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Optimización de las condiciones de fermentación para la producción de hidrógeno en cultivos en lote y continuo
Get PDFTesis (Doctorado en Ciencias Ambientales)"El hidrógeno (H2) es considerado como el vector energético del futuro. Esto porque comparado con los hidrocarburos, contiene gravimétricamente 2.75 veces más energía, además de que su combustión solo genera vapor de agua como subproducto. El H2 también puede ser utilizado para la producción de energía eléctrica mediante celdas de combustible, sin la generación de gases de efecto invernadero. Alrededor del 95% del H2 utilizado en la industria se produce a partir de hidrocarburos, lo que lo convierte en un proceso no sustentable. Por el contrario, el bio-hidrógeno (Bio-H2) generado a partir de biomasa, es una alternativa energética sustentable y neutra en emisiones de gases de efecto invernadero. Algunos microorganismos son capaces de producir Bio-H2 bajo condiciones anaerobias, a partir de un amplio rango de sustratos orgánicos. En esta tesis se estudió la
producción de Bio-H2 en experimentos en lote y continuo utilizando sustratos tales como la glucosa y lactosa, además de lactosuero (LS), y lodo anaerobio granular tratado térmicamente como inoculo. En los experimentos en lote se estudió el efecto del pH inicial y de la concentración inicial de sustrato sobre el rendimiento molar (RMH) y la velocidad volumétrica de producción de Bio-H2 (VVPH). El RMH y la VVPH obtenidas en los experimentos en lote para los tres sustratos, se encontraron a pH iniciales superiores a los óptimos comúnmente reportados en la literatura. Posteriormente, por ser un subproducto industrial y mostrar valores altos tanto de RMH y VVPH, se seleccionó al LS como sustrato, para evaluar la producción de hidrógeno utilizando dos medios minerales diferentes (A y B). El análisis de la comunidad microbiana mostró diferencias en los microorganismos presentes utilizando ambos medios, predominando para el medio B la presencia de especies de Clostridium Enterobacter, mientras que en los experimentos con medio A solo se identificó a una proteobacteria. Consecuentemente, el uso de medio mineral B produjo alrededor del doble de la VVPH que fue lograda con el medio A, aunque el RMH tuvo solo un ligero incremento con la utilización del medio B. Finalmente, se operó un tanque agitado continuo durante 65.6 días utilizando LS como sustrato,
suplementado con medio mineral B. Se probaron tres tiempos de residencia hidráulico (TRH: 10, 6 y 4h) obteniendo la VVPH más alta con 6h. Además, se probaron cuatro cargas orgánicas (CO) incrementales a un TRH fijo de 6h. La VVPH más alta, 46.61 mmol H2/l/h y el RMH de 2.8 mol H2/mol lactosa se obtuvieron a una CO de 138.6 g lactosa/l/d. Las especies bacterianas dominantes a TRH de 10 y 6 h fueron las del género Clostridium. La VVPH obtenida en este estudio, en experimentos en continuo, es la más alta reportada para un sistema de tanque agitado inoculado con lodo anaerobio granular utilizando LS como sustrato. El aumento en los valores tanto de RMH como de la VVPH es crítico para determinar la aplicabilidad a mayor escala de estos procesos fermentativos, considerados potenciales generadores primarios de energía sustentable en el futuro cercano.""Hydrogen (H2) is seen as a future energy carrier. Because compared to hydrocarbons, it contains 2.75-times more energy by weight, besides the fact that its combustion only generates steam as by-product. H2 can be also used for electricity generation with the aid of fuel cells, without the production of greenhouse gases. Around the 95% of the H2 used in industry is now produced from hydrocarbons, which makes this process unsustainable. On the other hand, biohydrogen (Bio-H2) generated from biomass, is a sustainable energetic alternative which is also neutral in greenhouse gases emission. Some microorganisms are capable of produce Bio-H2 under anaerobic conditions, from a wide range of organic substrates. In this thesis, the production of Bio-H2 was studied with glucose, lactose and cheese whey (CW) as substrates, in batch and continuous experiments and heat-treated anaerobic granular sludge as inoculum. The effect of initial pH and initial substrate concentration on both the hydrogen molar yield (HMY) and volumetric Bio-H2 production rate (VHPR) was studied for the three substrates in batch experiments. Both, higher HMY and VHPR obtained in batch experiments were found at higher initial pH than commonly reported as optima in the literature. Furthermore, CW was selected to assess Bio-H2 production with two different media (A and B) due to the high HMY and VHPR obtained, and because CW is an industrial by-product. The microbial community analysis showed differences in the microorganisms present for the experiments with each medium. Clostridium and Enterobacter species dominated with the use of medium B, while experiments with medium A only showed the presence of a proteobacterium. Consequently, the use of mineral medium B yielded around twice the VHPR than the obtained with medium A, while HMY had a slight increase with the use of medium B. Finally, a continuous stirred tank reactor was operated for 65.6 days using CW as substrate, supplemented with mineral medium B. Three hydraulic retention times (HRT:10, 6 and 4h) were tested attaining the highest VHPR at 6h. Moreover, four organic loading rates (OLR) were evaluated at a fixed HRT of 6h. The highest VHPR, 46.61 mmol H2/l/h and HMY of 2.8 mol H2/mol lactose were attained at an OLR of 138.6 g lactose/l/d. The dominant bacterial species at HRT of 10 and 6h belonged to the Clostridium genus.
