Doctorado en Ingeniería - Ingeniería Química

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Adsorción del contaminante emergente cafeína en medio acuoso empleando una arcilla modificada
(Universidad Nacional de Colombia -Sede Manizales, 2024-06-13) Quintero Jaramillo, Javier Andres; Sanabria González, Nancy Rocío; Carrero, Javier Ignacio; Quintero Jaramillo, Javier Andres (0000-0002-8879-6095); Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos; Grupo de Fisicoquímica Computacional
En la presente investigación se estudió de adsorción de cafeína sobre una bentonita modificada mediante tratamiento térmico. La materia prima del adsorbente fue una arcilla tipo bentonita, proveniente de un depósito ubicado en Armero-Guayabal (Tolima), zona que se caracteriza por la presencia de rocas arcillosas de origen volcánico, con influencia del volcán Nevado del Ruiz. La arcilla purificada se sometió a tratamiento térmico a 200, 300, 400 y 500 °C, obteniéndose diferentes adsorbentes. A cada uno de los materiales obtenidos y a arcilla purificada secada a 60 °C, se les realizó caracterización química, estructural, textural empleando diferentes técnicas de análisis (FRX, DRX, adsorción de N2 a 77 K), con el fin de identificar cambios asociados al tratamiento térmico y su efecto en el proceso de adsorción. A partir de ensayos iniciales de adsorción con cada uno de los adsorbentes obtenidos mediante el tratamiento térmico a las diferentes temperaturas, se estableció la influencia del tiempo de contacto, pH inicial y velocidad de agitación sobre la adsorción de cafeína y se seleccionó el adsorbente tratado térmicamente a 400 °C (denominado Bent-Na-400) como el de mejor desempeño. Posteriormente, se planteó un diseño experimental basado en la metodología de superficie de respuesta, donde se analizaron los efectos de la dosis de adsorbente y concentración inicial de cafeína sobre la remoción de este compuesto empleando Bent-Na-400 como material adsorbente. Los datos experimentales de remoción de cafeína se ajustaron a un modelo cuadrático, el cual describió adecuadamente las relaciones entre las variables experimentales y la función de respuesta. El diseño experimental también permitió obtener los parámetros óptimos para la remoción de cafeína, los cuales fueron el insumo para definir los intervalos para la realización de ensayos tendientes a estudiar el equilibrio, cinética y procesos difusionales en la adsorción de cafeína sobre Bent-Na 400. Los resultados de los ensayos de equilibrio de adsorción fueron ajustados a diferentes modelos de isotermas de adsorción, obteniéndose que el que mejor ajuste fue a los modelos de Toth, Redlich-Peterson y Langmuir con coeficientes de determinación mayores a 0,9851. La capacidad máxima de adsorción a 25 °C determinada con el modelo de Langmuir fue de 80,33 mg/g. También se encontró que los modelos cinéticos de mejor ajuste fueron los de Elovich y pseudo segundo orden, lo que sugiere que los sitios activos del adsorbente son heterogéneos y que el proceso de adsorción está controlado por la transferencia de masa externa. Considerando los resultados de la caracterización fisicoquímica del material BentNa-400, se estableció que el tratamiento térmico a 400 °C favoreció la formación de grupos silanol e hidróxido de aluminio en el adsorbente y que estos grupos pueden interactuar con la molécula de cafeína en la superficie del adsorbente mediante puentes de hidrógeno. Seguidamente se aplicaron modelos difusionales a los datos obtenidos en los ensayos cinéticos y se encontró un buen ajuste a los modelos de difusión en la película líquida (DPL) y difusión intrapartícula (DIP). Este análisis permitió establecer que la velocidad global de adsorción de cafeína sobre bentonita modificada térmicamente a 400 °C, está controlada en los primeros dos minutos del proceso por la difusión en la película líquida, seguida de la difusión intrapartícula entre los 4 y 26 minutos de tiempo de contacto. El transporte externo de masa (difusión en la película líquida) y la difusión intrapartícula son responsables del 79,4 y 16,7% de la remoción promedio de cafeína sobre Bent-Na-400, aunque la difusión intrapartícula es mucho más lenta que la difusión en la película líquida. Por tanto, la difusión en la película liquida es la etapa limítate de la adsorción de cafeína sobre Bent-Na-400. Para finalizar, se realizó un análisis preliminar de costos para la adsorción de cafeína en solución acuosa (30 mg/L) usando Bent-Na-400 y un caudal de 8 L/s. Los costos unitarios estuvieron entre 41 y 43 USD/kg cafeína removida, considerando un escenario sin y con regeneración, respectivamente. Con base en el análisis de costos se puede inferir que la adsorción de cafeína sobre Bent-Na-400 es un sistema de tratamiento económico, y que el adsorbente de origen natural es favorable desde el punto de vista ambiental (Texto tomado de la fuente)
