http://hdl.handle.net/10498/21622 Thu, 05 Nov 2026 12:51:00 GMT 2026-11-05T12:51:00Z http://hdl.handle.net/10498/40266 Estudio del pre-tratamiento hidrotérmico de polímeros para optimizar la impregnación supercrítica de compuestos farmoactivos y diseño de un reactor para dicho pre-tratamiento Cadenas Romero, María En la actualidad, la ingeniería de tejidos constituye una de las líneas de mayor proyección dentro de la biomedicina, orientada al desarrollo de soportes tridimensionales que permitan la regeneración de tejidos dañados. Entre estos soportes destacan los scaffolds poliméricos biodegradables, estructuras porosas que sirven de matriz temporal para la adhesión y proliferación celular y que, adicionalmente, pueden actuar como sistemas de liberación controlada de fármacos en el propio foco de la intervención quirúrgica. Frente a las técnicas convencionales de fabricación, que requieren el empleo de disolventes orgánicos residuales incompatibles con el uso biomédico, la tecnología de fluidos supercríticos permite generar la estructura porosa e impregnar el principio activo en una única etapa y en condiciones libres de residuos. El presente Trabajo de Fin de Grado, correspondiente a los grados de Ingeniería Química y Biotecnología, integra un estudio experimental de investigación y un proyecto de diseño basado en los resultados obtenidos en dicho estudio. El objetivo de la parte experimental es evaluar la influencia de una etapa de pretratamiento hidrotérmico, previa al espumado con dióxido de carbono supercrítico, sobre la porosidad y la carga de fármaco de estructuras poliméricas de policaprolactona y ácido poliláctico (PCL:PLA). El objetivo de la parte de ingeniería es el diseño de un reactor discontinuo que permita llevar a cabo dicho pretratamiento a escala industrial. Las muestras poliméricas se prepararon mediante solvent casting, empleando diclorometano como disolvente para disoluciones al 5 % p/v de cada polímero, y estudiándose las proporciones PCL:PLA de 75:25, 85:15 y 95:05. El pretratamiento hidrotérmico se realizó en un reactor discontinuo sin agitación de 1 L de capacidad, empleando nitrógeno como gas inerte. Se plantearon siete ensayos hidrotérmicos, en un rango de temperatura entre 100 y 150 ºC, un rango de presión entre 5 y 25 bar, y tiempos de reacción entre 10 y 30 minutos, para los cuales las condiciones de presión y temperatura variaron ligeramente de las planteadas. Las muestras tratadas se sometieron posteriormente a espumado e impregnación con ibuprofeno mediante dióxido de carbono supercrítico, caracterizándose por microscopía electrónica de barrido y determinándose su carga de principio activo. Los resultados obtenidos indican que el pretratamiento hidrotérmico no favoreció la porosidad final de las muestras, alcanzándose el valor máximo (37,5 %) en la muestra sometida únicamente a la etapa de espumado. No obstante, dentro de las condiciones hidrotérmicas ensayadas, tanto el incremento de temperatura como el de presión resultaron favorables, obteniéndose la mayor porosidad (19,6 %) y la distribución de tamaño de poro más adecuada para la aplicación prevista (97,8 % de los poros entre 10 y 100 µm) bajo condiciones de 147 ºC y 25,4 bar durante 10 minutos. La carga de ibuprofeno se situó entre 100,8 y 126,1 µg/mg sin mostrar dependencia con las condiciones del tratamiento hidrotérmico, concluyéndose que esta depende principalmente de las condiciones del proceso de espumado y de la proporción entre fases poliméricas. Asimismo, la presencia de estructuras esféricas embebidas en una matriz continua evidenció la separación de fases entre ambos polímeros, resultando el tratamiento hidrotérmico inadecuado para obtener muestras homogéneas de ambos polímeros. En consecuencia, se toman las condiciones de 150 ºC, 25 bar y un tiempo de operación de 30 minutos, como las condiciones de operación para el diseño del reactor que constituye la parte ingenieril del trabajo. El dimensionamiento del equipo parte de un estudio de la demanda del mercado nacional de intervenciones en el ámbito de traumatología, del que se deriva una capacidad de producción de 461 unidades poliméricas por ciclo y un volumen útil requerido de 33,19 L. El reactor diseñado es cilíndrico, de disposición vertical, con una capacidad total de 50,1 L y un diámetro interior de 319 mm. Está construido en acero inoxidable austenítico SA-240 316L, con un espesor de pared de 7 mm y fondos elipsoidales 2:1, habiéndose establecido unas condiciones de diseño de 30,08 bar y 250 ºC conforme al Código ASME BPVC Sección VIII, División 1. El cierre superior, desmontable para permitir la carga y limpieza del equipo, se realiza mediante dos bridas de cuello para soldar NPS 14 Clase 400 unidas por veinte espárragos, con junta espirometálica de grafito flexible. La protección frente a sobrepresión se confía a un disco de ruptura tarado a la presión de diseño. Para alcanzar la temperatura de