Disseny, simulació i prototipatge de dispositius per a la detecció de matèria orgànica en mostres d’aigua

Abstract

L’objectiu inicial de la present tesi és la miniaturització d’un sistema per a la mesura ràpida de la DBO en mostres d’aigua. Per això, s’incorporaran cultius microbians a dispositius microfluídics que permeten la realització de mesures electroquímiques. Aquest camp, que ha experimentat un ràpid creixement en els darrers anys, es basa la utilització d’elements biològics —com són espècies o comunitats microbiològiques, proteïnes o enzims— com a element sensor o com a reactor de mesures electroquímiques. Aquestes aproximacions haurien de ser vàlides i suficientment ràpides per ser utilitzades com a element de control en àmbits com el seguiment ambiental o processats industrials diversos. Això és rellevant, ja que els mètodes analítics emprats més habitualment requereixen de diversos dies per obtenir els resultats, fet que els fa inadequats per fer el seguiment de processos. A més a més, es planteja enfocar aquests desenvolupaments donant un paper clau a les eines de simulació i modelització matemàtica, de tal forma que es pugui validar el dispositiu dissenyat, en el major grau possible, abans d’entrar en les fases de fabricació i test experimental. Si bé les eines de simulació matemàtica ja són àmpliament utilitzades, en la major part dels casos s’utilitzen com a validació de dispositius que ja han estat fabricats i testats. Plantejar les simulacions matemàtiques com una eina combinada en la fase del disseny, implica que aquestes simulacions hauran d’abastar el conjunt d’elements rellevants per al problema o dispositiu, però a la vegada hauran de permetre contrastar els resultats i adaptar el disseny abans de les fases de més requeriments en recursos i temps, que són la fabricació de prototips i la seva validació experimental. Pel que fa a la fabricació del dispositiu, es maximitzarà l’ús de tecnologies ràpides i de baix cost, tant per al desenvolupament dels diferents prototips, com per ser una constricció remarcable de cara a la seva fabricació i introducció a gran escala. Finalment, també es tindrà l’objectiu que els dispositius construïts siguin el més versàtils possible, tant de cara a adaptar-los a altres usos i processos analítics com en termes de facilitar-ne la integració en altres dispositius, en la línia del que es coneix com a sistemes de lab-on-a-chip.

El objetivo inicial de esta tesis es la miniaturización de un sistema de medida rápida de la DBO en muestras de agua. Para eso, se incorporan cultivos microbianos a dispositivos microfluídicos que permitan la realización de medidas electroquímicas. Este campo, que ha experimentado un rápido crecimiento en los últimos años, se basa en la utilización de elementos biológicos –como son especies o comunidades microbiológicas, proteínas o enzimas– como elemento sensor o como reactor de medidas electroquímicas. Estas medidas deben ser válidas y suficientemente rápidas para ser utilizadas como elemento de control en ámbitos como el seguimiento ambiental o procesados industriales diversos. Esto es relevante, ya que los métodos analíticos utilizados más habitualmente requieren de varios días para obtener resultados, lo que los hace inadecuados para realizar el seguimiento de procesos. Además, se plantea enfocar estos desarrollos dando un papel clave a las herramientas de simulación y modelización matemática, de tal forma que se pueda validar el dispositivo diseñado, en el mayor grado posible, antes de entrar en la fase de fabricación y test experimental. Si bien las herramientas de simulación matemática ya son ampliamente utilizadas, en la mayor parte de los casos se utilizan como una validación de dispositivos que ya han sido fabricados y testados. Plantear las simulaciones matemáticas cómo una herramienta combinada en la fase de diseño, implica que estas simulaciones deben abarcar el conjunto de elementos relevantes para el problema o dispositivo, pero a su vez deberán permitir contrastar los resultados y adaptar el diseño antes de las fases de más requerimiento de recursos, que son la fabricación de prototipos y su validación experimental. En lo referente a la fabricación del dispositivo, se maximizará el uso de tecnologías rápidas y de bajo coste, tanto para el desarrollo de los diferentes prototipos, como por ser una constricción remarcables de cara a su fabricación e introducción a gran escala. Finalmente, también se ha tenido el objetivo que los dispositivos construidos sean lo más versátiles posible, tanto en el sentido de adaptarlos a otros usos y procesos analíticos como en términos de facilitar su integración en otros dispositivos, en la línea de lo que se conoce como sistemas de lab-on-a-chip.

The initial objective of this thesis is the miniaturization of a system for rapid measurement of the BOD (Biological Oxygen Demand) in water samples. So, microbial cultures are incorporated into microfluidic devices that enable electrochemical measurements. This field, which experienced a fast growth in recent years, is based on the use of biological elements –such as microbial species or communities, proteins or enzymes– as sensor element or reactor for electrochemical measures. These measures should be valid and fast enough to be used as a control parameter in areas such as environmental monitoring and various industrial processing. This is relevant because the analytical methods used most commonly require several days to get results, which makes them unsuitable for process monitoring. In addition, we propose to approach these developments giving a key role to simulation tools and mathematical modelling, so you can validate the device designed, to the greatest possible extent before entering the production and experimental test phases. While mathematical simulation tools are already widely used, in most cases they are used as a validation tool for devices that have already been manufactured and tested. Raise mathematical simulations how a combination tool in the design phase, implies that these simulations should cover all relevant elements for the problem or device, but in turn should allow contrast results to adapt the design before the more resource requiring phases, which are prototyping and experimental validation. With regard to device fabrication, the use of fast and low cost technology, for the development of the various prototypes, and as being a remarkable constriction towards their manufacture and large-scale introduction, will be maximized. Finally, it has also been a target for constructed devices to be as versatile as possible, both in the sense of adapting to other uses and analytical processes, and in terms of having an easy integration into other devices, in line with what is known as lab-on-a-chip systems.