Métodos secuenciales de pretratamiento químico y enzimático de residuos agrícolas para la producción de metano.
Get PDFTesis (Maestría en Ciencias Ambientales)"Los residuos agrícolas poseen un porcentaje alto de materia orgánica difícilmente biodegradable (lignina, celulosa y hemicelulosa) por microorganismos anaerobios. El objetivo de este trabajo fue implementar procesos secuenciales de hidrólisis química y enzimática de paja de avena que permitan obtener una tasa alta de conversión de las fracciones de hemicelulosa y celulosa en azúcares fermentables (sacarificación) y maximizar la producción de metano. Los azúcares presentes en la hemicelulosa se solubilizaron mediante una hidrólisis ácida (HCl 2%, 2 h, 90°C). La lignina presente en el residuo sólido de la hidrólisis ácida se removió por medio de una hidrólisis alcalina con NaOH 1% (24 h) y H2O2 0.3% (24 h) ambas a temperatura ambiente. La celulosa presente en el residuo sólido de la hidrólisis alcalina se sometió a una hidrólisis enzimática, la cual fue optimizada mediante un modelo factorial complementado con un modelo de superficie de respuesta. Las condiciones óptimas encontradas fueron: concentración de enzima 0.9 mg/mL, 45°C, pH 4.5 y una concentración de sustrato de 40 g/L. Se obtuvieron hidrolizados ácidos y enzimáticos con altos valores de concentración de DQO (23.6 y 31.7 g DQO/L respectivamente) y de azúcares reductores (20.9 y 18.8 g/L respectivamente). Los hidrolizados líquidos, ácido y enzimático, fueron alimentados a dos reactores UASB metanogénicos (RAc y REnz, respectivamente). Se alcanzaron cargas de hasta 9 y 10 g DQO/L-d para el RAc y REnz respectivamente, a las cuales la producción de biogás y la remoción de DQO se mantuvieron estables. La tasa máxima de producción de metano fue de 3.2 y 3.6 L CH4/Lrx-d (STP), para el RAc y REnz respectivamente.""Agricultural residues have a high percentage of hardly biodegradable organic matter (lignin, cellulose and hemicellulose) by anaerobic microorganisms. The goal of this work was to implement chemical and enzymatic sequential saccharification processes of oat straw, in order to obtain a high conversion ratio of the cellulose and hemicellulose fractions to fermentable sugars (saccharification) to maximize the methane production. Sugars present in hemicellulose fraction were solubilized by means of acid hydrolysis (HCl 2%, 2 h, 90°C). The lignin present in solid residue of the a cid hydrolysis was solubilized by alkaline hydrolysis with NaOH 1% (24 h) and H2O2 0.3% (24h) both at ambient temperature. The cellulose present in the solid residue of alkaline hydrolysis was subjected to enzymatic hydrolysis, wich was optimized through a factorial model complemented with a surface response model. Optimal conditions found were: enzyme concentration 0.9 mg/mL, temperature 45°C, p H 4.5 and concentration of substrate of 40 g/L. Acid and enzymatic hydrolyzates contained high COD (23.6 and 31.7 g COD/L respectively) and reducing sugars (20.9 and 18.8 g/L respectively). The liquid hydrolyzates, acid and enzymatic, were fed to UASB methanogenic reactors (RAc and REnz, respectively). A maximum organic load of 9 and 10 g COD/L-d was reached for the RAc and REnz respectively, at which the production of biogas and the removal of COD were stable. The maximum methane production rates obtained were 3.2 and 3.6 L CH4/Lrx-d (STP), for the RAc and REnz respectively. Methane yield values in both reactors, 0.3 L CH4/gCOD (STP), which was similar to the theorical yield calculated by stoichiometry. Comparing the yield obtained based on VSS (0.5 L CH4/gSSV), in both reactors, we found that it was greater that the reported in the literature for anaerobic digestion of other straws without pretreatments (0.2-0.4 L CH4/gVSS (STP)).
