Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Bianchetti, Arturo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> En esta Tesis se investigan y analizan tres técnicas para el desarrollo de plataformas de biosensado Lab-On-a-Chip (por sus siglas en inglés, LoC). Se presenta una técnica que permite aumentar la precisión en la cuantificación de cantidades reducidas de fluidos en aplicaciones de transporte electroosmótico y dos técnicas de detección óptica con aplicación en biosensado. Estas técnicas intervienen directamente en la automatización de procesos para la cuantificación de un elemento biológico específico o analito usando cantidades muy reducidas de fluidos. En la evolución tecnológica de las plataformas LoC se observa un constante incremento de complejidad requerida tanto en el desarrollo de sistemas de transporte microfluídico, bioreceptores y elementos transductores, como del empleo de técnicas de análisis y procesamiento de señales. En el área de transporte de especies en sistemas microfluídicos, el trabajo de Tesis está dirigido a la introducción de un modelo numérico basado en presiones de Laplace, el cual permite explicar el origen y la dinámica de gradientes de presión adversos indeseados, que pueden reducir e incluso cancelar el flujo, presentes en aplicaciones de transporte electroosmótico con mayor precisión a la alcanzada por modelos previos basados en presión hidrostática. Esto se traduce en un aumento de la precisión en el manejo de cantidades reducidas de fluidos en sistemas de transporte electroosmótico. Con respecto a las técnicas de biosensado que pueden ser implementadas en plataformas tipo LoC, en este trabajo de Tesis se explota el uso de la óptica. Se desarrollan dos abordajes bien diferenciados tanto en forma teórica como experimental: el empleo de un marco de referencia
interferométrico de geometría dual basado en detección de fase usando análisis deseñales mediante el empleo de transformadas synchrosqueezing, y la aplicación de sistemas de detección basados en resonadores ópticos circulares del tipo whisperinggallery modes (por sus siglas, WGM). Ambas modalidades son discutidas en forma general utilizando experimentos controlados que se independizan de la naturaleza del elemento biológico. De esta manera los análisis presentados ponen en evidencia los pros y contras de ambas técnicas y marcan un hito de lo que se espera para su futura adaptación en el uso de plataformas tipo LoC.]]>
In this Thesis, we investigate and analyze three techniques for the development of Lab-On-a-Chip (LoC) biosensing platforms. We present a technique that allows increasing the handling precision of reduced fluid volumes in electroosmotic transport applications and two biosensing capable optical detection techniques. These techniques directly intervene in the automation of processes for the quantification of a specific biological element or analyte using minimal amounts of fluids. The technological evolution of LoC platforms shows a constant increase in the required complexity both for the development of microfluidic transport systems, bio-receptors and transducer elements, as of the use of analysis and signal processing techniques. Regarding the area of species transport in microfluidic systems, this Thesis is aimed at the introduction of a numerical model, based on Laplace pressures, which explains the origin and dynamics of undesired adverse pressure gradients, that appear in electroosmotic transport applications, which can reduce and even cancel the flow with greater precision than that achieved by previous models based on hydrostatic pressure. This renders in a precision increase in the handling of reduced amounts of fluids in electroosmotic transport systems. Regarding the biosensing techniques that can be implemented in LoC platforms, in this Thesis, we make use of optics. Two approaches are developed, differentiated both theoretically and experimentally: (1) the use of a dual-geometry interferometric reference framework based on phase detection employing signal analysis through the use of synchrosqueezing transforms, and (2) the application of detection systems based on whispering-gallery modes optical microresonators (for short, WGM). Both methods are discussed in a general way using controlled experiments independent of the biological element nature. In this way, the presented analyzes highlight the pros and cons of both techniques and mark a milestone towards its future adaptation in LoC platforms.]]> Bianchetti, Arturo]]>
Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Boggi, Silvina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Laboratorio de radiación. Facultad de Ingeniería .UBA]]> En el presente trabajo de Tesis Doctoral se realizó el desarrollo y análisis de modelos de respuesta dieléctrica y magnética en materiales cerámicos ferrimagnéticos y en metamateriales con el fin de evaluar propiedades y su posterior aplicación tecnológica. El grupo de investigación en el cual se realizó este trabajo de tesis cuenta con una amplia experiencia tanto en el campo experimental como teórico en el estudio de propiedades electromagnéticas de materiales cerámicos y su interacción con la radiación electromagnética. En el Capítulo 1 se presentan los Fundamentos de la Teoría Electromagnética aplicando el Sistema Internacional de Unidades (SI), y también la nomenclatura utilizada en Ingeniería Electromagnética. En el Capítulo 2 se estudian los medios dieléctricos y magnéticos convencionales y se proponen modelos matemáticos de permitividad eléctrica y permeabilidad magnética en los mismos. Existen en la actualidad varios modelos de permitividad eléctrica en materiales convencionales sometidos a campos electromagnéticos, el modelo más conocido, que se presenta en esta tesis es el modelo de Debye, en el que la suposición fundamental es un tiempo finito de relajación, también se presenta un apartamiento común del modelo de Debye, el denominado modelo de Davidson – Cole. Respecto a la respuesta magnética el modelo de permeabilidad magnética en ferritas que se desarrolla en esta tesis contempla dos mecanismos de magnetización. El primero se refiere al desplazamiento de la pared de los dominios, siendo los campos externos los responsables del desplazamiento de la pared de dichos dominios. El otro mecanismo de magnetización es el momento angular intrínseco del electrón o spin. Al final del capítulo se realiza un desarrollo teórico del principio de causalidad de los sistemas físicos con el objeto de verificar la causalidad de los modelos anteriores . Un sistema lineal es causal si la salida no anticipa valores futuros de la entrada. La causalidad en un sistema físico lineal se analiza por medio de las relaciones de Kramers Kronig. En el capítulo 3 se introduce el tema de los metamateriales. Materiales construidos por el hombre en los que la propagación Electromagnética es de tal forma que los vectores campo eléctrico E, campo magnético H y el vector de propagación k forman una tríada de la mano izquierda (LH), mientras que los materiales convencionales forman una tríada de la mano derecha (RH). Se presentan sus principales características, entre ellas la permitividad eléctrica y permeabilidad magnética simultaneamente negativas en cierto rango de frecuencias lo que indica un índice de refracción negativo. En el capítulo 4 se muestran los resultados de la simulación de la permeabilidad magnética en ferritas aplicando un algoritmo de optimización. Se aplicó el método de los Algoritmos genéticos para el ajuste numérico de los coeficientes en el modelo de permeabilidad magnética en función de la frecuencia para diversas ferritas de NiZn dopadas con Ytrio Rutenio y Galadinia. Se utilizaron datos experimentales obtenidos en el laboratorio LAFMACEL de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (FIUBA). Se verificó la causalidad del modelo con los coeficientes obtenidos simulando las relaciones de Kramers Kronig sobre modelo. En el capítulo 5 se presenta un modelo de permitividad eléctrica en metamateriales. Así mismo, se simuló la permitividad eléctrica efectiva de un metamaterial en función de la frecuencia para distintas geometrías del sistema. Se aplicó el método de Modelos de líneas de transmisión (TLM) para simular el campo eléctrico dentro del material. Al final del capítulo se describen dos prototipos de metamateriales construidos por la tesista en colaboración con los integrantes del laboratorio de radiación de la Facultad de Ingeniería de la UBA y la aplicación de los mismos en blindajes de ondas electromagnéticas. Se evaluó experimentalmente la eficiencia de blindaje de los distintos prototipos. En el capítulo 6 se estudió la respuesta numérica de un modelo de permeabilidad magnética efectiva de un metamaterial modificando la geometría de la estructura. Se realizó la simulación del material mediante el método diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) y se verificó la causalidad del mismo.

