Experimental and statistical investigation of canonical problems in sloshing

En hidrodinámica, el fenómeno de Sloshing se puede definir como el movimiento de la superficie libre de un fluido dentro de un contenedor sometido a fuerzas y perturbaciones externas. El fluido en cuestión experimenta violentos movimientos con importantes deformaciones de su superficie libre. La dinámica del fluido puede llegar a generar cargas hidrodinámicas considerables las cuales pueden afectar la integridad estructural y/o comprometer la estabilidad del vehículo que transporta dicho contenedor. El fenómeno de Sloshing ha sido extensivamente investigado matemática, numérica y experimentalmente, siendo el enfoque experimental el más usado debido a la complejidad del problema, para el cual los modelos matemáticos y de simulación son aun incapaces de predecir con suficiente rapidez y precisión las cargas debidas a dicho fenómeno. El flujo generado por el Sloshing usualmente se caracteriza por la presencia de un fluido multifase (gas-liquido) y turbulencia. Reducir al máximo posible la complejidad del fenómeno de Sloshing sin perder la esencia del problema es el principal reto de esta tesis doctoral, donde un trabajo experimental enfocado en casos canónicos de Sloshing es presentado y documentado con el objetivo de aumentar la comprensión de dicho fenómeno y por tanto intentar proveer información valiosa para validaciones de códigos numéricos. El fenómeno de Sloshing juega un papel importante en la industria del transporte marítimo de gas licuado (LNG). El mercado de LNG en los últimos años ha reportado un crecimiento hasta tres veces mayor al de los mercados de petróleo y gas convencionales. Ingenieros en laboratorios de investigación e ingenieros adscritos a la industria del LNG trabajan continuamente buscando soluciones económicas y seguras para contener, transferir y transportar grandes volúmenes de LNG. Los buques transportadores de LNG (LNGC) han pasado de ser unos pocos buques con capacidad de 75000 m3 hace unos treinta años, a una amplia flota con una capacidad de 140000 m3 actualmente. En creciente número, hoy día se construyen buques con capacidades que oscilan entre 175000 m3 y 250000 m3. Recientemente un nuevo concepto de buque LNG ha salido al mercado y se le conoce como FLNG. Un FLNG es un buque de gran valor añadido que solventa los problemas de extracción, licuefacción y almacenamiento del LNG, ya que cuenta con equipos de extracción y licuefacción a bordo, eliminando por tanto las tareas de transvase de las estaciones de licuefacción en tierra hacia los buques LNGC. EL LNG por tanto puede ser transferido directamente desde el FLNG hacia los buques LNGC en mar abierto. Niveles de llenado intermedios en combinación con oleaje durante las operaciones de trasvase inducen movimientos en los buques que generan por tanto el fenómeno de Sloshing dentro de los tanques de los FLNG y los LNGC. El trabajo de esta tesis doctoral lidia con algunos de los problemas del Sloshing desde un punto de vista experimental y estadístico, para ello una serie de tareas, descritas a continuación, se han llevado a cabo : 1. Un dispositivo experimental de Sloshing ha sido configurado. Dicho dispositivo ha permitido ensayar secciones rectangulares de tanques LNGC a escala con movimientos angulares de un grado de libertad. El dispositivo experimental ha sido instrumentado para realizar mediciones de movimiento, presiones, vibraciones y temperatura, así como la grabación de imágenes y videos. 2. Los impactos de olas generadas dentro de una sección rectangular de un LNGC sujeto a movimientos regulares forzados han sido estudiados mediante la caracterización del fenómeno desde un punto de vista estadístico enfocado en la repetitividad y la ergodicidad del problema. 3. El estudio de los impactos provocados por movimientos regulares ha sido extendido a un escenario más realístico mediante el uso de movimientos irregulares forzados. 4. El acoplamiento del Sloshing generado por el fluido en movimiento dentro del tanque LNGC y la disipación de la energía mecánica de un sistema no forzado de un grado de libertad (movimiento angular) sujeto a una excitación externa ha sido investigado. 5. En la última sección de esta tesis doctoral, la interacción entre el Sloshing generado dentro en una sección rectangular de un tanque LNGC sujeto a una excitación regular y un cuerpo elástico solidario al tanque ha sido estudiado. Dicho estudio corresponde a un problema de interacción fluido-estructura. Abstract In hydrodynamics, we refer to sloshing as the motion of liquids in containers subjected to external forces with large free-surface deformations. The liquid motion dynamics can generate loads which may affect the structural integrity of the container and the stability of the vehicle that carries such container. The prediction of these dynamic loads is a major challenge for engineers around the world working on the design of both the container and the vehicle. The sloshing phenomenon has been extensively investigated mathematically, numerically and experimentally. The latter has been the most fruitful so far, due to the complexity of the problem, for which the numerical and mathematical models are still incapable of accurately predicting the sloshing loads. The sloshing flows are usually characterised by the presence of multiphase interaction and turbulence. Reducing as much as possible the complexity of the sloshing problem without losing its essence is the main challenge of this phd thesis, where experimental work on selected canonical cases are presented and documented in order to better understand the phenomenon and to serve, in some cases, as an useful information for numerical validations. Liquid sloshing plays a key roll in the liquified natural gas (LNG) maritime transportation. The LNG market growth is more than three times the rated growth of the oil and traditional gas markets. Engineers working in research laboratories and companies are continuously looking for efficient and safe ways for containing, transferring and transporting the liquified gas. LNG carrying vessels (LNGC) have evolved from a few 75000 m3 vessels thirty years ago to a huge fleet of ships with a capacity of 140000 m3 nowadays and increasing number of 175000 m3 and 250000 m3 units. The concept of FLNG (Floating Liquified Natural Gas) has appeared recently. A FLNG unit is a high value-added vessel which can solve the problems of production, treatment, liquefaction and storage of the LNG because the vessel is equipped with a extraction and liquefaction facility. The LNG is transferred from the FLNG to the LNGC in open sea. The combination of partial fillings and wave induced motions may generate sloshing flows inside both the LNGC and the FLNG tanks. This work has dealt with sloshing problems from a experimental and statistical point of view. A series of tasks have been carried out: 1. A sloshing rig has been set up. It allows for testing tanks with one degree of freedom angular motion. The rig has been instrumented to measure motions, pressure and conduct video and image recording. 2. Regular motion impacts inside a rectangular section LNGC tank model have been studied, with forced motion tests, in order to characterise the phenomenon from a statistical point of view by assessing the repeatability and practical ergodicity of the problem. 3. The regular motion analysis has been extended to an irregular motion framework in order to reproduce more realistic scenarios. 4. The coupled motion of a single degree of freedom angular motion system excited by an external moment and affected by the fluid moment and the mechanical energy dissipation induced by sloshing inside the tank has been investigated. 5. The last task of the thesis has been to conduct an experimental investigation focused on the strong interaction between a sloshing flow in a rectangular section of a LNGC tank subjected to regular excitation and an elastic body clamped to the tank. It is thus a fluid structure interaction problem.