Expresión diferencial de los genes TDH1, TDH2 y TDH3 de GIn3p.
Get PDFTesis (Maestría en Ciencias en Biología Molecular)"Debido a que se conoce muy poco acerca de la participación del factor transcripcional Gln3p de Saccharomyces cerevisiae sobre la regulación de genes diferentes al catabolismo del nitrógeno, nosotros nos planteamos estudiar la expresión de los genes TDH1, TDH2 Y TDH3 en ausencia de este factor transcripcional y cuando se tiene a una mutante que conserva el dominio de activación funcional (gln3AD). La elección de genes se basó en un experimento de microarreglos que demostró que quince genes dependen del dominio de activación de Gln3p incluyendo a TDH1,TDH2 y TDH3,que codifican para enzimas que participan en la glucólisis. El experimento de microarreglos se realizó en un medio SN-glutamina y glucosa comparando a la WT con la cepa gln3D del cuál se obtuvo una lista, y comparando a la cepa gln3D con la cepa gln3-(DA) del cuál se obtuvo otra lista independiente. Los genes comunes entre estas dos listas son los genes que dependen del dominio de activación de Gln3p. En nuestro estudio corroboramos que cuando la levadura Saccharomyces cerevisiae utiliza etanol como fuente de carbono no logra crecer en ausencia de GLN3; sin embargo, la cepa mutante que lleva el dominio de activación sí crece en el mismo medio. Adicionalmente, el estudio de la expresión de los genes TDH1 y TDH2 por RTPCR demostró que en la cepa mutante nula de GLN3 disminuye su expresión en SNglucosa y SN-etanol, pero se recupera en la mutante que conserva al dominio de activación.""Little is known about the relationship between GLN3 and other genes which are not related with the nitrogen catabolism. Based on a microarray experiment, we identified a group of genes that are regulated directly or inderectly by the activation domain of GLN3 including TDH1,TDH2 and TDH3, whose protein products are enzymes involved in glucose catabolism. We found that when the yeast Saccharomyces cerevisiae is grown in SN-ethanol, the gln3? strain can not grow, whereas the gln3– strain which contains a Gln3p that conserves the activation domain, grows at similar rate than wild type strain. Furthermore, the mRNA expression analysis showed that the expression level of TDH1 and TDH2 decreased in the gln3? strain, whereas the gln3– strain recovers with similar level of expression that of the wild type strain, not only in a SN-glucose medium but also in a SN-ethanol . We also observed differential expression of TDH3 in a SNglucose.
Characterization of volatile compounds from ethnic Agave alcoholic beverages by gas chromatography-mass spectrometry
Get PDF"Ethnic Agave alcoholic beverages such as raicilla, sisal, tequila, mezcal, bacanora, sotol and pulque have been analyzed by gas chromatography and headspace solid-phase microextraction- gas chromatography-mass spectrometry (HS-SPME-GC-MS). There were 105 compounds identified, eleven were classified as major compounds and the others were classified as minor compounds. Seventeen minor compounds could be used as authenticity markers since they were beverage specific. Cluster analysis (CA) showed that Agave alcoholic beverages could be distinguished by multivariate analysis of major compounds; however, the analysis of minor compounds provided a better fingerprinting.