Proceso avanzado de oxidación fenton integrado con coagulación-floculación o electrocoagulación para el tratamiento de aguas residuales industriales textiles
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Quintero Arias, Jesús David; Dobrosz-Gómez, Izabela; Gómez García, Miguel Ángel; Quintero Arias, Jesús David [https://orcid.org/0009000168190862]; Grupo de Investigación en Procesos Reactivos Intensificados con Separación y Materiales Avanzados (Prisma)
Colombia es considerada el sexto país con mejor oferta hídrica (2145 m³/s) y el décimo tercero en disponibilidad per cápita de agua (42740 m³) en el mundo. Además, tiene normas ambientales proyectadas para un uso responsable del recurso hídrico, penaliza la dilución de las aguas residuales y delimita concentraciones de diferentes sustancias en el vertimiento. La industria textil colombiana representa 1.2% del PIB nacional y contribuye con el 9% de las exportaciones. Sin embargo, esta involucra altos impactos ambientales debido a la diversidad de las materias primas y reactivos involucrados en sus procesos y al elevado consumo de agua que a su vez genera un gran volumen de aguas residuales. Estos efluentes se caracterizan por contener materia no biodegradable, tóxica, persistente y recalcitrante, elevada DQO y alto contenido de color. El objetivo de este estudio fue el tratamiento de las aguas residuales de una industria textil del eje cafetero resultantes de la etapa de teñido con colorante negro ácido 194 (ARnD) utilizando un Proceso Avanzado de Oxidación (PAO) que permita un tratamiento eficiente y de fácil implementación en planta. Así, se evaluaron los métodos de coagulación-floculación con alumbre asistida por cal (CF, disponible en la industria bajo estudio y que constituye el caso base como método de tratamiento) y de electrocoagulación (EC, alternativa al proceso de CF), la oxidación Fenton (F) como PAO junto a la respectiva neutralización de sus efluentes (F-N), y los procesos secuenciales CF-F-N y EC-F-N. La determinación de las condiciones óptimas de operación de cada uno de ellos se realizó mediante el diseño de experimentos, análisis estadístico, la metodología de superficie de respuesta, herramientas de análisis numérico multivariable y estudios cinéticos. El análisis de su desempeño se enfocó en la degradación de la materia orgánica recalcitrante, el incremento de la biodegradabilidad, la disminución de la toxicidad y los costos. Inicialmente, la ARnD se caracterizó en función de la regulación ambiental vigente (30 parámetros incluidos en la Resolución 0631/2015 del MADS y otros 11 adicionales de especial interés). Entre otras particularidades, el ARnD presentó una elevada carga orgánica (DQO ≈ 3271 mg/L, DBO5 ≈ 648 mg/L y COT ≈ 1271 mg/L), intenso color negro (≈ 46000 U. Pt-Co, concentración de colorante ≈ 928 mg/L), elevada concentración de cromo (Cr6+ ≈ 21 mg/L y Cr,Total ≈ 26 mg/L), bajo índice de biodegradabilidad (IB = DBO5/DQO ≈ 0.20) y alta toxicidad para la Artemia salina (CL10 ≈ 0.08 mg/L). Estas características constituyeron la línea base para la evaluación de la capacidad de tratamiento de los diferentes métodos evaluados. Los resultados mostraron que los métodos de tratamiento primarios CF con alumbre asistido por cal y EC, a condiciones de operación óptimas, no permitieron el cumplimiento de la normatividad ambiental nacional vigente (remueven ca. 63% del DQO). El método de tratamiento F-N fue eficaz ya que alcanzó remociones de 99% del colorante, 99% de cromo y 89% de materia orgánica. La implementación de los procesos secuenciales CF-F-N y EC-F-N aseguró el cumplimiento de la normatividad ambiental, reduciendo la DQO en un 89% y el COT en un 86%. Más aún, se logró remoción de la concentración de colorante y de cromo en un 99% y un 100%, respectivamente. Adicionalmente, el análisis de distribución de pesos moleculares mostró que la carga contaminante residual en todos los procesos se centra en moléculas de peso molecular < 1 kDa y