Identification of the method to quantify soluble fibre and the effect of the source of fibre on the ileal and faecal digestibility of soluble and insoluble fibre in rabbits = Identificación del método para cuantificar la fibra soluble y el efecto de la fuente de fibra en la digestibilidad ileal y fecal de la fibra soluble e insoluble en conejos

La presente tesis constituye un avance en el estudio de los métodos para cuantificar la fibra soluble y los efectos de las fracciones de fibra y las fuentes de fibra sobre la digestión de las diferentes fracciones de fibra (soluble e insoluble) en el conejo. Hay un efecto positivo de la fibra soluble sobre la salud intestinal de los conejos y, por ende, una reducción de la mortalidad en animales destetados. Pese a esto, no está claro si estos efectos se deben específicamente a la fracción soluble. Por lo que los objetivos generales de esta tesis fueron: 1) comparar diferentes metodologías químicas e in vitro para cuantificar la fibra soluble y estudiar las posibles interferencias en la cuantificación de la fibra soluble por las mucinas, y viceversa, 2) determinar los efectos de la fibra, el lugar de fermentación, el método para valorar la fibra soluble e insoluble, y la corrección de la fibra soluble por el contenido intestinal de mucinas sobre la digestibilidad de las distintas fracciones de la fibra y 3) evaluar los efectos individuales de las fracciones soluble e insoluble de la fibra de pulpa de remolacha y de manzana, sobre la digestibilidad de la fibra soluble e insoluble y los parámetros digestivos. Para ello se llevaron a cabo 4 estudios. En el primer estudio se compararon diferentes metodologías químicas e in vitro para valorar la fibra soluble de diferentes alimentos y se estudió la posible interferencia en la determinación de la fibra soluble y mucinas. Para ello se utilizaron seis ingredientes (pulpa de remolacha, pectinas de pulpa de remolacha, pulpa de remolacha lavada, paja de cereal, cascarilla de girasol y lignocelulosa) y siete piensos de conejos con diferentes niveles de fibra soluble. En un primer experimento se analizó la fibra dietética total (FDT), la fibra dietética insoluble (FDI), la fibra dietética soluble (FDS), la fibra neutro detergente corregida por cenizas y proteínas (aFNDmo-pb), y la digestibilidad in vitro 2 pasos pepsina/pancreatina (residuo corregido por cenizas y proteína, ivMSi2) de los ingredientes y piensos. Además la fibra soluble se calculó mediante la diferencia entre FDT-FDI (FDSFDI), FDT- ivMSi2 (FDSivMSi2), y FDT - aFNDmo-pb (FDSaFNDmo-pb). Cuando la fibra soluble se determinó directamente como FDS o se calculó como FDT-FDI no se observaron diferencias (109 g/kg MS, en promedio). Sin embargo, cuando la fibra soluble se calculó como FDT - aFNDmo-pb su valor fue un 40% menor (153 g/kg MS. P < 0,05), mientras que la FDSFDI (124 g/kg MS) no fue diferente a ninguna de las otras metodologías. La correlación entre los tres métodos fue elevada (r > 0,96. P < 0,001. n = 13), pero disminuyó o incluso desapareció cuando la pulpa o las pectinas de la remolacha fueron excluidas del análisis. En un segundo experimento, se comparó el método ivDMi2 usando crisoles (método de referencia) con una modificación del mismo usando bolsas ANKOM digeridas individualmente o en colectivo para simplificar la determinación de la FDSivMSi2. La FDSivMSi2 no difirió entre los métodos comparados. En un tercer experimento, se analizó la posible interferencia entre la determinación de la fibra soluble y las mucinas intestinales. Se observó un contenido de FDT y de mucinas elevado en las muestras de pectinas de remolacha (994 y 709 g/kg MS), así como en el moco intestinal de conejo (571 y 739 g/kg MS) cuando se aplicó el método de mucinas por precipitación con etanol. Sin embargo, después de aplicar una pectinasa en el material precipitado, la cantidad de mucinas recuperadas en las muestras de pectinas de remolacha fue cercana a cero, mientras que en el moco intestinal fue similar a los resultados previos al uso de la enzima. Con los resultados de este ensayo se estimaron los carbohidratos de mucinas retenidos en los contenidos digestivos y se propuso una corrección para la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. En conclusión, la contaminación de las mucinas de la digesta con fibra soluble se soluciona usando pectinasas. El segundo estudio se centró en estudiar: 1) el efecto del tipo de fibra, 2) el sitio de fermentación, 3) el método para cuantificar fibra y 4) la corrección por mucinas sobre la digestibilidad de la fibra. Para ello se formularon tres piensos con diferentes niveles de fibra soluble (FDT-aFNDmo-pb). Un pienso bajo en fibra soluble (LSF. 85 g/kg DM), un pienso medio en fibra soluble (MSF. 102 g/kg DM), y un pienso alto en fibra soluble (HSF. 145 g/kg DM). Estos piensos se obtuvieron reemplazando un 50% del heno del alfalfa en el pienso MSF por una mezcla de pulpa de manzana y remolacha (HSF) o por una mezcla de cascarilla de avena y proteína de soja (LSF). Se utilizaron 30 conejas canuladas para determinar la digestibilidad ileal y fecal. La digestibilidad cecal se calculó mediante diferencia entre la digestibilidad fecal e ileal. La fibra insoluble se determinó como aFNDmo-pb, IDF, e ivMSi2, mientras que la fibra soluble se calculó como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2. La digestibilidad de la FDT y la fibra soluble se corrigieron por las mucinas. La concentración de mucinas en la digesta ileal y fecal, aumento desde el grupo LSF hasta el grupo con el pienso HSF (P < 0,01). La corrección por mucinas aumentó las digestibilidades de la FDT y la fibra soluble a nivel ileal, mientras que a nivel cecal las redujo. (P < 0.01). El coeficiente de digestibilidad ileal de FDT aumentó desde el grupo LSF al grupo HSF (0,12 vs. 0,281. P < 0,01), sin diferencias en el coeficiente de digestibilidad cecal (0,264), por lo que la tendencia a nivel fecal entre los grupos se mantuvo. El coeficiente de digestibilidad ileal de la fibra insoluble aumento desde el grupo con el pienso LSF al grupo con el pienso HSF (0,113 vs. 0,210. P < 0,01), sin diferencias a nivel cecal (0,139) y sin efecto del método usado, resultando en una digestibilidad elevada a nivel fecal, con tendencias similares a las observadas a nivel ileal. El coeficiente de digestibilidad de la FND fue elevada en comparación con la FDI o la ivMSi2 (P > 0.01). El coeficiente de la digestibilidad ileal de la fibra soluble fue mayor en el grupo LSF respecto al grupo LSF (0,436 vs. 0,145. P < 0,01) y el método no afectó a esta determinación. El coeficiente de la digestibilidad cecal de la fibra soluble se redujo desde el grupo LSF hasta el grupo HSF (0,721 vs. 0,492. P < 0,05). El valor más bajo de digestibilidad cecal y fecal de fibra soluble fue medido con el método FDSaFNDmo-pb (P < 0,01). Se observó una alta correlación entre las digestibilidades de la fibra soluble determinada como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2, por lo tanto la información proporcionada por una u otra metodología fueron similares. Sin embargo, cuando se compararon con efectos fisiológicos (producción de mucinas y peso del ciego y pH del ciego de un trabajo previo), la FDSaFNDmo-pb globalmente mostró estar mejor correlacionado con estos parámetros fisiológicos. En conclusión, la corrección por mucinas es necesaria para determinar la digestibilidad ileal de la FDT y fibra soluble, mientras que la elección de uno u otro método es menos relevante. La inclusión de pulpa de manzana y remolacha incrementa la cantidad de FDT que desaparece antes de llegar al ciego. En el tercer estudio se estudió el efecto de la fracción fibrosa soluble e insoluble de la pulpa de remolacha y el método de cuantificación de la fibra soluble e insoluble sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Para ello se formularon cuatro piensos con niveles similares de fibra insoluble (315g aFNDmo-pb/kg MS) y proteína (167 g/kg MS). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (30,3 g/kg, con cascarilla de girasol y paja como fuente de fibra). Un segundo pienso se obtuvo mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de remolacha (82,9 g fibra soluble/kg MS). Los otras dos piensos resultaron de la sustitución parcial de las fuentes de fibra del pienso control por la fracción insoluble de la pulpa de remolacha y la pulpa de remolacha entera (42.2 y 82.3 g fibra soluble/kg MS, respectivamente). Cincuenta y seis conejos en cebo (14/pienso), de 2,4  0.21 kg de peso, fueron usados para determinar la digestibilidad ileal y fecal de la FDT, FDI, aFNDmo-pb, FDSFDI, y FDSaFNDmo-pb. La concentración de mucinas en el íleon y heces se utilizaron para corregir la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. También se midió el peso de diferentes segmentos del tracto digestivo y el pH del contenido digestivo. Los conejos alimentados con el pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron los consumos más bajos con respecto a los demás grupos (124 vs. 139 g/d, respectivamente. P < 0,05). El flujo de mucinas ileales fue más alto (P < 0.05) en el grupo alimentado con el pienso de pectinas de remolacha (9,0 g/d en promedio) que los del grupo control (4,79 g/d), mostrando los otros dos grupos valores intermedios, sin detectarse diferencias a nivel fecal. La digestibilidad ileal de la FDT (corregida por mucinas) y la fibra insoluble no se vieron afectadas por el tipo de pienso. El método usado para determinar la fibra insoluble afectó su digestibilidad ileal (0,123 para FDI vs. 0,108 para aFNDmo-pb. P < 0.01). De todas formas, los métodos no afectaron al cálculo de la fibra fermentada antes del ciego (4,9 g/d en promedio). Los conejos alimentados con el pienso de pulpa de remolacha y con el pienso con la fracción insoluble de la pulpa de remolacha mostraron las digestibilidades fecales más altas de la fibra insoluble (0,266 en promedio vs. 0,106 del grupo control), mientras que en los animales del pienso con pectinas esta digestibilidad fue un 47% mayor respecto al pienso control (P < 0,001). La digestibilidad fecal de la fibra insoluble fue un 20% más alta cuando se usó la FND en lugar de FDI para determinarla (P < 0.001). Esto hizo variar la cantidad de fibra insoluble fermentada a lo largo del tracto digestivo (9,5 ó 7,5 g/d cuando fue calculada como FDI o aFNDmo-pb, respectivamente. P < 0,001). Las digestibilidades ileales de la fibra soluble fueron positivas cuando los análisis de fibra soluble de los contenidos ileales fueron corregidos por mucinas, (P < 0,001) excepto para la digestibilidad ileal de la FDSIDF del grupo control. Una vez corregidas por mucinas, los conejos alimentados con los piensos que contuvieron la fracción soluble de la pulpa de remolacha (pienso de pectina y pulpa de remolacha) mostraron una mayor digestibilidad ileal de la fibra soluble, respecto al grupo control (0,483 vs. -0,010. P = 0.002), mientras que el grupo del pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostró un valor intermedio (0,274). La digestibilidad total de la fibra soluble fue similar entre todos los grupos (0.93). Los conejos alimentados con pulpa de remolacha y su fracción insoluble mostraron los pesos relativos más altos del estómago respecto a los del pienso control y de pectinas (11 y 56 % respectivamente; P < 0,05). Por otra parte, el peso relativo del ciego aumentó en los animales que consumieron tanto la fracción soluble como insoluble de la pulpa de remolacha, siendo un 16% más pesados (P < 0,001) que el grupo control. El pH del contenido cecal fue más bajo en los animales del grupo de pulpa de remolacha que en los del grupo control (5,64 vs. 6,03; P < 0,001), mientras que los del grupo de pectinas y de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron valores intermedios. En conclusión, el efecto positivo de la pulpa de remolacha en el flujo de mucinas a nivel ileal se debe a la fracción soluble e insoluble de la pulpa de remolacha. La mitad de la fibra soluble de la pulpa de remolacha desaparece antes de llegar al ciego, independientemente si esta proviene de pectinas puras o de la pulpa de remolacha. El pH cecal esta mejor correlacionado con la cantidad de FDT que desaparece antes del ciego más que con la que se degrada en el ciego. En el último estudio se estudiaron los efectos de la fibra soluble e insoluble de la pulpa de manzana sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Cuatro dietas fueron formuladas con niveles similares de fibra insoluble (aFNDmo-pb 32,4%) y proteína (18,6% ambos en base seca). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (46 g de fibra soluble/kg, con cascarilla de girasol y paja de cereales como la fuentes de fibra). Un segundo pienso fue obtenido mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de manzana (105 g fibra soluble/kg). Los otros dos piensos se obtuvieron por la substitución de parte de las fuentes de fibra del pienso control por pulpa de manzana o pulpa de manzana despectinizada (93 y 71 g de fibra soluble/kg, respectivamente). La digestibilidad fecal fue determinada en 23 conejos/pienso con 1.68 ± 0.23 kg de peso vivo, los cuales fueron sacrificados a los 60 d edad para recolectar su contenido digestivo para determinar digestibilidad ileal y otros parámetros digestivos. La fibra soluble de manzana (pectinas y pulpa entera) estimuló el flujo ileal de mucinas (P = 0,002), pero no asi la pulpa despectinizada. La corrección por mucinas incrementó la digestibilidad de la FDT y la fibra soluble a nivel fecal, y especialmente a nivel ileal. Cerca de la mitad de la fibra soluble proveniente de los piensos con cualquiera de las fracciones de la pulpa de manzana fue degradada a nivel ileal, sin mostrar diferencias entre los grupos (46 y 86% en promedio a nivel ileal y fecal respectivamente). La inclusión de pulpa despectinizada de manzana mejoró la digestibilidad de la FND a nivel fecal (P < 0,05) pero no a nivel ileal. El contenido cecal de los conejos alimentados con la pulpa de manzana tuvieron el pH cecal más ácido que los del pienso control (5,55 vs. 5,95. P < 0,001), mientras que los animales con el pienso de pectinas de manzana y de pulpa de manzana despectinizada mostraron valores intermedios. En conclusión los efectos positivo de la pulpa de manzana en el flujo de mucinas se debió