operación, el equipo dispone de una manta calefactora eléctrica de 15 kW de potencia nominal dispuesta sobre la superficie cilíndrica, aislada mediante 80 mm de lana de roca, junto con un lazo de control por retroalimentación que regula la potencia suministrada en función de la temperatura interna medida. Fri, 18 Sep 2026 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/40266 2026-09-18T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/33741 Obtención de biomasa de microalga utilizando aguas de rechazo de la deshidratación de fangos de digestato y diseño de un fotobiorreactor para su producción. Fernández Maestre, Rocío Las estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR) pueden servir, además de para la eliminación total o parcial de contaminantes, para generar productos de valor añadido, integrándose dentro del concepto de biorrefinería. En este ámbito el uso de las microalgas ha demostrado un gran potencial para la obtención de productos de interés industrial. Estos cultivos tienen la capacidad de capturar CO2 y de reciclar eficientemente contaminantes industriales ricos en nitrógeno y fósforo, generando biomasa útil y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero. Otro efluente de gran interés presente en las EDARs son las aguas de rechazo del deshidratador de fangos del sistema de digestión anaerobia. Este efluente presenta una alta concentración de nitrógeno (nitrógeno total entre 139 – 3456 mg/L) y fósforo (entre 7 y 381 mg/L), siendo factible su uso para el crecimiento de microalgas. El uso de materias primas residuales para la producción de microalgas ha sido destacado como la vía para hacer posible este proceso a gran escala para la generación de productos químicos a granel y de combustibles de forma económicamente viable. Esto contribuye con los Objetivos de Desarrollo Sostenibles declarados por la ONU (Agenda 2030). En este proyecto se llevaron a cabo un total de 4 experimentos, los cuales determinaron las condiciones óptimas del medio de cultivo para obtener la mayor concentración de biomasa posible que fue de 0,805 g/L. De la optimización de parámetros, se obtuvo que la velocidad máxima del crecimiento específico de las microalgas fue de 0,024 h-1, así como una velocidad máxima de crecimiento de 0,0024 g/m3·h. A partir de la experimentación realizada, se diseñó un fotobiorreactor raceway para producir 20.000 kg de microalgas al año, tratando un caudal de digestato líquido de 500 m3/día. Teniendo en cuenta la irradiancia que recibe el reactor en cada mes del año, que la concentración de biomasa máxima alcanzable en el mismo será de 0,8 g/L y que la concentración de inicial es de 0,2 g/L, se obtuvo que el volumen del reactor es de 440,343 m3, necesitándose un total de 12 reactores para alcanzar la productividad propuesta y, siendo, por tanto el volumen total de 5.360,411 m3. Cada reactor raceway se diseña de forma rectangular con las esquinas redondeadas, alcanzando, cada uno de ellos, una longitud de 150 m y un ancho total del canal de 15 m. El material usado para la construcción del reactor será hormigón con una cobertura plástica de polietileno de alta densidad. Además se llevó a cabo el dimensionamiento de equipos auxiliares para la separación de biomasa y obtención de proteínas para medios de cultivo. Estos equipos constan de una centrífuga de discos con capacidad para tratar caudales de 1.711 L/h, un tanque de reacción alcalina de 24,68 L, otra centrífuga con capacidad para tratar caudales de 12,5 L/h , un tanque de reacción enzimática de 25 L y una última centrífuga con capacidad para tratar caudales de 12,5 L/h. Las pérdidas de carga totales que existen en el reactor son de 0,0118 metros. El motor seleccionado para llevar a cabo la agitación es un motorreductor con una potencia de 69,41 W. El sistema de agitación constará de un sistema de paletas de una longitud de 3,71 m y con una altura de 0,38 m. Teniendo en cuenta el coste de los componentes que conforman el reactor, se ha estimado un presupuesto para el mismo de 898.947,26€ y que una buena localización para su instalación, sería en la Planta de Arcos de la Frontera (Cádiz) de AlgaEnergy Wed, 24 Jul 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/33741 2024-07-24T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/33475 Diseño de un biorreactor para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) con cultivos mixtos a partir de efluentes acidogénicos del alga invasora (Rugulopteryx okamurae) Cortés Córdoba, Fernando La contaminación por plásticos ha emergido como una preocupación ambiental global, no únicamente con implicaciones negativas para el ecosistema, sino también para la salud humana. La producción global de polímeros ha aumentado continuamente en los últimos 50 años, alcanzando las 299.000 toneladas en 2013 o lo equivalente al peso de 45 pirámides de Guiza (Dietrich et al., 2017). Siendo la mayoría plásticos de un solo uso y debido