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This Doctoral Thesis presents the development and analysis of dielectric and magnetic response models in ferrimagnetic and metamaterial ceramic materials that were performed in order to evaluate their properties and subsequent technological application. The Research Group in which this thesis has been carried out has wide experience, both experimental and theoretical, in the field of electromagnetic properties of ceramic materials and their interaction with electromagnetic radiation. Chapter 1 presents the Fundamentals of Electromagnetic Theory by applying the International System of Units (SI), as well as the nomenclature used in Electromagnetic Engineering. Chapter 2 describes conventional dielectric and magnetic media and proposes mathematical models of their electrical permittivity and magnetic permeability. Currently, there are several models of electrical permittivity in conventional materials subjected to electromagnetic fields. The best-known model presented in this thesis is the Debye Model, in which the fundamental assumption is the existence of a finite relaxation time. There also exists a common deviation from the Debye model, the so-called Davidson-Cole model. With regard to the magnetic response, the model of magnetic permeability in ferrites developed in this thesis considers two magnetization mechanisms. The first concerns the displacement of the wall of domains, being the external fields responsible for their movement. The other magnetization mechanism is the intrinsic angular momentum of the electron or spin. At the end of the chapter, the theoretical development of the principle of causality of physical systems is carried out in order to verify the causality of the presented models. A linear system is causal if the output does not anticipate future input values. Causality in a linear physical system is analyzed by the Kramers Kronig’s relations. Chapter 3 introduces the topic of Metamaterials. They are man-made materials in which the Electromagnetic propagation is such that electric field E, magnetic field H, and propagation k vectors form a left-hand triad (LH), while in conventional materials they form a right hand (RH) triad. Their main characteristics are presented, among them the simultaneously negative electrical permittivity and magnetic permeability in a certain frequency range, which indicates a negative refractive index. Chapter 4 shows the results of the simulation of magnetic permeability in ferrites applying an optimization algorithm. The Genetic Algorithms method was applied for the numerical adjustment of coefficients as functions of frequency in the magnetic permeability model for various NiZn ferrites doped with Yttrium Ruthenium and Galadinia. Experimental data obtained in the LAFMACEL laboratory of the Faculty of Engineering of the University of Buenos Aires (FIUBA), were used. The causality of the model was verified with the coefficients obtained by simulating the Kramers Kronig relation on the model. Chapter 5 presents a model of electrical permittivity in metamaterials. The effective electrical permittivity of a metamaterial was simulated as a function of frequency for different geometries of the system. The Transmission Line Models (TLM) method was applied to simulate the electric field within the material. At the end of the chapter, two metamaterial prototypes built in this thesis in collaboration with members of the FIUBA Radiation Laboratory and their application to shielding electromagnetic waves are described. The shielding efficiency of the different prototypes was experimentally evaluated. Chapter 6 presents results for the numerical response of an effective magnetic permeability model of a metamaterial by modifying the geometry of the structure. The material was simulated using the finite difference in time domain (FDTD) method and its causality was verified.

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Boggi, Silvina]]>
Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Área Ingeniería ]]> Disciplina: Ingeniería Electrónica]]> Fil: Briff, Pablo Ariel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Presenta índice de contenido]]> Resumen: Las Redes de Sensores Inalámbricos han atraído gran atención en el mundo académico e industrial en los últimos 10 años debido a su uso en diversas aplicaciones de sensado, y control, ya sea en el ámbito doméstico, industrial o militar. Una red de sensores inalámbricos, más comúnmente denominada por su nombre en inglés Wireless Sensor Network (WSN), presenta desafíos complejos que deben ser inevitablemente abordados para lograr su adecuado funcionamiento. Entre ellos se encuentran el manejo de la energía, la sincronización de los nodos, la fiabilidad, la prevención de fallas, y las técnicas de procesamiento de la información. Esta tesis aborda estos problemas desde un punto de vista analítico, analizando los diferentes escenarios mediante herramientas matemáticas y proponiendo soluciones de relación de compromiso para que el diseñador de una WSN pueda tomar las decisiones adecuadas para la cumplir con los requisitos su aplicación. ]]> Briff, Pablo Ariel]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Bujjamer, Juan Marco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: Laboratorio de Electrónica Cuántica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – UBA. En el marco de las beca doctorales ANCYPT y CONICET.]]> En esta tesis se trabajó sobre técnicas de incremento de la sensibilidad en análisis cuantitativo utilizando herramientas ópticas. Con el foco puesto en aplicaciones biológicas y químicas, las estrategias utilizadas se pueden dividir en dos partes. Por un lado se aprovecharon las propiedades únicas de los lantánidos en la fabricación y aplicación de nanosensores con muy alta relación señal/fondo, de particular importancia en el análisis de líquidos túrbidos y medios altamente dispersivos. Con este fin se construyó un equipo para medir simultáneamente tiempo de vida y espectro de partículas luminiscentes por upvonversion (conversión ascendente) y se lo utilizó en su caracterización espectral, que tiene en cuenta sus características estacionarias pero también su dinámica resuelta en el tiempo. Por otra parte se implementó un microscopio basado en Pticografía de Fourier, una técnica que añade contraste de fase a un microscopio de transmisión tradicional y permite incrementar la resolución hasta el límite de difracción. Es de particular interés en la generación de capturas de gran tamaño con muy buena capacidad resolvente, dotando a su vez al sistema de sensibilidad de fase para la medición de espesores e índices de refracción. Se construyó un prototipo de microscopio y se trabajó en técnicas para incrementar su robustez, necesaria para el desarrollo de un instrumento de campo. Se introdujo a su vez una técnica de información estadística basada en el concepto de Información de Fischer para encontrar las zonas de máximo contenido informacional de acuerdo a la aplicación y finalmente optimizar la adquisición en tiempo y desempeño. En conjunto, ambas técnicas permiten estudiar procesos con mínima perturbación al medio observado, favoreciendo la observación de fenómenos biológicos y químicos en su contexto natural con bajo ruido y alto poder resolvente. Se han desarrollado estrategias de vinculación tecnológica para su introducción en soluciones industriales específicas tales como el sensado de efluentes y líquidos en intercambiadores de calor o el análisis petrográfico en la industria petroquímica y así demostrar su utilidad y potencialidad práctica.]]