Mejora del valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos (málico y fosfórico) y calor = Improvement of the protein value for ruminants of sunflower meal by combined treatments with acids (malic and orthophosphoric) and heat

El objetivo principal de esta tesis fue incrementar el valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos y calor para proteger sus proteínas frente a la degradación ruminal. Estos estudios comprenden dos experimentos realizados sobre ovinos mediante tecnologías in vitro (experimento 1) o in situ e in vivo (experimento 2), empleando siempre dos ácidos: málico u ortofosfórico. Aprovechando este último experimento, también se consideraron otros objetivos de carácter metodológico con el fin de mejorar la precisión de las estimas de i) la degradabilidad ruminal y la digestibilidad intestinal de la proteína y los aminoácidos (AAs) de los alimentos y ii) la síntesis microbiana ruminal y su contribución al flujo post-ruminal de nutrientes al animal. En el experimento 1 (capítulo 2) se efectuaron cuatro ensayos in vitro para estudiar la influencia de distintos factores que puedan afectar la eficacia de estos tratamientos. En cada ensayo se utilizó una réplica por tratamiento (dos para el tratamiento control) y dos bolsas vacías (empleadas para corregir la contaminación microbiana) en cada una de las cuatro botellas del incubador (ANKOM Daisy II). Cada botella contenía 2 l de medio de incubación, saturado con CO2 para asegurar la anaerobiosis. Este medio consistió en una mezcla de solución McDougall y liquido ruminal filtrado en relación 4:1. El liquido ruminal fue obtenido de 2 corderos canulados en rumen, utilizándose bien solo o mezclado con el del otro cordero en una relación 3:1. Así, cada botella de incubación contenía un inoculo ruminal diferente. Las incubaciones se realizaron a 39 ºC durante 20 h, siendo las bolsas lavadas con agua corriente y almacenadas a -20 ºC. Tras ser descongeladas, se lavaron 3 veces durante 5 min en una mini-lavadora de turbina, se desecaron a 80 ºC durante 48 h y se destinaron íntegras al análisis de N-Kjeldahl. En el ensayo 1 se estudió el efecto del volumen de disolución de dos dosis de ácido ortofosfórico (0,4 y 1,2 equivalentes gramo (eq)/kg de harina de girasol), testando cinco volúmenes de disolución (80, 160, 240, 320 and 400 ml/kg de harina) para cada dosis, desecándose las harinas a 60 ºC hasta sequedad al tacto. La proteína bruta (PB) indegradada se incremento con la dosis de ácido empleada y también (como tendencia, P < 0,1) con el volumen de dilución. En base a ello en los siguientes ensayos se utilizo el volumen de dilución mayor (400 ml/kg). En el ensayo 2 se estudió el efecto de la dosis y del tipo de ácido a cuatro dosis (1,2; 2,4; 3,6 y 4,8 eq/kg), secándose igualmente las muestras tratadas a 60 ºC. La PB indegradada aumentó con la dosis de ácido, siendo también mayor para el ácido málico, tanto en este ensayo como en los posteriores. En el ensayo 3 se estudiaron los efectos de los dos ácidos, cuatro concentraciones (0,6; 1,2; 1,8 y 2,4 eq/kg) y tres tratamientos térmicos para el secado de las muestras (100, 150 and 200 ºC durante 60, 30 y 20 minutos, respectivamente). Con los tratamientos térmicos a 100 y 150 ºC no hubo un incremento de protección para concentraciones superiores a 0,8 eq/kg para ambos ácidos. Para incrementar la protección fue necesario aumentar la temperatura a 200 ºC y la dosis a 1,2 eq/kg, no observándose un aumento de protección a dosis mayores. En el ensayo 4 se estudiaron los efectos sobre la lisina disponible, la solubilidad de la PB en saliva artificial de McDougall y la PB indegradada in vitro de tratar la harina solo con agua o con disoluciones de ambos ácidos a dosis de 0,8 eq/kg y temperaturas de secado de 100 ó 150 ºC en las mismas condiciones que en el ensayo 3. No se apreciaron efectos sobre la lisina disponible para ninguno de los tratamientos. El efecto específico de los ácidos quedo demostrado tanto por la fuerte reducción de la solubilidad de la PB como por el aumento de la PB indegradada frente al tratamiento con agua. En conjunto, los resultados de este experimento mostraron que la eficacia de estos tratamientos depende del tipo y dosis de ácido y de su dilución, así como de las condiciones de secado. Como tratamiento de mayor interés a aplicar posteriormente en el experimento 2 se consideró una dosis de 0,8 eq/kg de harina, aplicada en un volumen de 400 ml/kg (correspondiente a soluciones 1 M y 0,67 M para los ácidos málico y ortofosfórico, respectivamente) y desecación a 150 ºC. El experimento 2 (capítulos 3 a 7) se realizó con un diseño en cuadrado latino 3x3, empleando tres corderos canulados en rumen y duodeno y tres dietas isoproteicas: U, M y P, que incluían harinas de girasol sin tratar (control) y tratadas con acido málico u ortofosfórico, respectivamente. La harina de girasol se trató en las condiciones ya indicadas siendo necesarias 6 horas para su secado en estufa. Las dietas incluían 40% de heno de raigrás italiano y 60% de concentrado a base de harina de girasol (tratada y/o sin tratar), trigo y corrector vitamínico-mineral, siendo suministradas a 75 g/kg P0.75 (equivalente a 2,3 × mantenimiento). La relación harina de girasol sin tratar y tratada fue de 100:0 en la dieta U y entorno a 40:60 en las dietas M y P. Tras 10 días de adaptación a la