Adipogénesis en mamíferos: su inhibición por neuropéptidos RFamida y una estrategia más eficiente para el cultivo de preadipocitos humanos
Get PDFTesis (Doctorado en Ciencias en Biología Molecular)"Esta tesis está estructurada en dos partes para facilitar el análisis de los resultados y se centra en dos diferentes aspectos de la adipogénesis: el efecto de los neuropéptidos RFamida y el cultivo de adipocitos de ratón y humano. Parte 1. Efecto de los neuropéptidos RFamida sobre adipogénesis El metabolismo energético y el tejido adiposo son regulados estrechamente por el sistema nervioso. Los neuropéptidos RFamida NPFF y NPAF alteran la expresión génica en los adipocitos 3T3-L1 terminalmente diferenciados, pero se desconoce su papel en la adipogénesis. Aquí mostramos que los neuropéptidos RFamida NPFF, NPAF y NPSF inhiben la diferenciación de los preadipocitos 3T3-F442A en función de su concentración, pero no afectan la adipogénesis de la línea celular relacionada 3T3-L1. Así mismo, los tres neuropéptidos bloquean la diferenciación de preadipocitos humanos subcutáneos normales y derivados de lipoma. La inhibición de la adipogenesis por los neuropéptidos RFamida es simultánea a la sobreexpresión de Id3, un factor de trascripción que previene la diferenciación adiposa. NPAF bloquea de manera irreversible el establecimiento del compromiso a la diferenciación terminal en los preadipocitos 3T3-F442A. Esto hace a NPAF un inhibidor único y útil para el estudio del compromiso a la diferenciación adiposa terminal. Parte 2. Estrategias de cultivo para el crecimiento y diferenciación de preadipocitos de ratón y humano Con el medio L15 logramos mejores tasas de proliferación y de diferenciación para preadipocitos humanos subcutáneos que con DMEM-F12, el medio tradicionalmente usado en estos cultivos. El medio L15 también permite mejores condiciones de cultivo para los preadipocitos 3T3 de ratón. Conclusiones. Nuestros resultados confirman que los neuropéptidos RFamida generados en el sistema nervioso central regulan el desarrollo del tejido adiposo, siendo NPAF un inhibidor único debido a su capacidad irreversible para prevenir el compromiso de los preadipocitos. Además, proporcionan una técnica mejorada para la diferenciación adiposa y explora técnicas de cultivo de célula humanas troncales derivadas del tejido adiposo humano para usos biotecnológicos.""This thesis is constructed in two reports to facilitate the analysis of the results and it investigation is based on two different aspects of the adipogenesis: the effect of the neuropeptides RFamida and culture of murine and human preadipocytes. Part 1. Effect of the neuropeptides RFamida on adipogenesis Energetic and adipose metabolism are regulated by the nervous system. RFamide neuropeptides NPFF and NPAF affect gene expression of terminally differentiated 3T3-L1 adipocytes but their role on adipogenesis is unknown. Here we show that neuropeptides NPFF, NPAF and NPSF inhibit differentiation of 3T3-F442A preadipocytes in a concentration-dependent manner but do not affect 3T3-L1 differentiation. All three neuropeptides also block adipose differentiation of normal and lipoma-derived human subcutaneous preadipocytes. Inhibition by RFamide neuropeptides is associates to overexpresion of the Id3 gene which encodes a transcription factor that anticipates adipose differentiation. Since inhibition of adipogenesis by NPAF was not arrested after removal of the neuropeptide and further incubation of 3T3 cells with adipogenic medium, this neuropeptide appears to irreversibly block the commitment to terminal differentiation in 3T3-F442A preadipocytes. These results make NPAF a unique inhibitor to study commitment to adipose terminal differentiation. Part 2. Culture techniques for growth and differentiation of murine and human preadipocytes To improve the culture of primary human adipocytes we tested the L15 medium which does not require a special atmosphere. With this medium we achieved better rates of proliferation and differentiation for primary human subcutaneous preadipocytes and 3T3 murine preadipocytes than with the traditionally used DMEM-F12 medium. Conclusions Our results confirm that RFamide neuropeptides generated in the central nervous system regulate the development of adipose tissue system among which NPAF is unique due to its ability to irreversibly prevent preadipocyte commitment, and provide an improved technique for adipocyte differentiation and to explore biotechnological applications of human stromal adipose cell cultures.
