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Constitucionalismo deliberativo: Objeciones a la jurisdicción constitucional y democracia deliberativa
Get PDFEl constitucionalismo fuerte, hoy prevaleciente a nivel global, fue puesto en tela de juicio desde sus orígenes, pero hay dos circunstancias que han agudizado dicho cuestionamiento. Por un lado, las crecientes y más detalladas objeciones hacia la jurisdicción constitucional que han comenzado a dirigirse desde mediados del siglo XX. Por otro lado, los estándares normativos que ha ofrecido el giro deliberativo en la teoría de la democracia, desde finales del siglo XX, para evaluar y corregir los procesos de toma de decisiones. El sentido de las objeciones a la jurisdicción constitucional y del giro deliberativo de la democracia constituye el hilo conductor de esta tesis.
Según el argumento, tomar en serio ambos aspectos es necesario para dar un paso hacia un modelo constitucional que se encamine a morigerar las falencias de la jurisdicción constitucional a partir del compromiso con las premisas de la democracia deliberativa. Ahora bien, pese al potencial de las objeciones a la jurisdicción constitucional y del giro deliberativo de la democracia para afianzar una alternativa superadora, hoy se ha expandido un constitucionalismo que ha negado rotundamente ambas circunstancias. Esto es, un modelo constitucional que considera que los derechos deben sustraerse del diálogo inclusivo, por cuanto quedan mejor protegidos en manos de la jurisdicción constitucional.
En ese contexto de desatención del sentido general de las objeciones a la jurisdicción constitucional y del giro deliberativo de la democracia, a finales del siglo XX emerge el constitucionalismo deliberativo. El potencial de este modelo alternativo reside en que comienza a tomar nota de ambos aspectos y, así, ofrece una alternativa sugerente para garantizar los derechos con mayor legitimidad e imparcialidad. De allí que en la actualidad ha llegado a ocupar un lugar en el centro de la escena. Sin embargo, dado que esta corriente a menudo aparece vacía de contenido y con un alcance limitado, todavía muchas precisiones son necesarias.
En este marco, la presente investigación tiene como objetivo general analizar el constitucionalismo deliberativo, más específicamente, las implicaciones de las objeciones a la jurisdicción constitucional y del giro deliberativo de la democracia en el constitucionalismo. Para cumplir el objetivo general, esta investigación se desagrega en cinco objetivos específicos, que serán abordados en cinco capítulos. Primero, presentar el modelo constitucional fuerte ante las objeciones a la jurisdicción constitucional y el giro deliberativo de la democracia (I). Segundo, poner de manifiesto que, pese al potencial de las objeciones a la jurisdicción constitucional y del giro deliberativo de la democracia, se ha consolidado un constitucionalismo fuerte que no toma en serio ambas advertencias (II). Tercero, examinar tanto el contexto de aparición del constitucionalismo deliberativo, así como también las experiencias institucionales y teóricas que con posterioridad han dado paso a su expansión y estado de madurez (III). Cuarto, reconstruir el constitucionalismo deliberativo como una teoría superadora –que toma en serio las objeciones y el giro deliberativo de la democracia–, puntualmente su noción, variantes internas, componentes, presupuestos, alcance y principios (IV). Quinto, analizar las implicaciones del constitucionalismo deliberativo en una institución particular, la jurisdicción constitucional (V).Strong constitutionalism, currently prevailing globally, has been questioned from its outset, but two circumstances have made this questioning more acute. On the one hand, the growing and more detailed objections to the constitutional court that have been raised since the mid-20th century. On the other hand, the normative standards offered by the deliberative turn in democratic theory, since the end of the 20th century, to evaluate and correct decision-making processes. The meaning of the objections to the constitutional court and the deliberative turn in democratic theory constitute the guiding thread of this thesis.
According to the argument, taking these two trends seriously is necessary to take a step towards a constitutional model that aims at mitigating the shortcomings of constitutional courts by committing to the premises of deliberative democracy. However, despite the potential of the objections to the constitutional court and the deliberative turn in democracy to consolidate a better alternative, they have been largely neglected by contemporary trends of constitutionalism. These typically assume a model of constitutional practice that considers that rights should be removed from the inclusive dialogue, as they are best protected by constitutional courts.
In this context of neglect of the general sense of the deliberative turn in democratic theory and the objections to the constitutional court, deliberative constitutionalism emerged at the end of the twentieth century. This alternative model’s potential stems from its capacity to take note of these two kinds of considerations, offering a suggestive alternative for ensuring rights with greater legitimacy and impartiality. As a result, it has now assumed a central position. However, given that this trend often seems vague and limited in scope, many clarifications are still necessary.
In this context, the general aim of this research is to analyse deliberative constitutionalism, more specifically, the implications of the objections to constitutional courts and the deliberative turn in democracy in constitutionalism. To achieve this general aim, this research pursues five specific aims across five chapters. First, it presents the strong constitutional model vis-à-vis the objections to the constitutional court and the deliberative turn in democracy (I). Second, it shows that, despite the potential of these objections and the deliberative model, a robust constitutionalism has emerged that does not adequately address either (II). Third, it examines both the context of the emergence of deliberative constitutionalism, as well as the institutional and theoretical experiences that have subsequently given rise to its coming of age (III). Fourth, it reconstructs deliberative constitutionalism as a theory that takes the objections to the constitutional court and the deliberative turn in democracy seriously, detailing its concept, internal variants, components, assumptions, scope, and principles (IV). Finally, it analyses the implications of deliberative constitutionalism in one particular institution: judicial review (V).Programa de Doctorat en Dre
Corporeidades al límite: El cuerpo femenino como territorio fronterizo desde la práctica artística como investigación
No full textEn Corporeidades al límite. El cuerpo femenino como territorio fronterizo desde la práctica artística como investigación, planteo una aproximación teórico-práctica de la presentación y representación del cuerpo femenino en la creación artística, a través mis proyectos de fotoperformance Where is Diana? (2013-2015) y Terra Ferida (2018-2019). Trabajo desde un cuerpo de mujer, que concibo como espacio liminal, de frontera, tránsito, peligro, transgresión e intermediación, inserto en un contexto de globalización, conflicto, militarización del espacio, vigilancia permanente y control panóptico. Desde la metodología de la práctica artística como investigación, busco validar el cuerpo como agente cognoscitivo, promoviendo una investigación guiada por la praxis, donde mi cuerpo, con sus saberes y acciones, sea el principal movilizador. Es una corporeidad que es un testimonio, lugar de encuentro, objeto y sujeto, con los consecuentes efectos potencialmente resignificadores del territorio y del espacio común.In Corporealities to the limit. The fema/e body as border territory from the artistic practice as research, I propose a theoretical-practical approach to the presentation and representation of the female body in aiiistic creation, through my photoperfonnance projects Where is Diana? (2013-2015) and Terra Ferida (2018-2019). I work from a woman's body, which I conceive as a liminal space, of fontier, transit, danger, transgression and intermediation, inserted in a context of globalisation, conflict, militarisation of space, pennanent surveillance and panoptic control. From the artistic practice as research methodology, I seek to validate the body as a cognitive agent, promoting an investigation guided by praxis, where my body, with its knowledge and actions, is the main mobiliser. lt is a corporeality that is a testimony, a meeting place, object and subject, with the consequent potentially re-signifying effects of the territ01y and the common space.Programa de Doctorat en Humanitat