dieta, se estudiaron sucesivamente: i) el tránsito hasta el duodeno de las partículas del heno (solo en la dieta control) y de la harina de girasol marcadas previamente con europio e iterbio, respectivamente; ii) la fermentación ruminal durante el periodo postprandial, iii) la degradación ruminal in situ de la harina de girasol específica de cada dieta (y del trigo y el heno en la dieta control) y iv) la magnitud y composición del contenido ruminal mediante el vaciado manual del rumen-retículo. Durante todo el periodo experimental se infundio de forma continua una solución de sulfato amónico enriquecido en 15N (98 átomos %) para corregir la contaminación microbiana ruminal en los estudios in situ y para establecer las diferencias de composición química entre las bacterias libres (BAL) y adherentes (BAS) del rumen. Esta solución incluyó en los dos últimos días Li-Cr- EDTA para determinar la tasa de dilución ruminal. Posteriormente, y tras un periodo de al menos 10 días para eliminar el enriquecimiento en 15N de la digesta, se estudió la digestibilidad intestinal de los distintos alimentos mediante la técnica de bolsas móviles. La determinación del bypass (BP) o de la degradabilidad efectiva (DE) de la materia seca (MS) y de la PB se realizó por el método tradicional de integración matemática; estos valores se obtuvieron también para la PB y los AAs generando una muestra representativa del flujo post-ruminal del alimento en estudio en cada animal. Ello se realizó mediante la mezcla de los distintos residuos de incubación en base a la función que describe el flujo de alimento indegradado que abandona el rumen. Todos estos trabajos se realizaron considerando la tasa de salida de partículas del rumen (kp) y, según casos, considerando también la tasa de conminución y mezcla de las partículas en este compartimento (kc). Para este último caso se ha desarrollado también el modelo matemático que describe este flujo y permite este cálculo. Los valores no corregidos por la contaminación microbiana del BP (o de DE) de la PB resultantes de ambos métodos se han comparado tanto en las harinas de girasol como en los restantes alimentos de la dieta, obteniéndose valores similares, sin apreciarse desviaciones sistemáticas. Sobre las muestras compuestas representativas de la composición química del BP se determino la digestibilidad intestinal efectiva (DIE) de la MS, PB y AAs. Todos los valores resultantes de esta técnica fueron corregidos para la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen. Los estudios de transito digestivo se realizaron tras suministrar en el comedero a los corderos una dosis simple de los alimentos marcados, seguida de la toma de muestras de la digesta duodenal durante 82 h. En la dieta testigo se suministraron simultáneamente el heno de raigrás y la harina de girasol, mientras que en las otras dietas solo se suministró esta última. La harina de girasol mostro un mayor valor para kc frente al heno (0,5766 v. 0,0892, /h), mientras que no hubo diferencias entre los dos alimentos para kp (0,0623 v. 0,0609, /h). Para la harina de girasol no se apreciaron diferencias entre dietas para kc, pero si se redujo de manera moderada la tasa kp con los tratamientos, siendo ésta también menor al utilizar ácido ortofosfórico frente al uso de ácido malico (0,0577 v. 0,0600, /h). El empleo de las harinas tratadas no modifico los parámetros de fermentación ruminal, la composición de los contenidos ruminales o la tasa de dilución del rumen. Los valores efectivos del BP y de DIE de la MS, PB y AAs de las harinas de girasol se obtuvieron considerando kc y kp, conjuntamente. Los tratamientos de protección incrementaron el BP de MS y PB en 48,5 y 268% de media, respectivamente. Estos incrementos se debieron principalmente al descenso de la fracción soluble y de la velocidad de degradación, pero también al aumento de la fracción indegradable, especialmente usando ácido ortofosfórico. Con los tratamientos se incrementó también la DIE de la MS (108% de media) y de la PB con gran diferencia entre los ácidos málico y ortofosfórico (20,7 v. 11,8%). Como consecuencia de estos cambios la protección aumentó la fracción realmente digerida en el intestino en 211% (MS) y 325% (PB), sin efectos entre ambos ácidos. Considerando la reducción del suministro de energía fermentable para los microorganismos ruminales asociada a la protección y los parámetros indicados por el sistema PDI francés para la síntesis de proteína microbiana digestible, la eficacia de conversión de PB en proteína metabolizable aumentó de 0,244 a 0,559 y 0,515 con el tratamiento con acido málico y ortofosfórico, respectivamente. El contenido en aminoácidos (AAs) fue similar en todas las harinas salvo por una disminución de lisina en las harinas tratadas. De forma análoga a la PB, los tratamientos de protección incrementaron el BP y la DIE de la mayoría de AAs. El aporte de AAs metabolizabes de la harina se multiplico en 3,87 para los AAs azufrados y en menor medida (2,5 veces) para la lisina, como consecuencia de las pérdidas sufridas a consecuencia del tratamiento térmico. Estos tratamientos se muestran, por tanto, útiles para incrementar el valor proteico de la harina de girasol, si bien su empleo junto con concentrados proteicos ricos en lisina bypass digestible mejoraría el perfil de la proteína metabolizable. La corrección de