Identification of yeast and bacteria involved in the mezcal fermentation of Agave salmiana
Get PDF"Aims: To identify the yeast and bacteria present in the mezcal fermentation from Agave salmiana. Methods and Results: The restriction and sequence analysis of the amplified region, between 18S and 28S rDNA and 16S rDNA genes, were used for the identification of yeast and bacteria, respectively. Eleven different micro‐organisms were identified in the mezcal fermentation. Three of them were the following yeast: Clavispora lusitaniae, Pichia fermentans and Kluyveromyces marxianus. The bacteria found were Zymomonas mobilis subsp. mobilis and Zymomonas mobilis subsp. pomaceae, Weissella cibaria, Weissella paramesenteroides, Lactobacillus pontis, Lactobacillus kefiri, Lactobacillus plantarum and Lactobacillus farraginis. Conclusions: The phylogenetic analysis of 16S rDNA and ITS sequences showed that microbial diversity present in mezcal is dominated by bacteria, mainly lactic acid bacteria species and Zymomonas mobilis. Pichia fermentans and K. marxianus could be micro‐organisms with high potential for the production of some volatile compounds in mezcal. Significance and Impact of the Study: We identified the community of bacteria and yeast present in mezcal fermentation from Agave salmiana.
Prevalence of high-risk human papillomavirus types in Mexican women with cervical intraepithelial neoplasia and invasive carcinoma
Get PDF"Prevalence of high risk (HR) human papillomavirus (HPV) types in the states of San Luis Potosí (SLP) and Guanajuato (Gto), Mexico, was determined by restriction fragment length-polymorphism (RFLP) analysis on the E6 ~250 bp (E6-250) HR-HPV products amplified from cervical scrapings of 442 women with cervical intraepithelial neoplasia and invasive carcinoma (280 from SLP and 192 from Gto). Fresh cervical scrapings for HPV detection and typing were obtained from all of them and cytological and/or histological diagnoses were performed on 383.
Modeling and control of a three-level neutral point clamped converter by transient distortion of reference signal.
Get PDFTesis (Maestría en Control y Sistemas Dinámicos)"Utilizando la formulación de Euler–Lagrange, se desarrolla un modelo completo para el convertidor NPC–3 adecuado para efectos de diseño de control. Para introducir una entrada de control adicional, y utilizarla para alcanzar el objetivo de balanceo, una perturbación transitoria es añadida a la señal de referencia de corriente. Se propone un controlador y se estudia la estabilidad del sistema en el sentido de Lyapunov. Para probar el buen desempeño del controlador se llevaron a cabo simulaciones numéricas en las que se observaron resultados satisfactorios para el seguimiento y la regulación. Sin embargo, a partir de estas pruebas, se encontró un compromiso entre el balanceo y la distorsión armónica total, grosso modo, no es posible alcanzar el primero sin alterar al segundo.""Modeling via the Euler–Lagrange Formulation of the NPC–3 power converter is performed providing with a complete model suitable for control purposes. A transitory perturbation is added to the current reference signal to provide with an extra control input used to reach a balance objective. A controller is proposed and its stability in the sense of Lyapunov studied. To test the performance of the controller, numerical simulations are performed, obtaining satisfactory overall results for tracking and regulation. Nevertheless, a tradeoff between balance and the THD reduction of the inductor’s currents prevents from reaching full balance.
Aplicación del paradigma de desarrollo de las zonas secas (DDP), examinando el uso del agua en un sistema humano-ambiental: estudio de caso en La Amapola, México.