que la toxicidad de los efluentes tratados, varió según el método de tratamiento así: CL10,CF = 0.26 mg/L, CL10,F-N = 0.91 mg/L, CL10,EC = 3.3 mg/L, CL10,CF-F-N = 11.8 mg/L y CL10,EC-F-N = 362 mg/L. Por otro lado, los costos operacionales totales para los métodos de tratamiento que permiten cumplir con las exigencias de la normatividad ambiental se estimaron en COpTCF-F-N ≈ 13.7 USD/m³, COpTF-N ≈ 10.6 USD/m³ y COpTEC-F-N ≈ 7.7 USD/m³. De la comparación de los métodos de tratamiento evaluados, el proceso secuencial EC-F-N fue la mejor alternativa. Además del cumplimiento de la normatividad ambiental (en términos de DQO, DBO5, SST y Cr), este proceso permitió degradar el colorante presente en el efluente, aumentó el IB hasta 0.50 y entregó un efluente tratado no tóxico. Estas características viabilizaron esta alternativa de tratamiento desde el punto de vista ambiental, tecnológico y económico (Texto tomado de la fuente)
Single-step and sequential pretreatments for sustainable lignocellulosic biorefineries
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Poveda Giraldo, Jhonny Alejandro; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Poveda Giraldo, Jhonny Alejandro [0000000271811156]; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos; Poveda Giraldo, Jhonny Alejandro [57214072021]
Pretreatments have been considered the first step in designing biorefineries since they facilitate biomass fractionation to produce platform products, affecting further reaction and downstream stages. However, many studies report the use and enhancement of single-step pretreatments for valorizing a specific sub-stream, hindering integral biomass valorization. Therefore, sequential pretreatments seem to be an alternative to selective biomass component fractionation for future integral valorization. This thesis focuses on analyzing the performance of sequential pretreatments in the sustainability of biorefineries through experimental and simulation approaches. After a preliminary heuristic analysis of both single-step and sequential pretreatments, different proposed sequential combinations that best-isolated cellulose, hemicellulose, and lignin platforms were experimentally evaluated. It was determined that the dilute acid - wet air oxidation (DA-WAO) combination hydrolyzed 79% of hemicellulose during the first stage and 89% of lignin in the second stage, obtaining a pretreated solid with a cellulose recovery higher than 96%. All the platforms had an accessibility of more than 80%. The cellulose, hemicellulose, and lignin-based platform products were valorized to obtain value-added products such as levulinic acid, furfural, and phenolic compounds, respectively. As a main result, it was obtained that sequential pretreatments substantially increased the conversions compared to single-step schemes and raw feedstock, obtaining yields of 60.8% for the production of furfural and 30.3% for the acid reaction of levulinic acid production. In contrast, there was a slight reduction in vanillin and syringaldehyde production yield when performing a sequential scheme compared to the single-step. The experimental results were used to simulate and assess the sustainability of biorefineries coupled to the rice value chain. Sustainability was assessed through technical, environmental, economic, and social pillars. The main result was that biorefinery schemes increase technical indicators but increase waste generation. Likewise, economic feasibility was only observed when the three lignocellulosic fractions were valorized in a biorefinery scheme when the production of phenolic compounds was involved. From the environmental perspective, it was determined that the carbon footprint of the rice value chain was 2.17 kg CO2 / kg of rice husks, where fertilizers are the major contributors, while in the processing stage, steam had the greatest influence on the environmental impact. It was also observed that biorefinery schemes based on sequential technology increase employment generation; however, industrial water consumption represents a major social risk. All dimensions were coupled to evaluate the sustainability index, where it was concluded that sequential pretreatment schemes always increase sustainability compared to single-step pretreatment schemes (Texto tomado de la fuente)
Food loss and waste valorization through sustainable biorefineries