a su lenta o nula descomposición, la capacidad de su gestión como residuos se ha visto superada y se alcancen hoy grandes acumulaciones de plástico en suelo y masas de agua, que llegan a introducirse en la cadena alimentaria en forma de microplásticos. Además, tanto la producción de plásticos a partir de combustibles fósiles como la degradación de estos materiales por incineración provocan la liberación de gases de efecto invernadero, con el consecuente impacto en el calentamiento global. En este contexto, la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) supone una alternativa excelente y deseable, pues son elaborados a partir de partir de biomasa mediante la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos y, químicamente, son poliésteres lineales con propiedades muy similares a los plásticos convencionales, pero con el atractivo de que ser biodegradables, biocompatibles y biobasados. Las algas marinas, también conocidas como macroalgas, han demostrado un potencial sin precedentes que podría desplazar las fuentes habituales de biomasa terrestre como materia prima para la obtención de productos de alto valor añadido a partir de procesos biotecnológicos (Balina et al., 2017). De hecho, las algas no requieren de la ocupación o riego de las zonas terrestres y, por tanto, tampoco compiten con los cultivos principales destinados para la alimentación como el maíz o el trigo. (Jung et al., 2013). Rugulopteryx okamurae, es una especie de alga parda perteneciente a la familia Dictyoaceae. Este alga invasora originaria del pacífico, se asienta en otros ecosistemas marinos, compite con las especies nativas y afectando negativamente a la biodiversidad local gracias a su capacidad citotóxica. Factores como el aumento de la temperatura de los océanos provocan que la expansión de este alga sea aún mayor, llegando a invadir entornos naturales como nuestras propias aguas del Golfo de Cádiz o el estrecho de Gibraltar en tiempo récord (GarcíaGómez et al., 2020). Sin embargo, con un pretratamiento inicial adecuado, las grandes masas de alga invasora podrían ser utilizadas como fuente de carbono para distintos procesos de biorrefinería, como ya se ha descrito en investigaciones del grupo (Agabo et al., 2023). Con la finalidad de evaluar la factibilidad y viabilidad científico-técnica de la propuesta de proceso, el objetivo de este trabajo es realizar el diseño de un biorreactor para la producción de PHA con cultivos bacterianos mixtos a partir de efluentes acidogénicos procedentes de la fermentación oscura de biomasa del alga invasora. Así, este trabajo se incluiría en el proyecto “Mejora de la producción de precursores de bioplásticos (PHAs) mediante fermentación oscura e hidrólisis enzimática a partir de arribazones de algas invasoras (IMPROWEED)” presentado a la convocatoria europea de 2021 para “Proyectos de Transición Ecológica y Transición Digital”. Atendiendo a sus implicaciones medioambientales, la aplicación del proceso descrito cumpliría con todos los objetivos medioambientales incluidos en el Reglamento Europeo 2020/852, pues la revalorización de R. okamurae implica un uso sostenible de los recursos hídricos y marinos. Por otra parte, su utilización en la producción de biopolímeros favorece la prevención y control de la contaminación, evitando su acumulación en suelos, además de los efectos contaminantes ya descritos referidos a la producción y acumulación de plásticos. Finalmente, dado que en el proceso de Fermentación Oscura se produce biohidrógeno, se puede afirmar que el proceso propuesto plantea avances en cuanto a la mitigación y adaptación al cambio climático, debido a las posibilidades de este compuesto como biocombustible. Se debe considerar que, frente a un cultivo bacteriano puro, el trabajo con un cultivo mixto implica mayor atención en el análisis y comportamiento de la microbiota en el reactor, lo que supone un reto adicional en cuanto a la estabilidad y reproducibilidad del proceso, pero con mejoras sustanciales en términos de costes de producción. Del contenido desarrollado en el presente TFG se extraerían tres conclusiones principales: • El pretratamiento biológico del alga con Aspergillus awamori supone una mejora en la producción de PHA con cultivo mixto. • Se ha elaborado un modelo cinético que describe el proceso de producción de PHA con cultivo mixto a partir de los efluentes acidogénicos del alga invasora. • Se ha llevado a cabo el diseño de un biorreactor Fed-Batch y su instrumentación accesoria, para obtener una producción mensual de hasta 8 toneladas de PHA a partir de un caudal másico inicial de 80 toneladas de algas húmedas al mes. Mon, 01 Jul 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/33475 2024-07-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/29370 ESTUDIO DE LA LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA ALGAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCRUDO Y DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA LHT DE LA BIOMASA ALGAL SELECCIONADA Terroba Parrado, Ramón En la actualidad, el desarrollo de nuevas tecnologías que puedan sustituir las fuentes convencionales de energías provenientes de combustibles fósiles son de vital importancia para evolucionar en un sistema de producción sostenible basado en una mejor gestión de los recursos disponibles, como es el caso del modelo de Economía Circular. Una opción es la revalorización de residuos orgánicos en materia prima mediante un tratamiento térmico. Así, la licuefacción hidrotérmica (LHT) objeto de este trabajo, es una tecnología que provoca una reacción en medio acuoso a temperaturas y presiones elevadas por debajo del punto crítico del agua en la que se produce biocrudo a partir de materia orgánica. Entre la multitud de alternativas para emplear como materia orgánica, la biomasa algal se puede obtener en gran cantidad, ya sea directamente del medio o cultivadas en biorreactores y estaciones de biorremediación. Se plantean dos tipos de biomasa algal. Por una parte, especies invasoras de macroalgas, en concreto la especie Rugulopteryx okamurae, comúnmente conocida como alga asiática, presenta un problema medio ambiental en las costas del Mediterráneo debido a su crecimiento masivo que afectan a la vida marina autóctona. El otro tipo de biomasa algal a tratar es un consorcio de microalgas-bacterias proveniente del tratamiento biológico de un efluente cargado de nutrientes y materia orgánica generado por una instalación de acuicultura marina que produce lenguados. Existen varias variables que influyen en la LHT. El objetivo de la investigación es determinar la influencia de las variables principales como son la temperatura, la carga inicial de biomasa y el tiempo de reacción, sobre el rendimiento de obtención de biocrudo y su poder calorífico (PCS), para ambos tipos de biomasa algal. Todas las experiencias de LHT se han realizado a escala de laboratorio en un reactor discontinuo de tanque sin agitación, diseñado para trabajar a altas presiones y temperaturas con capacidad de 1 L. Se preparó en cada experimento 200 ml iniciales de una mezcla de algas con agua y se trabajó en ausencia de oxígeno. La extracción del biocrudo obtenido se realizó empleando diclorometano como disolvente orgánico. Se han llevado a cabo un total de 12 experimentos de LHT compuesto por 2 experimentos preliminares más 8 experimentos donde se estudió el consorcio microalgas-bacterias y 2 experimentos de macroalgas. En base a los estudios preliminares se descartó la influencia de la agitación como variable del proceso, se optimizó el procedimiento de las operaciones de separación y se seleccionó el disolvente usado en las extracciones, el diclorometano. En la presente memoria se ha comparado el rendimiento de biocrudo obtenido y su poder calorífico en los distintos experimentos realizados, en un rango de temperatura entre 240-300ºC, en un rango de carga inicial de biomasa entre el 5-15% p/p, y en un rango de tiempo de reacción entre 20-60 minutos. El mejor resultado de rendimiento de biocrudo (18,18%) se ha obtenido en el consorcio microalgas-bacterias a 270ºC, 40 minutos y 5% p/p; mientras que el mejor resultado de PCS (8871,3 cal/g) se ha obtenido en el consorcio microalgas-bacterias a 300ºC, 40 minutos y 10% p/p. Dado que se pudo llevar a cabo el estudio de la LHT del consorcio microalga-bacteria en mayor profundidad, se optó por llevar a cabo el diseño de un reactor a escala planta piloto para dicho residuo. Así, se ha diseñado un reactor para una capacidad de tratamiento anual de 200 kg de biomasa algal seca. La planta piloto de LHT dispone de un reactor que opera durante 240 días al año. El efluente del proceso se somete a filtración a vacío para separar la fase sólida de la fase líquida acuosa. La extracción del biocrudo de la fase sólida con diclorometano se realiza en un extractor sólido-líquido, mientras que el biocrudo de la fase líquida se separa mediante un extractor líquido-líquido con diclorometano. Una vez separados el extracto del refinado, ambos extractos son sometidos a una evaporación donde se obtiene el producto de interés, el biocrudo; y el diclorometano se recupera para posteriores extracciones. Las condiciones seleccionadas para llevar a cabo el proceso de LHT, y que por tanto han determinado el diseño del reactor son: carga inicial de biomasa algal del 15%, 270ºC de temperatura y 40 minutos de tiempo de reacción, alcanzando presiones de 6 MPa. El reactor diseñado es cilíndrico, tiene una capacidad de 12 L y está compuesto de un acero inoxidable austenítico (316L), teniendo un espesor de 28 mm. Para alcanzar la temperatura de operación, el reactor está rodeado de un horno eléctrico y para minimizar pérdidas de calor al exterior, éste se rodea de 60 mm de espesor de material aislante (lana de roca). Considerando el coste de otras unidades además del reactor, se ha estimado un