The European Union as a hyper-complex system. Tackling expertise and legitimacy: toward a competent democracy
No full textThis thesis explores the democratic legitimacy of the European Union, focusing on how it can be reformed to address the challenges posed by its hyper-complex structure. The work examines the tension between the growing reliance on expert knowledge in EU governance and the need to maintain democratic principles. By analysing the concepts of political legitimacy, the democratic deficit, and the role of expertise, the thesis investigates whether a model of "competent democracy" can reconcile these conflicting demands. The study suggests that a balance between technical competence and democratic representation is essential for the EU’ s legitimacy. A theoretical model is proposed, advocating for professionalised politics, where elected representatives are sufficiently trained to navigate complex governance issues while avoiding the pitfalls of technocracy.Esta tesis explora la legitimidad democrática de la Unión Europea, centrándose en cómo puede reformarse para enfrentar los desafíos que plantea su estructura hipercompleja. El trabajo examina la tensión entre la creciente dependencia del conocimiento experto en la gobernanza de la UE y la necesidad de mantener los principios democráticos. A través del análisis de los conceptos de legitimidad política, déficit democrático y el papel de los expertos, la tesis investiga si un modelo de "democracia competente" puede reconciliar estas demandas conflictivas. El estudio sugiere que un equilibrio entre la competencia técnica y la representación democrática es esencial para la legitimidad de la UE. Se propone un modelo teórico que aboga por una profesionalización de la política, donde los representantes elegidos estén suficientemente capacitados para manejar problemas complejos sin caer en la tecnocracia.Programa de Doctorat en Dre
Integrating multi-omics to monitor gut microbiome and resistome dynamics in weaned piglets
No full textLa resistència als antimicrobians (RAM) és una amenaça mundial emergent que redueix l’eficàcia dels tractaments actuals i exigeix intervencions sostenibles mitjançant l’enfocament ‘d’Una sola salut’. En el sector porcí, el període posterior al deslletament representa una etapa especialment vulnerable. Per aquest motiu, els antimicrobians s’han utilitzat tradicionalment durant aquesta transició per tractar infeccions com la diarrea post-deslletament, una condició que afecta significativament la salut i la productivitat dels garrins. L’avenç de les tecnologies de seqüenciació massiva ofereix eines potents per a la vigilància del resistoma, permetent així caracteritzar els gens de resistència als antimicrobians (ARGs) en diferents entorns. La present tesi doctoral investiga l’efecte de diferents tractaments empleats regularment per a la diarrea post-deslletament sobre el microbioma i el resistoma intestinal dels garrins, amb l’objectiu final de desenvolupar una eina de monitorització per a la detecció d’ARGs en els sistemes de producció porcina. A través de l’optimització d’un flux de treball bioinformàtic per analitzar i integrar dades de metagenòmica i metatranscriptòmica de tipus shotgun, s’ha construït una col·lecció de 1,396 genomes assemblats a partir de metagenomes del microbioma intestinal porcí que ha permès realitzar anàlisis d’expressió gènica diferencial entre tractaments i a diferents temps d’una manera més robusta. En conjunt, els perfils metagenòmic i metatranscriptòmic del resistoma van identificar que la meitat dels ARGs estaven transcripcionalment actius i, a la vegada, han permès la generació d’un catàleg d’ARGs. Aquest catàleg, que inclou un total de 102 ARGs, comprèn la majoria de les classes antibiòtiques. Posteriorment, ha estat implementat en una plataforma microfluídica per al desenvolupament i la validació d’una eina de monitorització ajustable, sensible i d’alt rendiment per a una vigilància eficient de les RAM a partir de mostres fecals porcines. En general, l’enfocament integral multiòmic proposat en aquesta tesi doctoral emergeix com a eina prometedora per a la detecció qualitativa i quantitativa d’ARGs. Aquest enfocament té el potencial de millorar la monitorització de les RAM per comprendre la dinàmica de les resistències i orientar de manera responsable l’ús dels antimicrobians en els sistemes de producció animal.La resistencia a los antimicrobianos (RAM) es una amenaza mundial emergente que reduce la eficacia de los tratamientos actuales y exige intervenciones sostenibles mediante un enfoque de ‘Una sola salud’. En el sector porcino, el periodo posterior al destete representa una etapa especialmente vulnerable. Por este motivo, los antimicrobianos se han utilizado tradicionalmente durante esta transición para tratar infecciones como la diarrea post-destete, una condición que afecta significativamente a la salud y la productividad de los lechones. El avance de las tecnologías de secuenciación masiva ofrece herramientas potentes para la vigilancia del resistoma, permitiendo así caracterizar los genes de resistencia a los antimicrobianos (ARG) en distintos entornos. Esta tesis doctoral investiga el efecto de distintos tratamientos comúnmente usados para la diarrea post-destete, sobre el microbioma y resistoma intestinales de los lechones, con el objetivo final de desarrollar una herramienta de monitorización para la detección de ARGs en los sistemas de producción porcina. A través de la optimización de un flujo de trabajo bioinformático para analizar e integrar datos de metagenómica y metatranscriptómica de tipo shotgun, se ha elaborado una colección de 1,396 genomas ensamblados a partir de metagenomas del microbioma intestinal porcino que ha permitido realizar análisis de expresión génica diferencial entre tratamientos y a diferentes tiempos de una manera más robusta. En su conjunto, los perfiles metagenómico y metatranscriptómico del resistoma determinaron que la mitad de los ARGs estaban transcripcionalmente activos, y a la vez, han permitido generar un catálogo de ARGs. Este catálogo, que incluye un total de 102 ARGs, abarca la mayoría de las clases antibióticas y ha sido implementado en una plataforma microfluídica para el desarrollo y validación de una herramienta de monitorización ajustable, sensible y de alto rendimiento para una vigilancia eficiente de las RAM a partir de muestras fecales porcinas. En general, el enfoque integral multiómico propuesto en esta tesis doctoral emerge como una herramienta prometedora para la detección cualitativa y cuantitativa de ARGs. Este enfoque tiene el potencial de mejorar la monitorización de las RAM para comprender la dinámica de las resistencias y orientar de manera responsable el uso de los antimicrobianos en los sistemas de producción animal.Antimicrobial resistance (AMR) is an emerging global threat, undermining the efficacy of current treatments and calling for sustainable interventions through a ‘One Health’ approach. In the swine industry, the post-weaning period represents a particularly vulnerable stage, and antimicrobials have traditionally been used during this transition to manage infections such as post-weaning diarrhoea, a condition that significantly impacts piglets’ health and productivity. As high-throughput sequencing technologies advance, they offer powerful tools for resistome surveillance, enabling the characterization of antimicrobial resistance genes (ARGs) in various environments. This doctoral thesis focuses on the effect of different post-weaning diarrhoea treatments on the gut microbiome and resistome of piglets with the final aim to develop a monitoring tool for the detection of ARGs in swine production systems. Through the optimization of a bioinformatic pipeline to analyse and integrate shotgun metagenomics and metatranscriptomics data, the construction of a comprehensive collection of 1,396 metagenome-assembled genomes from the pig gut microbiome enabled robust differential gene expression analyses between treatments and sampling times. Altogether, metagenomic and metatranscriptomic resistome profiling identified that half of the ARGs were transcriptionally active and allowed for the generation of an ARG catalogue. This catalogue, including a total of 102 ARGs, comprises most antibiotic classes and has been implemented in a microfluidic platform for the development and validation of a customizable, sensitive, and high-throughput monitoring tool for efficient AMR surveillance from swine faecal samples. Overall, the comprehensive multi-omics approach proposed in this doctoral thesis emerges as a promising tool for the qualitative and quantitative detection of ARGs with the potential to improve AMR monitoring for understanding resistance dynamics and guide responsible antimicrobial interventions in animal production systems.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologi
Mass Spectrometry-driven strategies for the development of K-VAX: A proteomic approach to AcinetoVax-based vaccines
No full textLes infeccions adquirides en entorns hospitalaris (HAIs) representen una amenaça creixent per a la salut pública, agreujada per la proliferació de bacteris resistents als antibiòtics (AMR). L’Organització Mundial de la Salut (OMS) adverteix sobre la urgència de desenvolupar noves estratègies terapèutiques i preventives. En aquest context, les vacunes es presenten com una alternativa prometedora, tot i que el seu desenvolupament és complex i requereix metodologies avançades per a la seva optimització. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de K-VAX, una vacuna bivalent contra Acinetobacter baumannii i Klebsiella pneumoniae, dos dels principals patògens implicats en infeccions en entorns hospitalaris. K-VAX es basa en la plataforma vacunal AcinetoVax (Vaxdyn S.L.), dissenyada per a l’expressió de proteïnes heteròlogues amb potencial immunogènic. Per a la seva caracterització i desenvolupament, s’ha implementat un mètode quantitatiu basat en LC-MS/MS per mesurar amb precisió els antígens vacunals. Aquest mètode utilitza pèptids marcats amb isòtops estables (SIL, Stable Isotope-Labeled). A més, actualment s’està adaptant per a la seva futura implementació en l’anàlisi rutinari de lots industrials. També s’han dut a terme estudis d’adsorció dels antígens en l’adjuvant Alhydrogel, amb l’objectiu de determinar la quantitat d’antigen adsorbit i avaluar-ne l'estabilitat en la formulació vacunal. Paral·lelament, s’han caracteritzat anticossos monoclonals (mAbs) dirigits contra els antígens vacunals, la qual cosa ha permès el seu ús en el desenvolupament d’immunoassaigs, com ELISA. En conclusió, l’aplicació de metodologies avançades d’espectrometria de masses ha permès optimitzar el desenvolupament preclínic d’aquesta vacuna, proporcionant eines analítiques clau per a la seva caracterització, control de qualitat i futura escalabilitat a la producció industrial.Las infecciones adquiridas en entornos hospitalarios (HAIs) representan una amenaza creciente para la salud pública, agravada por la proliferación de bacterias resistentes a los antibióticos (AMR). La Organización Mundial de la Salud (OMS) advierte sobre la urgencia de desarrollar nuevas estrategias terapéuticas y preventivas. En este contexto, las vacunas surgen como una alternativa prometedora, aunque su desarrollo es complejo y requiere metodologías avanzadas para su optimización. Esta tesis se centra en el desarrollo de K-VAX, una vacuna bivalente contra Acinetobacter baumannii y Klebsiella pneumoniae, dos de los principales patógenos implicados en infecciones en entornos hospitalarios. K-VAX se basa en la plataforma vacunal AcinetoVax (Vaxdyn S.L.), diseñada para la expresión de proteínas heterólogas con potencial inmunogénico. Para la caracterización y desarrollo, se ha implementado un método cuantitativo basado en LC-MS/MS para medir con precisión los antígenos vacunales. Este método emplea péptidos marcados con isótopos estables (SIL, Stable Isotope-Labeled) Además, este método se encuentra en adaptación para su futura implementación en el análisis rutinario de lotes industriales. También, se han llevado a cabo estudios de adsorción de los antígenos en el adyuvante Alhydrogel, con el objetivo de determinar la cantidad de antígeno absorbido y evaluar su estabilidad en la formulación vacunal. Paralelamente, se han caracterizado anticuerpos monoclonales (mAbs) dirigidos contra los antígenos vacunales, lo que ha permitido su uso en el desarrollo de inmunoensayos, como ELISA. En conclusión, la aplicación de metodologías avanzadas de espectrometría de masas ha permitido optimizar el desarrollo preclínico de esta vacuna, proporcionando herramientas analíticas clave para su caracterización, control de calidad y futura escalabilidad a la producción industrial.Hospital-acquired infections (HAIs) represent a growing threat to public health, exacerbated by the proliferation of antibiotic-resistant bacteria (AMR). The World Health Organization (WHO) has highlighted the urgent need to develop new therapeutic and preventive strategies. In this context, vaccines emerge as a promising alternative, although their development remains complex and requires advanced methodologies for optimization. This thesis focuses on the development of K-VAX, a bivalent vaccine against Acinetobacter baumannii and Klebsiella pneumoniae, two of the main pathogens responsible for hospital-acquired infections. K-VAX is based on the AcinetoVax platform (Vaxdyn S.L.), designed for the expression of heterologous proteins with immunogenic potential. To support its characterization and development, a quantitative method based on LC-MS/MS has been implemented to accurately measure vaccine antigens. This method employs Stable Isotope-Labeled (SIL) peptides as internal standards. Additionally, it is currently being adapted for future implementation in the routine analysis of industrial vaccine batches. Furthermore, antigen adsorption studies have been conducted using the Alhydrogel adjuvant to determine the amount of antigen absorbed and assess its stability in the final vaccine formulation. In parallel, monoclonal antibodies (mAbs) targeting vaccine antigens have been characterized, enabling their use in the development of immunoassays such as ELISA. In conclusion, the application of advanced mass spectrometry methodologies has facilitated the preclinical optimization of this vaccine, providing key analytical tools for its characterization, quality control, and future scalability to industrial production.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Bioquímica, Biologia Molecular i Biomedicin
Metabolic engineering of Komagataella phaffii for renewable methanol bioconversion into 3-hydroxypropionic acid
No full textEl metanol està emergint com una matèria primera d’interès creixent per a la producció de compostos químics d’alt valor a partir de microorganismes, gràcies al seu origen potencialment renovable (per exemple, a partir de CO2) i els avantatges econòmics i ambientals que ofereix. En aquest context, el llevat metilòtrof Komagataella phaffii (també conegut com Pichia pastoris) destaca com una factoria cel·lular prometedora per a la indústria química basada en metanol.
K. phaffii no només és capaç d’assimilar metanol, sinó que també presenta altres avantatges metabòlics i industrials, com la compartimentació de rutes sintètiques gràcies a la presència d'orgànuls (peroxisomes, mitocòndries) i la seva tolerància natural a condicions àcides, fet especialment rellevant per a la producció d’àcids carboxílics. En aquesta tesi, K. phaffii ha estat modificat genèticament per produir àcid 3-hidroxipropiònic (3-HP) a partir de fonts de carboni renovables com el metanol.
El 3-HP és un àcid orgànic de tres carbonis considerat un producte plataforma, atès que és precursor de l'àcid acrílic i altres compostos industrials. Tot i que ja s’ha aconseguit produir-lo biològicament en diversos microorganismes, les mètriques de producció continuen sent un repte per a la seva aplicació industrial generalitzada. L’enginyeria metabòlica, per tant, juga un paper clau per millorar aquests paràmetres.
Aquesta tesi comença amb la compartimentació de la ruta metabòlica del malonil-CoA al peroxisoma, mitjançant la localització del gen mcr de Chloroflexus aurantiacus en aquest orgànul i l'aplicació d'altres estratègies d'enginyeria per augmentar la disponibilitat de precursors. Tot i això, la producció de 3-HP fou inferior a la de les soques amb producció citosòlica. La producció peroxisomal de 3-HP es va reconceptualitzar com un sistema biosensor per estudiar la disponibilitat de NADPH en aquest orgànul. A través d'aquest sistema es va poder identificar una estratègia prometedora per augmentar el NADPH peroxisomal: la coproducció del sistema llançadora Idp2/Idp3 i la NADH quinasa citosòlica cPos5 de Saccharomyces cerevisiae.