> This thesis is centered in the implementation of optical tools to improve the sensitivity of quantitative measurements. Aiming to assess typical problems in biological and chemical applications, the strategies can be divided in two areas. On the one hand, the unique properties of lanthanides were successfully used in our advantage to construct nanosensors with a high signal/background ratio, of particular importance in the analysis of turbid or highly scattering media. With this objective in mind, a spectrometer was adapted to measure simultaneously the lifetime decay and stationary spectra of upconverting nanoparticles, allowing for the spectral characterization in both dynamical and stationary domains. On the other hand, we built a Microscope based in Fourier Ptychography allowing phase contrast imaging and resolution increase up to the limit of diffraction. This technique is perfectly suitable for large field of view applications with no loss of resolving power, with additional sensitivity to measure refractive indexes and sample heights. A laboratory prototype was constructed and used to elaborate robustness improvement techniques, a crucial need in an industrial environment. As a whole, both techniques provide a mean to study media in a minimally invasive manner, favoring the observation of biological and chemical phenomena in their natural environment with low noise and high resolving power. Technology transfer strategies were developed to introduce their application in specific industrial solutions such as effluent characterization and heat interchanging systems analysis or thin sample petrographic imaging in the petrochemical industry thus demonstrating the practical potential of the presented techniques.]]> Bujjamer, Juan Marco]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Area Ingeniería]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Caiafa, César Federico. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Bliografía p.123-132]]> Lista de notaciones y símbolos matemáticos]]> Resumen en inglés y español]]> Resumen: En esta tesis se desarrollan modelos matemáticos y técnicas para el tratamiento de señales en dos dimensiones (imágenes) y se elaboran nuevos algoritmos para la resolución de problemas importantes en procesamiento de imágenes, como son: la separación ciega de fuentes (Blind Source Separation - BSS), la reducción de ruido y el reconocimiento de patrones.]]> Caiafa, César Federico]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Calarco, Nicolás Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional del Comahue, en el marco de becas doctorales de la Universidad del Comahue, de la ANPCyT y del CONICET.]]> La necesidad de optimizar el desempeño de un codificador óptico basado en un haz no difractivo (NDB) llevo a diseñar y fabricar un circuito integrado fotodetector de anillos concéntricos que pudiera sintetizar el patrón de detectividad necesario para hacerlo. En este trabajo se implemento por primera vez este chip en un codificador óptico y se caracterizo su funcionamiento. Se encontró que el chip debe ser alineado micrométricamente con el centro del NDB para que la señal de salida del codificador no pierda amplitud y contraste. Para automatizar el proceso de alineación se diseñó y fabrico un segundo chip que permite interconectar sus pixeles de manera programable para sintetizar el patrón de detectividad centrado con el NDB. Este chip se caracterizó y también se implementó en el codificador óptico basado en un NDB. Luego, una unidad de control especifica que automatiza el proceso fue diseñada y descripta en VHDL, implementada en FPGA y probada junto con el chip. La capacidad de interconectar pixeles de manera arbitraria que posee este nuevo chip abre la posibilidad de otras aplicaciones que también fueron ensayadas en esta tesis con resultados promisorios.]]> The need to optimize the performance of optical encoders based on non diffractive beams (NDB) has led to the design and construction of a photodetector integrated circuit that can synthesize the needed detectivity pattern. In this work, this chip was implemented on an NDB based optical encoder to check its performance. The design worked properly, however, the photodetector center has to be aligned with the center of NDB with micrometric tolerances. In order to automatize the alignment process, a second chip was designed and fabricated. This second chip has the ability to interconnect their pixels in an arbitrary manner, allowing this way that the detectivity pattern can be synthetized around the NDB center. The chip was characterized and it was also implemented on the NDB optical encoder. A dedicated control unit that automatizes the process was designed, described in VHDL, prototyped on FPGA and tested. Finally, other applications spinned-off from the pixel interconnection capability of the chip were implemented with promising results.]]> Calarco, Nicolás Ezequiel]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Área Ingeniería]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Casciaro, Mariano Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: Instituto de Medicina Traslacional, Trasplante y Bioingeniería – UF CONICET ]]> Los factores de riesgo cardiovascular tradicionales (edad, sexo, hipertensión, tabaquismo, entre otros) reciben su nombre por incidir directamente sobre el riesgo de desarrollar una patología del sistema circulatorio. No obstante, personas con factores de riesgo similares desarrollan o no patologías de acuerdo a otros factores de riesgo adicionales. Dentro de este conjunto, en los últimos años la geometría de los vasos sanguíneos ha demostrado estar asociada al riesgo cardiovascular independientemente de los factores tradicionales. En esta tesis mostraremos la metodología desarrollada para reconstruir en forma no invasiva la geometría de los dos componentes vasculares fundamentales de la circulación: los vasos coronarios que alimentan al corazón, y la arteria aorta, principal conducto de la sangre hacia el resto del organismo. Ambos componentes son susceptibles al desarrollo patologías específicas, de alto riesgo y de gran importancia médica. Para analizar la forma arbórea de la circulación coronaria, desarrollamos dos herramientas: la primera, para la medición del ángulo de bifurcación de los vasos a partir de ajustes cilíndricos tridimensionales, y la segunda para comparar dos árboles arteriales sin correspondencia aparente utilizando modelos alométricos. En ambos casos, relacionamos las diferencias geométricas entre grupos con y sin patología coronaria, presente en forma de ateroesclerosis. Para el análisis de la aorta también desarrollamos dos herramientas: una para la modelización de la aorta obtenida a partir de tomografías sin contraste de pacientes en prevención primaria, y otra para la modelización de la aorta con patologías estructurales (ej. disecciones y aneurismas), útil incluso para segmentar la vasculatura luego de intervenciones de reparación endovascular. La amplia cohorte de pacientes sometidos a tomografía sin contraste nos permitió estudiar la forma promedio de la aorta de pacientes de riesgo intermedio, analizar la deformación natural de la aorta con el paso del tiempo, la hipertensión arterial y la enfermedad ateromatosa. El análisis de la cohorte de pacientes con patologías aórticas tratadas quirúrgicamente se utilizó para predecir la aparición de la enfermedad, estudiar su evolución y colaborar en tratamientos más efectivos. Globalmente, los algoritmos que desarrollamos lograron reconstruir rápidamente la geometría de los vasos sanguíneos en estudio. Estos algoritmos semiautomáticos fueron sometidos a un proceso de validación con fantomas, así como a estudios inter e intra observador, resultando en mediciones confiables y repetibles de la geometría vascular. Finalmente, nuestros resultados indicaron que la geometría arterial está relacionada con diferentes patologías cardiovasculares, independientemente de los factores de riesgo tradicionales.]]