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Ortiz-Sanchez, Mariana; Cardona Alzate, Carlos Ariel; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000107136; Manizales; https://www.researchgate.net/profile/Mariana-Ortiz-Sanchez; Procesos Químicos Catalíticos y Biotecnológicos; https://www-scopus-com.ezproxy.unal.edu.co/authid/detail.uri?authorId=57200725101
Food residues have generated several issues at an economic, environmental, and social level. the Food and Agriculture Organization (FAO) has established the concept of Food Loss and Food Waste based on the links of the value chain. The first is generated in the agricultural production, transportation, and processing stages, while the second is generated in the retail and consumption stage. Food Losses have been investigated from different perspectives to determine potential applications through the implementation of biotechnological processes. The main advantage of this raw material is related to the uniform composition. On the other hand, food waste recovery has been studied to generate value-added products and energy vectors. However, problems related to the standardization have been identified as the composition varies depending on the generation site. Therefore, there are a series of methodological and research gaps that must be studied before proposing transformation routes for both food losses and food waste. Then, the recovery of this waste is a potential alternative to help mitigate the impact caused by the high generation in recent years. In this way, the objetictive of this doctoral thesis was to evaluate the potential of Food Losses and Food Waste for the generation of added-value products through the biorefinery concept. The raw materials analyzed were orange peels, sugar cane bagasse, organic kitchen food waste and organic retail food waste. First, a strategy was proposed to define biomass valorization routes considering restrictions such as the industrial context and the technological readiness level of the bioprocess, among others. For the selection of valorization routes, a portfolio of 33 bioprocesses based on the main biomass fractions (i.e., extractives, fat, cellulose, hemicellulose, lignin, pectin, starch) was proposed, where technical, economic, and environmental indicators were evaluated. The bioprocess strategy and portfolio were carried out considering the experience in biomass recovery of the Chemical, Catalytic, and Biotechnological Processes Research Group (PQCB). Due to the complexity of food waste, other aspects were included to propose different biorefinery schemes. Some factors considered were the link and the actor of the value chain that generates the waste, the raw materials integration, the temporality of waste generation, and the heterogeneity of food waste. In this sense, two composition models were proposed for organic kitchen and retail food waste, considering government statistics on food consumption in Colombia. The four raw materials were characterized by chemical composition, proximal analysis, and total and volatile solids content. The biorefinery design strategy was applied to the four raw materials to define the biorefinery configurations with the highest feasibility. The biorefineries were experimentally evaluated up to the fermentable sugar production stage. According to the results obtained in the design strategy, the levulinic acid, polylactic acid, ethanol, butanol, and lactic acid production for using fermentable sugars were evaluated. The Aspen Plus v.9.0 software simulated the process for obtaining these products. The material and energy balances were used to estimate technical, economic, environmental, and social indicators that allowed for estimating the sustainability index of the proposed biorefinery configurations for each raw material. In conclusion, the contributions of this doctoral thesis were: (i) Establishing a biorefinery design strategy for food losses and waste recovery. (ii) A composition model for organic kitchen and retail food waste. (iii) Comprehensive analysis of the sustainability of different configurations of biorefineries. (Texto tomado de la fuente)
Estudio de la matriz vegetal de cidra para su aplicación en la formulación y el desarrollo de alimentos con características funcionales
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Mejía Doria, Clara María; Rodriguez-Barona, Sneyder; Giraldo Giraldo, German Antonio; Mejía Doria, Clara María [0000416851]; Mejía Doria, Clara María [000000162486681]; Agroindustria de Frutas Tropicales, UQ; Bacterias Acido Lácticas y sus Aplicaciones Biotecnológicas-Industriales, UNAL