Tot i les prometedores aplicacions de la ruta peroxisomal, la producció citosòlica es va establir com la millor opció per obtenir altes productivitats. A més, mitjançant simulacions amb un model metabòlic a escala genòmica de K. phaffii, la ruta de la β-alanina fou identificada com una via més eficient que la del malonil-CoA per produir 3-HP a partir de metanol. Així, es va implementar per primera vegada aquesta ruta en K. phaffii mitjançant l’expressió dels gens heteròlegs panD, yhxA i ydfG. L’optimització d'aquesta soca va permetre obtenir fins a 21.4 g/L de 3-HP amb un rendiment de 0.15 g/g i una productivitat volumètrica de 0.48 g/L·h.
Aquesta soca fou millorada a través de la introducció d'una variant de formiat deshidrogenasa NADP⁺-dependent per augmentar la disponibilitat de NADPH, la qual va resultar en millores en el consum de metanol i en la productivitat específica de 3-HP. A més, un segon cicle d’enginyeria metabòlica enfocat a incrementar precursors i l'exportació de 3-HP va donar lloc a la soca amb millors rendiments. El seu cultiu en discontinu alimentat (fed-batch) augmentà un 42% la concentració de 3-HP i un 22% la productivitat volumètrica en comparació a la soca de referència. A més, els cultius a pH 3.5 van demostrar el paper dels transportadors d’àcids monocarboxílics en la tolerància al 3-HP en condicions àcides.
En conjunt, aquesta tesi demostra el potencial de K. phaffii per a la producció sostenible de 3-HP a partir de metanol, assolint la productivitat volumètrica més alta reportada fins ara en aquest context.El metanol está emergiendo como una materia prima de interés creciente para la producción de compuestos químicos de alto valor a partir de microorganismos, gracias a su origen potencialmente renovable (por ejemplo, a partir de CO₂) y a las ventajas económicas y medioambientales que ofrece. En este contexto, la levadura metilotrófica Komagataella phaffii (también conocida como Pichia pastoris) destaca como una fábrica celular prometedora para la industria química basada en metanol.
K. phaffii no solo es capaz de asimilar metanol, sino que también presenta otras ventajas metabólicas e industriales, como la compartimentación de rutas sintéticas gracias a la presencia de orgánulos (peroxisomas, mitocondrias) y su tolerancia natural a condiciones ácidas, lo cual es especialmente relevante para la producción de ácidos carboxílicos. En esta tesis, K. phaffii ha sido modificado genéticamente para producir ácido 3-hidroxipropiónico (3-HP) a partir de fuentes de carbono renovables como el metanol.
El 3-HP es un ácido orgánico de tres carbonos considerado un producto plataforma, ya que es precursor del ácido acrílico y otros compuestos industriales. Aunque ya se ha logrado producirlo biológicamente en diversos microorganismos, las métricas de producción siguen siendo un desafío para su aplicación industrial generalizada. La ingeniería metabólica, por tanto, desempeña un papel clave para mejorar estos parámetros.
La tesis comienza con la compartimentación de la ruta metabólica del malonil-CoA en el peroxisoma, mediante la localización del gen mcr de Chloroflexus aurantiacus en este orgánulo y la aplicación de otras estrategias de ingeniería para aumentar la disponibilidad de precursores. No obstante, la producción de 3-HP fue inferior a la de las cepas con producción citosólica. La producción peroxisomal de 3-HP se reconceptualizó como un sistema biosensor para estudiar la disponibilidad de NADPH en este orgánulo. A través de este sistema se pudo identificar una estrategia prometedora para aumentar el NADPH peroxisomal: la coproducción del sistema lanzadera Idp2/Idp3 y la NADH quinasa citosólica cPos5 de Saccharomyces cerevisiae.
A pesar de las prometedoras aplicaciones de la ruta peroxisomal, la producción citosólica se estableció como la mejor opción para obtener altas productividades. Además, mediante simulaciones con un modelo metabólico a escala genómica de K. phaffii, la ruta de la β-alanina fue identificada como una vía más eficiente que la del malonil-CoA para producir 3-HP a partir de metanol. Así, se implementó por primera vez esta ruta en K. phaffii mediante la expresión de los genes heterólogos panD, yhxA y ydfG. La optimización de esta cepa permitió obtener hasta 21.4 g/L de 3-HP con un rendimiento de 0.15 g/g y una productividad volumétrica de 0.48 g/L·h.
Esta cepa fue mejorada mediante la introducción de una variante de formiato deshidrogenasa NADP⁺-dependiente para aumentar la disponibilidad de NADPH, lo que resultó en mejoras en el consumo de metanol y en la productividad específica de 3-HP. Además, un segundo ciclo de ingeniería metabólica enfocado en incrementar precursores y la exportación de 3-HP dio lugar a la cepa con mejores rendimientos. Su cultivo en discontinuo alimentado (fed-batch) aumentó en un 42% la concentración de 3-HP y en un 22% su productividad volumétrica en comparación a la cepa de referencia. Además, los cultivos a pH 3.5 demostraron el papel de los transportadores de ácidos monocarboxílicos en la tolerancia al 3-HP en condiciones ácidas.
En conjunto, esta tesis demuestra el potencial de K. phaffii para la producción sostenible de 3-HP a partir de metanol, alcanzando la productividad volumétrica más alta reportada hasta la fecha en este contexto.Methanol is emerging as a feedstock of growing interest for the production of high-value chemicals using microorganisms, due to its potentially renewable origin (e.g., from CO₂) and the economic and environmental advantages it offers. In this context, the methylotrophic yeast Komagataella phaffii (also known as Pichia pastoris) stands out as a promising microbial cell factory for methanol-based chemical production.
K. phaffii is not only capable of assimilating methanol, but also exhibits other metabolic and industrial advantages, such as the compartmentalization of synthetic pathways thanks to the presence of organelles (peroxisomes, mitochondria) and its natural tolerance to acidic conditions, which is particularly relevant for the production of carboxylic acids. In this thesis, K. phaffii was genetically engineered to produce 3-hydroxypropionic acid (3-HP) from renewable carbon sources such as methanol.
3-HP is a three-carbon organic acid considered a platform chemical, as it is a precursor of acrylic acid and other industrial compounds. Although biological production of 3-HP has already been achieved in various microorganisms, production metrics remain a bottleneck for its widespread industrial application. Metabolic engineering, therefore, plays a key role in improving these parameters.
The thesis begins with the compartmentalization of the malonyl-CoA pathway in the peroxisome, by targeting the mcr gene from Chloroflexus aurantiacus to this organelle and applying additional engineering strategies to enhance precursor availability. However, 3-HP production was lower than in strains with cytosolic production. Peroxisomal 3-HP production was reconceptualized as a biosensor system to study NADPH availability in the organelle. Using this system, a promising strategy was identified to increase peroxisomal NADPH: co-expression of the Idp2/Idp3 shuttle system and the cytosolic NADH kinase cPos5 from Saccharomyces cerevisiae.
Despite the promising applications of the peroxisomal pathway, cytosolic production proved to be the best option for achieving high productivities. Furthermore, by using a genome-scale metabolic model of K. phaffii, the β-alanine pathway was identified as an efficient alternative to the malonyl-CoA route for 3-HP production from methanol. This pathway was implemented in K. phaffii for the first time by expressing the heterologous genes panD, yhxA, and ydfG. Optimization of this strain enabled production of up to 21.4 g/L of 3-HP with a yield of 0.15 g/g and a volumetric productivity of 0.48 g/L·h.