> Traditional cardiovascular risk factors (age, sex, hypertension, smoking, among others) directly affect the risk of developing pathologies of the circulatory system. However, people with similar risk factors do not always develop the same pathologies, depending on additional risk factors. Within this group, in recent years the geometry of blood vessels has been shown to be associated with cardiovascular risk, independently of traditional factors. In this thesis we will show the methodology developed to reconstruct in a non-invasive way the geometry of the two fundamental vascular components of the circulation: the coronary vessels that feed the heart, and the aorta, the main conduit of blood to the rest of the organism. Both components are susceptible to the development of specific pathologies of medical importance due to their high risk. To analyze the arboreal shape of the coronary circulation, we developed two tools: the first, for the measurement of the bifurcation angle of the vessels from three-dimensional cylindrical adjustments, and the second to compare two arterial trees without apparent correspondence using allometric models. In both cases, we relate the geometric differences between groups with and without coronary disease, present in the form of atherosclerosis. For the analysis of the aorta we also developed two tools: one for the modeling of the aorta obtained from non-contrast tomography in patients in primary prevention, and another for the modeling of the aorta with structural pathologies (eg dissections and aneurysms), useful to segment the vasculature even after endovascular repair interventions. The large cohort of patients undergoing non-contrast tomography allowed us to study the average aortic shape of patients at intermediate risk, analyze the natural deformation of the aorta over time, in the presence of arterial hypertension and atheromatous disease. The analysis of the cohort of patients with aortic pathologies surgically repaired was used to predict the appearance of the disease, study its evolution and collaborate in more effective treatments.
Globally, the algorithms we developed were able to quickly reconstruct the geometry of the blood vessels under study. These semiautomatic algorithms were validated with phantoms, as well as inter and intra-observer studies, resulting in reliable and repeatable measurements of the vascular geometry. Finally, our results indicated that arterial geometry is related to different cardiovascular pathologies, independently of traditional risk factors.]]>
Casciaro, Mariano Ezequiel]]>
Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Cassani, Lucía Victoria. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: Grupo de investigación en Ingeniería en Alimentos, Facultad de Ingeniería. UNMDP]]> Hoy en día, el desarrollo de los alimentos que promuevan la salud y el bienestar es una de las prioridades de la industria alimentaria. Existe una gran variedad de compuestos con determinada actividad funcional, que se podrían utilizar como ingredientes alimentarios. De todos ellos, los prebióticos son los que han provocado un gran interés en los últimos años, probablemente debido a la incidencia de patologías relacionadas con la función gastrointestinal. Los compuestos prebióticos son considerados fibra alimentaria pero, además, estimulan el crecimiento selectivo de determinadas especies beneficiosas (bifidobacterias, lactobacilos, etc.) de la microbiota intestinal. Teniendo en cuenta que el consumo per cápita de fibra alimentaria es bajo, una buena estrategia para incrementar la ingesta diaria de fibra consistiría en incorporar compuestos prebióticos en alimentos que sean de fácil consumo y convenientes para el consumidor actual. En este aspecto, un jugo de fruta sin pasteurizar podría ser un sustrato adecuado para el enriquecimiento con prebióticos ya que, este tipo de alimento ha ganado popularidad entre los consumidores que eligen una alimentación más saludable y libre de conservantes sintéticos. De esta manera, se obtendría un producto innovador con sus propiedades nutricionales y sensoriales mejoradas, de fácil de consumo y conveniente para aquellas personas que desean mejorar la calidad nutricional de su dieta. Por lo tanto, la presente Tesis se llevó a cabo empleando jugo de frutilla (Fragaria x annanasa) como vehículo de prebióticos. La selección de la fruta se debe al significativo aporte nutricional con atributos organolépticos atractivos, y particularmente, porque es uno de los cultivos predominantes del cinturón frutihortícola del partido de Gral. Pueyrredón (Buenos Aires, Argentina). Este producto enriquecido con prebióticos requiere del adecuado diseño de estrategias de preservación que garanticen la inactivación de microrganismos deteriorantes y patógenos, sin afectar la calidad sensorial y nutricional del producto. En este contexto, el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral fue analizar los efectos del enriquecimiento de un producto formulado a base de jugo de frutas, con el agregado de compuestos prebióticos destinado a brindar al consumidor un alimento funcional nutritivo, sensorialmente agradable, seguro y con una vida útil prolongada. En primer lugar, se investigaron los efectos del enriquecimiento con inulina y oligofructosa sobre las propiedades físico-químicas, antioxidantes, nutricionales y sensoriales de jugo de frutilla (Capítulo 1, sección 1). Luego de comprobar que era posible el enriquecimiento del producto con los compuestos prebióticos ya que no se vieron afectados los parámetros de calidad del jugo de frutilla; en una siguiente instancia, se evaluaron diferentes alternativas de preservación para prologar la vida útil del producto. En la sección 2 del Capítulo 1, se analizó el impacto de la aplicación de agentes naturales, tales como, vainillina, geraniol y resveratrol sobre la calidad microbiológica, sensorial y nutricional, así como también, sobre los parámetros físico-químicos e indicadores de capacidad antioxidante de jugo de frutilla enriquecido con inulina y oligofructosa durante el almacenamiento refrigerado. Los tratamientos con vainillina y geraniol resultaron altamente efectivos para inhibir el crecimiento de la microflora nativa de los jugos de frutilla enriquecidos con prebióticos, aunque repercutieron negativamente sobre algunos atributos sensoriales. En cambio, la aplicación de resveratrol no logró disminuir los recuentos de la microflora nativa de los jugos, pero incrementó significativamente el contenido de polifenoles totales y la capacidad antioxidante. Por otro lado, en la sección 3 del Capítulo 1, se investigó el efecto de la aplicación de tratamientos de ultrasonido sobre la evolución de los parámetros de calidad de jugo de frutilla enriquecido con inulina y oligofructosa durante el almacenamiento refrigerado. El procesamiento con ultrasonido permitió controlar la microflora de los jugos enriquecidos con prebióticos a lo largo del almacenamiento refrigerado sin introducir cambios sobre sus atributos sensoriales. De esta manera, en el Capítulo 2 se propuso combinar dos técnicas de preservación (biopreservante y ultrasonido) con dos compuestos prebióticos (inulina y oligofructosa), con el objetivo de obtener una mayor inhibición de la microflora nativa del producto, aplicando menores intensidades de ambas barreras y minimizando el impacto negativo sobre las propiedades sensoriales y nutricionales de los jugos de frutilla. Para ello, se