presupuesto para la planta piloto de LHT de 518203,33€ y se situará en las instalaciones de Soleé Gourmet en la Bahía de Cádiz, San Fernando.; Currently, the development of new technologies that can replace conventional sources of energy from fossil fuels is of vital importance to evolve into a sustainable production system based on better management of available resources, as is the case of the Circular Economy. One option is the revaluation of organic waste into raw materials through thermal treatment. Thus, hydrothermal liquefaction (HTL), the object of this work, is a technology that causes a reaction in an aqueous medium at elevated temperatures and pressures below the critical point of water in which biocrude is produced from organic matter. Among the multitude of alternatives to use as organic matter, algal biomass can be obtained in large quantities, either directly from the environment or cultivated in bioreactors and bioremediation stations. Two types of algal biomass are proposed. On the one hand, invasive species of macroalgae, specifically the species Rugulopteryx okamurae, commonly known as Asian algae, present an environmental problem on the coasts of the Mediterranean due to their massive growth that affects native marine life. The other type of algal biomass to be treated is a microalgae-bacteria consortium from the biological treatment of an effluent loaded with nutrients and organic matter generated by a marine aquaculture facility that produces sole. There are several variables that influence HTL. The objective of the research is to determine the influence of the main variables such as temperature, initial biomass load and reaction time, on the yield of obtaining biocrude and its higher heating value (HHV), for both types of algal biomass. All HTL experiments have been carried out on a laboratory scale in a batch reactor with a non-stirred tank, designed to work at high pressures and temperatures with a capacity of 1 L. In each experiment, an initial 200 ml of a mixture of algae with water was prepared. and worked in the absence of oxygen. The extraction of the biocrude obtained was carried out using dichloromethane as an organic solvent. A total of 12 HTL experiments have been carried out, consisting of 2 preliminary experiments plus 8 experiments where the microalgae-bacteria consortium was studied and 2 macroalgae experiments. Based on the preliminary studies, the influence of agitation as a process variable was ruled out, the separation operations procedure was optimized and the solvent used in the extractions, dichloromethane, was selected. In this report, the yield of biocrude obtained and its higher heating value have been compared in the different experiments carried out, in a temperature range between 240-300ºC, in a range of initial biomass load between 5-15% w/w, and in a reaction time range between 20-60 minutes. The best biocrude yield result (18.18%) has been obtained in the microalgae-bacteria consortium at 270ºC, 40 minutes and 5% w/w; while the best HHV result (8871.3 cal/g) has been obtained in the microalgae-bacteria consortium at 300ºC, 40 minutes and 10% w/w. Given that the HTL study of the microalgae-bacteria consortium could be carried out in greater depth, it was decided to carry out the design of a pilot plant scale reactor for said waste. Thus, a reactor has been designed for an annual treatment capacity of 200 kg of dry algal biomass. The HTL pilot plant has a reactor that operates 240 days a year. The process effluent is subjected to vacuum filtration to separate the solid phase from the aqueous liquid phase. The extraction of the biocrude from the solid phase with dichloromethane is carried out in a solid-liquid extractor, while the biocrude from the liquid phase is separated by a liquid-liquid extractor with dichloromethane. Once the extract is separated from the refined, both extracts are subjected to evaporation where the product of interest, the biocrude, is obtained; and the dichloromethane is recovered for subsequent extractions. The conditions selected to carry out the HTL process, and which have therefore determined the design of the reactor are: initial load of 15% algal biomass, 270ºC temperature and 40 minutes of reaction time, reaching pressures of 6 MPa. The designed reactor is cylindrical, has a capacity of 12 L and is composed of austenitic stainless steel (316L), having a thickness of 28 mm. To reach the operating temperature, the reactor is surrounded by an electric furnace and to minimize heat losses to the outside, it is surrounded by a 60 mm thick insulating material (rock wool). Considering the cost of other units in addition to the reactor, a budget for the HTL pilot plant has been estimated at €518,203.33 and will be located at the Soleé Gourmet facilities in the Bay of Cádiz, San Fernando. Wed, 27 Sep 2023 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/29370 2023-09-27T00:00:00Z