This strain was further improved by introducing a NADP⁺-dependent formate dehydrogenase variant to increase NADPH availability, resulting in improved methanol consumption and specific 3-HP productivity. Additionally, a second cycle of metabolic engineering focusing on enhancing precursor supply and 3-HP export led to the construction of our top-performing strain, which increased 3-HP titer by 42% and volumetric productivity by 22% under fed-batch conditions, compared to the reference strain. Moreover, cultures at pH 3.5 demonstrated the role of monocarboxylic acid transporters in 3-HP tolerance under acidic conditions.
Altogether, this thesis demonstrates the potential of K. phaffii for sustainable 3-HP production from methanol, achieving the highest volumetric productivity reported to date in this context.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologi
Essays in gender economics
No full textThe three chapters of this dissertation explore the intersection of gender dynamics
and economic outcomes. Chapter 1 examines the role of the early
spread of videogames in the U.S. on the gender gap in computer science.
The findings highlight the long-term impact of non-academic activities and
the unintended consequences of technological and cultural shifts on education
and career choices. Chapter 2 analyzes the long-term effects of
the Covid-19 lockdown on the allocation of paid and unpaid work within
households in Spain, showing a reduction in the gender gap in unpaid labor,
driven primarily by shifts in childcare responsibilities. These results
suggest that temporary shocks to household dynamics can lead to lasting
changes in gender roles. Chapter 3 investigates the relationship between legal
gender equality and children’s health and educational enrollment, finding
increases mainly at higher levels of education. The findings emphasize
the societal benefits of reforms to promote gender equality.Los tres capítulos de esta tesis exploran la intersección entre la dinámica de
género y los resultados económicos. El Capítulo 1 estudia el papel que tuvo
la temprana difusión de los videojuegos en Estados Unidos en la brecha de
género en la informática. Los resultados resaltan el impacto a largo plazo
de las actividades no académicas y las consecuencias no intencionadas de
los cambios tecnológicos y culturales en las decisiones educativas y profesionales.
El Capítulo 2 analiza los efectos a largo plazo del confinamiento
por Covid-19 en la distribución del trabajo remunerado y no remunerado
en los hogares en España, mostrando una reducción en la brecha de género
en el trabajo no remunerado, impulsada principalmente por cambios en las
responsabilidades del cuidado de los niños. Estos resultados sugieren que
los shocks temporales en la dinámica familiar pueden generar cambios duraderos
en los roles de género. El Capítulo 3 investiga la relación entre la
igualdad legal de género y la salud infantil y la educación, encontrando aumentos
principalmente en los niveles educativos superiores. Los hallazgos
subrayan los beneficios sociales de las reformas para promover la igualdad
de género.Els tres capítols d’aquesta tesi exploren la intersecció entre la dinàmica de
gènere i els resultats econòmics. El Capítol 1 estudia el paper que va tenir la
temprana difusió dels videojocs als Estats Units en la bretxa de gènere en informàtica.
Els resultats ressalten l’impacte a llarg termini de les activitats no
acadèmiques i les conseqüències no intencionades dels canvis tecnològics
i culturals en les decisions educatives i professionals. El Capítol 2 analitza
els efectes a llarg termini del confinament per la Covid-19 en la distribució
del treball remunerat i no remunerat a les llars d’Espanya, mostrant una
reducció en la bretxa de gènere en el treball no remunerat, impulsada principalment
per canvis en les responsabilitats de la cura dels nens. Aquests
resultats suggereixen que els xocs temporals en la dinàmica familiar poden
generar canvis duradors en els rols de gènere. El Capítol 3 investiga la
relació entre la igualtat legal de gènere i la salut infantil i l’educació, trobant
increments principalment en els nivells educatius superiors. Els resultats
subratllen els beneficis socials de les reformes per promoure la igualtat de
gènere.Programa de Doctorat en Economia, Finances i Empres
Molecular insights into ovarian endometriosis: Towards a personalized management
No full textL’endometriosi és una malaltia crònica, inflamatòria, i dependent d’estrògens que es caracteritza per la presència de teixit similar a l’endometri fora de l’úter. A l’ovari, es presenta en forma d’endometrioma, una lesió quística plena de fluid que promou un microambient pro-inflamatori i oxidatiu, afectant el teixit circumdant i causant dolor pelvià i infertilitat. Tenint en compte la complexitat i heterogeneïtat d’aquesta malaltia, necessitem avançar cap a la medicina personalitzada per millorar-ne el maneig clínic, però per fer-ho, és essencial comprendre’n millor la patogènesi i els factors moleculars rellevants.
Aquesta tesi utilitza una estratègia multi-òmica, focalitzada en els perfils proteòmics dels endometriomes, per investigar l’heterogeneïtat d’aquestes lesions i abordar la seva recurrència postoperatòria. La recurrència representa un repte important en el maneig terapèutic de l’endometriosi, afectant fins al 50% de les pacients en 5 anys post-cirurgia, evidenciant la necessitat de desenvolupar eines predictives i dianes terapèutiques per millorar-ne el maneig clínic a llarg termini.
Hem confirmat la idoneïtat dels teixits d’endometrioma en FFPE per la descoberta de biomarcadors en base a la seva caracterització proteòmica, demostrant un perfil proteic estable entre lesions primàries i recurrents. En una cohort de 134 mostres de 68 pacients, hem identificat tres subtipus moleculars en base als patrons d’expressió proteica de les mostres i als components immune i estromals estimats. Els subtipus no correlacionen significativament amb paràmetres clínics específics i poden coexistir en una mateixa lesió.
Hem identificat 30 proteïnes potencialment associades a la recurrència en l’anàlisi d’aquesta cohort, 11 de les quals intercorrelacionades i amb rols lisosomals. Un model de regressió logística combinant l’expressió de PSAP amb factors clínics demostra una AUC de 0.81 per la predicció de la recurrència. Hem vist que la desregulació immune, especialment deficiències en el processament i presentació d’antígens, i la disfunció lisosomal dels macròfags tenen un paper clau en la recurrència.
Aquesta tesi presenta una caracterització proteòmica exhaustiva de l’endometriosi ovàrica, descrivint-ne l’heterogeneïtat a nivell d’expressió proteica, i centrant-se en la recurrència postoperatòria des d’una perspectiva translacional. En resum, proporcionem noves perspectives sobre la patogènesi i la recurrència de l’endometrioma, establint les bases per a futurs estudis orientats a millorar i personalitzar el maneig clínic de l’endometriosi ovàrica.
Paraules clau: Endometriosi ovàrica, Endometrioma, Perfil proteòmic, Heterogeneïtat, Subtipus moleculars, Recurrència, Biomarcador pronòstic, Disfunció immune, Medicina personalitzada.La endometriosis es una enfermedad crónica, inflamatoria y dependiente de estrógenos que se caracteriza por la presencia de tejido similar al endometrio fuera del útero. En el ovario, se presenta como endometriomas, una lesión quística llena de fluido que promueve un microambiente proinflamatorio y oxidativo, afectando el tejido circundante y causando dolor pélvico e infertilidad. Teniendo en cuenta la complejidad y heterogeneidad de esta enfermedad, es crucial avanzar hacia la medicina personalizada para mejorar su manejo clínico, pero para ello, es esencial comprender mejor su patogénesis y factores moleculares asociados.
Esta tesis utiliza una estrategia multi-ómica, centrada en los perfiles proteómicos de los endometriomas, para investigar la heterogeneidad de estas lesiones y abordar su recurrencia postoperatoria. La recurrencia representa un desafío importante en el manejo terapéutico de la endometriosis, afectando hasta el 50% de las pacientes a los 5 años postcirugía, lo que evidencia la necesidad de desarrollar herramientas predictivas y dianas terapéuticas para mejorar su manejo clínico a largo plazo.
