Maestría en Ingeniería - Ingeniería Química

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C1 biorefineries : The CO2 case
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Inocencio-García, Pablo-José; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Inocencio-García, Pablo-José [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001996470]; Inocencio-García, Pablo-José [https://scholar.google.com/citations?user=tR1yZp8AAAAJ&hl=es]; Inocencio-García, Pablo-José [https://orcid.org/000900036684330X]; Inocencio-García, Pablo-José [https://www.researchgate.net/profile/Pablo-Inocencio-Garcia]; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos; Inocencio-García, Pablo-José [https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=58162518900]
Carbon dioxide (CO2) emissions have caused a significant impact on climate change and global warming, with concentrations reaching 400 ppm in recent years. Various technologies exist for CO2 capture and utilization (CCU) in industrial facilities known as C1 biorefineries where CO2 is considered a raw material in the obtaining of various products, achieving a reduction in greenhouse gases (GHG) emissions. Then, by considering the current interest in carbon upgrading technologies, this thesis project focuses on analyzing CCU alternatives under the C1 biorefinery concept. Initially, a heuristic analysis was performed to select the best CO2 capture technology (CCS) and to study the main products to be obtained from CO2 at each technological readiness level. Moreover, experiments were carried out to produce CO-rich syngas from biomass gasification with CO2, formic acid production by electrochemical CO2, and dimethyl carbonate (DMC) production under supercritical CO2 conditions. The results of the experimental approach served as a base point for the simulation of the processes. Two additional schemes for CO2 valorization were proposed under stand-alone schemes: production of methanol by hydrogenation of CO2, and ethanol production by utilization of CO2 through the CBB cycle of the cyanobacteria Synechococcus sp. PCC 7942. In addition, these technologies were analyzed under integration schemes of C1 biorefineries based on the global market distribution for each product. Then, the feasibility of the CO2 valorization schemes was assessed by considering technical, economic, environmental, and social performance indicators. The results showed that the implementation of CO2 valorization schemes for the production of CO-rich syngas under a stand-alone configuration is the most viable alternative for the Colombian context. In addition, the integration of these schemes under C1 biorefinery scenarios for the production of methanol, CO-rich synthesis gas, DMC, and formic acid also showed viability in the four dimensions contemplated in the sustainability analysis (Texto tomado de la fuente).
Analysis of the sustainable VFAs production using anaerobic digestion through the biorefinery concept
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Agudelo Patiño, Tatiana; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Agudelo Patiño, Tatiana [https://scholar.google.es/citations?view_op=list_works&hl=es&user=1PzihiwAAAAJ]; Agudelo Patiño, Tatiana [ https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000000230391650]; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos
Conventional anaerobic digestion (AD) is a widely applied technology for generating renewable energy (biogas) from organic waste. The simplicity of the process and the existing microbial consortium allows the use of different types of waste as substrate. Waste from different value chains (VC) has been used, e.g., agricultural, agro-industrial, and food. AD has multiple metabolic pathways present at each stage of the process. Therefore, it was demonstrated that AD could be designed to produce mixed volatile fatty acids through modified AD. Modified AD corresponds to varying the operating conditions of the process to promote specific metabolic pathways. The integration of conventional and modified AD was proposed as a sustainable pillar for the valorization of three wastes generated in different VC links through the biorefinery concept. A functional analysis (FA) was performed to determine the VC bottlenecks and the possible integration of biorefineries. Likewise, the sustainability (considering technical, economic, environmental, and social dimensions) of different biorefinery scenarios for the three feedstocks was evaluated. An experimental evaluation of conventional and modified AD using different techniques was conducted. The biorefineries were evaluated at the simulation level using the experimental results as input data. A compendium of downstream processes was proposed to increase the valorization of the fractions obtained in the conventional and modified AD process (Texto tomado de la fuente)
Aplicación del sistema de oxidación Co/Al-PILC-BAP como tecnología alternativa para el tratamiento de un agua residual proveniente de la industria textil
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-02) Giraldo Loaiza, Camila; Sanabria González, Nancy Rocío; Macías Quiroga, Iván Fernando; Giraldo Loaiza, Camila [0002026813]; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos
En esta tesis de maestría se investigó la aplicación del esquema secuencial intercambio catiónico (SAC) – intercambio aniónico (SBA) – oxidación (Co/Al-PILC-BAP) para el tratamiento de un agua residual proveniente de una industria textil (ARnD) de la región, contaminada con el colorante negro ácido 194 (NA-194). La tesis se desarrolló en el marco de la Convocatoria 852-2019 “Convocatoria de Proyectos Conectando Conocimiento 2019” del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación – Minciencias. La arcilla utilizada en este trabajo correspondió a un mineral esmectítico obtenido de una mina con explotación comercial, ubicada en el municipio de Armero-Guayabal en el departamento de Tolima – Colombia. Las técnicas implementadas para la caracterización del material después de la pilarización con aluminio e impregnación con cobalto incluyeron mediciones de espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), y sortometría de N2 a 77 K. Con los resultados se identificaron cambios químicos, estructurales y texturales del material, y se estableció que el cobalto impregnado en el soporte presenta un estado de oxidación +2. Estas modificaciones resultan prometedoras para la obtención de catalizadores con aplicación en procesos de oxidación basados en la activación de H2O2 con NaHCO3. En cuanto al tratamiento de intercambio iónico, variables como el pH, tiempo de contacto, capacidad de intercambio y reúso y regeneración fueron analizadas en la configuración implementada (1) SAC-(2) SBA. Se alcanzaron remociones de iones Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl-, y del colorante NA-194 (de naturaleza aniónica) superiores al 98%, así mismo, el tratamiento influyó en la remoción de carbono total (CT), demanda química de oxígeno (DQO) y demanda biológica de oxígeno (DBO5), permitiendo alcanzar disminuciones del 11.29, 42.15 y 23.93%, correspondientes a valores finales de 1625 ± 98 mg C/L, 826 ± 50 mg O2/L y 302 ± 23 mg O2/L, respectivamente. El tratamiento de oxidación con el sistema Co/Al-PILC-BAP se estudió evaluando el efecto en las dosis de H2O2 y NaHCO3 sobre las remociones de CT y DQO mediante la metodología de superficie de respuesta (MSR) basada en un diseño central compuesto (DCC). Los datos presentaron un buen ajuste a modelos de regresión de segundo orden y tras la validación experimental los errores en las respuestas predichas y experimental para un enfoque multiobjetivo fueron menores al 6.51%. La velocidad de degradación de CT y DQO bajo las condiciones óptimas de reacción establecidas en el diseño experimental se ajustó en ambos casos a la ecuación empírica de Behnajaday-Modirshahla-Ghanbery (BMG) con remoción del 15.36 y 39.85%, correspondientes a valores finales de 1385 ± 58 mg C/L y 505 ± 58 mg O2/L, respectivamente. Aunque no se alcanzan los estándares de calidad para la disposición del ARnD contemplados en la Resolución 0631 de 2015 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible para las actividades de fabricación de productos textiles, la relación DBO5/DQO de 0.59 obtenida con la aplicación del sistema Co/Al-PILC-BAP indica que, bajo las condiciones óptimas del tratamiento, el ARnD pasó a ser fácilmente biodegradable y permitiría la aplicación posterior de un tratamiento biológico. Adicionalmente las pruebas de fitotoxicidad en condiciones controladas permitieron identificar disminución en la toxicidad. El análisis económico básico de la tecnología implementada teniendo en cuenta el requerimiento de materias primas, agua y energía en las diferentes etapas del proceso indicó que la aplicación del sistema SAC-SBA-Co/Al-PILC-BAP tiene un costo 152.24 USD/m3 de ARnD. La remoción de los colorantes en el agua y la degradación de materia orgánica es un desafío para la ingeniería química, dada la variedad, complejidad y naturaleza recalcitrante, de allí que no exista una tecnología específica que sea aplicable a los diferentes sectores industriales. Además, las propuestas para el tratamiento de aguas coloreadas se realizan con moléculas modelo, y las aguas residuales industriales son un matriz muy compleja y poco estudiada. Se espera que el estudio del tratamiento con estructuras complejas y altamente tóxicas como el NA-194, pueda ser extrapolable al tratamiento de otros contaminantes orgánicos (Texto tomado de la fuente)