principalmente a la fracción soluble de la pulpa de manzana. La mitad de la fibra soluble fue degradada antes del ciego independientemente de si esta provino de las pectinas o de la pulpa de manzana. El pH cecal estuvo mejor correlacionado con la cantidad de FDT fermentada en todo el tracto digestivo y antes de llegar al ciego que con la que se degradó en el ciego. Al integrar los resultados de los estudio 2, 3 y 4 se concluyó que la corrección de mucinas de los contenidos digestivos al determinar FDT y fibra soluble es necesaria para ajustar los cálculos de su digestibilidad. Esta corrección es mucho más importante a nivel ileal y en dietas bajas en fibra soluble. Por otra parte, la FDT desapareció en proporciones importantes antes de llegar al ciego, especialmente en piensos que contienen pulpa de remolacha o de manzana o alguna fracción soluble o insoluble de las mismas y estas diferencias observadas entre los piensos a nivel ileal se correlacionaron mejor con el pH cecal, lo que indicaría que la FDT se solubilizó antes de llegar al ciego y una vez en esté fermentó. Estos resultados implican que determinar la fibra soluble como FDSaFNDmo-pb es la mejor opción y que en la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble se debe considerar la corrección por mucinas especialmente a nivel ileal y en piensos bajos en fibra soluble. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the knowledge of the methods to quantify soluble fibre and the effects of the fibre fractions and source of fibre on the site the digestion of different fractions of fibre (soluble and insoluble) in the rabbit. There is a positive effect of soluble fibre on rabbit digestive health and therefore on the reduction of mortality in weaning rabbits. Nevertheless, it is no so clear that the effects of soluble fibre on rabbits are due particularly to this fraction. This thesis aims: 1) to compare the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and to study the potential interference between soluble fibre and mucin determinations, 2) to identify the effects of type of fibre, site of fermentation, method to quantify insoluble and soluble fibre, and correction of the intestinal soluble fibre content for intestinal mucin on the digestibility of fibre fractions and 3) to evaluate the individual effect of soluble and insoluble fibre from sugar beet pulp and apple pulp on ileal and faecal soluble and insoluble digestibility and digestive traits. These objectives were developed in four studies: The first study compared the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and studied the potential interference between soluble fibre and mucin determinations. Six ingredients, sugar beet pulp (SBP), SBP pectins, insoluble SBP, wheat straw, sunflower hulls and lignocellulose, and seven rabbit diets, differing in soluble fibre content, were evaluated. In experiment 1, ingredients and diets were analysed for total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), soluble dietary fibre (SDF), aNDFom (corrected for protein, aNDFom-cp) and 2-step pepsin/pancreatin in vitro DM indigestibility (corrected for ash and protein, ivDMi2). Soluble fibre was estimated by difference using three procedures: TDF - IDF (SDFIDF), TDF - ivDMi2 (SDFivDMi2), and TDF - aNDFom-cp (SDFaNDFom-cp). Soluble fibre determined directly (SDF) or by difference, as SDFivDMi2 were not different (109 g/kg DM, on average). However, when it was calculated as SDFaNDFom-cp the value was 40% higher (153 g/kg DM, P < 0.05), whereas SDFIDF (124 g/kg DM) did not differ from any of the other methods. The correlation between the four methods was high (r ≥ 0.96. P ≤ 0.001. n = 13), but it decreased or even disappeared when SBP pectins and SBP were excluded and a lower and more narrow range of variation of soluble fibre was used. In experiment 2, the ivDMi2 using crucibles (reference method) were compared to those made using individual or collective ankom bags in order to simplify the determination of SDFivDMi2. The ivDMi2 was not different when using crucibles or individual or collective ankom bags. In experiment 3, the potential interference between soluble fibre and intestinal mucin determinations was studied using rabbit intestinal raw mucus, digesta and SBP pectins, lignocelluloses and a rabbit diet. An interference was observed between the determinations of soluble fibre and crude mucin, as the content of TDF and apparent crude mucin were high in SBP pectins (994 and 709 g/kg DM) and rabbit intestinal raw mucus (571 and 739 g/kg DM). After a pectinase treatment, the coefficient of apparent mucin recovery of SBP pectins was close to zero, whereas that of rabbit mucus was not modified. An estimation of the crude mucin carbohydrates retained in digesta TDF is proposed to correct TDF and soluble fibre digestibility. In conclusion, the values of soluble fibre depend on the methodology used. The contamination of crude mucin with soluble fibre is avoided using pectinase. The second study focused on the effect of type of fibre, site of fermentation, method for quantifying insoluble and soluble dietary fibre, and their correction for intestinal mucin on fibre digestibility. Three diets differing in soluble fibre were formulated (85 g/kg DM soluble fibre, in the low soluble fibre [LSF] diet; 102 g/kg DM in the medium soluble fibre [MSF] diet; and 145 g/kg DM in the high soluble fibre [HSF] diet). They were obtained by replacing half of the dehydrated alfalfa in the MSF diet with a mixture of beet and apple pulp (HSF diet) or with a mix of oat hulls and soybean protein (LSF diet). Thirty rabbits with ileal T-cannulas were used to determine total tract apparent digestibility (CTTAD) and ileal apparent digestibility (CIAD). Caecal digestibility was determined by difference between CTTAD and CIAD. Insoluble fibre was measured as aNDFom-cp, IDF, and ivDMi2, whereas soluble fibre was calculated as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, SDFivDMi2. The intestinal mucin content was used to correct the TDF and soluble fibre digestibility. Ileal and faecal concentration of mucin increased from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). Once corrected for intestinal mucin, The CTTAD and CIAD of TDF and soluble fibre increased whereas caecal digestibility decreased (P < 0.01). The CIAD of TDF increased from the LSF to the HSF diet group (0.12 vs. 0.281. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.264), resulting in a higher CTTAD from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). The CIAD of insoluble fibre increased from the LSF to the HSF diet group (0.113 vs. 0.21. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.139) and no effect of fibre method, resulting in a higher CTTAD for rabbits fed the HSF diet compared with the MSF and LSF diets groups (P < 0.01). The CTTAD of aNDFom-cp was higher compared with IDF or ivDMi2 (P < 0.01). The CIAD of soluble fibre was higher for the HSF than for the LSF diet group (0.436 vs. 0.145. P < 0.01) and fibre method did not affect it. Caecal soluble fibre digestibility decreased from the LSF to the HSF diet group (0.721 vs. 0.492. P < 0.05). The lowest caecal and faecal soluble fibre digestibility was measured using SDFaNDFom-cp (P < 0.01). There was a high correlation among the digestibilities of soluble fibre measured as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, and SDFivDMi2. Therefore, these methodologies provide similar information. However, the method that seems to be globally better related to the physiological traits (ileal flow of mucins, and relative weight of the caecum and caecal pH from previous work) was the SDFaNDFom-cp. In conclusion, a correction for intestinal mucin is necessary for ileal TDF and soluble fibre digestibility whereas the selection of the fibre method has a minor relevance. The inclusion of sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF fermented in the small intestine. The third study examined the effect of fibre fractions of sugar beet pulp (SBP) and the method for quantifying soluble and insoluble fibre on soluble and insoluble fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 315 g/kg DM) and protein (167 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (30.3 g/kg DM, including sunflower hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with SBP pectins (82.9 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by replacing part of the fibrous sources of the control diet with either insoluble SBP fibre or SBP (42.2 and 82.3 g soluble fibre/kg DM, respectively). Fifty six (14/diet) rabbits weighing 2.40  0.213 kg were used to determine faecal and ileal digestibility of total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), neutral detergent fibre corrected for ash and CP (aNDFom-cp) and soluble fibre estimated as SDFaNDFom-cp and SDFIDF. Faecal and ileal mucin content was used to correct TDF and soluble fibre digestibility. It was also recorded weight of digestive segments and digesta pH. Rabbits fed insoluble SBP showed the lowest feed intake with respect to the other 3 diets (124 vs. 139 g/d, respectively. P < 0.05). Ileal mucin flow was higher (P < 0.05) in animals fed pectin and SBP diets (9.0 g/d, as average) than those fed control diet (4.79 g/d), showing InsSBP group an intermediate value. No differences on mucin content were detected at faecal level. There was no diet effect on the CIAD of TDF (corrected for mucin) and insoluble fibre. Fibre methodology influenced the CIAD of insoluble fibre (0.123 for IDF vs. 0.108 for aNDFom-cp. P < 0.01). Anyway, the amount of insoluble fibre fermented before the caecum did not differ between both methods (4.9 g/d, on average). Rabbits fed insoluble SBP and SBP diets showed the highest CTTAD of insoluble fibre (0.266 on average vs. 0.106 for control group), whereas those fed pectin diet had an intermediate value (0.106. P < 0.001). The CTTAD of insoluble fibre measured with IDF was higher than that measured with aNDFom-cp (by 20%. P < 0.001). It led that the amount of insoluble fibre fermented along the digestive tract were different (9.5 or 7.5 g/d when calculated as IDF or aNDFom-cp, respectively; P < 0.001). When the CIAD of soluble fibre was corrected for mucin they became positive (P < 0.001) except for control group measured as SDFIDF. Once corrected for mucin content, rabbits fed soluble fibre from SBP (pectin and SBP groups) showed higher CIAD of soluble fibre than control group (0.483 vs. -0.019. respectively), whereas the value for insoluble SBP group was intermediate 0.274. The CTTAD of soluble fibre (mucin corrected) was similar among diets 0.93. Rabbits fed with SBP and insoluble SBP diets showed higher total digestive tract and stomach relative weight than those fed pectin and control diets (by 11 and 56 %. respectively, P < 0.05). The caecal relative weight did not differ in rabbits fed pectin, insoluble SBP, and SBP diets (62 g/kg BW, as average) and they were on average 16% higher (P < 0.001) than in control group. Caecal content of rabbits fed SBP diet was more acid than those fed control diet (5.64 vs. 6.03. P < 0.001), whereas those from pectin and insoluble SBP diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of SBP fibre on ileal mucin flow was due to both its soluble and insoluble fibre fraction. Half of the soluble SBP fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or SBP. The caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The last study examined the effect of soluble and insoluble fibre of apple pulp on fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 324 g/kg DM) and protein (18.6 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (46 g soluble fibre/kg DM, including oat hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with apple pectins (105 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by substituting part of the fibrous sources of the control diet by either apple pulp or depectinized apple pulp (93 and 71 g soluble fibre/kg, respectively). The CTTAD was determined in 23 rabbits/diet weighing 1.68  0.23 kg BW, and 23 rabbits/diet were slaughtered at 60 d of age to collect ileal digesta to determine CIAD and record other digestive traits. Soluble fibre from apple stimulated ileal flow of mucin (P = 0.002), but depectinized apple pulp did not. The correction for mucin increased the digestibility of crude protein, total dietary fibre, and soluble fibre at faecal, but especially at ileal level, depending in this case on the diet. Around half of the soluble fibre in diets containing any fibre fraction from apple was degraded at ileal level, with no differences among these diets (0.46 vs. 0.066 for control group, P=0.046). Faecal soluble fibre digestibility was 0.86 on average for all groups). Inclusion of the apple insoluble fibre improved NDF digestibility at faecal (0.222 vs. 0.069. P < 0.05) but not at ileal level. Caecal content of rabbits fed apple pulp diet was more acid than those fed control diet (5.55 vs. 5.95. P < 0.001), whereas those from pectin and depectinised apple pulp diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of apple fibre on ileal mucin flow was mainly due to its soluble fibre fraction. Half of the soluble apple fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or apple pulp. The caecal pH correlated better with the total and ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The results obtained in the studies 2, 3 and 4 were considered together. These results showed that the mucin correction is necessary when the TDF and soluble fibre digestibility is determined, and it correction is more important at ileal level and in diets with low level of soluble fibre. On another hand, incrementing the soluble fibre using sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF disappear before the caecum. Moreover, the caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. This suggests that an ileal fibre solubilisation may occur rather than ileal fermentation. Therefore the implications of this work were that: the estimation of soluble fibre as SDFaNDFom-cp is an adequate method considering its correlation with the physiological effects; and the TDF and soluble fibre digestibility must be corrected with intestinal mucins, especially when the ileal digestibility is determined.