la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen se asoció en todos los alimentos testados y, de forma general, con reducciones del BP y de su DIE en todas las fracciones estudiadas. Estas reducciones fueron pequeñas en todos los concentrados, de forma acorde con los muy pequeños niveles de contaminación registrados tanto en las harinas de girasol como en el grano de trigo. Por el contrario, esta contaminación, al igual que los efectos de su corrección, fueron muy importantes en el heno de raigrás. Esta contaminación aumentó al tener en cuenta kc. Así, para la proporción de PB de origen microbiano existente en las muestras compuestas representativas del BP, este aumento fue significativo para el heno de raigrás (0,463 v. 0,706) y solo numérico para la harina de girasol (0,0170 v. 0,0208). La reducción de las estimas de DIE al corregir esta contaminación fue consecuencia de la eliminación de forma casi completa de los microorganismos adherentes en todos los residuos testados. Así, esta biomasa se redujo en 96,1% como media de 7x3 observaciones. Como resultado de las diferencias acumulativas a nivel del rumen e intestino, la no corrección de la contaminación microbiana junto con la no consideración de kc condujo a fuertes sobrestimaciones de la PB digerida en el intestino. Ésta fue de 39% en la harina de girasol (0,146 v. 0,105) y de 761% en el heno de raigrás (0,373 v. 0,0433). Estos resultados muestran que es necesario considerar tanto kc como corregir la contaminación microbiana para obtener estimas in situ precisas en forrajes, mientras que en concentrados, siempre que la contaminación microbiana sea pequeña, es más importante considerar kc. La elevada contaminación microbiana observada en el heno de raigrás se asoció también con importantes errores a nivel del N asociado a la fibra neutro (FND) y ácido (FAD) detergente (NDIN y ADIN, respectivamente) e incluso de estas fracciones de fibra, evidenciándose que estos métodos no eliminan completamente la contaminación microbiana que sufren los alimentos en su paso por el retículorumen. Así, en la muestra compuesta representativa de la composición química del flujo postruminal antes descrita, la sobrevaloración por no corregir la contaminación microbiana fue de 99,8; 24,2; 3,34 y 0,48% para NDIN, ADIN, FND y FAD, respectivamente. Las subvaloraciones asociadas para su DE fueron 34,1; 8,79; 4,41 y 0,51%, respectivamente. La DE corregida del NDIN y ADIN (0,743 y 0,728, respectivamente) mostró un aprovechamiento ruminal elevado de estos compuestos, si bien menor al de la PB total (0,85). El estudio de este aprovechamiento sobre los residuos de incubación ruminal a 6 y 72 h demostró, además, una más rápida degradación del ADIN frente al NDIN, así como un mayor potencial de degradación de este último en este alimento. Para comprobar si la digestión en el abomaso eliminaba la contaminación microbiana en la FND y FAD se estudio esta contaminación y sus posibles errores en muestras liofilizadas de contenidos ruminales y duodenales correspondientes a una dieta mixta de similar composición a la utilizada en el experimento 2, comparándose, además, las diferencias entre la extracción secuencial o directa de la FAD. Utilizando como referencia las BAS se apreciaron elevadas contaminaciones en la FND y FAD y su N asociado tanto en las muestras ruminales como en las duodenales. Sin embargo, los resultados de enriquecimiento en 15N de las partículas fueron intermedios entre los correspondientes a BAS y BAL lo que evidencia una elevada contaminación con BAL en estas muestras probablemente durante el proceso de liofilización. Ello conlleva una sobrevaloración de esta estimación. El método de extracción directa de FAD se mostró, por otra parte, marcadamente menos eficaz en la eliminación de la contaminación microbiana. Los resultados muestran la necesidad de corregir la contaminación microbiana para obtener estimaciones precisas de la degradabilidad de las proteínas de las paredes celulares vegetales. Estos errores deberían ser también considerados para FND y FAD en estudios in situ e in vivo. La elevada tasa fraccional de degradación del grano de trigo (60,9 y 42,0%/h para MS y PB, respectivamente) implico que su flujo de material indegradado (calculado solo en base a la kp obtenida para la harina de girasol) se redujera muy rápidamente, de forma que es casi nulo a 8 h tras la ingestión. Los valores corregidos de PB digerida en el intestino (0,15) representan solo el 18,7% de la proteína metabolizable, lo que muestra que el valor proteico del grano de trigo está estrechamente ligado a la síntesis de proteína microbiana derivada de su fermentación. En el experimento 2 se observaron menores concentraciones para materia orgánica, lípidos y PB, así como en la proporción N-AAs/N total en BAL que en BAS, siendo, por el contrario, mayor su enriquecimiento en 15N. Estos últimos resultados se utilizaron (junto con los de otros trabajos previos de este equipo) para validar una predicción preexistente del enriquecimiento en 15N de las BAS a partir de este valor en las BAL. Esta ecuación, de muy alta precisión (R2 = 0.995), permite calcular la subvaloración que se comete en los aportes de nutrientes correspondientes a las BAS al usar las BAL como muestra de referencia. Esta subvaloración representa aproximadamente 21, 32,5 y 60% para PB, proteína verdadera y lípidos.