Hemos confirmado la idoneidad de los tejidos de endometrioma en FFPE para el descubrimiento de biomarcadores en base a su caracterización proteómica, demostrando un perfil proteico estable entre lesiones primarias y recurrentes. En una cohorte de 134 muestras de 68 pacientes, hemos identificado tres subtipos moleculares basados en los patrones de expresión proteica de las muestras y los componentes inmune y estromales estimados. Los subtipos no correlacionan significativamente con parámetros clínicos específicos y pueden coexistir en una misma lesión.
Hemos identificado 30 proteínas potencialmente asociadas a la recurrencia en el análisis de esta cohorte, 11 de las cuales están coexpresadas y tienen roles lisosomales. Un modelo de regresión logística combinando la expresión de PSAP con factores clínicos muestra un AUC de 0.81 para la predicción de la recurrencia. Hemos observado que la desregulación inmune, especialmente las deficiencias en el procesamiento y presentación de antígenos, y la disfunción lisosomal de los macrófagos tienen un papel clave en la recurrencia.
Esta tesis presenta una caracterización proteómica exhaustiva de la endometriosis ovárica, describiendo su heterogeneidad a nivel de expresión proteica y centrándose en la recurrencia postoperatoria desde una perspectiva traslacional. Así, proporcionamos nuevas perspectivas sobre la patogénesis y la recurrencia del endometrioma, sentando las bases para futuros estudios orientados a mejorar y personalizar el manejo clínico de la endometriosis ovárica.
Palabras clave: Endometriosis ovárica, Endometrioma, Perfil proteómico, Heterogeneidad, Subtipos moleculares, Recurrencia, Biomarcador pronóstico, Disfunción inmune, Medicina personalizada.Endometriosis is a chronic, oestrogen-dependent inflammatory condition characterized by the presence of endometrial-like tissue in ectopic sites. In the ovary, it presents in the form of endometriomas, fluid-filled cystic lesions that promote a pro-inflammatory and oxidative environment, affecting the surrounding tissue and causing pelvic pain and infertility. Given the complexity and heterogeneity of the disease, advancing towards personalized medicine is crucial to improve clinical management, but for that, it is essential to better understand the disease's pathogenesis and molecular drivers.
This thesis leverages multi-omics approaches, focusing on proteomic profiling of endometriomas, to investigate lesion heterogeneity and address postoperative recurrence. Recurrence represents a major challenge in clinical management, with up to 50% of patients experiencing lesion recurrence within five years of surgery, evidencing the urgent need for predictive tools and therapeutic targets to improve long-term outcomes.
Proteomic profiling of FFPE-derived endometrioma tissues confirmed their suitability for biomarker discovery, revealing stable protein expression profiles between primary and recurrent lesions. We identified three molecular subtypes using a cohort of 134 samples from 68 patients, based on their expression patterns and inferred immune and stromal components. Multiple subtypes can coexist within a single lesion, and did not significantly correlate with specific clinical traits.
Recurrence-focused analysis of this cohort identified 30 potential recurrence biomarker proteins, 11 of which were significantly co-expressed and with lysosomal roles. A logistic regression model combining PSAP expression with clinical factors achieved an AUC of 0.81 for recurrence prediction. Immune dysregulation, particularly defects in antigen processing and presentation and macrophage lysosomal dysfunction emerged as key contributors to recurrence.
This thesis presents a comprehensive proteomic characterization of ovarian endometriosis, describing its heterogeneity at the protein expression level and focusing on postoperative recurrence with a translational perspective. In summary, we provide new insights into endometrioma pathogenesis and recurrence, laying the groundwork for future studies aimed at improving personalized clinical management of ovarian endometriosis.
Key words: Ovarian endometriosis, Endometrioma, Proteomic profiling, Heterogeneity, Molecular subtypes, Recurrence, Prognostic Biomarker, Immune dysfunction, Personalized medicineUniversitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Bioquímica, Biologia Molecular i Biomedicin
Evaluación de la resistencia residual. Efecto de la velocidad de corte, temperatura e interacción termo-hidro-mecánica (THM)
No full text(English) The study of residual soil strength and its dependence on intrinsic, external, and coupled effects has gained significant scientific interest due to its relevance in geotechnical field. This doctoral thesis experimentally analyzes the shear behavior of soils under residual conditions, focusing on the effects of shear rate, temperature, and coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes.
To investigate shear rate and temperature effects, 26 tests with progressive shear rate increments and 70 tests under controlled temperature conditions were conducted on various fine-grained soils. A modified Bromhead ring shear apparatus was used to test shear rates from 0.089 mm/min to 45 mm/min and temperatures from 0 °C to 60 °C under normal stresses of 100, 200, and 300 kPa. The results were analyzed using the rate-, state-, and temperature-dependent friction (RSTF) model. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) and interferometric imaging were used to examine shear surfaces.
For coupled THM effects, 15 rapid shear tests were performed on Canelles clay, a low-permeability material, using a high-speed ring shear prototype developed at UPC. This device was modified to record temperature and pore pressure during shearing. The results were interpreted using a deformation compatibility model, which successfully reproduced observed deformations and pore pressure changes.
The results indicate that heating reduces friction, while cooling increases resistance. At a constant temperature (~20 °C) and normal stress (100–300 kPa), increasing the shear rate generally increased resistance, except in Barcelona silty clay (the least plastic soil), where resistance decreased under 100 kPa normal stress. Other influencing factors include normal stress, clay fraction, plasticity index, specific surface area, activity, and smectite fraction.
For rapid shear tests on Canelles clay, thermal dilation effects were significant at shear rates above 0.5 km/h. Pore pressure increased by approximately 2 kPa/°C for temperature rises below 20 °C and 5 kPa/°C for rises above 25 °C. If the soil volume had remained constant, frictional heating would have caused even higher pore pressure increases, reducing effective confining stress and shear strength.
In conclusion, residual soil strength is influenced by shear rate, temperature, and THM effects, which are critical for understanding soil behavior in stability assessments.(Català) L’estudi de la resistència residual del sòl i la seva dependència de factors intrínsecs, externs i efectes acoblats ha generat un interès significatiu en la comunitat científica durant les últimes dècades, especialment en contextos on la estabilitat de masses de sòl deformades per tall està compromesa. Aquesta tesi analitza experimentalment la influència de la velocitat de tall, la temperatura i els processos termo-hidro-mecànics (THM) acoblats en la resistència residual dels sòls.
Per avaluar l’efecte de la velocitat de tall i la temperatura, es van realitzar 26 assaigs amb increments progressius de velocitat i 70 assaigs amb temperatura controlada en un equip de tall anular tipus Bromhead, adaptat per operar en un rang de velocitats de 0.089 mm/min a 45 mm/min i temperatures de 0 °C a 60 °C amb diferents tensions normals (100, 200 i 300 kPa). Els resultats es van interpretar amb el model de fricció dependent de la velocitat, l’estat i la temperatura (RSTF), complementats amb anàlisis de superfícies de trencament mitjançant imatges interferomètriques i microscòpia electrònica d’escombrada (SEM).
Per estudiar els efectes acoblats THM, es van fer 15 assaigs de tall ràpid en argila de Canelles, un material de baixa permeabilitat, utilitzant un prototip de tall anular d’alta velocitat desenvolupat a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Aquest equip es va modificar per registrar simultàniament la temperatura i la pressió de porus durant el tall. Els resultats es van interpretar mitjançant un model de compatibilització de deformacions, permetent reproduir els canvis observats en pressió de porus i deformacions en assaigs d’alta velocitat.