A model for turbulent combustion simulation of large scale hydrogen explosions

El agotamiento, la ausencia o, simplemente, la incertidumbre sobre la cantidad de las reservas de combustibles fósiles se añaden a la variabilidad de los precios y a la creciente inestabilidad en la cadena de aprovisionamiento para crear fuertes incentivos para el desarrollo de fuentes y vectores energéticos alternativos. El atractivo de hidrógeno como vector energético es muy alto en un contexto que abarca, además, fuertes inquietudes por parte de la población sobre la contaminación y las emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a su excelente impacto ambiental, la aceptación pública del nuevo vector energético dependería, a priori, del control de los riesgos asociados su manipulación y almacenamiento. Entre estos, la existencia de un innegable riesgo de explosión aparece como el principal inconveniente de este combustible alternativo. Esta tesis investiga la modelización numérica de explosiones en grandes volúmenes, centrándose en la simulación de la combustión turbulenta en grandes dominios de cálculo en los que la resolución que es alcanzable está fuertemente limitada. En la introducción, se aborda una descripción general de los procesos de explosión. Se concluye que las restricciones en la resolución de los cálculos hacen necesario el modelado de los procesos de turbulencia y de combustión. Posteriormente, se realiza una revisión crítica de las metodologías disponibles tanto para turbulencia como para combustión, que se lleva a cabo señalando las fortalezas, deficiencias e idoneidad de cada una de las metodologías. Como conclusión de esta investigación, se obtiene que la única estrategia viable para el modelado de la combustión, teniendo en cuenta las limitaciones existentes, es la utilización de una expresión que describa la velocidad de combustión turbulenta en función de distintos parámetros. Este tipo de modelos se denominan Modelos de velocidad de llama turbulenta y permiten cerrar una ecuación de balance para la variable de progreso de combustión. Como conclusión también se ha obtenido, que la solución más adecuada para la simulación de la turbulencia es la utilización de diferentes metodologías para la simulación de la turbulencia, LES o RANS, en función de la geometría y de las restricciones en la resolución de cada problema particular. Sobre la base de estos hallazgos, el crea de un modelo de combustión en el marco de los modelos de velocidad de la llama turbulenta. La metodología propuesta es capaz de superar las deficiencias existentes en los modelos disponibles para aquellos problemas en los que se precisa realizar cálculos con una resolución moderada o baja. Particularmente, el modelo utiliza un algoritmo heurístico para impedir el crecimiento del espesor de la llama, una deficiencia que lastraba el célebre modelo de Zimont. Bajo este enfoque, el énfasis del análisis se centra en la determinación de la velocidad de combustión, tanto laminar como turbulenta. La velocidad de combustión laminar se determina a través de una nueva formulación capaz de tener en cuenta la influencia simultánea en la velocidad de combustión laminar de la relación de equivalencia, la temperatura, la presión y la dilución con vapor de agua. La formulación obtenida es válida para un dominio de temperaturas, presiones y dilución con vapor de agua más extenso de cualquiera de las formulaciones previamente disponibles. Por otra parte, el cálculo de la velocidad de combustión turbulenta puede ser abordado mediante el uso de correlaciones que permiten el la determinación de esta magnitud en función de distintos parámetros. Con el objetivo de seleccionar la formulación más adecuada, se ha realizado una comparación entre los resultados obtenidos con diversas expresiones y los resultados obtenidos en los experimentos. Se concluye que la ecuación debida a Schmidt es la más adecuada teniendo en cuenta las condiciones del estudio. A continuación, se analiza la importancia de las inestabilidades de la llama en la propagación de los frentes de combustión. Su relevancia resulta significativa para mezclas pobres en combustible en las que la intensidad de la turbulencia permanece moderada. Estas condiciones son importantes dado que son habituales en los accidentes que ocurren en las centrales nucleares. Por ello, se lleva a cabo la creación de un modelo que permita estimar el efecto de las inestabilidades, y en concreto de la inestabilidad acústica-paramétrica, en la velocidad de propagación de llama. El modelado incluye la derivación matemática de la formulación heurística de Bauwebs et al. para el cálculo de la incremento de la velocidad de combustión debido a las inestabilidades de la llama, así como el análisis de la estabilidad de las llamas con respecto a una perturbación cíclica. Por último, los resultados se combinan para concluir el modelado de la inestabilidad acústica-paramétrica. Tras finalizar esta fase, la investigación se centro en la aplicación del modelo desarrollado en varios problemas de importancia para la seguridad industrial y el posterior análisis de los resultados y la comparación de los mismos con los datos experimentales correspondientes. Concretamente, se abordo la simulación de explosiones en túneles y en contenedores, con y sin gradiente de concentración y ventilación. Como resultados generales, se logra validar el modelo confirmando su idoneidad para estos problemas. Como última tarea, se ha realizado un analisis en profundidad de la catástrofe de Fukushima-Daiichi. El objetivo del análisis es determinar la cantidad de hidrógeno que explotó en el reactor número uno, en contraste con los otros estudios sobre el tema que se han centrado en la determinación de la cantidad de hidrógeno generado durante el accidente. Como resultado de la investigación, se determinó que la cantidad más probable de hidrogeno que fue consumida durante la explosión fue de 130 kg. Es un hecho notable el que la combustión de una relativamente pequeña cantidad de hidrogeno pueda causar un daño tan significativo. Esta es una muestra de la importancia de este tipo de investigaciones. Las ramas de la industria para las que el modelo desarrollado será de interés abarca la totalidad de la futura economía de hidrógeno (pilas de combustible, vehículos, almacenamiento energético, etc) con un impacto especial en los sectores del transporte y la energía nuclear, tanto para las tecnologías de fisión y fusión. ABSTRACT The exhaustion, absolute absence or simply the uncertainty on the amount of the reserves of fossil fuels sources added to the variability of their prices and the increasing instability and difficulties on the supply chain are strong incentives for the development of alternative energy sources and carriers. The attractiveness of hydrogen in a context that additionally comprehends concerns on pollution and emissions is very high. Due to its excellent environmental impact, the public acceptance of the new energetic vector will depend on the risk associated to its handling and storage. Fromthese, the danger of a severe explosion appears as the major drawback of this alternative fuel. This thesis investigates the numerical modeling of large scale explosions, focusing on the simulation of turbulent combustion in large domains where the resolution achievable is forcefully limited. In the introduction, a general description of explosion process is undertaken. It is concluded that the restrictions of resolution makes necessary the modeling of the turbulence and combustion processes. Subsequently, a critical review of the available methodologies for both turbulence and combustion is carried out pointing out their strengths and deficiencies. As a conclusion of this investigation, it appears clear that the only viable methodology for combustion modeling is the utilization of an expression for the turbulent burning velocity to close a balance equation for the combustion progress variable, a model of the Turbulent flame velocity kind. Also, that depending on the particular resolution restriction of each problem and on its geometry the utilization of different simulation methodologies, LES or RANS, is the most adequate solution for modeling the turbulence. Based on these findings, the candidate undertakes the creation of a combustion model in the framework of turbulent flame speed methodology which is able to overcome the deficiencies of the available ones for low resolution problems. Particularly, the model utilizes a heuristic algorithm to maintain the thickness of the flame brush under control, a serious deficiency of the Zimont model. Under the approach utilized by the candidate, the emphasis of the analysis lays on the accurate determination of the burning velocity, both laminar and turbulent. On one side, the laminar burning velocity is determined through a newly developed correlation which is able to describe the simultaneous influence of the equivalence ratio, temperature, steam dilution and pressure on the laminar burning velocity. The formulation obtained is valid for a larger domain of temperature, steam dilution and pressure than any of the previously available formulations. On the other side, a certain number of turbulent burning velocity correlations are available in the literature. For the selection of the most suitable, they have been compared with experiments and ranked, with the outcome that the formulation due to Schmidt was the most adequate for the conditions studied. Subsequently, the role of the flame instabilities on the development of explosions is assessed. Their significance appears to be of importance for lean mixtures in which the turbulence intensity remains moderate. These are important conditions which are typical for accidents on Nuclear Power Plants. Therefore, the creation of a model to account for the instabilities, and concretely, the acoustic parametric instability is undertaken. This encloses the mathematical derivation of the heuristic formulation of Bauwebs et al. for the calculation of the burning velocity enhancement due to flame instabilities as well as the analysis of the stability of flames with respect to a cyclic velocity perturbation. The results are combined to build a model of the acoustic-parametric instability. The following task in this research has been to apply the model developed to several problems significant for the industrial safety and the subsequent analysis of the results and comparison with the corresponding experimental data was performed. As a part of such task simulations of explosions in a tunnel and explosions in large containers, with and without gradient of concentration and venting have been carried out. As a general outcome, the validation of the model is achieved, confirming its suitability for the problems addressed. As a last and final undertaking, a thorough study of the Fukushima-Daiichi catastrophe has been carried out. The analysis performed aims at the determination of the amount of hydrogen participating on the explosion that happened in the reactor one, in contrast with other analysis centered on the amount of hydrogen generated during the accident. As an outcome of the research, it was determined that the most probable amount of hydrogen exploding during the catastrophe was 130 kg. It is remarkable that the combustion of such a small quantity of material can cause tremendous damage. This is an indication of the importance of these types of investigations. The industrial branches that can benefit from the applications of the model developed in this thesis include the whole future hydrogen economy, as well as nuclear safety both in fusion and fission technology.