Modelado de un reactor industrial de película descendente usando el formalismo de Maxwell-Stefan
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Herrera Ruiz, Juan Federico; Gómez García, Miguel Ángel; Dobrosz-Gómez, Izabela; Grupo de Investigación en Procesos Reactivos Intensificados con Separación y Materiales Avanzados (Prisma)
Cerca del 70% de los procesos reactivos industriales involucran sistemas gas-líquido o líquido-líquido. Una de las principales aplicaciones de los sistemas reactivos gas-líquido corresponde a reacciones de sulfonación para la producción de surfactantes aniónicos en reactores de película descendente (o FFR por su acrónimo en inglés). De hecho, la demanda mundial de surfactantes se vio impulsada por la pandemia alcanzando valores cercanos a los 20 millones de toneladas y se espera que sus ventas aumenten de 42 mil millones de USD en 2019 a 53 mil millones en 2025. Por lo anterior, resulta importante contar con herramientas de modelado y simulación para el diseño y/o operación de estos sistemas reactivos. Las reacciones de sulfonación involucran el contacto de una fase orgánica líquida con una corriente de SO3 diluido en gas inerte. El SO3 debe migrar hacia la fase líquida donde se lleva a cabo la reacción. Entre las características del proceso se encuentran: alta velocidad de reacción, alta exotermicidad y grandes cambios en las condiciones hidrodinámicas. El diseño y operación de los reactores en los que se llevan a cabo estos procesos requieren de un correcto modelamiento de los fenómenos de transferencia de masa. Tradicionalmente, los sistemas reactivos gas-líquido se han modelado usando correlaciones empíricas para la transferencia de masa. Sin embargo, en general, estas expresiones carecen de robustez a la hora de predecir la transferencia de masa multicomponente y/o al introducir cambios en el sistema. En este trabajo de tesis de Maestría en Ingeniería Química se estudia el modelamiento y la simulación de un reactor industrial de película descendente usando el formalismo de Maxwell-Stefan para transferencia de masa multicomponente (tanto en la fase gaseosa como a la fase líquida). En particular, se estudió la producción del ácido tridecil-bencensulfónico (TDBS) a escala industrial. Así, en el primer capítulo se presentan las características principales de los sistemas reactivos bifásicos, su importancia económica y las herramientas disponibles para su descripción (v.g., correlaciones de transferencia de masa para sistemas gas-líquido); prestando especial atención a las reacciones de sulfonación. En el segundo capítulo se presentan generalidades del equilibrio termodinámico entre fases que se da en el reactor. En el tercer capítulo se presentan distintas herramientas para el análisis de la transferencia de masa de este tipo de reactores a partir de los resultados de un modelo unidimensional típico, analizando el comportamiento de la matriz del factor termodinámico, los coeficientes de transferencia en una aproximación pseudo-binaria y considerados como matrices multicomponentes, así como el número de Hatta. En el cuarto capítulo se presenta el modelo bidimensional del reactor, el cual presenta alta precisión y exactitud respecto a los datos de planta (alrededor del 0.3% para la temperatura de salida de la fase líquida y cerca del 2% para la concentración de TDBS), pero tiene un costo computacional elevado. En este capítulo se analizan las mismas variables de transporte que en el modelo unidimensional, pero a partir de los resultados del modelo bidimensional. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones y perspectivas de la tesis (Texto tomado de la fuente)
Producción de oligosacáridos de manosa (MOS) a partir de semillas de naidí usando enzima comercial inmovilizada
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Murillo Franco, Sarha Lucia; Orrego Alzate, Carlos Eduardo; Sarha Lucia Murillo Franco [0001726765]; Murillo Franco, Sarha Lucia [ZuyU6S8AAAAJ]; Sarha Lucia Murillo Franco [0000-0002-1642-8779]; https://www.researchgate.net/profile/Sarha-Lucia-Murillo-Franco; GAF-Grupo de Alimetos Frutales; Murillo-Franco, Sarha Lucia [58074141000]
En este estudio, se constató a través de análisis como FTIR, XRD y otros métodos fisicoquímicos que las semillas de açaí o naidí (Euterpe oleracea) -SN- presentan un alto contenido de hemicelulosa y manano. Para producir manano-oligosacáridos (MOS) a partir de estas semillas trituradas, se empleó un coctel enzimático con mananasa como actividad principal inmovilizada en una matriz de biopolímero compuesta por aceite de pino epoxidado y fibra de cápsula de achiote, dando como resultado un material enriquecido con MOS. La enzima inmovilizada fue preparada y caracterizada a través de técnicas como FTIR y SEM, alcanzando una eficiencia de inmovilización que superó el 75% y una notable estabilidad operativa de al menos 10 ciclos. La idoneidad de las semillas de naidí como materia prima para la generación de MOS se confirmó mediante pruebas de hidrólisis enzimática, tanto en fases homogéneas como heterogéneas. Estas pruebas tenían como objetivo identificar las condiciones óptimas de pH y temperatura para la producción de MOS, minimizando la formación de manosa. En la fase homogénea, se obtuvieron resultados favorables a 37°C, 36 U/g, un tiempo de reacción menor a 3 horas y un pH de 8.5, mientras que en la fase heterogénea se lograron a 59°C, 17.5 U/g, con un tiempo de reacción de 2.8 horas y un pH de 7.9. Se diseñaron configuraciones de procesos específicas para producir un pienso utilizando semillas hidrolizadas enriquecidas con MOS. Estas configuraciones se basaron en datos experimentales y fueron evaluadas con herramientas como SuperPro Designer V9.5 para el análisis tecnoeconómico y SimaPro para la evaluación ambiental. El análisis preliminar comparativo concluyó que el sistema biopolímero-mananasa es un eficiente biocatalizador para transformar de manera sostenible el SN de frutos cultivados en Chocó en un material rico en MOS, reduciendo así los impactos ambientales asociados a la etapa de hidrólisis y mostrando viabilidad económica (Texto tomado de la fuente)
Poliuretano urea modificado con un derivado de aceite de ricino con aplicaciones elastoméricas
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Valencia Eraso, Carlos David; Cuellar Burgos, Alneira; Mesa Rueda, Fabio Augusto; Polímeros y Materiales Compuestos
La incorporación de compuestos poliméricos biobasados han adquirido mucha importancia y relevancia en la actualidad, debido a que permiten la reducción de los compuestos que tiene como origen el petróleo mediante la inclusión de nuevas fuentes renovables en su producción. En este trabajo se obtuvo un derivado del aceite de ricino mediante la transesterificación del aceite con el fin de reducir la funcionalidad hidroxilo y poder obtener un producto lineal para la elaboración de un elastómero de poliuretano urea (PUU). En la síntesis se utilizó aceite de ricino con dietilenglicol en exceso y KOH como catalizador. El producto obtenido fue separado y caracterizado por resonancia magnética nuclear (RMN), espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y número hidroxilo, obteniéndose como bandas características para el ricinoleato (REG) el -OH en 1050 cm-1 del grupo hidroxilo primario y los picos 3.6 y 4.1 ppm correspondientes al –CH2 adyacente a un carbono secundario y al CH2-C-C=O-, respectivamente. El producto obtenido presentó una temperatura de degradación de 165ºC y un valor hidroxilo de 328 mg KOH/g. Posteriormente, se formuló y obtuvo un poliuretano urea biobasado (PUUR) con un segmento duro (%HS) de 40% a partir del derivado de aceite de ricino con una adición de ricinoleato de etilenglicol (REG) de 1.6% molar, una temperatura de 90ºC, catalizador DABCO y utilizando la técnica por solvente en dos pasos con un 32% de sólidos disueltos de igual forma se sintetizó un