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.

Nonlocal electron heat-flux

Electron thermal conduction in a not quite collisional unmagnetlzed plasma is analysed. The failure of classical results for temperature scale-length up to 100 times larger than thermal mean-free-path for electron scattering, and large ion-charge number Z , is discussed. Recent results from a nonlocal model of conduction at large Z are reviewed. Closed form expressions for Braginskii's coefficients a ,/3 , y for Z =0(1) are derived. An extension of the nonlocal model for Z =0(1) is discussed.

Utilización de ingredientes tradicionales y nuevos productos derivados del haba de soja en piensos de lechones blancos e ibéricos: efectos sobre la fisiología digestiva y la productividad

Los objetivos principales de esta Tesis Doctoral fueron estudiar en 4 ensayos los efectos a) del procesado del maíz y la inclusión en los piensos de ingredientes de alta calidad como harina de pescado o fuentes de lactosa en lechones blancos b) inclusión en el pienso de diferentes productos derivados del haba de soja, con diferente contenido de proteína bruta (PB), tamaño de partícula y origen en lechones blancos e ibéricos y c) inclusión en el pienso de lechones ibéricos de ingredientes de alta calidad; forma de presentación del pienso y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos, la digestibilidad de los nutrientes, y las características morfológicas de la mucosa digestiva en lechones blancos e ibéricos recién destetados. En el experimento 1, los efectos de la complejidad del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la digestibilidad total aparente (TTAD) de los nutrientes fueron estudiados en lechones blancos recién destetados. Se utilizaron 10 tratamientos experimentales como resultado de 5 piensos prestárter (21 a 41 d de edad) y 2 piensos estárter (42 a 62 d de edad). Los piensos prestárter consistieron en un control negativo que incluía 40% de maíz crudo, 4% de harina de pescado y 7% de lactosa, un control positivo que incluía 40% de maíz cocido, 10% de harina de pescado, y 14% de lactosa, y 3 piensos adicionales con similares ingredientes que el pienso control positivo pero en los que a) 40% de maíz cocido fue sustituido por el mismo porcentaje de maíz crudo, b) se redujo el nivel de harina de pescado del 10 al 4%, y c) se redujo el nivel de lactosa del 14 al 7%. Cada tratamiento se replicó 6 veces (6 lechones/departamento). De 42 a 62 d de edad, la mitad de cada uno de los 5 piensos prestárter recibió un pienso estándar compuesto por harina de soja- maíz crudo y manteca y la otra mitad un pienso con similar perfil nutricional pero incluyendo un 20% de maíz cocido, 5% de harina de pescado, 1.3% de lactosa, 2% de concentrado de proteína de soja obtenido por fermentación y 1% de aceite de soja en lugar de harina de soja, maíz sin procesar y manteca. La complejidad del pienso no afectó a los parámetros productivos en ninguno de los periodos estudiados, pero el índice de diarreas durante la fase prestárter fue mayor en los lechones que recibieron el pienso control negativo que en los alimentados con cualquiera de los otros piensos (P<0.05). A los 30 días de edad (piensos prestárter), la digestibilidad de la materia orgánica (MO) y de la energía bruta (EB) fue menor (P<0.001) en los lechones que consumieron el pienso control negativo que en los lechones que consumieron cualquiera de los otros piensos. Sin embrago, la digestibilidad fecal de la PB no fue afectada. A los 50 días de edad (piensos estárter), la digestibilidad de los nutrientes fue similar en ambos piesnsos. Se concluye que la utilización de niveles elevados de ingredientes de alta calidad en los piensos no mejora los parámetros productivos de los lechones blancos en ninguno de los períodos estudiados. De 21 a 41 días de edad, el índice de diarreas se redujo y la digestibilidad de los nutrientes aumentó con la utilización de piensos de mayor calidad. Por lo tanto, la utilización de piensos con niveles elevados de ingredientes de calidad para reducir problemas digestivos y por lo tanto, mejorar los parámetros productivos podría estar justificada en algunos casos. En el experimento 2, se estudiaron los efectos de la inclusión en el pienso de harina de soja con diferente contenido de PB (44 vs. 49 % PB), la micronización de la harina de soja de alta proteína (AP-HS; 49% PB) y la utilización de concentrado de proteína de soja (CPS; 65% PB) sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones blancos recién destetados de 28 a 63 días de edad. De 28 a 49 días de edad (fase I), hubo un pienso control positivo con un 10% de CPS, un pienso control negativo con 14.8% de harina de soja estándar (R-HS; 44% de PB) y otros 4 piensos que incluían 13.3% de AP-HS de origen Americano (USA) o Argentino (ARG) y molidas groseramente (980 μm) o micronizadas (80 μm). Cada tratamiento se replicó 8 veces (6 lechones/departamento). De 49 a 63 días de edad (fase II), todos los lechones recibieron un pienso comercial común en forma de harina. En el global de la fase I, el tratamiento experimental no afectó a ninguno de los parámetros productivos estudiados. Sin embargo, de 28 a 35 días de edad, los lechones alimentados con AP-HS micronizadas tuvieron un mejor índice de conversión (IC; 1.11 vs. 0.98; P<0.05) que los alimentados con AP-HS molidas groseramente. También, de 35 a 42 días de edad, los lechones que recibieron el pienso con AP-HS micronizada tendieron (P=0.08) a consumir más pienso que los lechones que consumieron el pienso con AP-HS molida. Durante la fase II (49 a 63 días de edad), cuando todos los lechones recibieron un pienso común, no se observaron diferencias en productividad de los lechones debido al tratamiento previo. En general, la digestibilidad de los nutrientes a los 35 días de edad fue mayor para los lechones que consumieron CPS que para los lechones que consumieron R-HS con los lechones que consumieron AP-HS en una posición intermedia. La digestibilidad de la PB fue mayor (P≤0.01) para el pienso que contenía CPS que para el promedio de los 5 tratamientos en base a HS. También, la digestibilidad de la MO y de la materia seca (MS) fue mayor para el pienso que contenía AP-HS micronizada o molida groseramente que para el pienso que contenía R-HS. La micronización de la AP-HS no tuvo efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. Se concluye que cuando el CPS sustituye en el pienso a R-HS, la digestibilidad de la PB aumenta pero no tiene efecto alguno sobre los parámetros productivos. La utilización de AP-HS en sustitución de R-HS en el pienso mejora la digestibilidad de los nutrientes pero no afecta a los parámetros productivos. La utilización de harina de soja micronizada en los piensos mejora la eficiencia alimenticia durante la primera semana post-destete pero no tiene efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. En general, la inclusión de productos derivados del haba de soja con un alto valor añadido (CPS o AP-HS) en el pienso presenta pocas ventajas en términos productivos al uso de AP-HS en lechones blancos recién destetados. En el experimento 3, se