
Finalmente, los resultados obtenidos permiten destacar viabilidad técnica del proceso estudiado, en condiciones de bajo HRT (3,38 a 4,66 d) y altas concentraciones de TAN alimentado (400 a 794 mg TAN/L) y definir rangos de operación seguros para el tratamiento a escala industrial. Estos hallazgos son fundamentales para la implementación y operación exitosa de procesos a escala industrial que busquen la generación de energía renovable, la eliminación eficiente de materia orgánica y de nitrógeno, sumado a la reducción del impacto ambiental que genera este tipo de residuos.
Descripción : Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química.2023-01-01T00:00:00ZDesarrollo y producción recombinante de un péptido bloqueador de TNF para el tratamiento de trastornos autoinmunes inflamatorios.Aguilar Domínguez, Pedro Pablohttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/109622023-11-10T23:17:32Z2023-01-01T00:00:00ZTítulo : Desarrollo y producción recombinante de un péptido bloqueador de TNF para el tratamiento de trastornos autoinmunes inflamatorios.
Autor : Aguilar Domínguez, Pedro Pablo
Resumen : El Factor de Necrosis Tumoral (TNF; de sus siglas en inglés, tumor necrosis factor), se ha transformado en una importante diana terapéutica para el tratamiento de trastornos autoinmunes inflamatorios. A la fecha, existen 5 biofármacos bloqueadores de TNF aprobados por la FDA que corresponden a proteínas de fusión y anticuerpos monoclonales. A pesar de los resultados terapéuticos informados, estos biofármacos poseen desventajas que limitan su uso, entre ellas: (i) deben ser producidos en cultivos de células de mamíferos, a un elevado costo de producción, (ii) son moléculas considerablemente grandes (~150 kDa), lo que limita la penetración de tejidos y condiciona el uso de altas dosis, (iii) tienen altos precios de mercado (~100 000 dólares/año, para una terapia individual), lo que implica que menos del 10% de los pacientes tenga acceso a este tipo de terapia. Para solucionar estas limitaciones, el Laboratorio de Biofármacos Recombinantes (LBR), de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Concepción, empleando la tecnología de Phage Display, ha desarrollado un péptido de unión a TNF (CBB288) con capacidad bloqueadora. Los péptidos, como potenciales bioactivos, suelen ser selectivos, poco tóxicos, y con un tamaño molecular (≤5 kDa) que permite el uso a bajas dosis respecto a los anticuerpos monoclonales. Como limitante, es conocido que existe una escasa optimización de operaciones a escala industrial para sintetizar péptidos, resultando la síntesis química de péptidos en un proceso caro y poco sustentable que genera un exceso de residuos tóxicos. En este marco, el avance de la biotecnología ofrece variantes con buena combinación de costo-sustentabilidad, donde sobresale la expresión de proteínas en Escherichia coli. En este trabajo, tres etapas fundamentales fueron establecidas para producir el r-CBB288, en una primera etapa de fermentación se expresaron copias repetidas del CBB288 en forma de tándem, luego, para obtener el péptido recombinante se realizó una proteólisis asistida con hidroxilamina (HX) y posteriormente para purificar el péptido se utilizó una cromatografía de exclusión molecular (CEM). Las tres operaciones se evaluaron mediante diseño experimental para analizar la influencia de los principales parámetros operacionales sobre las variables respuestas más importantes. En el caso de la CEM, resulta válido aclarar que las operaciones de purificación en los procesos biotecnológicos constituyen alrededor del 70% del costo total de producción, motivo por el cual estas operaciones deben ser optimizadas con rigor, para evitar afectaciones en la factibilidad del proceso. En este sentido, para la CEM se desarrolló un modelo fenomenológico que permite describir la operación e inferir el comportamiento a dimensiones requeridas. Para demostrar que el r-CBB288 conserva la capacidad unirse al TNF, ensayos de Termoforesis en Microescala (TMS) determinaron las constantes de disociación (Kd) respecto a la diana molecular. Además, ensayos MTT se llevaron a cabo para demostrar el bloqueo de la actividad citotóxica del TNF. Por otra parte, se demostró que la alternativa del péptido sintético no presenta diferencias respecto a su homólogo recombinante en cuanto a afinidad, para esto se realizó un estudio de simulación in silico desarrollado mediante dinámica molecular. Finalmente, un análisis técnico-económico del proceso se ejecutó mediante la herramienta de simulación computacional SuperPro Designer. Los resultados obtenidos sugieren que el péptido diseñado previamente CBB288 puede ser obtenido a partir de un proceso recombinante y utilizado en futuros estudios biomédicos relacionados con las patologías de inflamación crónicas.; Tumor Necrosis Factor has become an important therapeutic target for the treatment of inflammatory autoimmune disorders. To date, there are five FDA-approved TNF-blocking biopharmaceuticals that correspond to fusion proteins and monoclonal antibodies. Despite the reported therapeutic results, these biopharmaceuticals have drawbacks that limit their use and a high production cost in mammalian cells. In this study, we designed a recombinant TNF blocking peptide (CBB288). Our approach consisted in a recombinant tandem protein containing 15 copies of the peptide was obtained in E. coli. The tandem protein expression was induced using IPTG. The hydrolysis of the tandem protein to obtain monomeric units of the CBB288 peptide was performed using the hydroxylamine method. Recombinant peptide (r-CBB288) exhibited a high binding affinity to TNF with KD=2,39x10-5 ± 0,15 mol.L-1 , similarly to synthetic homologue peptide (syn-CBB288); KD=1,03x10-5 ± 0,05 mol.L-1 . The TNF-neutralizing activity of r CBB288 was assessed in L929 cells. r-CBB288 was able to inhibit TNF induced cytotoxicity in a dose response manner, resulting in a maximum viability recovery of 79%. According to an in silico simulation study, it was demonstrated that the differences between the synthetic and recombinant peptides do not modify the predicted binding affinity for the target protein. The results obtained suggest that CBB288 could be obtained by a recombinant process and used for future biomedical studies related to chronic inflammation pathologies.
