Show simple item record

dc.contributorFlotats Ripoll, Xavier
dc.contributor.authorFluvià Sabio, Sergi
dc.date.accessioned2014-07-14T11:33:56Z
dc.date.available2014-07-14T11:33:56Z
dc.date.issued2014-07-07
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/2099.1/21996
dc.description.abstractThe stoichiometry of biological decomposition reactions of many organic compounds depends on the environmental conditions and the relative concentrations of reactants and products, making that, often the calculation models based on constant stoichiometric coefficients are not able to describe experimental values. This is the case of proteins in anaerobic medium, for which an effective and realistic method for expressing the dynamics of aminoacids reactions has not been found yet. A methodology that has begun to be explored is to raise the reactions using variable stoichiometric coefficients, depending on thermodynamic relations expressing the energy available for the microorganisms growth. Since the reactions of aminoacids in anaerobic environment gives volatile fatty acids (VFA) and H2, a preliminary step to raise variable stoichiometry reactions of aminoacids is to clearly define the subsequent reactions related to its products using the same methodology, that is, to estimate a variable stoichiometry depending of thermodynamic variables. The aim of this work has been to study the biological decomposition reaction in anaerobic environment of valeric acid, one of the VFA produced. This acid produces propionate, acetate and hydrogen, propionate produces acetate and hydrogen, and the methane is produced finally from the last two compounds. The system is composed by four microorganism populations, catalysing four different interrelated biological reactions. The method applied has been to estimate the change of the Gibbs free energy of every reaction depending on the concentrations of reactants and products, and to determine the energy available for the microorganisms growth, which is variable along time during the system dynamics evolution. Variable maximum growth constant for every microorganism has been estimated based on the derived variable stoichiometry, obtaining a kinetic model with thermodynamic control. Published data related to batch experiments designed to study the kinetics of valerate decomposition were used to contrast results of the numerical simulations performed. Numerical simulations obtained, considering different hypothesis, present a good approximation to experimental data, with determination coefficients higher than 0.9 in many cases. Although these good results, more work must be done in order to consider the gas-liquid mass transfer, the effect of the pH variation or the estimation of some parameters accurately, such as the electron transfer efficiency for every reaction or microorganism, . This work could be considered a first stage for further developments with promising applications to biological systems modelling.
dc.description.abstractL'estequiometria de les reaccions de descomposició biològica de molts compostos orgànics depèn de les condicions ambientals i les concentracions relatives de reactius i productes, fent que sovint els models de càlcul basats en coeficients estequiomètrics constants no siguin capaços de descriure els valors experimentals. Aquest és el cas de les proteïnes en medi anaerobi, per les quals encara no s'ha trobat una metodologia eficaç i realista per l'expressió de la dinàmica de les reaccions dels aminoàcids. Una metodologia que ha començat a ser explorada és la de plantejar les reaccions utilitzant coeficients estequiomètrics variables que depenguin de les relacions termodinàmiques en funció de l'energia disponible per al creixement dels microorganismes. Atès que les reaccions dels aminoàcids en medi anaeròbic donen àcids grassos volàtils (AGV) i H2, un pas previ per plantejar les reaccions d'estequiometria variable és definir clarament les reaccions subsegüents relacionades amb els seus productes utilitzant la mateixa metodologia, és a dir, utilitzant una estequiometria variable en funció de les variables termodinàmiques. L'objectiu d'aquest treball ha estat l'estudi de la reacció de descomposició biològica en medi anaeròbic de l'àcid valèric, un dels AGV produïts. Aquest àcid produeix àcid propiònic, àcid acètic i hidrogen, l'àcid propiònic produeix hidrogen i àcid acètic, i finalment es produeix metà a partir d'aquests dos últims compostos. El sistema es composa de quatre poblacions de microorganismes, que catalitzen les quatre reaccions biològiques. El mètode aplicat ha estat estimar el canvi en l'energia lliure de Gibbs de cada reacció en funció de les concentracions de reactius i productes, per poder determinar l'energia disponible per al creixement dels microorganismes, que serà variable al llarg del temps durant l'evolució dinàmica del sistema. La taxa màxima de creixement variable per cada microorganisme s'ha estimat en base a l'estequiometria variable, obtenint un model cinètic amb control termodinàmic. S'han utilitzat dades publicades relacionades amb els experiments 'batch' per l'estudi de la cinètica de descomposició del valerat, per contrastar els resultats de les simulacions numèriques realitzades. Tenint en compte diferents hipòtesis, les simulacions numèriques obtingudes, presenten una bona aproximació a les dades experimentals, amb coeficients de determinació superiors a 0,9 en molts casos. Tot i que aquests resultats son bons, s'ha de realitzar mes feina encara per tal de per exemple considerar la transferència gas-líquid, l'efecte de la variació del pH o l'estimació d'alguns paràmetres amb més precisió, com ara l'eficiència en la transferència d'electrons per cada reacció o microorganisme. Aquest treball podria ser considerat com una primera etapa pel que fa al desenvolupament d' aplicacions prometedores per la modelització de sistemes biològics.