estudiaron dos combinaciones: inulina: oligofructosa + ultrasonido + vainillina (combinación n°1) y, por otro lado, inulina: oligofructosa + ultrasonido + geraniol (combinación n° 2). Cada uno de los factores se evaluó en tres niveles diferentes para cada combinación. Se aplicó la metodología de superficie de respuesta utilizando un diseño de Box-Benhken para hallar los niveles de cada variable que optimizaran los parámetros de calidad microbiológica, nutricional y sensorial del jugo de frutilla a los 14 días de almacenamiento refrigerado. Se utilizó la función “Deseabilidad” para optimizar simultáneamente todos los parámetros. De esta manera, se halló un tratamiento óptimo para cada combinación estudiada: Óptimo_1: proporción de inulina: oligofructosa de 5:3, 7,5 min de ultrasonido (20 °C, 40 kHz, 180 W) y 1,25 mg/mL de vainillina; Óptimo_2: proporción de inulina: oligofructosa de 5:3 y 0,23 μL/mL de geraniol. Esta herramienta estadística logró alcanzar una solución de compromiso entre las diferentes respuestas bajo estudio y permitió hallar dos tratamientos óptimos, seguros desde el punto de vista microbiológico, con mayor aporte nutricional y sensorialmente agradables durante 14 días de almacenamiento. Posteriormente, se evaluó el efecto de los tratamientos óptimos hallados sobre los parámetros de calidad global de jugo de frutilla y sobre la supervivencia de Escherichia coli O157:H7 y Listeria innocua inoculados en el jugo de frutilla (simulando una eventual contaminación), durante 14 días de almacenamiento refrigerado. Una vez optimizadas las condiciones de enriquecimiento y preservación de los jugos de frutilla, se abordó un estudio sobre la estabilidad de los compuestos prebióticos durante el almacenamiento refrigerado, usando cromatografía líquida de alta resolución (HPLC, por su sigla en inglés: High Performance Liquid Cromatography) (Capítulo 3). Además, se analizó la relación entre el consumo de los azúcares predominantes y la evolución de la flora deteriorante (hongos y levaduras) en los jugos tratados bajo las condiciones óptimas. En un paso posterior, se aplicó una estrategia de análisis alternativa a HPLC, combinando espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier (FTIR, por su sigla en inglés: Fourier Transform Infrared Spectroscopy) con análisis multivariante para comprender los cambios estructurales en la composición de azúcares y compuestos prebióticos de las muestras elaboradas con tratamientos óptimos durante el almacenamiento refrigerado. El análisis de componentes principales permitió encontrar similitudes y diferencias entre las muestras almacenadas a distintos tiempos de almacenamiento en función del contenido de azúcares solubles, compuestos prebióticos y los polisacáridos principales de la pared celular. Luego, se calibraron modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales que se utilizaron para determinar las concentraciones de glucosa, sacarosa, fructosa y los distintos fructo-oligosacáridos que están presentes en las muestras de jugo. La espectroscopía FTIR asociada al análisis multivariante, permitió la determinación de diferentes carbohidratos presentes en jugos de frutilla en una sola medición y sin necesidad de utilizar patrones de grado analítico. Esta simplicidad experimental avalaría el uso de FTIR en la línea de producción de jugos de frutilla, contribuyendo a ahorrar tiempo en la determinación de este tipo de compuestos, de una manera amigable con el medio ambiente. Como se comentó anteriormente, los jugos de frutilla representan una fuente valiosa de compuestos antioxidantes con potenciales beneficios para la salud. Para ejercer las propiedades biológicas en el cuerpo humano, los polifenoles deben hallarse en los tejidos en concentraciones suficientes para evidenciar su efecto. Por lo tanto, resulta interesante conocer la cantidad de los compuestos con capacidad antioxidante presente en los jugos con tratamientos óptimos que quedan disponibles para su absorción intestinal. En este sentido, se investigó la estabilidad de los compuestos polifenoles y flavonoides totales, del ácido ascórbico y la capacidad antioxidante frente a la digestión gastrointestinal in vitro de jugos de frutilla tratados bajo las condiciones óptimas de enriquecimiento y preservación detalladas en el Capítulo 2, simulada a días 0, 7 y 14 de almacenamiento (Capítulo 4). Los resultados obtenidos en las etapas digestivas se compararon con los contenidos iniciales en los jugos de frutilla, es decir, previo a la digestión. En líneas generales, los compuestos con capacidad antioxidante de los jugos elaborados con el tratamiento Óptimo_1 fueron más estables frente a las condiciones gastrointestinales simuladas que la muestra control, resultando en una mayor concentración de bioactivos que quedan disponibles para su absorción intestinal. En cambio, el tratamiento Óptimo_2 perjudicó la estabilidad de los compuestos bioactivos frente a la digestión gastrointestinal simulada en los distintos tiempos del almacenamiento. Esto indica que un contenido menor de compuestos antioxidantes del Óptimo_2 quedaría disponible para la absorción intestinal en comparación con el Óptimo_1 y la muestra sin tratar. El estudio de la respuesta emocional del consumidor asociada a los alimentos se ha convertido en un área importante de investigación en la industria. El creciente interés en esta área se debe al potencial de las respuestas emocionales para proporcionar información importante acerca de los productos y las diferencias entre un conjunto de productos que van más allá de las mediciones sensoriales tradicionales. En este contexto, en el Capítulo 5, se desarrolló un cuestionario visual basado en imágenes con potencial para evaluar respuestas emocionales de nuevos alimentos, como alternativa al cuestionario clásico verbal. Posteriormente, se analizaron las diferencias en la respuesta emocional del consumidor frente a una serie de nuevos productos, en este caso, jugos de frutas y hortalizas que se obtuvo usando los dos cuestionarios (visual y verbal). De esta manera, la respuesta emocional de los consumidores se evaluó en dos escenarios: compra (donde los consumidores evaluaron el producto en su envase) y consumo (donde los consumidores probaron el producto y en simultaneo observaron su envase) y se relacionó con la intención de compra. Los resultados parecen indicar que, en la situación de compra más racional, las palabras permitieron expresar mejor las diferencias en las emociones que causaron los distintos productos. En la situación de consumo, las emociones asociadas a la experiencia sensorial se diferenciaron mejor entre productos cuando se expresaron mediante imágenes. Este enfoque permitió revelar diferencias entre los jugos de frutas y hortalizas con respecto a la respuesta emocional de los consumidores y también, permitió predecir la elección de compra, proporcionando información adicional a las mediciones hedónicas tradicionales. A modo de conclusión general, el uso de herramientas matemáticas permitió encontrar las condiciones de enriquecimiento y preservación óptimas para asegurar la calidad global de jugos de frutilla durante 14 días en refrigeración. De esta manera, la presente Tesis Doctoral contribuyó con el desarrollo de jugos de frutilla funcionales, respondiendo a las exigencias del consumidor actual. Además, se demostró el potencial que tiene la espectroscopía FTIR combinada con el análisis multivariante para determinar los azúcares y compuestos prebióticos presentes en jugos de frutilla. Teniendo en cuenta que el registro de espectros no requiere reactivos químicos y toma solo un par de minutos, la espectroscopía FTIR da como resultado una metodología rápida y amigable con el medio ambiente para proporcionar información valiosa con un fuerte impacto tanto a nivel académico como a nivel industrial. La digestión gastrointestinal in vitro resultó ser un método simple y rápido para evaluar la bioaccesibilidad de los compuestos fitoquímicos presentes en los jugos de frutilla desarrollados. También, esta Tesis contribuyó a ampliar los conocimientos en referencia a las nuevas metodologías del análisis sensorial que se aplican para comprender la decisión de compra de los consumidores y que van más allá de las mediciones hedónicas tradicionales.]]