Se evalúo la cidra en estado fresco y transformada en harina, para su aplicación en el desarrollo de alimentos. Se analizó la morfoanatomía, mediante pruebas histoquímicas evidenciando almidón, mucílagos, pectatos, inulina y cristales, y pruebas fisicoquímicas. Se determinaron células de forma poligonal (epicarpio), parenquimatosas con amiloplastos y gránulos de almidón (mesocarpio y endocarpio), canales cilíndricos con paredes helicoidales con poros y mucílago; presencia de inulina, pectinas que rodean las paredes celulares y cristales de oxalato de calcio. La variedad verde clara presentó mayores dimensiones y masa, contenido de sólidos solubles, carbohidratos simples y minerales y menor índice de respiración. Se extrajeron y caracterizaron componentes macromoleculares de la cidra verde claro liso. Pectina mediante hidrólisis ácida (ácido cítrico) y enzimática. El rendimiento fue mayor en la hidrólisis ácida; siendo una pectina de bajo metoxilo y gelificación lenta. Se evalúo el efecto de la temperatura en la extracción de fibra dietaria y en las propiedades tecno-funcionales. La temperatura influyó en el proceso de extracción y se observó reducción en las propiedades tecno-funcionales al incrementarse. La extracción del mucílago se realizó en baño maría y ultrasonido; donde el ultrasonido mejoró el rendimiento. La extracción de almidón se realizó en base húmeda, obteniendo gránulos ovoides, circulares y truncados, con tamaño entre 6-15μm y estructura tipo C. Se desarrollaron cinco productos, tres a partir de la matriz fresca (snack impregnados y secados) y dos con la matriz transformada en harina (palitroque y galleta). El análisis de la composición y morfoanatomía de la cidra contribuye al conocimiento de matrices vegetales, estableciendo la manera de procesarla y transformarla. (Texto tomado de la fuente)
Sustainability assessment of different biorefinery schemes to enhance the development of post-conflict areas in the Colombian context: The Montes de Maria case
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Solarte Toro, Juan Camilo; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Solarte Toro, Juan Camilo [0001636156]; https://scholar.google.es/citations?user=xDnXFMcAAAAJ&hl=es; Solarte Toro, Juan Camilo [0000-0003-1143-8940]; https://www.researchgate.net/profile/Juan-Solarte-Toro?ev=hdr_xprf; Grupo de Investigación en Procesos Químicos, Catalíticos, y Biotecnológicos.; Solarte Toro, Juan Camilo [57190731179]
The sustainable development goals (SDGs) and the sustainability concept have been focused on specific issues such as poverty, quality of life, environment, and society. Today, biomass has been used to implement an economic model based on renewable sources. Therefore, processes design integrating agricultural products, crop residues, and agro-industrial waste are needed to establish a bioeconomy model at the local, regional, and national levels. Nevertheless, upgrading strategies should involve technical, socioeconomic, and environmental aspects. In this way, the objective of this thesis work was to evaluate the sustainability of different small- and large-scale biorefineries to elucidate a product portfolio to promote technical, economic, environmental, and social progress in the Montes de María region. The knowledge of the region and the agricultural products offered by farmers were essential to defining the raw materials of the present work (i.e., plantain and avocado). Entrepreneurship alternatives and industrial processes were proposed considering marketable products at different levels. Products such as avocado oil, levulinic acid, plantain flour, bioactive compounds, and biogas were generated at a lab scale. Then, mass and energy indicators were estimated through simulation. The economic, environmental, and social evaluation was carried out by estimating pre-feasibility metrics, environmental impact categories, and social indicators. Avocado oil and plantain flour were the most sustainable ways to upgrade the raw materials in the Montes de María region. Moreover, a strategy for estimating the process sustainability index was proposed based on an integral analysis of the economic, environmental and social dimensions. This strategy was proposed considering the experience in biorefineries of the Chemical, Catalytic, and