estudiaron los mismos productos de soja y piensos similares al experimento 2 en lechones ibéricos recién destetados. Además de los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes, en este ensayo se estudió también la digestibilidad ileal aparente (AID) de los nutrientes, así como las características histológicas y morfometría de la mucosa ileal. Cada uno de los 6 tratamientos fue replicado 6 veces (6 lechones/departamento). De 30 a 51 días de edad la fuente de harina de soja no afectó a los parámetros productivos, pero el índice de diarreas fue mayor (P<0.001) y la TTAD y AID de los nutrientes menor en los lechones alimentados con R-HS que en los alimentados con CPS o AP-HS. Sin embargo, no se encontró ninguna diferencia para éstos parámetros entre los piensos que contenían AP-HS y CPS. La TTAD de la MO (P=0.07) y de la EB (P=0.05) tendieron a ser mayores en los piensos basados en AP-HS micronizada que en los basados en AP-HS molida. La TTAD de la EB tendió (P<0.05) a ser mayor para la AP-HS de origen USA que para la AP-HS de origen ARG. Los lechones que consumieron R-HS presentaron villi de menor longitud (P<0.01) que los lechones que consumieron AP-HS o CPS, pero no se observaron diferencias en el caso de los lechones que recibieron los piensos que contenían AP-HS o CPS. Se concluye que la inclusión de AP-HS o CPS en el pienso en sustitución de R-HS reduce el índice de diarreas y mejora la digestibilidad de los nutrientes y las características morfológicas del íleon sin afectar a los parámetros productivos. La utilización de piensos basados en productos derivados del haba de soja con mayor valor añadido (CPS o AP-HS) en sustitución de la R-HS, mejora la TTAD de todos los nutrientes y reduce el índice de diarreas si llegar afectar a los parámetros productivos. En el experimento 4 se estudiaron los efectos del contenido de PB y la complejidad del pienso, la presentación física y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones ibéricos recién destetados de 28 a 63 días de edad. Hubo 12 tratamientos experimentales con 2 tipos de pienso (AC; calidad alta y BC: calidad media), 2 presentaciones del pienso (gránulo y harina) y 3 duraciones de suministro del pienso prestárter (7, 14 y 21 días). Desde los 7, 14 y 21 días de experimento (dependiendo del tratamiento), hasta los 35 días, todos los lechones recibieron un pienso comercial en forma de harina. Cada uno de los tratamientos fue replicado 3 veces (6 lechones/departamento). En el global del experimento, la ganancia media diaria (GMD; P<0.05) y el consumo medio diario (CMD; P<0.01) fue menor en los lechones que recibieron el pienso AC que para los que recibieron el pienso de BC, si bien el IC no se vio afectado. La granulación del pienso prestárter no afectó a los crecimientos pero mejoró la eficiencia alimenticia. La utilización del pienso prestárter de 0 a 21 días de prueba mejoró el IC (P<0.05), pero redujo la GMD (P<0.01) en comparación con la utilización de éste pienso solo durante 7 o 14 días. El índice de diarreas tendió a ser mayor (P=0.06) en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con los piensos BC. Asimismo, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso en gránulo que los que los recibieron en harina (P<0.001). Además, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 14 o 21 días que en los que lo recibieron solo durante 7 días (P<0.01). De 28 a 49 días de edad, la GMD y el IC no se vieron afectados por la complejidad del pienso, pero la presentación en gránulo o el aumento en la duración de suministro del pienso prestárter mejoró el IC (P<0.01). También, en este periodo el índice de diarreas fue mayor en lechones alimentados con piensos granulados que aquellos alimentados con piensos en harina. Asimismo, fue superior para los lechones alimentados con el pienso prestárter durante 14 o 21 días que para los que recibieron éste pienso solo durante 7 días (P<0.01). De 49 a 63 días de edad, los lechones que previamente habían recibido piensos BC crecieron más que los que recibieron piensos AC (P<0.001). Asimismo, los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 21 días comieron (P< 0.001) y crecieron menos (P<0.05) presentando una peor eficacia alimenticia (P<0.05) que los lechones que lo recibieron solo durante 7 14 días. La digestibilidad de la MO fue mayor en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con piensos BC (P<0.05). La granulación del pienso mejoró la digestibilidad de los principales nutrientes. Los piensos prestárter AC mejoraron la digestibilidad de los nutrientes pero no la eficiencia alimenticia en lechones ibéricos de 28 a 63 días de edad. La granulación del pienso mejoró la eficiencia alimenticia. El aumento del suministro del pienso prestárter de 7 a 21 días mejoró la eficiencia alimenticia pero redujo la GMD. Por lo tanto, la utilización de piensos granulados de alta calidad durante el periodo prestárter es recomendable en lechones ibéricos, pero solo durante la primera semana post-destete. ABSTRACT The main objectives of this PhD Thesis were to study the effects of a) heat processing (HP) of corn and inclusion of high quality ingredients of animal origin such as fish meal (FM) and dried milk products in the diet, b) inclusion of different soy products varying in crude protein (CP) content, particle size, and origin of the beans in diets for conventional white and Iberian weanling pigs, and c) effects of ingredient quality, feed form, and duration of supply of the phase I diets on growth performance, nutrient digestibility, and intestinal morphology of weanling pigs. In experiment 1, the effect of diet complexity on total tract apparent digestibility (TTAD) and growth performance was studied in piglets from 21 to 62 d of age. There were 10 experimental treatments which resulted from the combination of 5 phase I (21 to 41 d of age) and 2 phase II (42 to 62 d of age) diets. The 5 phase I diets consisted of a negative control diet that contained 40 % raw corn, 4% FM, and 7% lactose (LAC); a positive control diet that contained 40 % HP corn, 10% FM, and 14% LAC, and 3 extra diets that used similar ingredients to those of the positive control diet but in which a) 40% of HP corn was substituted by raw corn, b) 4% FM rather than 10% FM, and c) 7% LAC instead of 14% LAC were included in the diet. Each treatment was replicated 6 times (6 pigs per pen). From 42 to 62 d of age, half of the pens of each of the 5 phase I treatments received a standard soybean meal (SBM)–native corn–lard diet wheras the other half received a diet with similar nutrient profile but that included 20% HP corn, 5% FM, 1.3% lactosa, 2% fermented soy protein concentrate, and 1% soybean oil in substitution of variables amounts of non-processed corn, SBM, and lard. Dietary treatment did not affect piglet performance at any age, but the incidence of post-weaning diarrhea (PWD) was higher during phase I in piglets fed the negative control diet than in piglets fed any of the other diets (P<0.05). At 30 d of age (phase I diets), the TTAD of organic matter (OM) and gross energy (GE) was lower (P<0.001) in pigs fed the negative control