Es va trobar que l’escalfament redueix la fricció, mentre que el refredament l’incrementa. A temperatura constant (~20 °C) i càrrega normal controlada (100-300 kPa), la resistència va augmentar amb la velocitat de tall en la majoria dels sòls, excepte en l’argila llimosa de Barcelona amb 100 kPa, on l’increment de velocitat va disminuir la resistència. Factors com la tensió normal, el contingut d’argila, l’índex de plasticitat i la fracció d’esmectita també van influir en la resposta mecànica del sòl.
Els assaigs de tall ràpid van evidenciar efectes THM significatius. A velocitats superiors a 0.5 km/h, la dilatació tèrmica va generar augments de pressió de porus d’aproximadament 2 kPa/°C per increments menors de 20 °C i 5 kPa/°C per increments superiors a 25 °C. L’anàlisi de compatibilitat de deformacions suggereix que, amb volum constant del sòl, la pressió de porus hauria estat encara més elevada, reduint la tensió efectiva i la resistència residual, a més de l’efecte directe de la temperatura en la fricció.
En conclusió, la resistència residual del sòl està influenciada per la velocitat de tall, la temperatura i processos THM acoblats. La comprensió d’aquests factors és essencial per avaluar l’estabilitat de masses de sòl en condicions crítiques.(Español) El estudio de la resistencia residual del suelo y su dependencia frente a factores intrínsecos, externos y efectos acoplados ha generado un interés significativo en la comunidad científica durante las últimas décadas, especialmente en contextos donde la estabilidad de masas de suelo deformadas por corte está comprometida. Esta tesis analiza experimentalmente la influencia de la velocidad de corte, la temperatura y los procesos termo-hidro-mecánicos (THM) acoplados en la resistencia residual de los suelos.
Para evaluar el efecto de la velocidad de corte y la temperatura, se realizaron 26 ensayos con incrementos progresivos de velocidad y 70 ensayos con temperatura controlada en un equipo de corte anular tipo Bromhead, adaptado para operar en un rango de velocidades de 0.089 mm/min a 45 mm/min y temperaturas de 0 °C a 60 °C bajo diferentes tensiones normales (100, 200 y 300 kPa). Los resultados fueron interpretados mediante el modelo de fricción dependiente de la velocidad, estado y temperatura (RSTF) y complementados con análisis de superficies de rotura mediante imágenes interferométricas y microscopía electrónica de barrido (SEM).
Adicionalmente, para estudiar los efectos acoplados THM, se realizaron 15 ensayos de corte rápido en arcilla de Canelles, un material de baja permeabilidad, utilizando un prototipo de corte anular de alta velocidad desarrollado en la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC). Este equipo fue modificado para registrar simultáneamente temperatura y presión de poro durante el corte. Los resultados se interpretaron mediante un modelo de compatibilización de deformaciones, permitiendo reproducir los cambios observados en presión de poros y deformaciones en los ensayos de alta velocidad.
Se encontró que el calentamiento reduce la fricción, mientras que el enfriamiento la incrementa. A temperatura constante (~20 °C) y carga normal controlada (100-300 kPa), la resistencia aumentó con la velocidad de corte en la mayoría de los suelos, salvo en la arcilla limosa de Barcelona bajo 100 kPa, donde el incremento de velocidad disminuyó la resistencia. Factores como la tensión normal, el contenido de arcilla, el índice de plasticidad y la fracción de esmectita también influyeron en la respuesta mecánica del suelo.
Los ensayos de corte rápido evidenciaron efectos THM significativos. A velocidades superiores a 0.5 km/h, la dilatación térmica generó aumentos de presión de poros de aproximadamente 2 kPa/°C para incrementos menores de 20 °C y 5 kPa/°C para incrementos mayores de 25 °C. El análisis de compatibilidad de deformaciones sugirió que, con volumen de suelo constante, la presión de poros habría sido aún mayor, reduciendo la tensión efectiva y la resistencia residual, además del efecto directo de la temperatura en la fricción.
En conclusión, la resistencia residual del suelo está influenciada por la velocidad de corte, la temperatura y procesos THM acoplados. La comprensión de estos factores es esencial para evaluar la estabilidad de masas de suelo en condiciones críticas.DOCTORAT EN ENGINYERIA DEL TERRENY (Pla 2012
Diseño y desarrollo industrial de sistemas recargables de almacenamiento de energía eléctrica con electrodos gruesos de alta carga de material activo basados en nanopastas híbridas
No full textLes bateries són actualment el principal sistema d'emmagatzematge d'energia elèctrica, però presenten limitacions en velocitat de càrrega, cicles de vida i dependència de materials escassos i costosos. Els supercondensadors mitiguen aquests desavantatges, encara que la seva menor capacitat d'emmagatzematge redueix les seves aplicacions. Tots dos sistemes solen estar composts per elèctrodes sòlids, la densitat energètica i de potència dels quals milloren en reduir el seu gruix. Tantmateix, l'ús d'elèctrodes molt fins comporta una major proporció d'elements addicionals no destinats a emmagatzemar energia, augmentant el pes i cost total.
Alternativament, es troben elèctrodes en format pasta, que han de fluir contínuament a través del dispositiu, com en les bateries de flux semisòlid. Aquests sistemes són recarregables, però molt voluminosos, i a més necessiten d’una despesa energètica addicional per a mantenir aquest flux. D'altra banda, també existeixen elèctrodes de pasta confinats estàticament dins de dispositius petits i transportables, com en les piles primàries convencionals, però no són recarregables. Amb tot, no es troben en el mercat dispositius recarregables i compactes que encapsulin la pasta estàticament.
Aquest treball té com a objectiu desenvolupar un sistema d'emmagatzematge d'energia portable i recarregable amb elèctrodes gruixuts basats en nanopastes híbrides electroactives. Aquest repte es va abordar mitjançant el desenvolupament de nanopastes capacitives basades en carboni, per a posteriorment hibridar-les, de manera que integrin materials i mecanismes d'emmagatzematge d'energia electroestàtics i electroquímics. La hipòtesi de treball era que aquest enfocament permetria incrementar el gruix d'elèctrode i la càrrega de material actiu per unitat d'àrea a nivells superiors als sistemes comercials, mantenint però la densitat d'energia i l'eficiència.
Extreure el màxim rendiment d'aquestes pastes requereix condicions específiques de pressió i encapsulament, la qual cosa les fa dependents del dispositiu en el qual s'integren. Per tant, es va adoptar un plantejament holístic, desenvolupant simultàniament la química de la pasta i l'enginyeria del dispositiu, així com emprant paràmetres de prova elèctrics rellevants per a l'entorn industrial. Aquest mètode contrasta amb l’estratègia habitual en recerca, on la química es desenvolupa de forma aïllada, en condicions de laboratori allunyades de la realitat comercial, dificultant la seva posterior transició a la indústria i desaprofitant oportunitats de disseny personalitzat.
Durant el projecte es van dissenyar diferents dispositius progressivament més avançats, i es va desenvolupar i va optimitzar la formulació química d'una pasta capacitiva fabricada amb materials abundants i econòmics, mitjançant processos senzills, es a dir sense requerir sales netes o caixes seques. Es va aconseguir una pasta híbrida amb un comportament pseudocapacitiu mitjançant l'addició d'un material redox com el blau de Prússia, demostrant que és una bona base sobre la qual continuar hibridant per a millorar la densitat d'energia. La capacitància per àrea aconseguida va superar els valors de sistemes comercials gràcies a la implementació d'elèctrodes d'un gruix i càrrega de material actiu aproximadament un ordre de magnitud per sobre de l'habitual, millorant les prestacions gravimètriques. La tensió, energia i potència del sistema es van augmentar de manera eficient mitjançant el disseny d'un apilament de cel·les en sèrie amb connexió bipolar. El sistema desenvolupat és estable i segur, amb baixa temperatura d'operació i química no inflamable. Finalment, es va evolucionar cap a un estat preindustrial desenvolupant un procés de fabricació simplificat que permet la producció de cel·les funcionals simplement injectant la pasta en el dispositiu.