Get PDFTesis (Maestría en Ciencias Ambientales)"La desertificación es el problema ambiental mundial más importante en zonas secas. El 50 % del territorio Mexicano consiste en zonas áridas y donde viven el 60 % de la población. En las comunidades rurales de las zonas áridas, la variabilidad en la precipitación, el cambio de uso de suelo, y la degradación de la tierra, ocurren con alta frecuencia. En ellas, la intensificación agropecuaria ha causado grave deterioro en; la cobertura vegetal, la estructura del suelo y su capacidad de almacenar agua, provocando disfuncionalidad hidrológica en el sistema humano-ambiental. Nuestro objetivo fue aplicar un nuevo marco conceptual para el estudio de la desertificación conocido como paradigma de desarrollo de las zonas secas (DDP), que permite identificar los factores biofísicos y socioeconómicos claves, que contribuyen a diferentes escalas temporales y espaciales a los procesos de la alteración en la hidrología del paisaje y favorecen el avance de la desertificación en una comunidad rural en México (La Amapola). Esta comunidad está caracterizada por vegetación de bosque de pino-encino, pastizal secundario, agricultura de temporal y abandonada. Para tal efecto se analizó la dinámica del agua en los mosaicos de vegetación arriba mencionados, así como la adaptación comunitaria a los cambios de la hidrología. Al mismo tiempo se monitoreó la precipitación, el escurrimiento y la infiltración en cada mosaico vegetal, se determinó la proporción de cobertura vegetal en diferentes tipos de vegetación y se exploró la percepción de la comunidad sobre las causas de la desertificación local. Los resultados arrojan que debido al cambio de uso de suelo obtenido de las fotografías áreas de 1969 al 2004, se infiltran aproximadamente 7,000 millones menos de litros de lluvia al subsuelo, existiendo al mismo tiempo 15 millones de litros más de escurrimiento en la actualidad comparado a lo que posiblemente se observaba hace 39 años. Dentro de los factores biofísicos tomando como referente al bosque se registró que la profundidad del suelo disminuyó en pastizal y en agricultura abandonada en un 34 y 43% respectivamente, el escurrimiento superficial por su parte fue mayor en pastizal y en la agricultura activa en un 300 y 30% respectivamente. Con relación a las variables socioeconómicas, se constató que la comunidad no discierne las causas de degradación de la tierra y las implicaciones de sustentabilidad hidrológica.""Desertification is one of the most significant environmental problems world-wide in drylands. Fifty percent of the Mexican territory are drylands, where 60% of its population lives. In the rural communities of drylands variability in precipitation, land use change, and land degradation occur frequently. In particular, increase in livestock productivity has caused severe deterioration in the plant cover, soil structure, and capacity in water retention of soils leading to hydrological dysfunctionality of human-environmental systems. The objective of this study was to apply a new conceptual framework for the integrative study of desertification, the Dryland Development Paradigm (DDP), which allows identify the key biophysical and socioeconomic factors, that contribute at different temporal and spatial scales to the processes of modification in the hydrology of the landscape and that favor the increase of desertification in a rural community in Mexico (La Amapola). The vegetation is characterized by pine-oak forest, secondary grassland, rain-fed and abandoned agriculture. Hence, we examined the following processes: the temporal and spatial dynamics in the hydrology in patches of different land-use types, and how humans have adapted to these changes over time. We monitored annual precipitation, run-off and infiltration and determined the proportion of plant and soil cover at each site; we also explored community perception of potential drivers of local desertification. For the biophysical factors and using the forest sites as reference sites, our results indicated that change in land-use has lead to a soil loss and hence severe reduction of water recharge capacity of approximately 7,000 millions of liters and an increase in run-off of about 15 million liters as compared to quantities 35 years ago. With respect to soil cover, in comparison to forests we observed a 34 % and 43 % reduction in grasslands and fallow agriculture respectively. With respect to surface run-off, we observed an increase of 300% in grassland, and 30% in active agriculture sites. Considering socioeconomic factors, we conclude that the community is not aware of the causes of land degradation and its implication on the hydrological sustainability of the landscape.
Expansion of human hematopoietic stem cells for transplantation: trends and perspectives
No full text"Umbilical cord blood transplantation is clinically limited by its low progenitor cell content. Ex vivo expansion has become an alternative to increase the cell dose available for transplants. Expansion has been evaluated in several ways such as static cultures combining growth factors or mimicking the natural microenvironment using co-culture systems. However, static cultures have a small volume capacity and therefore large-scale expansion has been addressed using bioreactors. These and other biotechnological approaches for the expansion of hematopoietic progenitors and their utility to study several aspects of hematopoietic stem cell biology are discussed here.