diet than in pigs fed the other diets but CP digestibility was not affected. At 50 d of age (phase II diets), dietary treatment did not affect TTAD of any dietary component. It is concluded that the use of high quality ingredients at high levels in the diet did not improve growth performance of piglets at any age. From 21 to 41 d of age, PWD was reduced and nutrient digestibility was increased in pigs fed the more complex diets. Consequently, the inclusion of high levels of high quality ingredients in piglet diets to maximize growth performance might not be justified under all circumstances In experiment 2, the effect of CP content (44 vs. 49 % CP) of SBM, micronization (fine grinding) of the high CP SBM (HP-SBM; 49% CP), and soy protein concentrate (SPC; 65% CP) on TTAD and growth performance was studied in conventional white piglets from 28 to 63 d of age. From 28 to 49 d of age (phase I), there was a positive control diet that included 6.5% CP from SPC and a negative control diet that supplied the same amount of CP as regular SBM (R-SBM; 44% CP) of Argentina (ARG) origin. The other 4 diets included the same amount of dietary CP from 2 sources of HP-SBM (USA or ARG origin), either ground (990 μm) or micronized (60 μm). Each treatment was replicated 8 times (6 pigs per pen). From 49 to 63 d of age (phase II), all pigs were fed a common commercial starter diet. For the entire phase I, type of soy product included in the diet did not affect growth performance of the pigs. However, from 28 to 35 d of age pigs fed the micronized HP-SBM had better feed conversion ratio (FCR; 0.90 vs. 1.01; P<0.05) than pigs fed the ground HP-SBM. Also, from 35 to 42 d of age, average daily feed intake (ADFI) tended to be higher (P=0.08) for pigs fed the micronized HP-SBM than for pigs fed the ground HP-SBM. During phase II, when all the pigs received the same diet, no differences among treatments were observed. In general, the TTAD of nutrients at 35 d of age was higher for the SPC than for the R-SBM diet with the HP-SBM diets being intermediate. The TTAD of CP was higher (83.8% vs. 81.9%; P≤0.01) for the SPC diet than for the average of 5 SBM containing diets. Also, the digestibility of OM and dry matter (DM) was higher (P<0.01) for the HP-SBM, either ground or micronized, than for the R-SBM diet. Micronization of the HP-SBM did not affect nutrient digestibility. It is concluded that when R-SBM was substituted by SPC, CP digestibility was improved but no effects on growth performance were observed. The use of HP-SBM in substitution of R-SBM in the diet improved nutrient digestibility but did not affect piglet performance. The inclusion of micronized HP-SBM in the diet improved FCR during the first week post-weaning but did not affect TTAD of nutrients. Therefore, the inclusion of added value soy products (SPC or micronized SBM) in the diet presents little advantage in terms of growth performance over the use of HP-SBM in pigs weaned at 28 d of age. In experiment 3, the effects of the same sources of soy protein used in experiment 2 on TTAD and growth performance of crossbreed Iberian pigs from 30 to 61 d of age were studied. In addition, the apparent ileal digestibility (AID) of nutrients and mucosa ileum morphology were also determined. Dietary treatment did not affect growth performance of the pigs at any age but from 30 to 51 d of age (phase I diets), PWD was higher (P<0.001) and the TTAD and AID of all nutrients were lower for pigs fed the R-SBM diet than for pigs fed the HP-SBM or the SPC diets. However, no differences between the HP-SBM and the SPC containing diets were detected for digestibility of any dietary component. The TTAD of OM (P=0.07) and GE (P=0.05) tended to be higher for the micronized HP-SBM than for the ground HP-SBM and that of GE was higher (P<0.05) for the USA meal than for the ARG meal. Pigs fed R-SBM had lower villus height (P<0.01) than pigs fed HP-SBM or SPC but no differences in ileal mucosal morphology were detected between SPC and HP-SBM containing diets. It is concluded that feeding the HP-SBM or SPC in substitution of R-SBM reduced PWD and improved nutrient digestibility and ileal morphology in piglets as compared with feeding the R-SBM, but had no effect on growth performance. The inclusion in the diet of added value soy products (micronized SBM or SPC) in substitution of the R-SBM increased the TTAD of all nutrients and reduced PWD but had no advantage in terms of growth performance over the use of ground HP-SBM. In experiment 4, the effect of CP content and ingredient complexity, feed form, and duration of feeding of the phase I diets on growth performance and TTAD of nutrients were studied in Iberian pigs from 28 to 63 d of age. There were 12 dietary treatments with 2 type of feeds (HQ; higher quality and LQ; medium quality), 2 feed forms (pellets vs. mash), and 3 durations of supply (7, 14, and 21 d) of the phase I diets. From d 7, 14, or 21 (depending on treatment) to d 35 of experiment, all pigs received a common diet in mash form. Each treatment was replicated 3 times (6 pigs/pen). For the entire experiment, average daily gain (ADG; P<0.05) and ADFI (P<0.01) were lower with the HQ than with the LQ phase I diets but FCR was not affected. Pelleting of the phase I diets did not affect ADG but improved FCR (P<0.01). Feeding the phase I diets from d 0 to 21 improved FCR (P<0.05) but decreased ADG (P<0.01) as compared with 7 or 14 d of feeding. Post-weaning diarrhea tended to be higher (P=0.06) for pigs fed the HQ diets than for pigs fed the LQ diets and for pigs fed pellets than for pigs fed mash (P<0.001). Also, PWD was higher for pigs fed the phase I diet for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for 7 d (P<0.01). From d 0 to 21, ADG and FCR were not affected by feed quality but feeding pellets or increasing the duration of feeding the phase I diets improved FCR (P<0.01). Also, in this period PWD was higher with pellets than with mash and for pigs fed the phase I diets for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for only 7 d (P<0.01). From d 21 to 35, pigs previously fed the LQ diet had higher ADG than pigs fed the HQ phase I diets (P<0.001). Also, pigs that were fed the phase I diets for 21 d had lower ADG (P<0.05) and ADFI (P< 0.001) and poor FCR (P<0.05) than pigs fed these diets for 7 or 14 d. Organic matter digestibility was higher for pigs fed the HQ phase I diets than for pigs fed the LQ phase I diets (P<0.05). Pelleting improved TTAD of all nutrients (P<0.01). It is concluded that HQ phase I diets increased TTAD of nutrients but not feed efficiency of Iberian pigs from d 28 to 63 d of age. Also, pelleting improved nutrient digestibility and feed efficiency. Increasing the duration of supply of the phase I diets from 7 to 21 d improved feed efficiency but reduced ADG. Therefore, the use of LQ phase I diets in pellet form for no more than 7 d after weaning is recommended in Iberian pigs.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Application of a Bayesian/Generalised Least-Squares method to generate correlations between independent neutron fission yield data