L'atractiu comercial del treball desenvolupat està en el fet que obre la porta a l'evolució final i industrialització de nous sistemes d'emmagatzematge d'energia compactes amb elèctrodes de nanopastes híbrides amb alta càrrega màssica, recarregables, econòmics, segurs i amb una densitat d'energia i potència que els situa entre les bateries i els supercondensadors, fent-los idonis per a multitud d'aplicacions emergents.Las baterías son actualmente el principal sistema de almacenamiento de energía eléctrica, pero presentan limitaciones en velocidad de carga, ciclos de vida y dependencia de materiales escasos y costosos. Los supercondensadores mitigan estas desventajas, aunque su menor capacidad de almacenamiento reduce sus aplicaciones. Ambos sistemas suelen estar compuestos por electrodos sólidos, cuya densidad energética y de potencia mejoran al reducir su espesor. Sin embargo, el uso de electrodos muy finos conlleva una mayor proporción de elementos adicionales no destinados a almacenar energía, aumentando el peso y coste total.
Alternativamente, se encuentran electrodos en formato pasta que deben fluir continuamente a través del dispositivo, como en las baterías de flujo semisólido. Estos sistemas son recargables, pero muy voluminosos, y necesitan un gasto energético adicional para mantener dicho flujo. Por otra parte, también existen electrodos de pasta confinados estáticamente dentro de dispositivos pequeños y transportables, como en las pilas primarias convencionales, pero no son recargables. Sin embargo, no se encuentran en el mercado dispositivos recargables y compactos que encapsulen pasta estáticamente.
Este trabajo busca desarrollar un sistema de almacenamiento de energía portable y recargable con electrodos gruesos basados en nanopastas híbridas electroactivas. Este reto se abordó mediante el desarrollo de nanopastas capacitivas basadas en carbono, para posteriormente hibridarlas, de manera que integren materiales y mecanismos de almacenamiento de energía electrostáticos y electroquímicos. La hipótesis de trabajo era que este enfoque permitiría incrementar el espesor de electrodo y la carga de material activo por unidad de área a niveles superiores a los sistemas comerciales, manteniendo la densidad de energía y la eficiencia.
Extraer el máximo rendimiento de estas pastas requiere condiciones específicas de presión y encapsulamiento, lo que las hace dependientes del dispositivo en el que se integren. Por tanto, se adoptó un enfoque holístico, desarrollando simultáneamente la química de la pasta y la ingeniería del dispositivo, y empleando parámetros de prueba eléctricos relevantes para el entorno industrial. Este método contrasta con el planteamiento habitual en investigación, donde la química se desarrolla de forma aislada, en condiciones de laboratorio alejadas de la realidad comercial, dificultando su posterior transición a la industria y perdiendo oportunidades de diseño personalizado.
Durante el proyecto se diseñaron diferentes dispositivos progresivamente más avanzados, y se desarrolló y optimizó la formulación química de una pasta capacitiva fabricada con materiales abundantes y económicos, mediante procesos sencillos, sin precisar salas limpias o cajas secas. Se consiguió una pasta híbrida con un comportamiento pseudocapacitivo mediante la adición de un material redox como el azul de Prusia, demostrando que es una buena base sobre la que seguir hibridando para mejorar la densidad de energía. La capacitancia por área alcanzada superó los valores de sistemas comerciales gracias a la implementación de electrodos de un grosor y carga de material activo aproximadamente un orden de magnitud por encima de lo habitual, mejorando las prestaciones gravimétricas. La tensión, energía y potencia del sistema se aumentaron de manera eficiente mediante el diseño de un apilamiento de celdas en serie con conexión bipolar. El sistema desarrollado es estable y seguro, con baja temperatura de operación y química no inflamable. Finalmente, se evolucionó hacia un estado pre-industrial desarrollando un proceso de fabricación simplificado que permite la producción de celdas funcionales simplemente inyectando la pasta en el dispositivo.
El atractivo comercial del trabajo desarrollado está en que abre la puerta a la evolución final e industrialización de nuevos sistemas de almacenamiento de energía compactos con electrodos de nanopastas híbridas con alta carga másica, recargables, económicos, seguros y con una densidad de energía y potencia que los ubica entre las baterías y los supercondensadores, haciéndolos idóneos para multitud de aplicaciones emergentes.Li-ion batteries are the leading technology for electrical energy storage, but their reliance on scarce and expensive materials, as well as limitations in charging speed and life cycle, drive the search for alternative solutions. Supercapacitors mitigate these drawbacks, although their lower storage capacity limits their applications. Both systems are typically composed of solid electrodes, whose energy and power density improve as their thickness is reduced. However, the use of very thin electrodes results in a higher proportion of additional components not intended for energy storage, increasing the total weight and cost.
Alternatively, there are paste-like electrodes that must flow continuously through the device, such as in semi-solid flow batteries. These systems are rechargeable but very bulky and require additional energy consumption to maintain this flow. On the other hand, there are also paste electrodes that are statically confined within small, portable devices, such as conventional primary batteries, but they are not rechargeable. However, compact, rechargeable devices that encapsulate paste statically are not currently available on the market.
This work aims to develop a portable and rechargeable energy storage system with thick electrodes based on electroactive hybrid nanopastes. This challenge was addressed by developing carbon-based capacitive nanopastes, to subsequently hybridizing them to integrate electrostatic and electrochemical energy storage materials and mechanisms. The working hypothesis was that this approach would allow for increasing electrode thickness and mass loading per unit area to levels higher than commercial systems, while maintaining energy density and efficiency.
Maximizing the performance of these pastes requires specific pressure and encapsulation conditions, making them dependent on the device they are integrated into. Therefore, a holistic approach was adopted, simultaneously developing the paste chemistry and device engineering, and using electrical testing parameters relevant to industrial conditions. This method contrasts with the usual research approach, where chemistry is developed independently, under laboratory conditions far removed from commercial reality, hindering its subsequent transition to industry and missing opportunities for customized design.
Throughout the project, increasingly advanced devices were designed, and the chemical formulation of a capacitive paste was developed and optimized using common and inexpensive materials, and produced through simple processes that do not require clean rooms or dry boxes. A hybrid paste with pseudocapacitive behaviour was achieved through the addition of a redox material, such as Prussian blue, demonstrating that it is an optimal base for further hybridization to improve energy density. The area capacitance achieved exceeded the values of commercial systems thanks to the implementation of electrodes with a thickness and active material loading approximately an order of magnitude higher than usual, improving gravimetric performance. The system's voltage, energy, and power were efficiently increased by designing a bipolar series cell stack. The developed system is stable and safe, with low operating temperature and non-flammable chemistry. Finally, the project advanced to a pre-industrial stage by developing a simplified manufacturing process that enables the production of functional cells by simply injecting the paste into the device.
The commercial appeal of this work lies in its potential to pave the way for the final evolution and industrialization of new compact energy storage systems with hybrid nanopaste electrodes featuring high mass loading, rechargeable, cost-effective, safe, and with an energy and power density that positions them between batteries and supercapacitors, making them suitable for numerous emerging applications.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Material