> Nowadays, the development of foods that promote health and well-being is one of the priorities of the food industry. There is a wide variety of compounds with certain functional activity, which could be used as food ingredients. Among them, prebiotics have caused a great interest in recent years, probably due to the high incidence of pathologies related to gastrointestinal function. Prebiotic compounds are considered dietary fiber but also stimulate, the selective growth of certain beneficial species (bifidobacteria, lactobacilli, etc.) of the intestinal microbiota. Taking into account that per capita consumption of dietary fiber is low, a good strategy to increase the fiber’s daily intake would be to incorporate prebiotic compounds into foods that are easy to consume and convenient for today’s consumer. In this regard, an unpasteurized fruit juice could be a suitable substrate to be enriched with prebiotics since this type of food has gained popularity among consumers who choose a healthier diet free of synthetic preservatives. In this way, an innovative product with improved nutritional and sensory properties, easy to consume and convenient for those who want to improve the nutritional quality of their diet, would be obtained. Therefore, the present Thesis was carried out using strawberry juice (Fragaria x annanasa) as a prebiotic carrier. The fruit choice was made mainly because of its significant nutritional value with attractive organoleptic attributes, but also because strawberry is one of the predominant crops in the horticultural production belt in Gral. Pueyrredón (Buenos Aires, Argentina). The prebiotic-enriched juice requires the appropriate design of preservation strategies that ensures the spoilage and pathogenic microorganisms inactivation, without affecting sensory and nutritional quality of the product. In this context, the main objective of this Doctoral Thesis was to analyze the effects of enriching a fruit-based product with prebiotic compounds to provide a nutritional and functional food, pleasant from a sensory point of view, safe and with an extended shelf-life. First, the enrichment with inulin and oligofructose on the physicochemical, antioxidant, nutritional and sensory properties of strawberry juice was investigated (Chapter 1, section 1). After verifying that enriching a strawberry juice with prebiotic compounds was possible since quality parameters of strawberry juice were not affected; in a following step, different preservation treatments to extend the product shelf-life were evaluated. In section 2 of Chapter 1, the application of natural preservatives, such as vanillin, geraniol and resveratrol were analyzed on the microbiological, sensory and nutritional quality, as well as on the physicochemical parameters and antioxidant capacity indicators of strawberry juice enriched with inulin and oligofructose during refrigerated storage. Although the application of vanillin and geraniol had a negative effect on some sensory attributes of strawberry juices enriched with prebiotics, these treatments were highly effective in inhibiting the native microflora growth. In contrast, the application of resveratrol did not reduce the native microflora counts of juices but this treatment significantly increased total polyphenol content and antioxidant capacity. On the other hand, in section 3 of Chapter 1, the application of ultrasound treatments was investigated on the quality parameters evolution of strawberry juice enriched with inulin and oligofructose during refrigerated storage. Sonication reduced the microflora growth of juices enriched with prebiotics throughout the refrigerated storage without altering their sensory attributes. Thus, in Chapter 2 the combination of two preservation techniques (biopreservative and ultrasound) with two prebiotic compounds (inulin and oligofructose) was proposed, with the aim of enhancing the antimicrobial effect, reducing each treatment intensity and minimizing the negative impact on sensory and nutritional properties of strawberry juices. With this purpose, two combinations were studied: inulin: oligofructose + ultrasound + vanillin (combination 1) and, on the other hand, inulin: oligofructose + ultrasound + geraniol (combination 2). Each factor, in each combination, was evaluated at three different levels. The response surface methodology was applied using a Box-Benhken design in order to find each variable optimal levels that optimize microbial, nutritional and sensory quality of juices after 14 days of refrigerated storage. The Desirability function was used to simultaneously optimize all parameters. In this way, an optimal treatment for each combination was found: Optimum_1: inulin: oligofructose ratio of 5: 3, 7,5 min of ultrasound (20 °C, 40 kHz, 180 W) and 1,25 mg/mL of vanillin; Optimum_2: inulin: oligofructose ratio of 5:3 and 0,23 μL/mL of geraniol. The statistical approach reached a compromise between different responses under study and allowed finding two optimal treatments, safe from the microbiological point of view, with improved nutritional and sensory properties during 14 days of storage. Then, the application of optimal treatments on quality parameters of strawberry juice and the treated juices performance against inoculated Escherichia coli O157: H7 and Listeria innocua instrawberry juice (simulating an eventual contamination), during 14 days of refrigerated storage were evaluated. Once the conditions for enrichment and preservation of strawberry juices were optimized, a study on the prebiotic compounds stability during refrigerated storage was carried out using High Performance Liquid Chromatography (HPLC) (Chapter 3). In addition, the relationship between the sugars consumption and the spoilage flora evolution (yeasts and molds) in treated juices under optimal conditions was analyzed. Then, an alternative approach was applied combining Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) with multivariate analysis to analyze the structural changes in sugar and prebiotic compounds of samples processed with optimal treatments during refrigerated storage. The principal component analysis was useful to find similarities and differences between samples stored at different storage times which were related to changes in soluble sugars content, prebiotic compounds and the main cell wall polysaccharides. Then, different partial least square regression models (PLS) were calibrated to determine glucose, sucrose, fructose, and fructo-oligosaccharides concentrations that are present in juice samples. FTIR spectroscopy associated with multivariate analysis allowed the determination of different carbohydrates present in strawberry juices in one measurement and without using any analytical grade standards. This experimental simplicity supports the use of FTIR at the production line and contributes to save time in determining carbohydrates composition and stability, in an environmental friendly way. As it was mentioned before, strawberry juices are a valuable source of antioxidant compounds with potential health benefits. To exert the biological properties in