PUU estándar a las mismas condiciones con el fin de establecer las variaciones del producto biobasado. Estos productos fueron caracterizados X Poliuretano Urea Modificado con un Derivado de Aceite de Ricino con Aplicaciones Elastoméricas por RMN, FTIR, TGA, DSC y finalmente, por un ensayo de tracción para evaluar las características mecánicas de los productos. A través de la RMN se estableció que el producto REG se incorporó a la estructura a través del protón en la ubicación de 5.40 ppm (–CH) que corresponde a la insaturación del REG. Adicionalmente, se observó un cambio en el módulo de tracción del PUUR aumentando un 29% y reduciendo la elongación en un 82% con respecto al PUU estándar sintetizado, además se presenta también una reducción en 17 ºC en su estabilidad térmica, una reducción de la cristalización fría y un aumento en la temperatura de fusión del producto final con respecto al PUU estándar. Estos resultados son importantes, ya que se pudo sintetizar un producto biobasado mediante la modificación del aceite de ricino, y se pudo establecer los efectos ocasionados por el uso de este tipo de productos renovables en las propiedades finales de los poliuretanos urea lineales, adicionalmente se establecieron los procesos de síntesis y purificación de cada una de las etapas del proceso para la producción de un polímero de ingeniería como es el PUU con un derivado de fuente renovable (Texto tomado de la fuente)
Analysis of the sustainable production of hydrogen as an energy vector in Colombia
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Garcia Vallejo, Maria Camila; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Garcia Vallejo, Maria Camila [0001824072]; Garcia Vallejo, Maria Camila [0000000163357937]; https://www.researchgate.net/profile/Maria-Garcia-Vallejo; Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos; 58100865800
The first step towards the energy transition that promotes a carbon-neutral society is the implementation of renewable energy sources, accompanied by the development of new energy carriers with lower pollution rates and higher energy efficiencies. Based on this, the energy transition requires several efforts in the processes of transformation, generation, and consumption of energy. Therefore, discovering new alternative energy resources and systems has become a priority, and multiple governments and major industries, such as the IEA, have already recognized the role of hydrogen in this task. However, given the diversity of pathways for converting raw materials into energy products, it is only possible to formulate sound decisions with preliminary conceptual design and multi-criteria evaluation. To date, the transformation pathways for hydrogen production have focused on petrochemical and thermochemical schemes and have been analyzed as single processes, discounting the relevance of other production schemes such as electrolytic and biological processes. In addition, there are no rigorous studies that analyze all the production pathways. Therefore, this work begins with a heuristic analysis of technologies and raw materials for hydrogen production. This analysis was based on objective criteria such as environmental impact, economic aspects, and operational and energetic parameters of the process. The main results were that the schemes with the highest level of development, economic and environmental advantages were (i) steam methane reforming, (ii) biomass gasification, (iii) alkaline electrolysis, and (iv) dark fermentation. Then, a heuristic analysis was developed considering the potential of the main agricultural and agro-industrial wastes in obtaining hydrogen, considering the pathways mentioned above. Once the raw materials and technologies with the greatest opportunity for development were established, the schemes were evaluated at the experimental level and scaled up in simulation schemes using Aspen Plus. At the experimental level, it was evaluated (i) anaerobic digestion of cassava stalk to produce biomethane for steam reforming (SBMR), (ii) gasification of corn stover, (iii) alkaline electrolysis, and (iv) dark fermentation using rice straw and the microorganism T. thermosaccharolyticum W16. The experimental schemes did not contemplate the gas separation and purification stage. The experimental results were used to simulate and evaluate the sustainability of the biorefineries. In the separation and purification stages, widely developed technologies such as Pressure Swing Adsorption (PSA) were proposed to obtain hydrogen. Then, a comparative analysis of the sustainability of the main hydrogen production technologies was carried out. For this purpose, techno-energy, economic, environmental, and social indicators were used to calculate a global sustainability index (SId). Steam biomethane reforming (SBMR) and electrolysis with solar power (EL), were the systems with the highest SId regarding techno-energy and environmental dimensions, respectively. Moreover, thermochemical, and biological technologies require further research to decrease the environmental load and improve the mass efficiency of the process. Finally, once it was established that SBMR was the technology with the highest sustainability index, it was evaluated considering a life cycle assessment. For this purpose, the Sucre region and a highly available agricultural residue were considered: the cassava stalks. Cassava is a highly distributed crop in Colombia. Like other crops, cassava generates different usable residues, such as cassava stalk, which can be valued by producing energy carriers that meet the needs of the process. Therefore, this work also included evaluating the environmental impact of the cassava value chain for the Sucre region and analyzed the possibility of including residue processing stages to produce energy carriers of low (biomethane) and high (hydrogen) complexity. As the main results, the influence of the processing stage in the value chain can be highlighted, contributing more than 90% of the impact due to energy demands and waste generated. In addition, when the production of energy carriers was included, biomethane and hydrogen could supply the energy needs of the biorefinery and between 72% and 58% of the energy demand of the transformer stage, respectively. Finally, it was established that the value chain without the valorization of cassava residues produced 1.22 kg CO2 eq/kg cassava. In comparison, when including the valorization stages, the value chain generated 1.20 kg CO2/kg of cassava, where raw materials, especially sludge for anaerobic digestion, presented the greatest contribution to the environmental impact in the biorefineries. Thus, agricultural residues and the production of energy carriers become established as a processing alternative for generating usable energy within the links of the production chain, mitigating, in turn, the overall impact of the value chain. (Texto tomado de la fuente)
Optimizing process design and control development for free-radical polymerization in continuous reactors
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) García Méndez, Juan Miguel; Prado-Rubio, Oscar Andrés; Cuellar Burgos, Alneira; García Méndez, Juan Miguel [0000000217360163]; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías
The polymeric industry has been exhibiting remarkable economic growth, in recent years due to increasing product demand. Just like other processes with remarkable development, the polymeric industry carries environmental and economic problems with the generation of a substantial amount of waste. An important percentage of the waste generated by polymerization processes is the off-specification product due to a lack of process control. Also, polymerization processes are challenging, where complex interactions of mass and energy are handled, thus intricate mathematical models are obtained, whose solution might not be straightforward. Those depend on the polymer type and the synthesis methods used in the process, in some cases presenting simplification compared with other polymerization systems. Among the most interesting polymers, there is polystyrene, which is highly used in the industry for production versatility, and relevant markets, among others. The most employed production route is through bulk polymerization by free radicals due to the properties, kinetic mechanisms and operation of the polymerization reactor are still highly studied. Also, separation is not required after the reaction, simplifying the flowsheet. For this kind of system, a high process understanding leads to better design and enhanced control which are essential to ensure the production of a high-quality final product. Due to its relevance, polystyrene is highly investigated