Crecimiento, fabricación y caracterización de heteroestructuras y nanocolumnas ordenadas basadas en nitruros del grupo III para aplicaciones sensoras

Esta memoria está basada en el crecimiento y caracterización de heteroestructuras Al(Ga)N/GaN y nanocolumnas ordenadas de GaN, y su aplicación en sensores químicos. El método de crecimiento ha sido la epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE). En el caso de las heteroestructuras Al(Ga)N/GaN, se han crecido barreras de distinto espesor y composición, desde AlN de 5 nm, hasta AlGaN de 35 nm. Además de una caracterización morfológica, estructural y eléctrica básica de las capas, también se han fabricado a partir de ellas dispositivos tipo HEMTs. La caracterización eléctrica de dichos dispositivos (carga y movilidad de en el canal bidimensional) indica que las mejores heteroestructuras son aquellas con un espesor de barrera intermedio (alrededor de 20 nm). Sin embargo, un objetivo importante de esta Tesis ha sido verificar las ventajas que podían tener los sensores basados en heteroestructuras AlN/GaN (frente a los típicos basados en AlGaN/GaN), con espesores de barrera muy finos (alrededor de 5 nm), ya que el canal de conducción que se modula por efecto de cambios químicos está más cerca de la superficie en donde ocurren dichos cambios químicos. De esta manera, se han utilizado los dispositivos tipo HEMTs como sensores químicos de pH (ISFETs), y se ha comprobado la mayor sensibilidad (variación de corriente frente a cambios de pH, Ids/pH) en los sensores basados en AlN/GaN frente a los basados en AlGaN/GaN. La mayor sensibilidad es incluso más patente en aplicaciones en las que no se utiliza un electrodo de referencia. Se han fabricado y caracterizado dispositivos ISFET similares utilizando capas compactas de InN. Estos sensores presentan peor estabilidad que los basados en Al(Ga)N/GaN, aunque la sensibilidad superficial al pH era la misma (Vgs/pH), y su sensibilidad en terminos de corriente de canal (Ids/pH) arroja valores intermedios entre los ISFET basados en AlN/GaN y los valores de los basados en AlGaN/GaN. Para continuar con la comparación entre dispositivos basados en Al(Ga)N/GaN, se fabricaron ISFETs con el área sensible más pequeña (35 x 35 m2), de tamaño similar a los dispositivos destinados a las medidas de actividad celular. Sometiendo los dispositivos a pulsos de voltaje en su área sensible, la respuesta de los dispositivos de AlN presentaron menor ruido que los basados en AlGaN. El ruido en la corriente para dispositivos de AlN, donde el encapsulado no ha sido optimizado, fue tan bajo como 8.9 nA (valor rms), y el ruido equivalente en el potencial superficial 38.7 V. Estos valores son más bajos que los encontrados en los dispositivos típicos para la detección de actividad celular (basados en Si), y del orden de los mejores resultados encontrados en la literatura sobre AlGaN/GaN. Desde el punto de vista de la caracterización electro-química de las superficies de GaN e InN, se ha determinado su punto isoeléctrico. Dicho valor no había sido reportado en la literatura hasta el momento. El valor, determinado por medidas de “streaming potential”, es de 4.4 y 4 respectivamente. Este valor es una importante característica a tener en cuenta en sensores, en inmovilización electrostática o en la litografía coloidal. Esta última técnica se discute en esta memoria, y se aplica en el último bloque de investigación de esta Tesis (i.e. crecimiento ordenado). El último apartado de resultados experimentales de esta Tesis analiza el crecimiento selectivo de nanocolumnas ordenadas de GaN por MBE, utilizando mascaras de Ti con nanoagujeros. Se ha estudiado como los distintos parámetros de crecimiento (i.e. flujos de los elementos Ga y N, temperatura de crecimiento y diseño de la máscara) afectan a la selectividad y a la morfología de las nanocolumnas. Se ha conseguido con éxito el crecimiento selectivo sobre pseudosustratos de GaN con distinta orientación cristalina o polaridad; templates de GaN(0001)/zafiro, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000-1)/Si y GaN(11-20)/zafiro. Se ha verificado experimentalmente la alta calidad cristalina de las nanocolumnas ordenadas, y su mayor estabilidad térmica comparada con las capas compactas del mismo material. Las nanocolumnas ordenadas de nitruros del grupo III tienen una clara aplicación en el campo de la optoelectrónica, principalmente para nanoemisores de luz blanca. Sin embargo, en esta Tesis se proponen como alternativa a la utilización de capas compactas o nanocolumnas auto-ensambladas en sensores. Las nanocolumnas auto-ensambladas de GaN, debido a su alta razón superficie/volumen, son muy prometedoras en el campo de los sensores, pero su amplia dispersión en dimensiones (altura y diámetro) supone un problema para el procesado y funcionamiento de dispositivos reales. En ese aspecto, las nanocolumnas ordenadas son más robustas y homogéneas, manteniendo una alta relación superficie/volumen. Como primer experimento en el ámbito de los sensores, se ha estudiado como se ve afectada la emisión de fotoluminiscencia de las NCs ordenadas al estar expuestas al aire o al vacio. Se observa una fuerte caída en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando las nanocolumnas están expuestas al aire (probablemente por la foto-adsorción de oxigeno en la superficie), como ya había sido documentado anteriormente en nanocolumnas auto-ensambladas. Este experimento abre el camino para futuros sensores basados en nanocolumnas ordenadas. Abstract This manuscript deals with the growth and characterization of Al(Ga)N/GaN heterostructures and GaN ordered nanocolumns, and their application in chemical sensors. The growth technique has been the plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). In the case of Al(Ga)N/GaN heterostructures, barriers of different thickness and composition, from AlN (5 nm) to AlGaN (35 nm) have been grown. Besides the basic morphological, structural and electrical characterization of the layers, HEMT devices have been fabricated based on these layers. The best electrical characteristics (larger carriers concentration and mobility in the two dimensional electron gas) are those in AlGaN/GaN heterostructures with a medium thickness (around 20 nm). However, one of the goals of this Thesis has been to verify the advantages that sensors based on AlN/GaN (thickness around 7 nm) have compared to standard AlGaN/GaN, because the conduction channel to be modulated by chemical changes is closer to the sensitive area. In this way, HEMT devices have been used as chemical pH sensors (ISFETs), and the higher sensitivity (conductance change related to pH changes, Ids/pH) of AlN/GaN based sensors has been proved. The higher sensibility is even more obvious in application without reference electrode. Similar ISFETs devices have been fabricated based on InN compact layers. These devices show a poor stability, but its surface sensitivity to pH (Vgs/pH) and its sensibility (Ids/pH) yield values between the corresponding ones of AlN/GaN and AlGaN/GaN heterostructures. In order to a further comparison between Al(Ga)N/GaN based devices, ISFETs with smaller sensitive area (35 x 35 m2), similar to the ones used in cellular activity record, were fabricated and characterized. When the devices are subjected to a voltage pulse through the sensitive area, the response of AlN based devices shows lower noise than the ones based on AlGaN. The noise in the current of such a AlN based device, where the encapsulation has not been optimized, is as low as 8.9 nA (rms value), and the equivalent noise to the surface potential is 38.7 V. These values are lower than the found in typical devices used for cellular activity recording (based on Si), and in the range of the best published results on AlGaN/GaN. From the point of view of the electrochemical characterization of GaN and InN surfaces, their isoelectric point has been experimentally determined. Such a value is the first time reported for GaN and InN surfaces. These values are determined by “streaming potential”, being pH 4.4 and 4, respectively. Isoelectric point value is an important characteristic in sensors, electrostatic immobilization or in colloidal lithography. In particular, colloidal lithography has been optimized in this Thesis for GaN surfaces, and applied in the last part of experimental results (i.e. ordered growth). The last block of this Thesis is focused on the selective area growth of GaN nanocolumns by MBE, using Ti masks decorated with nanoholes. The effect of the different growth parameters (Ga and N fluxes, growth temperature and mask design) is studied, in particular their impact in the selectivity and in the morphology of the nanocolumns. Selective area growth has been successful performed on GaN templates with different orientation or polarity; GaN(0001)/sapphire, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000- 1)/Si and GaN(11-20)/sapphire. Ordered nanocolumns exhibit a high crystal quality, and a higher thermal stability (lower thermal decomposition) than the compact layers of the same material. Ordered nanocolumns based on III nitrides have a clear application in optoelectronics, mainly for white light nanoemitters. However, this Thesis proposes them as an alternative to compact layers and self-assembled nanocolumns in sensor applications. Self-assembled GaN nanocolumns are very appealing for sensor applications, due to their large surface/volume ratio. However, their large dispersion in heights and diameters are a problem in terms of processing and operation of real devices. In this aspect, ordered nanocolumns are more robust and homogeneous, keeping the large surface/volume ratio. As first experimental evidence of their sensor capabilities, ordered nanocolumns have been studied regarding their photoluminiscence on air and vacuum ambient. A big drop in the intensity is observed when the nanocolumns are exposed to air (probably because of the oxygen photo-adsortion), as was already reported in the case of self-assembled nanocolumns. This opens the way to future sensors based on ordered III nitrides nanocolumns.