Multi-distributed wireless sensors for monitoring a long distance transport in a reefer container

The study of the temperature gradients in cold stores and containers is a critical issue in the food industry for the quality assurance of products during transport and for minimising losses. This work presents an analysis of the temperatures during the refrigerated transport of 4,320 kg of blueberries in a reefer (set point temperature at ?1ºC) on a container ship from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). The monitoring was performed by using semi-passive RFID loggers (TurboTag cards). The objective was to carry out a multi-distributed supervision using low-cost, wireless and autonomous sensors for the characterisation of the distribution and spatial gradients of temperatures during a long distance transport. Data analysis shows spatial (phase space) and temporal sequencing diagrams and reveals a significant heterogeneity of temperature at different locations in the container, which highlights the ineffectiveness of a temperature control system based on a single sensor, as is usually done.

Análisis de la degradación, desintegración y biodegradabilidad de bolsas de poliéster y almidón en compostaje de residuos urbanos: escalas de laboratorio e industrial

El principal objetivo de esta tesis es verificar que las bolsas biodegradables de copoliéster (PBAT) con base de almidón (UNE 13432: 2001) alcanzan los niveles de degradación y desintegración requeridos para su certificación (%D= ≥ 90%), medido en condiciones reales de compostaje industrial. Para lograr mayor representatividad, los ensayos se han realizado en dos plantas de tratamiento de residuos urbanos en las que se aplican las técnicas de compostaje más comunes en el ámbito europeo y nacional, pila y túnel, mediante el compostaje de la FORSU. Se llevaron a cabo dos tipos de ensayos. Por un lado se realizó un ensayo escala de laboratorio (ISO 14855), orientado como indicador de la biodegradabilidad del polímero en el formato bolsa comercializado. Por otro lado, se desarrollaron una batería de ensayos realizados en dos plantas de compostaje de residuos urbanos: el Centro de Tratamiento de Residuos de Torija (Ávila), que realiza el compostaje mediante pila volteada, y el Centro de Tratamiento de Residuos de Arenas de San Pedro (Ávila), que realiza el compostaje en túnel. Para la obtención de resultados se han contrastado parámetros como el porcentaje de biodegradación (%B), el porcentaje de desintegración (%D), degradación superficial de las muestras, calidad de la FORSU inicial (caracterizaciones y análisis físico-químico) y calidad del MB final (análisis físico-químico e IG). Atendiendo al objetivo general se demuestra que las bolsas de copoliéster con base de almidón certificadas (UNE EN 13432:2001) han alcanzado el 94,37% ± 0,007% de desintegración en la planta de compostaje de FORSU con pila volteada; y el 86,36% ± 0,151% en la planta de compostaje de FORSU con túnel estático. A pesar de la aparente diferencia, el resultado del análisis concluye que no existen diferencias estadísticamente significativas entre técnicas de compostaje. La presencia de impropios y el contendido de metales pesados en la FORSU no han influido en la desintegración de las bolsas de estudio. En cambio, se ha detectado una influencia estadísticamente significativa entre el contenido de materia orgánica total y de nutrientes de la FORSU y el porcentaje de desintegración de las muestras. No se detectado una relación estadísticamente significativa entre la presencia de bolsas de estudio en las concentraciones definidas, y la calidad del MB, medido mediante el análisis físico-químico, microbiológico y el IG del MB. La concentración de los metales pesados en la mayoría de las muestras de material bioestabilizado cumplió con los límites establecidos para la categoría A, aplicable al “compost” procedente de la fracción orgánica recogida de forma separada según el RD 506/2013 de productos fertilizantes. También se detectó fitotoxicidad alta (FA) según la metodología y criterios de valoración definidos. Esta fitotoxicidad no está relacionada con la presencia de las bolsas de estudio sino con la calidad de la FORSU de partida y/o con los productos liberados durante el proceso de compostaje. ABSTRACT The main objective of this thesis is to verify that the copolyester (PBAT) starch based (UNE 13432: 2001) biodegradable bags reach levels of degradation and disintegration required for it´s certification (% D = ≥ 90%), measured in terms of real industrial composting. The tests were performed at two municipal solid waste (MSW) treatment plants, where the most common composting techniques applied at European and national level were represented, windrow and tunnel. Two types of tests were carried out: First, a laboratory scale test (ISO 14855), as an indicator of the polymer biodegradation of the commercialized bag format. Second, a battery of tests was conducted at two MSW composting plants, Waste Treatment Center of Torija (Guadalajara), that makes compost by turned pile, and the Waste Treatment Center of Arenas de San Pedro (Ávila), where makes compost by static tunnel. To obtain the results, the parameters such as the biodegradation percentage (% B), the disintegration percentage (% D), surface degradation of the samples, the initial quality of FORSU (characterizations and physico-chemical analysis) and bioestabilithated material (MB) quality (physico-chemical analysis and IG) have been compared. In reference to the general aim It shows that the copolyester starch based certified (UNE-EN 13432) bags have reached 94.37% ± 0.007% of disintegration in the composting turned pile; and 86.36% ± 0.151% in the static tunnel. Despite the apparent difference, the result of the analysis concludes that there are no statistically significant differences between composting techniques. The presence of non-compostable materials and the heavy metals content in the FORSU has not affected in the disintegration of the bags. Instead, It has been detected a statistically significant influence over the total organic matter content and nutrient content in the FORSU and the samples disintegration percentage. A statistically significant relationship between the bag presence in the defined concentrations and the quality of MB measured by physical-chemical analysis, microbiological analysis and IG of the MB is not detected. The concentration of heavy metals in most MB samples was within the limits of A-Class, applicable to "compost" from organic waste collected separately according to RD 506/2013 of fertilizers. High phytotoxicity (FA) was also detected according to the methodology and evaluation defined. The phytotoxicity is not related to the presence of bags but it is with the FORSU initial quality and/or with the products released during the composting process.