to cope with production limitations such as poor temperature and viscosity control. Having those problems in mind, this research aims improving the environmental impact and economic potential in a complex system as such the bulk polymerization by free radicals, through optimal design and implementing of advanced control structures (focused on polystyrene but potentially appliable for any polymer produced by this process). Herein, two systems are investigated for bulk polymerization by free radicals of polystyrene using different reactor configurations. The first study case is based on a continuous stirred-tank reactor (CSTR) from the literature. The second study case investigates potential process improvements when the reaction takes place in a plug flow reactor (PFR), taking some elements to the CSTR study case. In order to determine the best production scenarios, optimal design is performed using a global approach through a genetic algorithm (GA), obtaining an optimal point to perform the reaction. Employing an optimization with two objective functions, providing a robust selection for the optimal point (operation point). Evaluating two technical criteria, namely efficiency and economic aspects, assessed by the productivity and the operational cost. Giving a robust design to obtain the operational point in the system, accomplishing physics characteristics desired for the final product (mass average molecular weight) and the reactor (conversion). Taking as case study a relatively big pilot scale reactor (reactor volume of 3000 L), results show an operational cost of 521932.83 USD/year and productivity of 6.21e-5 mol/L*h for the CSTR case, also, conversion values of 0.38 and mass average molecular weight values of 72436.24 g/mol. On the other hand, for the PFR with a total volume of 9470.19 L, operational cost and productivity values of 86171.80 USD/year and 0.0024 mol/L*h are obtained, respectively and conversion values of 0.61 and 70869.58 of mass average molecular weight. Subsequently, the control structure design and implementation are performed. A comparison is done between linear controllers and two advanced controllers, namely the proportional-integral-derivative (PID) control, linear-quadratic-regulator (LQR) control, and linear-quadratic-Gaussian (LQG) control. Controller performance is assessed through well-established performance indexes such as settling time, rise time, time to first peak, and overshoot during setpoint tracking and disturbance rejection tests. Nevertheless, the comparison is not only used for the controllers but instead the systems in general, evaluating important performance indexes (e.g. cost evaluation, productivity, production time, among others). For both case studies, the best controller performance is obtained with LQG controller, the more advanced controller implemented. With settling times 2 times faster than the other two controllers in the CSTR case. For the PFR case values of 6 times faster the settling time for PID controller. Particularly, it is advantageous to use a Kalman filter (within the LQG controller) to calculate the response of unmeasured variables in the system using physically measurable variables (limitation that PID control has). In this case, the moments of molecular weight distribution (physically unmeasurable) were calculated through the mass average molecular weight (measurable). It is worth mentioning that no information about the implementation LQG controllers in this process was found in the literature, so the findings presented here are novel. Then, the investigated approach prove a powerful tool to overcome the monitoring limitations. Also, despite the best control structure are the advanced controllers, the use of basic controllers as the PID, shows a good performance in both reactors compared with the system in open loop (no control implementation). The findings found in this thesis showed an improvement in environmental impact and economic potential for bulk polymerization by free radicals of polystyrene in a continuous process. This was accomplished by first by employing a systematic methodology for design and performance evaluation that copes with the particular challenges of the polymerization process. Secondly, by using diverse control strategies beyond conventional simple loops in conjunction with the optimal design. Therefore, the model-based approach proposed in this research provided relevant system understanding reflected in improved process design and control. Finally, this research has shown the benefit of considering optimal design and advanced control in the development of future polymerization processes, driving enhanced system performance towards more sustainable processes. (Texto tomado de la fuente)
Prediction of colligatives effects in the system Water + NaCl through Machine Learning
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Londoño Arango, Jorge Eduardo; Carrero, Javier Ignacio; Grupo de Fisicoquímica Computacional
The use of traditional models such asthemodifiedDebye-Hückelmodel, the Pitzer model, MSE (MixedSolvent Electrolyte), or e-NRTL (Non-Random Two Liquid - Electrolyte) for predicting colligative effects in the Water + NaCl system is challenging. While these models have shown good results in terms of predictions, their statistical and computational implementation has required significant effort. On the other hand, certain Machine Learning algorithms have been studied for phase equilibrium prediction in systems with dissolved electrolytes. In this study, the implementation of three Machine Learning algorithms (Neural Networks, Least Squares Support Vector Machines, and Regression Decision Trees) was evaluated for predicting the decrease in melting temperature and saturation pressure of the Water + NaCl system. The results were compared with the prediction provided by an empirical variant of the Debye-Hückel model. Zero mean, normality, and residual independence tests were conducted for all models to statistically evaluate the regression results. It was found that machine learning models have the potential to predict colligative effects in electrolyte solutions, particularly the Regression Decision Tree model, which met all the assumptions studied for both effects and proved to be a reliable prediction tool. Finally, it was demonstrated that computationally, the implementation of machine learning models was straightforward, and their implementation for new studies in property prediction is a promising research area. (Texto tomado de la fuente)
Oxidación catalítica en medio heterogéneo de un colorante azoico empleando el sistema peróxido activado con bicarbonato
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Marín González, Natalia; Sanabria González, Nancy Rocío; Cardona Castaño, Julio Andres; Marín González, Nataia [0000-0002-1199-9863]; Grupo de Investigación en Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos - PQCB
Uno de los contaminantes recalcitrantes que generan alto impacto en los cuerpos de agua son los colorantes sintéticos, especialmente los que contienen en su estructura molecular grupos azo, debido a que impiden los procesos fotosintéticos, reducen la concentración de oxígeno disuelto y afectan la dinámica del sistema acuático. Dada la compleja estructura química y tamaño molecular de los colorantes, la mayoría de estos compuestos no logran ser eliminados por los métodos convencionales para el tratamiento de aguas. El rojo allura, también conocido como rojo No. 40 o E129, es un colorante azoico ampliamente utilizado en la industria alimentaria para impartir coloración en helados, refrescos, dulces y productos de panadería. Su fórmula molecular es C18H14N2Na2O8S2 y se caracteriza por ser una molécula estable, con una vida media de 33.6 h bajo fotólisis directa (UVB). En la presente investigación se evaluó el potencial catalítico de la bentonita pilarizada con aluminio e impregnada con cobalto (Co/Al-PILC) para la oxidación del colorante rojo allura con el sistema BAP (por sus siglas en inglés, Bicarbonate-Activated Peroxide), bajo condiciones suaves de temperatura y presión (25 °C y presión atmosférica). Para todos los ensayos de oxidación se empleó una dosis de catalizador de 2.0 g/L y la concentración de cobalto impregnado fue del 1.0% en masa. El efecto de las concentraciones de H2O2, NaHCO3 y colorante sobre la decoloración y remociones de carbono total (CT) y nitrógeno total (NT) se analizó mediante un diseño central compuesto (DCC) y la metodología de superficie de respuesta (MSR). Empleando el sistema Co/Al-PILC-BAP se lograron decoloraciones de 99.43%, y remociones de NT y CT del 72.82 y 18.74%, respectivamente. Los datos experimentales de decoloración y remoción del CT y NT se ajustaron a modelos matemáticos de segundo orden, con coeficientes de determinación (R2) mayores a 0.9713. Las condiciones óptimas que maximizan la decoloración y mineralización se obtuvieron para concentraciones de colorante, H2O2 y NaHCO3 de 21.25 mg/L, 2.59 y 1.25 mM, respectivamente. Los datos de la cinética de decoloración 25 y 35 °C se ajustaron al modelo de pseudo primer orden, en tanto que a 45 °C el mejor ajuste fue al modelo de pseudo segundo orden. Algunos intermediarios y subproductos finales de reacción fueron identificados mediante análisis de cromatografía líquida (HPLC) y cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-EM). Los resultados de esta investigación mostraron que el sistema BAP catalizado con cobalto soportado sobre una arcilla pilarizada (Co/Al-PILC) es una alternativa para el tratamiento de aguas coloreadas, y puede ser empleado como tratamiento terciario o como pretratamiento para mejorar la biodegradabilidad del agua. (Texto tomado de la fuente)