Descripción : Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química.2023-01-01T00:00:00ZTheoretical and experimental study of the CO2 methanation reaction on Ni-Co catalysts.Godoy Gutiérrez, Sebastian Adolfohttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/106402023-11-10T22:12:18Z2023-01-01T00:00:00ZTítulo : Theoretical and experimental study of the CO2 methanation reaction on Ni-Co catalysts.
Autor : Godoy Gutiérrez, Sebastian Adolfo
Editor : Jiménez, Romel, profesor guía
Resumen : The CO2(g) methanation reaction on Ni, Co and NiCo catalysts was studied experimentally and theoretically. Supported Ni, Co and NiCo catalyst with narrow particle size distribution were synthetized for kinetic, isotopic and spectroscopic experiments. Monometallic and intermetallic bulk, nanoparticle, (111) and (100) surface models were constructed for DFT simulations.
A single crystalline phase was observed in all the prepared catalysts and near-surface studies for the bimetallic catalysts (EDX and CO-induced segregation) suggest that both, Ni and Co atoms, are present in the catalyst surface. DFT support the stable formation of a Ni-Co phase where Ni draws electronic density from Co, affecting their charges, magnetism and electronic structures. Co/SiO2 has the highest CO2(g) activity but lower CH4(g) selectivity than Ni/SiO2, while the NiCo/SiO2 catalysts showed lower CH4(g) formation rates and selectivity compared to both, Ni and Co catalysts. CO(g) formation rates scale linearly with the Co content of the catalysts. Kinetic and isotopic results suggest that CH4(g) is formed through an H-assisted pathway but H is not involved in the CO(g) formation. Direct CO2(g) dissociation to *CO was experimentally observed, Co and NiCo show moderate *CO2 activation barriers (~ 30 kJ/mol) via DFT and weaker *CO binding compared to Ni, consistent with their higher CO(g) selectivity. FTIR and DFT results suggest that *CO is the most abundant surface intermediate, binding in linear and/or multi-bond modes according to the metal composition. Stronger *C binding on Ni surfaces is consistent with their usual C poisoning while the more oxophilic Co surfaces may also deactivate by oxidation. The binding strength of *C and *O act as descriptors for the adsorption trends of most surface species. These descriptors also reflect highlight their structural sensitivity, different oxophilicities and suggests that bimetallic catalysts behave more similar to the Co catalysts. (111) free energy profiles show a Co<NiCo<Ni trend and lower activation barriers for the assisted HCO route with *CO+*H and HCO dissociation steps as the largest (~148 kJ/mol) and highest (200-240 kJ/mol) barriers, respectively. These barriers are ~50 kJ/mol higher than barriers in the (100) profiles. *CH2/*CH3 hydrogenations are the highest reaction barriers (120-160 kJ/mol) for Ni(100) and Co(100), followed by the *CO direct dissociation and COH barriers, respectively. Both of these activation paths are the highest barriers of the NiCo(111) profile (~160 kJ/mol). These paths produce stable *C and *OH species that may contribute to deactivate (100) surfaces. Both surface geometries show unfavorable CO2(g) adsorptions and activation barriers (>150 kJ/mol) higher than apparent experimental values (60-100 kJ/mol) and the CO(g) desorption energies (~120 kJ/mol), suggesting that other less coordinated surfaces may have larger contributions to the methanation rates and trends experimentally observed.
This work focuses on trends for the geometry and surface composition aiming to provide insight on the fundamental interactions and processes involved on the CO2(g) methanation activity, selectivity and stability of Ni, Co and NiCo catalysts while developing a solid background, workflow and tools for future theoretical studies in heterogeneous catalysts.
Descripción : Tesis presentada para optar al grado Doctoral de Ingeniero en Ciencias Materiales con mención en Ingeniería Química.2023-01-01T00:00:00Z