Desarrollo de conglomerados con la incorporación de cenizas volantes procedentes de la incineración de residuos sólidos urbanos

Esta tesis presenta los resultados de la investigación realizada sobre la inertización de cenizas volantes procedentes de residuos sólidos urbanos y su posterior encapsulación en distintas matrices de mortero. Durante el proceso de inertización, se ha logrado la inertización de éste residuo tóxico y peligroso (RTP) y también su valorización como subproducto. De esta forma se dispone de nueva “materia prima” a bajo coste y la eliminación de un residuo tóxico y peligroso con la consiguiente conservación de recursos naturales alternativos. La caracterización química de las cenizas analizadas refleja que éstas presentan altas concentraciones de cloruros, Zn y Pb. Durante la investigación se ha desarrollado un proceso de inertización de las cenizas volantes con bicarbonato sódico (NaHCO3) que reduce en un 99% el contenido en cloruros y mantiene el pH en valores óptimos para que la concentración de los metales pesados en el lixiviado sea mínima debido a su estabilización en forma de carbonatos insolubles. Se han elaborado morteros con cuatro tipos distintos de cementos (CEM-I, CEM-II, CAC y CSA) incorporando cenizas volantes inertizadas en una proporción igual a un 10% en peso del árido utilizado. Los morteros ensayados abarcan distintas dosificaciones tanto en la utilización de áridos con distintos diámetros (0/2 y 0/4), como en la relación cemento/árido (1/1 y 1/3). Se han obtenido las propiedades físicas y mecánicas de estos morteros mediante ensayos de Trabajabilidad, Estabilidad Dimensional, Carbonatación, Porosidad y Resistencias Mecánicas. De igual forma, se presentan resultados de ensayos de lixiviación de Zn, Pb, Cu y Cd, sobre probetas monolíticas de los morteros con los mejores comportamientos físico/mecánicos, donde se ha analizado el contenido en iones de dichos metales pesados lixiviados mediante determinación voltamperométrica de redisolución anódica Se concluye que todos los morteros ensayados son técnicamente aceptables, siendo los más favorables los elaborados con Cemento de Sulfoaluminato de Calcio (CSA) y con Cemento de Aluminato de Calcio (CAC). En este último caso, se mejoran las resistencias a compresión de los morteros de referencia en más de un 48%, y las resistencias a flexión en más de un 67%. De igual forma, los ensayos de lixiviado revelan la completa encapsulación de los iones de Zn y la mitigación en el lixiviado de los iones de Pb. Ambos morteros podrían ser perfectamente validos en actuaciones en las que se necesitase un producto de fraguado rápido, altas resistencias iniciales y compensación de las retracciones con una elevada estabilidad dimensional. En base a esto, el material podría ser utilizado como mortero de reparación en viales y pavimentos que requiriesen altas prestaciones, tales como: soleras industriales, pistas de aterrizaje, aparcamientos, etc. O bien, para la confección de elementos prefabricados sin armaduras estructurales, dada su elevada resistencia a flexión. ABSTRACT This dissertation presents the results of a research on inerting fly ash from urban solid waste and its subsequent encapsulation in mortar matrixes. The inerting of this hazardous toxic waste, as well as its valorization as a by-product has been achieved. In this way, a new "raw material" is available through a simple process and the toxic and hazardous waste is eliminated, and consequently, conservation of alternative natural resources is strengthened. Chemical analysis of the ashes analyzed shows high concentrations of soluble chlorides, Zn and Pb. An inerting process of fly ash with sodium bicarbonate (NaHCO3) has been developed which reduces 99% the content of chlorides and maintains pH at optimal values, so that the concentration of heavy metals in the leachate is minimum, due to its stabilization in the form of insoluble carbonates. Mortars with four different types of cements (CEM-I, CEM-II, CAC and CSA) have been developed by the addition of inertized fly ash in the form of carbonates, in the proportion of 10% in weight of the aggregates used. The samples tested include different proportions in the use of aggregates with different sizes (0/2 and 0/4), and in the cement/aggregate ratio (1/1 and 1/3). Physical/mechanical properties of these mortars have been studied through workability, dimensional stability, carbonation, porosity and mechanic strength tests. Leaching tests of Zn, Pb, Cu and Cd ions are also being performed on monolithic samples of the best behavioral mortars. The content in leachated heavy metal ions is being analyzed through stripping voltammetry determination. Conclusions drawn are that the tested CAC and CSA cement mortars present much better behavior than those of CEM-I and CEM-II cement. The results are especially remarkable for the CAC cement mortars, improving reference mortars compression strengths in more than 48%, and also bending strengths in more than 67%. Leaching tests confirm that the encapsulation of Zn and Pb is achieved and leachate of both ions is mitigated within the mortar matrixes. For the above stated reasons, it might be concluded that mortars made with calcium aluminate cements or calcium sulfoaluminate with the incorporation of treated fly ash, may be perfectly valid for uses in which a fast-curing product, with high initial strength and drying shrinkage compensation with a high dimensional stability is required. Based on this, the material could be used as repair mortar for structures, roads and industrial pavements requiring high performance, such as: industrial floorings, landing tracks, parking lots, etc. Alternatively, it could also be used in the manufacture of prefabricated elements without structural reinforcement, given its high bending strength.

Aplicación del análisis de evaluación de riesgo a una cuenca hidrográfica en Panamá

Fueron evaluados los problemas relativos al manejo de los recursos hídricos y la gestión del agua en Panamá. A partir del comportamiento del clima, de la evaluación físico química de las principales cuencas hidrográficas de Panamá y del uso del suelo y del agua se aplicó el análisis de evaluación de riesgo.

Diferencias en composición química y relaciones con la calidad de la proteína de las harinas de soja según origen.