Modelamiento de la transferencia de masa multicomponente basado en las ecuaciones de Maxwell-Stefan para el análisis de reactores industriales empacados
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Zuluaga Botero, Santiago; Gómez García, Miguel Ángel; Dobrosz-Gómez, Izabela; Zuluaga Botero, Santiago; Grupo de Investigación en Procesos Reactivos Intensificados con Separación y Materiales Avanzados (Prisma)
El modelamiento de reactores industriales empacados ha sido objeto de estudio permanente durante el desarrollo de la ingeniería química. Dependiendo el tipo de reacción y la complejidad de modelos cinéticos, los balances macroscópicos del sistema pueden verse modificados. Existen modelos pseudo-homogéneos, heterogéneos, unidimensionales, bidimensionales, isotérmicos, no isotérmicos, con pérdida de carga, sin pérdida de carga, etc. A pesar de la amplia gama de alternativas disponibles, muchos sistemas reactivos requieren de modelos más rigurosos para la correcta representación de los fenómenos físico-químicos lo que se traducirá en un correcto diseño y/o herramienta de análisis de su desempeño. En esta tesis se propone una metodología sistemática y bien fundamentada para el análisis de los reactores industriales heterogéneos (gas-sólido) considerando los sistemas reactivos como sistemas multicomponentes. Para ello se desarrollaron herramientas de análisis, reportando paso a paso la deducción de los modelos involucrados, sus parámetros asociados y las posibles modificaciones dependiendo la complejidad del problema bajo estudio. Se definieron estrategias de solución por medio de algoritmos de cálculo para diferentes catalizadores (porosos y no porosos) y para diferentes disposiciones del reactor. Como objetivo principal de este estudio, se evalúo el efecto de la transferencia de masa extra- e intra-partícula, fundamentalmente con base al modelo de Maxwell-Stefan multicomponente, en el cálculo de la resistencia a la transferencia de masa multicomponente. Sin embargo, con fines comparativos, también se solucionaron modelos simplificados propuestos en la literatura (v. g., modelo pseudo-homogéneo y multicomponente con difusividad efectiva de Fick). De esta manera, se propusieron algoritmos detallados para el análisis y diseño reactores tubulares empacados. Los modelos fueron implementados y solucionados en el software MatLab® para el estudio de tres casos de relevancia industrial: la oxidación parcial de o-xileno; la síntesis de amoníaco; y el reformado de metano con vapor de agua. Cada uno de ellos se analizó con base en: (i) el examen de la partícula aislada (v.g., los efectos difusionales externos y/o internos para la transferencia de masa multicomponente y de calor) y (ii) el desempeño de un reactor a condiciones industriales (v.g., comparación de las predicciones de los modelos y datos de planta). (Texto tomado de la fuente)
Modelamiento de un reactor percolador para la hidrólisis de la hoja de mazorca
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Gilon Salazar, Dayanna Vanessa; Fontalvo, Javier; Gilon Salazar, Dayanna Vanessa [0000-0002-1433-1121]; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías - GIANT
El desarrollo de nuevos procesos es un tema de gran interés para la ingeniería de reactores, ya que se hace necesario mejorar e implementar nuevas prácticas en la industria que garanticen un futuro sostenible mediante la transformación de diferentes materiales. En general, la aplicabilidad de estos procesos a escala comercial está limitada por la complejidad de las reacciones en serie que se dan y las tecnologías de baja eficiencia, lo que conduce a que sean económicamente inviables. Por lo tanto, es necesario un profundo conocimiento del proceso y su operatividad para proponer tecnologías innovadoras que contribuyan a superar las restricciones mencionadas, mejorando así la incorporación de nuevos procesos para la transformación de materiales lignocelulósicos. En esta disertación, se desarrolló un nuevo concepto de reactor percolador para la producción y extracción de azúcares como: xilosa, glucosa, manosa, arabinosa y galactosa o subproductos como el furfural. Este proceso se desarrolló utilizando desechos biodegradables como la hoja de mazorca debido a que un material económico y de alta disponibilidad en Colombia. El análisis del reactor se realizó en tres etapas: el modelamiento del reactor percolador mediante el software de Matlab® y la integración de este modelamiento con sección experimental para obtener los parámetros cinéticos que modelan la hidrólisis de la hemicelulosa y finalmente optimización de las concentraciones de los azúcares. En la etapa del modelamiento del reactor percolador, se obtuvieron las ecuaciones del balance de masa que predecían las concentraciones de los productos y subproductos de la descomposición de la hemicelulosa de la hoja de mazorca. Para la obtención del modelamiento se realizó una caracterización del material lignocelulósico, obteniendo así los porcentajes de hemicelulosa, celulosa y lignina presentes en la materia para ser adaptados al modelo. El modelamiento del reactor percolador se desarrolló mediante el software Matlab®, utilizando una subrutina de optimización global y el comando fmincon para minimizar la función objetivo que consistía en minimizar la sumatoria de los residuales al cuadrado. Una vez obtenido el modelamiento, éste se ajustó con los resultados de los datos experimentales de la hidrólisis de la hoja de mazorca. El ajuste del modelo del reactor percolador se realizó mediante un diseño secuencial obteniéndose la estimación de parámetros cinéticos, para esto primero se seleccionó las condiciones iniciales experimentales, luego se ajustaron los parámetros, seguidamente se utilizó el modelo secuencial para la predicción de nuevas condiciones de operación. Se hizo necesario la verificación de la calidad de la predicción del modelo (varianza de los parámetros del modelo), donde la varianza se ajustó a un valor máximo del 6%, para termina el proceso de ajuste. Finalmente, con los parámetros cinéticos ajustados, se optimizaron las ecuaciones de los balances que mostraban el comportamiento de la producción de azúcares para obtener concentraciones máximas de xilosa y furfural, por medio de nuevas rutinas de software Matlab®, con el comando fmincon. La productividad del sistema fue más alta que la obtenida en otros reactores para hidrólisis de este tipo de materiales. El desempeño obtenido con estos reactores muestra el potencial de la tecnología desarrollada y es la fuerza impulsora para continuar investigando la optimización de los procesos. (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de ozono troposférico en ciudades latinoamericanas
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Gálvez Serna, Angel David; González Duque, Carlos Mario; Orozco-Alzate, Mauricio; Gálvez Serna, Angel David [0000-0001-6847-2635]; Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental – GTAIHA