Compostabilidad de envases de bolsas de PBAT+PLA y envases rígidos de PLA mediante tecnologías de pila y túnel

Los polímeros compostables suponen en torno al 30% de los bioplásticos destinados a envasado, siendo a su vez esta aplicación el principal destino de la producción de este tipo de materiales que, en el año 2013, superó 1,6 millones de toneladas. La presente tesis aborda la biodegradación de los residuos de envases domésticos compostables en medio aerobio para dos tipos de formato y materiales, envase rígido de PLA (Clase I) y dos tipos de bolsas de PBAT+PLA (Clases II y III). Sobre esta materia se han realizado diversos estudios en escala de laboratorio pero para otro tipo de envases y biopolímeros y bajo condiciones controladas del compost con alguna proyección particularizada en plantas. La presente tesis da un paso más e investiga el comportamiento real de los envases plásticos compostables en la práctica del compostaje en tecnologías de pila y túnel, tanto a escala piloto como industrial, dentro del procedimiento y con las condiciones ambientales de instalaciones concretas. Para ello, con el método seguido, se han analizado los requisitos básicos que debe cumplir un envase compostable, según la norma UNE – EN 13432, evaluando el porcentaje de biodegradación de los envases objeto de estudio, en función de la pérdida de peso seco tras el proceso de compostaje, y la calidad del compost obtenido, mediante análisis físico-químico y de fitotoxicidad para comprobar que los materiales de estudio no aportan toxicidad. En cuanto a los niveles de biodegrabilidad, los resultados permiten concluir que los envases de Clase I se compostan adecuadamente en ambas tecnologías y que no requieren de unas condiciones de proceso muy exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100%. En relación a los envases de Clase II, se puede asumir que se trata de un material que se composta adecuadamente en pila y túnel industrial pero que requiere de condiciones exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al afectarle de forma clara la ubicación de las muestras en la masa a compostar, especialmente en el caso de la tecnología de túnel. Mientras el 90% de las muestras alcanza el 100% de biodegradación en pila industrial, tan sólo el 50% lo consigue en la tecnología de túnel a la misma escala. En cuanto a los envases de Clase III, se puede afirmar que es un material que se composta adecuadamente en túnel industrial pero que requiere de condiciones de cierta exigencia para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al poderle afectar la ubicación de las muestras en la masa a compostar. El 75% de las muestras ensayadas en túnel a escala industrial alcanzan el 100% de biodegradación y, aunque no se ha ensayado este tipo de envase en la tecnología de pila al no disponer de muestras, cabe pensar que los resultados de biodegrabilidad que hubiera podido alcanzar habrían sido, como mínimo, los obtenidos para los envases de Clase II, al tratarse de materiales muy similares en composición. Por último, se concluye que la tecnología de pila es más adecuada para conseguir niveles de biodegradación superiores en los envases tipo bolsa de PBAT+PLA. Los resultados obtenidos permiten también sacar en conclusión que, en el diseño de instalaciones de compostaje para el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente, sería conveniente realizar una recirculación del rechazo del afino del material compostado para aumentar la probabilidad de someter este tipo de materiales a las condiciones ambientales adecuadas. Si además se realiza un triturado del residuo a la entrada del proceso, también se aumentaría la superficie específica a entrar en contacto con la masa de materia orgánica y por tanto se favorecerían las condiciones de biodegradación. En cuanto a la calidad del compost obtenido en los ensayos, los resultados de los análisis físico – químicos y de fitotoxicidad revelan que los niveles de concentración de microorganismo patógenos y de metales pesados superan, en la práctica totalidad de las muestras, los niveles máximos permitidos en la legislación vigente aplicable a productos fertilizantes elaborados con residuos. Mediante el análisis de la composición de los envases ensayados se constata que la causa de esta contaminación reside en la materia orgánica utilizada para compostar en los ensayos, procedente del residuo de origen doméstico de la denominada “fracción resto”. Esta conclusión confirma la necesidad de realizar una recogida selectiva de la fracción orgánica en origen, existiendo estudios que evidencian la mejora de la calidad del residuo recogido en la denominada “fracción orgánica recogida selectivamente” (FORM). Compostable polymers are approximately 30% of bioplastics used for packaging, being this application, at same time, the main destination for the production of such materials exceeded 1.6 million tonnes in 2013. This thesis deals with the biodegradation of household packaging waste compostable in aerobic medium for two format types and materials, rigid container made of PLA (Class I) and two types of bags made of PBAT + PLA (Classes II and III). There are several studies developed about this issue at laboratory scale but for other kinds of packaging and biopolymers and under composting controlled conditions with some specifically plants projection. This thesis goes one step further and researches the real behaviour of compostable plastic packaging in the composting practice in pile and tunnel technologies, both at pilot and industrial scale, within the procedure and environmental conditions of concrete devices. Therefore, with a followed method, basic requirements fulfilment for compostable packaging have been analysed according to UNE-EN 13432 standard. It has been assessed the biodegradability percentage of the packaging studied, based on loss dry weight after the composting process, and the quality of the compost obtained, based on physical-chemical analysis to check no toxicity provided by the studied materials. Regarding biodegradability levels, results allow to conclude that Class I packaging are composted properly in both technologies and do not require high exigent process conditions for achieving 100% biodegradability levels. Related to Class II packaging, it can be assumed that it is a material that composts properly in pile and tunnel at industrial scale but requires exigent conditions for achieving 100% biodegradability levels for being clearly affected by sample location in the composting mass, especially in tunnel technology case. While 90% of the samples reach 100% of biodegradation in pile at industrial scale, only 50% achieve it in tunnel technology at the same scale. Regarding Class III packaging, it can be said that it is a material properly composted in tunnel at industrial scale but requires certain exigent conditions for reaching 100% biodegradation levels for being possibly affected by sample location in the composting mass. The 75% of the samples tested in tunnel at industrial scale reaches 100% biodegradation. Although this kind of packaging has not been tested on pile technology due to unavailability of samples, it is judged that biodegradability results that could be reached would have been, at least, the same obtained for Class II packaging, as they are very similar materials in composition. Finally, it is concluded that pile technology is more suitable for achieving highest biodegradation levels in bag packaging type of PBAT+PLA. Additionally, the obtained results conclude that, in the designing of composting devices for treatment of organic fraction selectively collected, it would be recommended a recirculation of the refining refuse of composted material in order to increase the probability of such materials to expose to proper environmental conditions. If the waste is grinded before entering the process, the specific surface in contact with organic material would also be increased and therefore biodegradation conditions would be more favourable. Regarding quality of the compost obtained in the tests, physical-chemical and phytotoxicity analysis results reveal that pathogen microorganism and heavy metals concentrations exceed, in most of the samples, the maximum allowed levels by current legislation for fertilizers obtained from wastes. Composition analysis of tested packaging verifies that the reason for this contamination is the organic material used for composting tests, comes from the household waste called “rest fraction”. This conclusion confirms the need of a selective collection of organic fraction in the origin, as existing studies show the quality improvement of the waste collected in the so-called “organic fraction selectively collected” (FORM).