La harina de soja (HS) es la principal fuente de proteína utilizada en la fabricación de piensos. En Europa, la mayor parte de las HS procede de uno de los tres principales países productores: Estados Unidos (USA), Brasil (BRA) y Argentina (ARG). La composición y valor nutricional de las HS varía entre países de origen en función de las variedades cultivadas, las condiciones agronómicas y las condiciones de procesado (Grieshop et al., 2003; De Coca et al., 2008, 2010; Frikha et al., 2012). En un trabajo anterior Mateos et al. (2011) presentaron los resultados obtenidos de una colección de 385 muestras de HS recogidas entre los años 2007 y 2010 procedentes de estos tres países. El presente trabajo tiene como objetivo complementar los resultados anteriores con nuevas muestras procedentes de las cosechas de los años 2011 y 2012. Asimismo se presentarán las correlaciones más destacadas entre componentes analíticos y las variables de calidad de la proteína habitualmente utilizadas por la industria.

Diferencias en composición química y relaciones con la calidad de la proteína de las harinas de soja según origen

La harina de soja (HS) es la principal fuente de proteína utilizada en la fabricación de piensos. En Europa, la mayor parte de las HS procede de uno de los tres principales países productores: Estados Unidos (USA), Brasil (BRA) y Argentina (ARG). La composición y valor nutricional de las HS varía entre países de origen en función de las variedades cultivadas, las condiciones agronómicas y las condiciones de procesado (Grieshop et al., 2003; De Coca et al., 2008, 2010; Frikha et al., 2012). En un trabajo anterior Mateos et al. (2011) presentaron los resultados obtenidos de una colección de 385 muestras de HS recogidas entre los años 2007 y 2010 procedentes de estos tres países. El presente trabajo tiene como objetivo complementar los resultados anteriores con nuevas muestras procedentes de las cosechas de los años 2011 y 2012. Asimismo se presentarán las correlaciones más destacadas entre componentes analíticos y las variables de calidad de la proteína habitualmente utilizadas por la industria.

Influencia de los Productos Hidrofugantes en las Propiedades Superficiales de las Cerámicas Porosas Utilizadas en Cerramientos Exteriores Cara Vista

En esta Tesis se cuantifica la influencia de los productos hidrofugantes en la superficie de la cerámica, en base a la variación cromática que producen. Se definen parámetros metodológicos previos para la medición de la variación cromática: obtención de imágenes digitales en formato JPG, utilización del espacio de color RGB y medición del color a través de los histogramas de imagen. Se realiza una clasificación de la cerámica porosa utilizada en cerramientos cara vista, en base a su fabricación (manual, prensada, extrusionada y klinker) y de los productos hidrofugantes, en base a su composición química (siliconatos, silanos, siloxanos oligoméricos y poliméricos, resina fluorada y silanos/siloxanos). Los materiales utilizados (cerámica y e hidrofugantes) junto con los parámetros metodológicos conforman un plan de ensayos experimental en el que se realizan: Ensayos previos: se caracteriza la cerámica obteniendo su coeficiente de absorción y su porosidad abierta (normas UNE 67.027-84 y UNE-EN 772-4:1999). Se realiza el ensayo de succión (basado en la norma UNE-EN 772-11:2001/A1:2006) en el que se obtienen los parámetros de tasa de absorción y nivel de agua superficial que garantizan que la cerámica está correctamente hidrofugada. Todos los parámetros obtenidos se relacionarán con la variación de color de la cerámica al aplicarle los productos hidrofugantes, para analizar su grado de influencia. Ensayo colorimétrico: se propone una metodología nueva de ensayo basada en la medición digital del color de superficies de materiales inorgánicos porosos y sus posibles cambios cromáticos, mediante los histogramas de imagen. Se usa el espacio de color RGB en el que cada color aparece descompuesto en función de sus tres componentes espectrales primarias de rojo, verde y azul. Se compara la variación cromática que producen los hidrofugantes en las probetas comparándose con la probeta sin tratar. Previamente al ensayo colorimétrico se determinan y ajustan los parámetros del ensayo: número óptimo de fotografías necesarias para que los datos sean fiables, se comprueba si la cámara digital para la obtención de imágenes es fiable, se calibra dicha cámara fotográfica para ver cuál es la desviación respecto a los colores de referencia y se obtiene la variación de valores RGB que percibe el ojo humano. Se obtiene un modelo matemático que permite predecir el color final de la cerámica tratada en función del color inicial de la cerámica sin hidrofugar. Esta Tesis establece una tabla de predicción y posible reproducción del color, además de una recomendación de los productos a utilizar en la cerámica según su color. Se realiza un estudio de microscopia electrónica de barrido para comprobar la alteración producida por los productos hidrofugantes en la superficie de la cerámica y observar la su influencia, además de analizar la penetrabilidad de cada producto.

Evaluación del desarrollo de las tecnologías de almacenamiento de CO2

El dióxido de carbono (CO2 ) es un gas de efecto invernadero que se encuentra naturalmente en la atmósfera. Las actividades antropogénicas, especialmente las derivadas de la generación eléctrica a partir de combustibles fósiles, están causando que la concentración de este gas aumente significativamente en la atmósfera. Esta situación contribuye al conocido y mundialmente aceptado cambio climático. Dentro de las posibilidades que se barajan para reducir las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero destaca el desarrollo de las tecnologías de captura y almacenamiento de CO2 (CAC), las cuales son aplicables principalmente a los grandes focos industriales, como las centrales térmicas, cementeras, refinerías, acerías, industrias cerámicas, etc. Estas tecnologías consisten en la separación del CO2 emitido por dichos focos emisores, para posteriormente comprimirlo y obtener así una corriente concentrada de CO2 , la cual sería susceptible de transportarse e inyectarse en un almacén geológico a una profundidad superior a 800 m para que alcanzara el estado supercrítico. Por lo tanto, el almacenamiento geológico profundo (AGP) de CO2 representa la última etapa de las tecnologías CAC. Aunque se tiene bastante experiencia en el campo de la inyección de CO2 como método para recuperar los yacimientos de petróleo y/o gas, ya agotados o en vías de agotamiento, el concepto de almacenamiento geológico de CO2 , como método de evitar las emisiones de este gas a la atmósfera y mitigar así el efecto invernadero, es relativamente reciente.