En la actualidad, la contaminación atmosférica corresponde al cuarto factor de riesgo en la salud humana en zonas rurales y urbanas después de la hipertensión, fumar y la diabetes. Las ciudades latinoamericanas no están desconectadas con esta problemática y su constante crecimiento demográfico las transformarán en futuros escenarios potencialmente contaminados, si no se realiza una gestión adecuada del recurso aire. El ozono troposférico (O3) es un reconocido contaminante atmosférico que puede afectar negativamente la salud humana, los ecosistemas y el clima. Para evaluar la contaminación por O3 en una región específica, se han desarrollado análisis numéricos de concentración e indicadores en diferentes escalas temporales, con el objetivo de identificar patrones de comportamiento en los datos y correlacionar efectos adversos debido a la presencia de este contaminante en los centros urbanos. Estos análisis permiten mejorar los planes y políticas de gestión de la calidad del aire, potenciando la implementación de estrategias de mitigación y protección de los receptores. La presente tesis de maestría pretende evaluar la distribución y patrones de las concentraciones e indicadores de O3 a escala regional en Suramérica, a través de la recopilación de información y el análisis de datos de O3 disponibles en 17 estaciones de monitoreo distribuidas en 10 ciudades de 5 países latinoamericanos (Brasil, Chile, Colombia, México, Paraguay), para el periodo comprendido entre el 2000 al 2020. La información relacionada a la concentración e indicadores de O3 fue recolectada de la plataforma de acceso libre del proyecto internacional TOAR (https://join.fz-juelich.de). Los datos fueron evaluados en agrupaciones horarias, diarias y mensuales en función de las condiciones locales como la altitud, el clima, la densidad poblacional, la topografía y los patrones de emisión de precursores; identificando la homogeneidad de las concentraciones y su relación espacio temporal. Al analizar las series temporales en los datos, se identificó una ausencia generalizada en la homogeneidad de periodos que coincidieran entre los países, indicando la necesidad de reforzar la continuidad del monitoreo de calidad del aire en ciudades latinoamericanas, así como de la publicación de la información en plataformas globales como TOAR. No obstante, se identificó que la metodología propuesta permite hallar correlaciones y diferencias entre las estaciones analizadas. Los resultados horarios indicaron que la formación de O3 posee una fuerte dependencia de los patrones de emisión de precursores y la relación entre COV/NOX en la atmósfera, siendo el tipo de estación, la cobertura del suelo y la densidad poblacional variables indicativas de esta relación. Este fenómeno se evidenció en los patrones diarios, donde se identificaron incrementos de hasta un 40% en las concentraciones observadas durante los domingos, especialmente en estaciones tráfico, fenómeno relacionado a la acumulación de precursores durante los días laborales. Para el caso de los patrones mensuales, se evidenció una correlación entre los patrones estacionales meteorológicos y los máximos de concentración registrados. Para países alejados del trópico los mayores registros de O3 se obtuvieron durante la temporada de verano, mientras que para regiones más tropicales o con climas caracterizados por precipitaciones mensuales por encima de los 50 mm, se registraron los máximos de O3 durante el inicio de temporadas de altas precipitaciones, fenómeno relacionado al cambio en el equilibrio químico que implica el lavado atmosférico de precursores. Por otro lado, dependiendo del indicador o conjunto de indicadores elegidos para evaluar las condiciones de contaminación de una región, se podría generar como producto la selección de diferentes combinaciones de estrategias de control de emisiones y a su vez generar conclusiones diferentes sobre la distribución de los datos de O3 y su nivel de riesgo en los receptores. Los resultados demuestran la necesidad de definir la población de estudio y conocer los niveles de distribución de los datos promedio de O3. Por ejemplo, para evaluar impactos en la salud humana en ambientes urbanos el uso de indicadores como el MDA8 podrán reflejar el efecto de las concentraciones “altas”, por encima de 75 ppb. Similarmente, indicadores como el SOMO10 reflejarán el cambio en las magnitudes debido a las concentraciones “bajas”, por debajo de 35 ppb. Mientras que, indicadores como el AOT40 que tienen como objetivo evaluar la eficiencia y capacidad productiva de la vegetación o los cultivos, permitirán evaluar el potencial de riesgo asociado a concentraciones medianas – altas, por encima de 40 ppb, en especies vegetales, siendo éste un indicador idóneo de aplicabilidad en estaciones de fondo o localizaciones rurales. Se destaca que implementar indicadores y generar estándares permite dar seguimiento a las estrategias de control de la contaminación del aire, ya que el no cumplimiento de estos promueve y exige a las autoridades competentes y a la comunidad en general el desarrollo e implementación de acciones directas en las regiones contaminadas para ajustarse a los estándares permitidos. Finalmente, se realizó un análisis de tendencias y aplicación de modelos de predicción estadística de datos, como las redes neuronales artificiales (ANN). Ambas herramientas permiten identificar cambios en los patrones de comportamiento de los datos, evidenciando por un lado las magnitudes y direcciones de estos, y por otro lado permitiendo estimar valores de O3 no conocidos a partir de variables predictoras para la aplicabilidad en la imputación de bases de datos. Estas herramientas pueden llegar a potenciar la significancia de los resultados por efecto de la continuidad en las series temporales, fomentando la importancia de la generación de protocolos de aseguramiento de datos y la confiabilidad en la información. (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de métodos de tratamiento para la degradación de colorante en el agua residual de la industria de las curtiembres
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Gómez Rodríguez, Carlos Andrés; Dobrosz-Gómez, Izabela; Gómez García, Miguel Ángel; Grupo de Investigación en Procesos Reactivos Intensificados con Separación y Materiales Avanzados (Prisma)
La industria de las curtiembres es una de las actividades antropogénicas que más agua consume y, por ende, una de las principales generadoras de aguas residuales. Entre los procesos involucrados en la obtención del cuero, la etapa de teñido contribuye con el ca. 6% de las aguas residuales producidas, aporta color, nitrógeno amoniacal, y en general aumenta la carga contaminante del efluente. El municipio de Belén (Nariño) posee una participación considerable del número de curtiembres del país (ca. 9% con 46 curtiembres activas). Esto define una serie de importantes desafíos ambientales (relacionados con la necesidad de tratar grandes volúmenes de aguas residuales contaminadas) y económicos (pues de esta industria depende el 95% de la población de Belén). En esta tesis de maestría en ingeniería – ingeniería química se evaluó la capacidad del proceso oxidativo Fenton en la degradación del colorante y materia orgánica contenidos en el agua residual generada en la etapa de teñido del cuero de una curtiembre representativa del municipio de Belén. Se realizó una caracterización de los parámetros fisicoquímicos del efluente en función de la normativa ambiental nacional vigente. En esta tesis, las condiciones óptimas de operación del proceso Fenton Batch, se definieron mediante: (i) un estudio preliminar que permitió acotar los intervalos de operación de los factores más significativos en el proceso (pH, [H2O2] y [Fe2+]); (ii) un diseño experimental del tipo Box-Behnken y análisis de estadístico de los resultados obtenidos; (iii) metodología de superficie de respuesta y herramientas numéricas para la optimización multiobjetivo. Las siguientes condiciones de operación: pH inicial = 3.15, [H2O2] = 5.38 mM, [Fe2+] = 0.981 mM y 10 minutos de tratamiento (definidos de un estudio cinético) permitieron maximizar la decoloración del efluente (> 97%) y minimizar los costos operacionales (0.0112 USD/m3). Así, se obtuvo un efluente que cumplió con la normatividad ambiental nacional vigente. Adicionalmente, sus características de biodegradabilidad y toxicidad mejoraron notablemente. (Texto tomado de la fuente)
Data-driven modelling of micro and ultra - filtration processes
(Uuniversidad Nacional de Colombia, 2022) Lopez-Murillo, Luis Humberto; Prado-Rubio, Oscar Andrés; Grisales Diaz, Victor Hugo; Lopez-Murillo, Luis Humberto [0000-0001-9973-1871]; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías (GIANT)
The microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) processes are widely used in several industrial and research fields, and different enterprises have emerged to develop enhancements and new designs of such technologies. Nevertheless, some drawbacks related to process operation, namely concentration polarization and fouling, keep membranes from spreading in all industrial sectors. Concentration polarization and fouling are the main problems in MF and UF to be managed in order to design a separation process. Dynamic operation strategies are used to mitigate adverse effects of polarization and fouling and improve the separation performance. Nevertheless, there is a balance among the operational conditions to reach the desired effects. In this research, two hybrid mathematical models are developed and tuned to represent the concentration polarization phenomena in dynamic UF of dextran T500. Such models yield an adjusted determination coefficient of 0.9185 and 0.9626, respectively, and can predict the concentration at the membrane surface, the flux and the observed rejection. The results display the intensifying effect of dynamic operation by decreasing the Molecular Weight Cut-Off (MWCO) of the membrane up to 74 times without reducing the flux. The experimental data from literature and herein developed hybrid models provide system insights for membrane systems design where the selectivity can be enhanced and tunned according to operating conditions rather than the membrane pore size. The best hybrid mathematical model is used to explore the UF system under dynamic operation at different scenarios aiming to provide further system understanding. With this focus, a sensitivity analysis is accomplished in order to evaluate the separation performance in terms of flux and rejection factor as a function of input variables: backshock time (BS), time between backshocks (TBBS), dextran bulk concentration (Cb). The sensitivity analysis allows finding operational regions where high fluxes can be achieved while keeping acceptable rejection factor. Aiming to highlight the advantages of applying dynamic operation instead of conventional filtration, a comparative analysis is performed between a membrane with low MWCO under conventional cross-flow operation and a membrane with high MWCO under dynamic operation. Concentration polarization effect is analyzed and explained by concentration polarization modulus. This modulus is defined as the ratio between concentration at the membrane surface and the bulk concentration. Values as high as 160 for this modulus have a negative impact on selectivity, while values close or lower than 34 improve separation. Average flux can be enhanced up to 43.8 % with BS = 1 s and TBBS = 5 s. With respect to the comparative analysis, membrane cost savings reach values around 50 % by operating a membrane of high MWCO under dynamic conditions. Mathematical modeling in dynamic ultrafiltration is a key tool, from a process system engineering perspective, to assess the separation performance under different operating conditions. The hybrid mathematical model developed in this research allows optimization of operation through sensitivity analysis, and allows designing of the separation process given a definite concentration target, in the context of dextran ultrafiltration. (Texto tomado de la fuente)
Diseño y análisis de pervaporación dinámica para separación de etanol-agua
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Villada Atehortúa, Laura Andrea; Prado-Rubio, Oscar Andrés; Fontalvo Alzate, Javier; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías
Una de las principales desventajas de la producción de bioetanol por fermentación es que el producto la inhibe. Por ello, actualmente se está desarrollando e implementando la pervaporación in situ para la eliminación del etanol durante el proceso de fermentación. Como tecnología de membranas, la pervaporación se utiliza para mejorar la producción de etanol porque no afecta a los microorganismos. La pervaporación tiene numerosas ventajas sobre los procesos convencionales; sin embargo, puede mejorarse intensificando el proceso, concretamente, mediante una intensificación dinámica que no implique grandes alteraciones en los sistemas existentes. En este trabajo se desarrolla un modelo dinámico para analizar el funcionamiento periódico de un módulo de pervaporación que utiliza una membrana de PDMS para la eliminación de etanol. Las variables estudiadas para conseguir la intensificación fueron el tiempo de uso del módulo y el tiempo de recuperación de la membrana. Se compara el flujo medio de etanol y la composición media de etanol en el permeado con una operación periódica y convencional. Como resultado, se muestran las condiciones de operación periódica para una mejor productividad y se propone una configuración del módulo de pervaporación de pervaporación para implementar una operación dinámica. Este estudio muestra cómo la forma de operar un sistema puede mejorar significativamente su productividad. (Texto tomado de la fuente)
Obtención de materiales compuestos madero plásticos a partir de la mezcla de residuos lignocelulósicos y plásticos pos consumo
(2021) López Rodríguez, Diego Fernando; Rojas González, Andrés Felipe; Hidalgo Salazar, Miguel Angel
Actualmente, la ecología industrial y la ecoeficiencia son dos conceptos que guían el desarrollo de la industria colombiana mediante el aprovechamiento de materiales residuales como la biomasa y los plásticos pos consumo o pos industriales. En Colombia se produce una gran cantidad de residuos lignocelulósicos, al mismo tiempo que la generación de residuos plásticos aumenta como consecuencia de la alta demanda de polímeros. Con base en esto, la fabricación de materiales compuestos o biocompuestos se propone como solución sostenible a la producción de residuos. Este trabajo se realiza con el objetivo de obtener materiales compuestos a partir de la mezcla de residuos lignocelulósicos, tales como la estopa de coco (SC) y el cisco de café (CCa), con plásticos pos industriales, constituidos principalmente por polipropileno (PPR) y polietileno de alta densidad (PEADR). Los biocompuestos obtenidos fueron caracterizados por medio de ensayos mecánicos (tracción, flexión e impacto), por termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido (DSC), así como por pruebas físicas y químicas como densidad, absorción de agua, envejecimiento acelerado, análisis próximo, análisis último y poder calorífico. Entre los principales resultados se encuentran: i) el aumento en la resistencia a la tracción y la flexión del PPR reforzado con 30% de CCa (BC4), ii) el aumento en la densidad del PPR y el PEADR mezclados con CCa al 30%, iii) el alto porcentaje de absorción de agua del PPR y el PEADR reforzados con CCa al 30%, iv) la estabilidad en las propiedades de flexión proporcionada por el contenido de lignina presente en la SC, v) el aumento en la temperatura de degradación del PPR y del PEADR reforzados con SC al 10% y CCa al 30%, respectivamente, vi) el incremento en la temperatura y el porcentaje de cristalización del PPR mezclado con SC al 10%, vii) el margen de utilidad por venta de materiales compuestos (11%), viii) la estimación del punto de equilibrio del proceso (409 Ton/año), ix) el cálculo del periodo de recuperación de la inversión inicial (2.3 años), y x) la determinación del potencial por calentamiento global como el parámetro de mayor impacto ambiental generado por el proceso de extrusión de PPR. Finalmente, se puede concluir principalmente que los biocompuestos reforzados con CCa presentaron un mejor comportamiento mecánico si se comparan con las matrices poliméricas reforzadas con SC. Por otro lado, los resultados asociados a las pruebas térmicas se encuentran directamente relacionados con la incorporación de fibra vegetal y su composición estructural (contenido de hemicelulosa, celulosa y lignina). Adicionalmente se menciona que la obtención de materiales compuestos se ve influenciada en gran medida por los costos de la materia prima así como de la disponibilidad de la misma en áreas aledañas y cercanas al sitio de su procesamiento. (Texto tomado de la fuente)
Impact of chemical mechanisms and local emission inventories in the simulation of O3 and CO concentrations using WRF-Chem
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Cifuentes Castaño, Felipe; González Duque, Carlos Mario; Aristizábal Zuluaga, Beatriz Helena; Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental
The ability of the Weather Research and Forecasting model couple with chemistry (WRF-Chem) to accurately represent the atmospheric processes depends on the accuracy of the input information and the adequate model configuration for the intended application. In this study, WRF-Chem was used to test the sensitivity of CO and O3 predictions to (I) lateral chemical boundary conditions (LCBC), (II) domain configurations, (III) nesting techniques, (IV) chemical mechanisms, (V) local anthropogenic emission inventories and (VI) biogenic emission inventories. For that purpose, a total of eight simulations were conducted over the city of Manizales, characterized by its complex topography. The model outputs were intercompared with each other and against ground measurements, in order to identify the effect of the proposed options in the prediction of CO and O3, and ultimately define an optimal model configuration that could reduce the prediction errors. The results show that CO predictions were not sensitive to LCBC, domain configurations, or chemical mechanisms, but exhibited a strong dependency on the anthropogenic emission inventory and the nesting technique. This is caused because CO is a primary pollutant, and its variations are mainly associated with the local emission patterns, whereas the impact of CO transport from other areas, and the production/consumption of this pollutant in the atmosphere are neglectable for the city of Manizales. Indeed, the main contribution towards improving CO accuracy was the implementation of the anthropogenic emission inventory with IVE emission factors, instead of COPERT, due to a more representative activity factors approach of IVE for the particular conditions in Manizales, characterized by road slopes that exceed inclinations of 22%. On the other hand, using a two-way nesting approach provided the worst performance for CO predictions, due to inaccurate predictions of nighttime CO concentrations. O3 predictions exhibited a strong sensitivity to LCBC. The use of CAM-Chem LCBC reduced considerably the overestimation (MB: 3.1 vs 11.5 ppbv) of O3 predictions with the default static LCBC (NALROM). Likewise, the use of a 3-nested domain with a 1:5 nesting ratio enhanced O3 predictions and reduced the computational time needed to run the simulations compared to using 4-nested domains with a 1:3 nesting ratio. Similar to CO, the prediction of O3 were disbenefit by using a two-way nesting approach, in this case, due to higher overestimations during the daytime compared to using a one-way nesting approach. The CBMZ chemical mechanism enhanced the representation of O3 dynamics due to more efficient O3–NOX titration reactions, in comparison with the RADM2 mechanism. O3 predictions were also sensitive to the anthropogenic emission inventory, with the IVE emission factors leading to the most accurate results. Finally, despite the significant difference in biogenic emission fluxes with the biogenic emission models implemented (MEGAN and BIGA), O3 predictions were almost identical with both options. In summary, the best model performance was obtained by using CAM-Chem LCBC, 3-nested domains with a 1:5 nesting ratio, a one-way nesting approach, the CBMZ chemical mechanism, the anthropogenic emission inventory with IVE emission factors, and BIGA biogenic model. These results can guide WRF-Chem setup for future air quality simulations in the city of Manizales, and other cities with similar topographic conditions (Texto tomado de la fuente)
Identificabilidad de modelos matemáticos en procesos biotecnológicos
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Sánchez Rendón, Julio César; Prado Rubio, Oscar Andrés; Matallana Pérez, Luis Gerónimo; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías - GIANT
La biotecnología puede ser una opción viable para mitigar o resolver problemáticas generadas por la acción antrópica, mediante la generación de alternativas más eficientes y ambientalmente amigables a los procesos industriales convencionales. Desde la perspectiva de ingeniería de sistemas de proceso, los sistemas biológicos pueden describirse como modelos matemáticos útiles para el diseño, control y optimización de procesos biotecnológicos. Debido a esto, se genera la necesidad de obtener modelos matemáticos con capacidad descriptiva y predictiva. Sin embargo, los modelos de bioprocesos presentan un reto desde el punto matemático por diferentes circunstancias como su naturaleza no lineal, incertidumbre en mediciones experimentales, sobreparametrización, múltiples mínimos locales (problema no convexo), carencia de identificabilidad estructural, entre otros. En esta investigación se propone una metodología extendida para la estimación de parámetros y validación de modelos matemáticos de procesos biotecnológicos, que apunta a la generación de modelos matemáticos robustos, con interpretabilidad en sus parámetros y con capacidad tanto descriptiva como predictiva, útiles para el diseño, control y optimización de bioprocesos. Se tomó como caso de estudio un modelo matemático de bioproducción de xilitol, que considera características inherentes a los sistemas biológicos como inhibición y transporte de metabolitos. Como punto de partida se analizaron los datos experimentales a través de métodos de detección y limpieza de puntos atípicos junto con un método de suavizado por ajuste polinomial para eliminación de ruido aleatorio. Subsecuentemente, se analizaron las propiedades de identificabilidad estructural del caso de estudio y la influencia de las condiciones experimentales. Posteriormente, se analizó la reproducibilidad y precisión en la solución del problema de optimización no convexo para estimación de parámetros, a través de algoritmos de optimización global estocásticos (metaheurísticas) y la influencia de su sintonización. Finalmente, se estudió la influencia de los diferentes elementos del problema de optimización en el valor de los parámetros del modelo matemático analizado. Así mismo, la calidad de la predicción del modelo de caso de estudio se examinó con intervalos de confianza, indicadores de ajuste e índices de sensibilidad. Específicamente, se determinó que el optimizador enjambre de partículas sintonizado pudo encontrar satisfactoriamente el mínimo global de la función objetivo y el pretratamiento de datos experimentales reduce la incertidumbre en el valor de los parámetros. Además, se demostró que aunque un conjunto de datos presente identificabilidad estructural no necesariamente también brindará identificabilidad práctica. En cuanto a la validación del modelo, se encontró alta interacción entre parámetros debido a carencia de datos experimentales con concentraciones iniciales de glucosa y xilosa, se analizó la sensibilidad de indicadores de ajuste, se determinó la incertidumbre en la respuesta del modelo y se calculó la sensibilidad del modelo a incertidumbre en los parámetros, siendo mejor el método de coeficientes de regresión estandarizados (SRC) sobre los índices de Sobol (Texto tomado de la fuente)
Obtención de una fuente de fibra dietaría a partir de residuos agroindustriales de pasifloras
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Caicedo García, Maria Alejandra; Orrego Alzate, Carlos Eduardo; GRUPO DE ALIMENTOS-FRUTALES
El objetivo de la presente investigación fue obtener concentrados ricos en fibra dietaría a partir del albedo con aprovechamiento de residuos agroindustriales de maracuyá obtenidos de una empresa procesadora de frutas de la región. Luego de caracterizado el residuo se procesó, se optimizaron las alternativas y se realizó una evaluación preliminar de los aspectos técnicos, de costos y ambientales del proceso productivo a nivel industrial, usando el software de simulación Super Pro Designer ®. La optimización de la extracción de las fracciones de fibra a partir del uso de etanol y agua como solventes a diferentes temperaturas de extracción y de secado por medio del análisis estadístico de un diseño central compuesto desarrollado en el software de diseño de experimentos y optimización Design Expert®, para así elegir el mejor solvente (agua) que brindara ventajas económicas, ambientales y de rendimiento del producto de interés. La etapa experimental se desarrolló alrededor de las condiciones de temperatura de extracción y de secado de 60 °C, bajo las cuales se logró el mayor contenido de fibra soluble del 16% aproximadamente. Las temperaturas de extracción y secado optimizadas por medio del análisis de superficie de respuesta para la obtención de las fracciones ricas en fibra fueron 63°C y 61°C, respectivamente, condiciones que permitieron obtener rendimientos del 26% de fibra dietaría soluble (FDS), 61% de fibra Insoluble (FDI) y 87 % de Fibra Total (FDT). Las propiedades de hidratación, absorción de aceite de la fracción obtenida muestran valores altos que indican que son potenciales para ser aplicada en diferentes procesos industriales y/o tecnológicos o enriquecimiento de alimentos. En el análisis preliminar de costos del proceso productivo la inversión inicial del proyecto está alrededor de $ 2,147,137,750.00, cifra obtenida al valorar las etapas de la ingeniería del proceso tales como el costo total de equipos, maquinaria, muebles, infraestructura, instalaciones eléctricas, tuberías y conexiones, aislamiento, adaptación del terreno, edificios auxiliares, costos de materia prima, mano de obra, servicios, gastos de estos valores anuales. Luego del primer año en el que se realizaría el montaje y arranque de la planta, el volumen de las ventas estimadas del producto es de 648,867.00 unidades por año y el tiempo de recuperación de la inversión se calculó en 3 años (Texto tomado de la fuente)

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