[ca] La modelització del transport reactiu és una eina metodològica per estudiar els processos físics, químics i biològics acoblats en el sistema terrestre. És complex no només per la naturalesa de les equacions, sinó també pels efectes de l'heterogeneïtat mitjana porosa sobre el transport reactiu. Aquesta tesi té com a objectiu aprofundir en la comprensió dels processos de transport reactiu per explicar el procés de degradació bioquímica en medis porosos, amb especial èmfasi en el paper del biofilm i el seu creixement. En primer lloc, proposem una solució numèrica general i eficient de transport reactiu en medis multicontinuos mitjançant l'enfocament de transferència de massa multirata (MRMT). Per superar la no linealitat del problema, induïda per cinètiques no lineals, fem servir el mètode de Newton-Raphson per obtenir la solució global. Resolem el sistema d'equacions en forma de blocs, que ens permeten reduir les incògnites a les de les zones mòbils i a, millorant així l'eficiència. La solució es valida comparant-la amb una solució analítica de cinètica lineal. El codi es desenvolupa de manera orientada a objectes, que permet la reutilització del codi i el polimorfisme de dades. En segon lloc, investigem les condicions per a la localització química (és a dir, l'aparició de reaccions que no serien possibles en un mitjà continu). Amb aquest objectiu, escrivim les equacions de transport multicontinu en forma adimensional per trobar que el transport reactiu en mitjans multicontinuos es regeix per tres temps característics: la distribució dels temps de residència en zones immòbils i els temps de reacció i transport característics. Per estudiar la interacció entre aquests tres temps característics, simulem tres sistemes químics: conservador, de reacció única i reacció seqüencial. Els resultats demostren que les reaccions impulsades per espècies que resulten de reaccions anteriors es localitzaran en zones immòbils el temps de residència és comparable als temps de reacció. A més, les zones immòbils amb temps de residència molt menors que les del transport es poden agrupar (suposant que s'assumeixen reaccions molt ràpides en equilibri), cosa que redueix considerablement els càlculs. En tercer lloc, realitzem simulacions de transport reactiu que incorporen reaccions bioquímiques que no només oxiden el carboni orgànic, sinó que també produeixen biomassa, provocant així el creixement del biofilm. Se sap que el creixement del biofilm causa l'obstrucció (és a dir, la reducció de la permeabilitat), que ha concentrat la majoria de les investigacions sobre el tema. Però també provoca un canvi significatiu en la geometria i la connectivitat de l'espai dels porus, que condueix no només a un augment global del temps mitjà de residència en regions immòbils, sinó també a la seva distribució. Com s'ha comentat anteriorment, això és fonamental per a la localització (bio) química, sobretot tenint en compte que les reaccions mediàtiques microbianes tendeixen a concentrar-se en biofilms. Proposem un model per a l'evolució de la distribució del temps de residència en zones immòbils en resposta al creixement del biofilm. Provem aquest model en comparació amb experiments de laboratori extrets de la literatura, on s'han realitzat proves de traçador en diverses etapes de creixement. Els resultats mostren que el model dinàmic MRMT és capaç de reproduir les característiques més destacades d'aquests experiments

[es] El modelado de transporte reactivo es una herramienta metodológica para estudiar los procesos físicos, químicos y biológicos acoplados en el sistema terrestre. Es complejo no solo por la naturaleza de las ecuaciones, sino también por los efectos de la heterogeneidad del medio poroso sobre el transporte reactivo. Esta tesis tiene como objetivo profundizar en el conocimiento de los procesos de transporte reactivo para explicar el proceso de degradación bioquímica en medios porosos, con especial énfasis en el papel del biofilm y su crecimiento. En primer lugar, proponemos una solución numérica general y eficiente de transporte reactivo en medios multicontinuum utilizando el enfoque de Transferencia de Masa Multivelocidad (MRMT). Para superar la no linealidad del problema, inducida por una cinética no lineal, utilizamos el método de Newton-Raphson para obtener la solución global. Resolvemos el sistema de ecuaciones en forma de bloque, lo que nos permite reducir las incógnitas a las de zonas móviles y a, mejorando así la eficiencia. La solución se valida por comparación con la solución analítica para cinética lineal. El código se desarrolla de forma orientada a objetos, lo que permite la reutilización del código y el polimorfismo de los datos. En segundo lugar, investigamos las condiciones para la localización química (es decir, la ocurrencia de reacciones que no serían posibles en un medio continuo único). Con este fin, escribimos las ecuaciones de transporte multicontinuum en forma adimensional para encontrar que el transporte reactivo en medios multicontinuum se rige por tres tiempos característicos: la distribución de los tiempos de residencia en zonas inmóviles, y los tiempos de reacción y transporte característicos. Para estudiar la interacción entre estos tres tiempos característicos, simulamos tres sistemas químicos: conservador, reacción única y reacción secuencial. Los resultados demuestran que las reacciones impulsadas por especies que resultan de reacciones previas se localizarán en zonas inmóviles cuyo tiempo de residencia es comparable a los tiempos de reacción. Además, las zonas inmóviles con tiempos de residencia mucho más pequeños que los de transporte pueden agruparse (asumiendo que se asumen reacciones muy rápidas en equilibrio), lo que reduce en gran medida los cálculos. En tercer lugar, realizamos simulaciones de transporte reactivo incorporando reacciones bioquímicas que no solo oxidan el carbono orgánico, sino que también producen biomasa, lo que provoca el crecimiento de biopelículas. Se sabe que el crecimiento de biopelículas causa obstrucciones (es decir, reducción de la permeabilidad), lo que ha concentrado la mayor parte de la investigación sobre el tema. Pero también provoca un cambio significativo en la geometría del espacio poroso y la conectividad, lo que conduce no solo a un aumento general del tiempo medio de residencia en las regiones inmóviles, sino también a su distribución. Como se discutió anteriormente, esto es crítico para la localización (bio) química, especialmente considerando que las reacciones mediadas por microbios tienden a concentrarse en biopelículas. Proponemos un modelo para la evolución de la distribución del tiempo de residencia en zonas inmóviles en respuesta al crecimiento de biopelículas. Probamos este modelo comparándolo con experimentos de laboratorio extraídos de la literatura, donde se han realizado pruebas de trazadores en varias etapas de crecimiento. Los resultados muestran que el modelo MRMT dinámico es capaz de reproducir las características más destacadas de estos experimentos.