the human body, polyphenols must be found in the tissues in sufficient concentrations. Therefore, it is interesting to know the content of antioxidant capacity compounds in juices treated under the optimal conditions of enrichment and preservation detailed in Chapter 2 that would be available for intestinal absorption. In this regard, the stability of polyphenols and total flavonoids, ascorbic acid and antioxidant capacity to in vitro gastrointestinal digestion of treated strawberry juices simulated at 0, 7 and 14 days of storage, were studied (Chapter 4). The results obtained in digestive stages were compared with the initial contents in strawberry juices (prior to digestion). In general, the antioxidant capacity compounds of juices processed with Optimum_1 treatment were more stable to simulated gastrointestinal conditions than control sample, resulting in a higher concentration of bioactives that are available for intestinal absorption. On the other hand,Optimum_2 treatment impaired the bioactive compounds stability to simulated gastrointestinal digestion in different storage times. This fact indicates that a lower antioxidant compounds content of Optimum_2 would be available for intestinal absorption compared to Optimum_1 and untreated sample. The study of consumer emotional response associated with food has become an important area of research in food industry. The growing interest in this area is due to the potential of emotional responses to provide information about a certain product or to establish differences among a set of products that go beyond traditional methods. In this context, in Chapter 5, a visual questionnaire based on images with potential to evaluate emotional responses from new food products was developed, as an alternative to the classical verbal questionnaire. Later, differences in the obtained consumer’s emotional response to a set of new products, in this case, fruit and vegetable juices using the two questionnaires (visual and verbal) were analyzed. In this way, the consumer’s emotional response and their purchase intention were evaluated in two scenarios: purchase (where consumers evaluated only the labels of the juices) and consumption (where consumers tested each juice by simultaneously analyzing its corresponding label). The results indicate that, in the rational purchasing situation, words better describe differences in emotions caused by different products. In the consumption situation, the associated emotions with sensory experience were better differentiated between products when they were expressed through images. This approach allowed to show differences between fruit and vegetable juices with respect to the consumers’ emotional response and allowed to predict the purchase choice, providing additional information to the traditional hedonic methods. As a general conclusion, the use of mathematical tools allowed to find the optimal enrichment and preservation conditions to ensure the strawberry juice overall quality during 14 days of refrigerated storage. In this way, this Doctoral Thesis contributed to the development of functional strawberry juices, responding to today’s consumer demands. In addition, the potential of FTIR spectroscopy combined with multivariate analysis to determine the sugars and prebiotic compounds present in strawberry juices, was demonstrated. Considering that spectra registration does not require chemical reagents and takes only a couple of minutes, FTIR spectroscopy results in a rapid and environmental friendly methodology to provide such valuable information with strong impact at both an academic and an industrial level. In vitro gastrointestinal digestion proved to be a simple and rapid method to evaluate the phytochemicals bioaccessibiliy of the developed strawberry juices. Besides, this Thesis contributed to broaden the knowledge in reference to new methodologies of sensory analysis applied to analyze the consumers’ purchasing decision and that go beyond traditional hedonic methods. ]]> Cassani, Lucía Victoria]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Cavallo, Ema C. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: ITPN (UBA-CONICET), Departamento de ing. Química, Facultad de Ingeniería – UBA, en el marco de la beca doctoral CONICET.]]> En los últimos años, conceptos como bioeconomía, bioproductos, biocombustibles, bioenergía e, incluso, biorrefinerías son cada vez más utilizados. Lo anterior se debe a una creciente conciencia ambiental sumada a las posibilidades que tienen países como Argentina de agregar valor a los abundantes recursos biológicos disponibles en sus territorios, propiciando de esta forma la producción sostenible de bienes y servicios. Para que esto se logre son importantes tanto las políticas públicas como los sectores productivos y tecnológicos privados, todos incluidos dentro del sistema de ciencia y tecnología. En este contexto, el presente trabajo de Tesis se enfocó en desarrollar o implementar rutas químicas y biotecnológicas sostenibles para la obtención de productos innovadores con alto valor agregado, utilizando diversos recursos renovables en Argentina. Estos recursos abundantes fueron empleados como materias primas, en algunos casos como nutrientes económicos para la formulación de medios de cultivo y en otros casos como biopolímeros de relativo bajo costo. En relación a estos últimos, se eligió trabajar con tres polímeros biobasados como son el almidón proveniente de la biomasa agrícola (industria del maíz), la lignina proveniente de la biomasa forestal y la celulosa de origen microbiano (nanocelulosa bacteriana o BNC), cada uno con el objetivo de obtener derivados de interés para aplicaciones concretas como, por ejemplo, almidones resistentes (AR) o películas biodegradables para envases de alimentos. Para el desarrollo de procesos amigables con el ambiente que permitieran modificar y agregar valor a los tres biopolímeros antes mencionados, se empleó ácido cítrico (AC) y/o enzimas celulasas. Asimismo, tanto el ácido orgánico como la BNC fueron producidos en medios de cultivos formulados con los nutrientes de bajo costo y compatibles con una potencial producción local a escala industrial. Finalmente, se probó valorizar la biomasa microbiana residual de algunos de estos procesos explorando su potencial para la obtención de películas.]]> In recent years, concepts such as bioeconomy, bioproducts, biofuels, bioenergy and even biorefineries have been increasingly used. This is due to a growing environmental awareness coupled with the possibilities that countries like Argentina have to add value to the abundant biological resources available in their territories, thus promoting the sustainable production of goods and services. To achieve the previous, not only public policies but also the private productive and technological sectors, all included within the science and technology system, are important. In this context, this Thesis work focused on developing or implementing sustainable chemical and biotechnological routes to obtain innovative products with high added value, using various renewable resources in Argentina. These abundant resources were used as raw materials, in some cases as cheap nutrients for the formulation of culture media and, in other cases, as relatively low-cost biopolymers. Related to the latter, three biobased polymers were chosen to work with, such as, starch from agricultural biomass (corn industry), lignin from forest biomass and cellulose of microbial origin (bacterial nanocellulose or BNC), each one with the aim of obtaining downstream products with specific applications such as, for example, resistant starches (RS) or biodegradable films for food packaging.