dc.description.abstractLa estequiometría de las reacciones de descomposición biológica de muchos compuestos orgánicos depende de las condiciones ambientales y las concentraciones relativas de reactivos y productos, haciendo que, a menudo los modelos de cálculo basados en coeficientes estequiométricos constantes no sean capaces de describir los valores experimentales. Este es el caso de las proteínas en medio anaerobio, para las cuales todavía no se ha encontrado una metodología eficaz y realista para la expresión de la dinámica de las reacciones de los aminoácidos. Una metodología que ha empezado a ser explorada es la de plantear las reacciones utilizando coeficientes estequiométricos variables, en función de las relaciones termodinámicas que expresan la energía disponible para el crecimiento de los microorganismos. Dado que las reacciones de los aminoácidos en el medio anaeróbico dan ácidos grasos volátiles (AGV) y H2, un paso previo para plantear las reacciones de estequiometría variable de los aminoácidos es definir claramente las reacciones subsiguientes relacionadas con sus productos utilizando la misma metodología, es decir, una estequiometría variable en función de las variables termodinámicas. El objetivo de este trabajo ha sido el estudio de la reacción de descomposición biológica en medio anaeróbico del ácido valérico, uno de los AGV producidos. Este ácido produce ácido propiónico, ácido acético e hidrógeno, el ácido propiónico produce hidrógeno y ácido acético, y finalmente se produce metano a partir de estos dos últimos compuestos. El sistema se compone de cuatro poblaciones de microorganismos que catalizan las cuatro reacciones biológicas. El método aplicado ha sido estimar el cambio de la energía libre de Gibbs de cada reacción en función de las concentraciones de reactivos y productos, para poder determinar la energía disponible para el crecimiento de microorganismos, que será variable a lo largo del tiempo durante la evolución dinámica del sistema. La tasa máxima de crecimiento variable para cada microorganismo se ha estimado en base a la estequiometria variable, obteniendo un modelo cinético con control termodinámico. Se han utilizado los datos publicados relacionados con los experimentos 'batch' para el estudio de la cinética de descomposición ácido valérico, para contrastar los resultados de las simulaciones numéricas realizadas. Teniendo en cuenta diferentes hipótesis, las simulaciones numéricas obtenidas, presentan una buena aproximación a los datos experimentales, con coeficientes de determinación superiores a 0,9 en muchos casos. Aunque estos resultados son buenos, se requiere más trabajo con el fin de considerar por ejemplo la transferencia gas-líquido, el efecto de la variación del pH o la estimación de algunos parámetros con más precisión, tales como la eficiencia en la transferencia de electrones para cada reacción o microorganismo. Este trabajo podría ser considerado como una primera etapa en el futuro desarrollo de aplicaciones para la modelización de sistemas biológicos.
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversitat Politècnica de Catalunya
dc.rightsAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Spain
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
dc.subjectÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria agroalimentària::Impacte ambiental
dc.subject.lcshStoichiometry
dc.subject.otherDigestió anaerobia
dc.subject.otherÀcid valèric
dc.subject.otherModelització
dc.subject.otherEstequiometría variable
dc.subject.otherControl termodinàmic
dc.titleStudy of the anaerobic decomposition of valeric acid using variable stoichiometry and thermodynamic control
dc.typeBachelor thesis
dc.subject.lemacDigestió anaeròbia (Residus)
dc.subject.lemacEstequiometria
dc.rights.accessOpen Access
dc.date.updated2014-07-10T07:08:08Z
dc.audience.educationlevelEstudis de primer/segon cicle
dc.audience.mediatorEscola Superior d'Agricultura de Barcelona


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Except where otherwise noted, content on this work is licensed under a Creative Commons license: Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Spain