Fission product yields are fundamental parameters for several nuclear engineering calculations and in particular for burn-up/activation problems. The impact of their uncertainties was widely studied in the past and valuations were released, although still incomplete. Recently, the nuclear community expressed the need for full fission yield covariance matrices to produce inventory calculation results that take into account the complete uncertainty data. In this work, we studied and applied a Bayesian/generalised least-squares method for covariance generation, and compared the generated uncertainties to the original data stored in the JEFF-3.1.2 library. Then, we focused on the effect of fission yield covariance information on fission pulse decay heat results for thermal fission of 235U. Calculations were carried out using different codes (ACAB and ALEPH-2) after introducing the new covariance values. Results were compared with those obtained with the uncertainty data currently provided by the library. The uncertainty quantification was performed with the Monte Carlo sampling technique. Indeed, correlations between fission yields strongly affect the statistics of decay heat. Introduction Nowadays, any engineering calculation performed in the nuclear field should be accompanied by an uncertainty analysis. In such an analysis, different sources of uncertainties are taken into account. Works such as those performed under the UAM project (Ivanov, et al., 2013) treat nuclear data as a source of uncertainty, in particular cross-section data for which uncertainties given in the form of covariance matrices are already provided in the major nuclear data libraries. Meanwhile, fission yield uncertainties were often neglected or treated shallowly, because their effects were considered of second order compared to cross-sections (Garcia-Herranz, et al., 2010). However, the Working Party on International Nuclear Data Evaluation Co-operation (WPEC)