Biotechnological Processes Research Group (PQCB) and the author's participation in research projects focused on sustainability issues. The strategy establishes a criterion for selecting the most sustainable process to upgrade biomass that decision-makers can appreciate. In conclusion, contributions related to the inclusion of the social analysis of biorefineries, the comprehensive analysis of the three dimensions of sustainability, the development of a methodology for evaluating sustainability, and a portfolio of products that can be implemented as possible valorization alternatives. in rural areas are given in this thesis. (Texto tomado de la fuente)
Arcillas pilarizadas con cobalto (Al-Co-PILC) como catalizadores para la degradación de colorantes empleando el sistema HCO3-/H2O2
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Macías Quiroga, Iván Fernando; Sanabria González, Nancy Rocío; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos
En la presente investigación se realizó la caracterización química, estructural y textural de una bentonita proveniente del norte del departamento de Tolima. El mineral arcilloso fue sometido a un proceso de pilarización con aluminio y posterior impregnación con cobalto y el material obtenido - Co(%)/Al-PILC - fue utilizado como catalizador en la activación del peróxido de hidrógeno con bicarbonato (sistema BAP, por sus siglas en inglés Bicarbonate-Activated Peroxide) para la oxidación de dos colorantes alimenticios. Los materiales Co(1.0, 3.0 y 6.0%)/Al-PILC mostraron una alta actividad para la decoloración del ponceau 4R (P4R) y amarillo sunset (AS) en solución acuosa, sin embargo, la arcilla impregnada con 1.0% de cobalto fue la que preservó en mayor proporción las propiedades texturales del soporte Al-PILC. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta (MSR) basada en un diseño central compuesto (DCC) para analizar el efecto de las variables H2O2, NaHCO3 y Co(1.0%)/Al-PILC sobre la oxidación de los colorantes P4R y AS, considerando como variables de respuesta la decoloración y la remoción de carbono total (CT). Los diseños experimentales mostraron que las concentraciones de peróxido de hidrógeno y bicarbonato son las variables que más influyen en la decoloración y mineralización de los dos colorantes alimenticios estudiados. Se obtuvieron dos modelos cinéticos empíricos de segundo orden para cada colorante, uno para la decoloración y otro para la remoción de carbono total. También se determinaron las condiciones óptimas de las variables de respuesta para el P4R y AS, y bajo estas condiciones se evaluó la estabilidad del catalizador (ciclos de reuso) y el efecto de los “scavengers” de radicales. Bajo las condiciones de reacción, determinadas por la optimización multiobjetivo de los modelos, se realizaron las pruebas cinéticas de decoloración, mostrando que los datos experimentales de concentración normalizada para el P4R y AS se ajustaron a ecuaciones cinéticas de pseudo segundo y primer orden, respectivamente. También se estableció, a través de pruebas de toxicidad por digestión anaerobia, que los subproductos de la oxidación de los colorantes no son tóxicos. Finalmente, con los modelos empíricos y cinéticos de decoloración, se realizaron simulaciones para realizar la evaluación preliminar de costos de tratamiento, estudiando el efecto de la concentración y volumen de agua a tratar. (Texto tomado de la fuente)
Detailed economic assessment for improving conceptual design calculations based on industry experiences in chemical and biochemical processes
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Rueda Duran, César Augusto; Cardona Alzate, Carlos Ariel; Procesos Químicos Cataliticos y Biotecnológicos
Process engineering design involves several stages: conceptual design, basic design, and detailed design. All the design stages are essential for developing a feasible design of a process; however, the time that every engineering stage can take to define a scope and the investment (CapEx), in conjunction with the cost of the engineering, could represent an obstacle or limitation for making quick investment decisions. In this thesis, the conceptual design stage is provided with elements of the detailed design in an early stage through the adaptation of a methodology for the economic assessment of processes in the conceptual design stage, emphasizing the potential impact in the CapEx. In this work, four