Evaluación de la madera estructural para la rehabilitación de las Naves Cros (Valencia, España) por medio de diferentes técnicas no destructivas

El proyecto de rehabilitación de una de las naves del complejo fabril de la industria química ?CROS? en Valencia se llevó a cabo con el criterio de mantener, en la medida de lo posible, los elementos estructurales presentes en la nave. Con este objetivo se realizaron una serie de ensayos no destructivos (END) in situ. Estos ensayos permitieron evaluar la calidad de la madera, determinar qué elementos estructurales debían ser sustituidos y comprobar la aptitud de los que iban a ser reutilizados. Los END empleados en este estudio fueron los siguientes: (1) Identificación de la especie por técnicas anatómicas, (2) Clasificación resistente por método visual, (3) Estimación de humedad por la técnica de resistencia eléctrica; (4) Obtención de velocidades de propagación ultrasónicas (5) Resistógrafía y (6) Alteración de la propagación de ondas electromagnéticas por medio de Georradar. Para la calibración de estos END se tomó una muestra de piezas y se hicieron ensayos destructivos bajo condiciones controladas en laboratorio. En el trabajo que aquí se presenta se muestra la metodología empleada durante el proceso de toma de datos, de análisis de resultados y de cruce de la información obtenida a partir de cada uno de los ensayos hasta llegar a un diagnóstico para los elementos analizados. The assessment of structural timber was requested in the rehabilitation project of the Naves of the chemical industry "CROS". The criterion was to maintain as much as possible timber of the structure and to make only partial replacements. In order not to damage the existing structure and to assess the quality of the existing timber, a series of non-destructive testing (NDT) in the entire structure were performed: (1) Identification of the species by anatomical techniques, (2) Strength grading by visual method, (3) Estimation of moisture content by the technique of electrical resistance, (4) Acquisition of ultrasonic propagation velocities (5) Resistography and (6) Record of the propagation of electromagnetic waves by means of Ground-penetrating radar. Following, a sample group was chose to carry out destructive testing in the lab and compare the NDT results with those obtained with the standard UNE-EN408 (modules of strength, stiffness and density). In the present work, the results provided by each of the NDT techniques are detailed and above all, what is more important, the validity of these after they have been contrasted with the destructive standard tests.

Estudio De Las Propiedades Puzolánicas De Las Rocas Volcánicas Del Monte Basilé, República De Guinea Ecuatorial, Y Sus Aplicaciones Como Puzolanas Para La Sustitución Del Cemento En Las Mezclas De Morteros.

Las rocas efusivas formadas por la actividad volcánica del volcán Basilé constituyen la principal fuente de áridos naturales de la Isla de Bioko, en Guinea Ecuatorial. El auge alcanzado por la construcción en la ciudad de Malabo, Malabo II y Malabo III, son un testimonio concluyente del volumen de áridos empleado para erigir los nuevos polígonos, urbanizaciones, infraestructura portuaria, carreteras, presas, alcantarillados y paseos marítimos. Gran parte de los materiales de construcción, fundamentalmente el cemento, procede de las importaciones, mientras que las rocas y minerales industriales autóctonos se conocen poco, opacados por el papel hegemónico del petróleo y el gas natural. El desconocimiento casi absoluto de las propiedades químicas, petrográficas y mecánicas de estas rocas, y la existencia de un sistema normativo pobre, ha provocado su uso indiscriminado y una controvertida calidad en la elaboración de los productos finales. Asimismo, la falta de experiencia en ingeniería y geotecnia para el desarrollo de minas y canteras, y la intermitencia de una ley de minas poco consolidada, ha favorecido la germinación indiscriminada de un gran número de excavaciones, propensas a continuos derrumbes y a la producción de impactos medioambientales irreversibles. La presente contribución científica se ha marcado como objetivo mostrar los resultados obtenidos del análisis y caracterización de estas formaciones volcánicas, así como su posible aprovechamiento industrial mediante el aporte de datos sobre sus propiedades puzolánicas e idoneidad en la elaboración de morteros. Los datos indican que estas rocas eruptivas, fundamentalmente escorias y flujos de lavas de composición basáltica, son capaces de sustituir al cemento pórtland normal hasta en un 25%, favoreciendo el incremento de las resistencias mecánicas normales con valores que sobrepasan los 37 Mpa a 28 días. El análisis de las muestras mediante el método de la puzolanicidad a 7 días dejó establecido el carácter puzolánico de estas rocas, que fue corroborado por la interpretación de citados ensayos mecánicos. El estudio de la composición química detectó contenidos en SiO2 (44,40%), Al2O3 (15,58%), CaO (9,32%), MgO (4,25%) y Fe2O3 (13,63%), y cantidades despreciables de azufre, sulfatos y materia orgánica. Los análisis de difracción de rayos x revelaron la presencia mayoritaria de una fase compuesta por feldespato, y una fase subordinada constituida por cuarzo, hematita y dolomita. El estudio mediante microscopía electrónica de barrido permitió comprobar la ausencia casi total de las especies vítreas. Los resultados que se presentan en este trabajo, podrían devenir en información útil para el posible emplazamiento de una fábrica de cemento puzolánico en la Isla de Bioko; la actual fábrica Abayak, única en Guinea Ecuatorial, y que se encuentra situada en la parte continental del país, no aporta suficiente producción para las demandas cada vez mayores de la construcción.

Relación entre la composición química corporal, la fertilidad y la prolificidad en conejas nulíparas.

En los sistemas actuales de manejo de conejas reproductoras, la primera inseminación artificial (IA) se realiza a una edad fija sin tener en cuenta la composición corporal ni el peso. Por lo cual, en el momento de la IA se observan generalmente diferencias de peso entre las conejas de un mismo sistema de recría (Rommers et al., 2002) y de la composición corporal (Rebollar et al., 2011). Este trabajo pretende evaluar el efecto de la composición química corporal y el peso en conejas nulíparas sobre su fertilidad y su prolificidad en el primer parto

Relación entre la composición química corporal, la fertilidad y la prolificidad en conejas primíparas.