Exact solution for the conjugate fluid-fluid problem in the thermal entrance region of laminar counterflow heat exchangers

A generalized Lévêque solution is presented for the conjugate fluid–fluid problem that arises in the thermal entrance region of laminar counterflow heat exchangers. The analysis, carried out for constant property fluids, assumes that the Prandtl and Peclet numbers are both large compared to unity, and neglects axial conduction both in the fluids and in the plate, assumed to be thermally thin. Under these conditions, the thermal entrance region admits an asymptotic self-similar description where the temperature varies as a power ϳ of the axial distance, with the particularity that the self-similarity exponent must be determined as an eigenvalue by solving a transcendental equation arising from the requirement of continuity of heat fluxes at the heat conducting wall. Specifically, the analysis reveals that j depends only on the lumped parameter ƙ = (A2/A1)1/3 (α1/α2)1/3(k2/k1), defined in terms of the ratios of the wall velocity gradients, A, thermal diffusivities, α i, and thermal conductivities,k i, of the fluids entering, 1, and exiting, 2, the heat exchanger. Moreover, it is shown that for large (small) values of K solution reduces to the classical first (second) Lévêque solution. Closed-form analytical expressions for the asymptotic temperature distributions and local heat-transfer rate in the thermal entrance region are given and compared with numerical results in the counterflow parallel-plate configuration, showing very good agreement in all cases.