Citric acid (CA) and cellulase enzymes were used for the development of environmentally friendly processes that would allow modifying and adding value to the three aforementioned biopolymers. Likewise, both the organic acid and the BNC were produced in culture media formulated with low-cost nutrients and compatible with a potential local production on an industrial scale. Finally, adding value to some of the residual microbial biomass of this processes was also tested, exploring its potential to obtain biodegradable films.]]>
Cavallo, Ema C. ]]>
Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Charó, Gisela Daniela. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería]]> Lugar de trabajo: Laboratorio de fluidodinámica, depto. de Ing. Mecánica, Facultad de Ingeniería. UBA. En el marco de la beca doctoral CONICET.]]> Las estelas no estacionarias formadas por la separación de la capa límite de un cuerpo romo constituyen un tema de interés en fluidodinámica, tanto desde un punto de vista académico como desde sus aplicaciones. En estos escurrimientos, a diferencia de lo que ocurre en casos estacionarios, el análisis desde las dos perspectivas relevantes para la descripción de la dinámica de un fluido –la Euleriana y la Lagrangiana– dan lugar a predicciones no comparables. Las líneas de emisión están vinculadas a la formulación Lagrangiana y se definen como el conjunto de partículas de un fluido que han pasado por un punto fijo en el pasado. Pueden materializarse en el laboratorio inyectando un trazador pasivo desde un determinado punto de sembrado, pero también pueden identificarse fuera del ambiente de laboratorio en algunos procesos de derrame.
En los escurrimientos estacionarios, las líneas de emisión coinciden con las líneas de corriente que están intrínsecamente vinculadas a la formulación Euleriana. En estos casos, dos masas de fluidos miscibles separados por una línea de corriente tenderán a mezclarse sólo por el mecanismo de difusión molecular. El proceso de mezclado, sin embargo, puede acelerarse imponiendo una perturbación no estacionaria al campo de velocidad, incorporando así el mecanismo de transporte
advectivo a través de la interfaz. La comprensión de este proceso, y la posibilidad de cuantificar el fenómeno de mezclado, son de suma importancia para fluidos que van desde la escala de los escurrimientos geofísicos hasta la microfluídica, permitiendo determinar por ejemplo, el modo en que un contaminante se mezcla con el fluido circundante, o cómo un reactivo puede mezclarse eficazmente en un reactor. Esta tesis introduce el uso del análisis topológico de series temporales Lagrangianas a través de homologías, como diagnóstico de la diversidad dinámica en los escurrimientos fluidos. Se demuestra que esta técnica, originada en el estudio de la topología del caos, constituye una herramienta potente para comprender los fenómenos de transporte. El análisis de variedades enramadas a través de homologías (BraMAH) en el espacio de fases reconstruido a partir de una serie temporal, permite calcular la topología asociada a una reconstrucción dinámica. Las series temporales analizadas marcan la evolución de una variable vinculada a la trayectoria de una partícula individual, como puede serlo una coordenada de posición. El enfoque revela la estructura topológica subyacente al comportamiento de una partícula de fluido, permitiendo clasificar un conjunto de partículas de acuerdo al tipo de dinámica que están desplegando en su movimiento durante una ventana de tiempo finita. La eficacia de la estrategia se demuestra con casos de estudio correspondientes a escurrimientos cinemáticos canónicos que presentan barreras de transporte, así como también a la estela cercana de un cilindro oscilatorio rotante, que da lugar a islas de no mezclado evidenciadas por primera vez en esta tesis. Las partículas capturadas dentro de una isla de no mezclado, comparten la misma descripción homológica. La conexión entre los resultados del análisis topológico y las propiedades de transporte de los fluidos es puesta en evidencia utilizando líneas de emisión.]]>
Nonstationary wakes formed by the separation of the boundary layer of a bluff body are of interest in fluid dynamics, both from an academic viewpoint as well as from the point of view of applications. In these flows, in contrast to what happens in stationary cases, the analysis from the two perspectives that are relevant to describe the dynamics of a fluid –the Eulerian and the Lagrangian frames– produce non comparable predictions. Streaklines are associated to the Lagrangian formulation, and are defined as the set of particles passing through a fixed point in the past. They can be materialized in the laboratory through the injection of a passive tracer from a determined injection or seeding point, but they can also be identified outside the laboratory in some spill processes. In stationary fluids, streaklines coincide with streamlines, which are intrinsically linked to the Eulerian formulation. In such cases, two miscible blobs separated by a streamline will tend to mix through a process called diffusion. The mixing process, however, can be accelerated incorporating a nonstationary perturbation of the velocity, to impart an advective transport through the interface. The possibility of understanding this process, and of quantifying mixing, ranges from geophysical fluids to microfluidics, for example in assessing how a pollutant mixes with the surrounding fluid, or how a sample and a reagent can be mixed together effectively in reactor. This thesis introduces the use of topological time-series analysis through homologies as a diagnostic for Lagrangian dynamical diversity in fluid flows. This technique, developed in the framework provided by topology of chaos, is shown to constitute a powerful tool to understand transport phenomena. Branched Manifold analysis through Homologies (BraMAH) from time series enables computing the topology associated to a dynamical reconstruction. The analyzed time series correspond to the evolution of a scalar variable associated to an individual particle trajectory, as is the case of a coordinate position. The approach unravels the topological structure underlying the behavior of a fluid particle according to the dynamics that deploys within a finite time window. The effectiveness of the strategy is demonstrated with canonical case studies of kinematic flows that present transport barriers, as well as with the near wake of a cylinder that performs a rotary oscillation leading to non mixing islands that are unraveled for the first time in this thesis. The particules that are trapped into a non mixing island, are found to share the same homological description. The connection between the results of the topological analysis and the transport properties of the fluid is evidenced using streaklines.]]> Charó, Gisela Daniela]]>