En este trabajo se ha estudiado el efecto de la composición química corporal, estimada mediante el método de impedancia bioeléctrica (BIA) en la primera y segunda inseminación artificial (IA), sobre la fertilidad y la prolificidad de conejas primíparas. Se utilizaron los datos de 137 conejas procedentes de dos granjas que utilizaban dos genéticas distintas (UPV e Hyplus) y tres ritmos reproductivos (R4: inseminación a los 4 días tras el parto y destete a los 28 días, R11: inseminación a los 11 días postparto y destete a 35 días y R14: inseminación a los 14 días tras el parto y destete a los 42 días). La fertilidad media observada en el segundo parto fue de un 56,2% y el porcentaje de nacidos vivos, sobre los nacidos totales, fue de un 87,5%, no encontrándose diferencias entre los ritmos utilizados. El aumento de la proporción de proteína corporal, grasa y energía en la primera IA tuvieron un efecto positivo (P=0,007; P=0,03 y P<0,001, respectivamente) sobre la fertilidad del segundo parto. Igualmente, un mayor contenido en grasa (P<0,001) y energía (P<0,001) en la segunda IA también incrementaron la fertilidad del segundo parto. El incremento del ratio proteína/energía corporal de las conejas, determinado en las dos IA, tuvo un efecto negativo sobre la fertilidad en el segundo parto (P<0,001), observándose mejores resultados en conejas con 12 g proteína/MJ respecto a otras con valores superiores. El porcentaje de nacidos vivos (P<0,001), sobre los nacidos totales, aumentó con la proporción de proteína de las conejas en el momento de la segunda IA, pero esta última no tuvo efecto sobre la fertilidad. This study evaluated the effect of chemical body composition at first and second artificial inseminations (AI), determined by bioelectric impedance technique (BIA), on fertility and prolificacy of primiparous rabbit does. Data of 137 does from two farms using two different genetics (UPV and Hyplus) and three breeding systems were analyzed. Fertility was 56.2 % and the percentage of kits born alive over total born was 87.5 %. Breeding system had no effect on fertility or the percentage of kits born alive. Higher body protein, fat and energy of the rabbit doe at first artificial insemination (AI) increased the fertility in the second parity (P=0.007, P=0.03 and P<0.001 respectively). Fat and energy content of the doe at the second AI affected positively fertility in the second parity (P<0.001 and P<0.001 respectively), while protein influenced positively only prolificacy (P<0.001). The increase of the ratio protein/energy in both AI moments had a negative influence on fertility in the second parity (P<0.001), rabbit does with 12 g protein/MJ showed a higher fertility than those with higher values

Influencia de la adición de zeolita en las propiedades micro y macroestructurales en pastas y morteros.

Las adiciones activas en los hormigones son cada día más usuales, no solo debido a razones económicas, sino porque los efectos que se desarrollan son beneficiosos para las prestaciones del hormigón, léase durabilidad y resistencias mecánicas. En Cuba ha sido frenada al no existir fuentes como las tradicionalmente conocidas y comercializadas como es cenizas volantes y las micro sílices (silica fume o fly ash). El desarrollo de estudios de algunos minerales industriales nacionales de génesis ígnea como los vidrios volcánicos, tobas vítreas o zeolitas han demostrado su actividad puzolánica. Es conocido que la zeolita tiene actividad puzolánica desde la época romana, y actualmente se utilizan en el mundo para la producción de cementos mezclados, sin embargo la experiencia cubana es el precedente de su uso como adición activa a hormigones. Se han realizado investigaciones a diferentes escalas del uso de adiciones de zeolita en tecnologías de prefabricado, premezclado y pretensado que han demostrado las mejoras en las prestaciones. El presente trabajo explica el aumento de las prestaciones antes demostradas mediante el estudio de los cambios microestructurales, tanto de composición química como en la morfología de los productos de hidratación formados, a partir de análisis por microscopia electrónica de barrido y microanálisis por espectroscopia de dispersión de energía de rayos X en pasta de cemento y cemento + zeolita comparativamente.

Análisis bibliométrico de las publicaciones científicas mexicanas en la categoría de Engineering, Chemical en la base de datos del Web of Science (1997-2008)

El proposito del trabajo ha sido caracterizar el área de Ingeniería Química en México. Para ello, se ha revisado a nivel institucional, a través de la base de datos Web of Science (WoS), los trabajos sobre Ingeniería Química realizados por investigadores en Instituciones mexicanas y publicados en revistas internacionales con factor de impacto entre 1997 y 2008. Se ha partido del contexto de América Latina, donde se han publicado 6,183 trabajos del tipo artículo o revisión en 119 revistas, y a nivel de México se han encontrado 1,302 artículos publicados en 87 revistas la mayoría en inglés (96.08%), pero también en español (3.69%) y en francés (0.23%). Por otro lado, se han analizado las Universidades y Centros de Investigación desde el punto de vista cuantitativo y cualitativo mediante diversos indicadores bibliométricos como el Factor de Impacto Ponderado, el Factor de Impacto Relativo y la relación entre el número de citas y el número de documentos, encontrándose que de entre las cinco instituciones más productivas destaca el Instituto Mexicano del Petróleo por el número de documentos y la Universidad Nacional Autónoma de México por la relación citas frente a documentos, y por el Factor de Impacto Ponderado.

Análisis bibliométrico de las publicaciones científicas uruguayas en la categoría Engineering, Chemical en la base de datos Web of Science (1997-2008)

El prop´osito del trabajo ha sido caracterizar el ´area de Ingenier´ıa Qu´ımica en M´exico. Para ello, se ha revisado a nivel institucional, a trav´es de la base de datos Web of Science (WoS), los trabajos sobre Ingenier´ıa Qu´ımica realizados por investigadores en Instituciones mexicanas y publicados en revistas internacionales con factor de impacto entre 1997 y 2008. Se ha partido del contexto de Am´erica Latina, donde se han publicado 6,183 trabajos del tipo art´ıculo o revisi´on en 119 revistas, y a nivel de M´exico se han encontrado 1,302 art´ıculos publicados en 87 revistas la mayor´ıa en ingl´es (96.08%), pero tambi´en en espa˜nol (3.69%) y en franc´es (0.23%). Por otro lado, se han analizado las Universidades y Centros de Investigaci´on desde el punto de vista cuantitativo y cualitativo mediante diversos indicadores bibliom´etricos como el Factor de Impacto Ponderado, el Factor de Impacto Relativo y la relaci´on entre el n´umero de citas y el n´umero de documentos, encontr´andose que de entre las cinco instituciones m´as productivas destaca el Instituto Mexicano del Petr´oleo por el n´umero de documentos y la Universidad Nacional Aut´onoma de M´exico por la relaci´on citas frente a documentos, y por el Factor de Impacto Ponderado