Post-embryonic organogenesis and plant regeneration from tissues: two sides of the same coin?

Plants have extraordinary developmental plasticity as they continuously form organs during post-embryonic development. In addition they may regenerate organs upon in vitro hormonal induction. Advances in the field of plant regeneration show that the first steps of de novo organogenesis through in vitro culture in hormone containing media (via formation of a proliferating mass of cells or callus) require root post-embryonic developmental programs as well as regulators of auxin and cytokinin signaling pathways. We review how hormonal regulation is delivered during lateral root initiation and callus formation. Implications in reprograming, cell fate and pluripotency acquisition are discussed. Finally, we analyze the function of cell cycle regulators and connections with epigenetic regulation. Future work dissecting plant organogenesis driven by both endogenous and exogenous cues (upon hormonal induction) may reveal new paradigms of common regulation.

Ultra high temperature latent heat energy storage and thermophotovoltaic energy conversion

A conceptual energy storage system design that utilizes ultra high temperature phase change materials is presented. In this system, the energy is stored in the form of latent heat and converted to electricity upon demand by TPV (thermophotovoltaic) cells. Silicon is considered in this study as PCM (phase change material) due to its extremely high latent heat (1800 J/g or 500 Wh/kg), melting point (1410 C), thermal conductivity (~25 W/mK), low cost (less than $2/kg or $4/kWh) and abundance on earth. The proposed system enables an enormous thermal energy storage density of ~1 MWh/m3, which is 10e20 times higher than that of lead-acid batteries, 2e6 times than that of Li-ion batteries and 5e10 times than that of the current state of the art LHTES systems utilized in CSP (concentrated solar power) applications. The discharge efficiency of the system is ultimately determined by the TPV converter, which theoretically can exceed 50%. However, realistic discharge efficiencies utilizing single junction TPV cells are in the range of 20e45%, depending on the semiconductor bandgap and quality, and the photon recycling efficiency. This concept has the potential to achieve output electric energy densities in the range of 200-450 kWhe/m3, which is comparable to the best performing state of the art Lithium-ion batteries.