industrial cases are presented and studied in which the adapted methodology for the detailed economic assessment of processes is utilized to refine the process calculations based on heuristics, engineering guidelines, best practices for sizing of equipment, engineering standards, constructibility, among other, to determine the level of investment based on the definition of the technical scope from a process engineering perspective. The level of uncertainty in the definition of the technical scope for an improvement or a new process is reduced with applying the proposed methodology into the conceptual design stage. The most important aspects are identified to be linked and included in the conceptual design stage are presented in the methodology, thus the advantages and limitations. (Texto tomado de la fuente)
Formulación de una matriz alimentaria a base de harina de plátano Dominico Hartón (Musa paradisiaca L.) para el diseño de alimentos funcionales libres de gluten
(2020) Montoya López, Jairo; Rodríguez Barona, Sneyder; Giraldo Giraldo, Germán Antonio; Grupo de Alimentos Frutales
Este trabajo evaluó el proceso de transformación del plátano Dominico Hartón (Musa Paradisiaca L.) en harina, mediante la incorporación de diferentes ingredientes que generaron mejora tecnológica y nutritiva; con la finalidad de sustituir fuentes convencionales como la harina de trigo y aportar al desarrollo de la industrialización del plátano en Colombia. Inicialmente en el capítulo 1, se caracterizaron físicamente los frutos de plátano, mediante la determinación de peso, longitud, diámetro y densidad, empleando la lista de descriptores INIBAP/IPGRI/CIRAD (INIBAP, 1996); en el capítulo 2 se evaluaron las propiedades fisicoquímicas, térmicas, reológicas, texturales y estructurales de las harinas y el efecto de diferentes aditivos (proteínas, almidones, hidrocoloides y emulsionantes) sobre las propiedades reológicas y texturales de las masas de harina de plátano, y se seleccionaron los que generaron un mejor efecto comparados con el control; en al capítulo 3 se completó el diseño de la matriz alimentaria mediante la fortificación con vitaminas del complejo B, vitamina D, Calcio y Hierro, caracterizándola antes y después de fortificarla para determinar la disponibilidad de los nutrientes y finalmente en el capítulo 4, se desarrolló y evaluó el comportamiento físico y textural de un alimento a base de la matriz alimentaría diseñada (Texto tomado de la fuente)
Procesos Avanzados de Oxidación para la degradación de índigo y materia orgánica de aguas Residuales de una Industria textil
(2020) GilPavas, Edison; Gómez García, Miguel Angel; Dobrosz Gómez, Izabela; Grupo de Investigación en Procesos Reactivos Intensificados con Separación y Materiales Avanzados (PRISMA)
La industria textil genera altos impactos ambientales debidos esencialmente al uso y la gestión del agua. El impacto ambiental negativo de sus efluentes líquidos es muy heterogéneo, por la gran diversidad de materias primas, reactivos (colorantes, auxiliares, agentes dispersantes y humectantes) y los procesos de producción que los involucra. El alto consumo de agua genera un gran volumen de aguas residuales con un carácter bio-recalcitrante asociado con la estructura compleja de diferentes contaminantes persistentes. Dichos efluentes se caracterizan por su elevada demanda química de oxígeno (DQO), contener materia orgánica no biodegradable y tóxica, alto contenido en color, y pH variable. El uso de métodos de tratamiento innovadores, como los Procesos Avanzados de Oxidación, PAO´s (v.g., oxidación anódica, fotocatálisis heterogénea, procesos Fenton, entre otros), ha sido eficiente para la mineralización de contaminantes orgánicos persistentes. Esto debido a su capacidad para generar especies reactivas de oxígeno, principalmente el radical ●OH. Sin embargo, los PAO´s involucran alto consumo de energía y/o reactivos, son relativamente costosos o inestables, y no siempre son capaces de eliminar todos los compuestos recalcitrantes. En consecuencia, el desarrollo de nuevas tecnologías “amigables” con el ambiente, capaces de mineralizar la materia orgánica no biodegradable, se ha convertido en un desafío urgente para la academia y la industria. Con el objetivo de establecer un sistema de tratamiento ambiental y economicamente eficiente para la degradación de aguas residuales industriales contaminadas con el colorante índigo, en esta investigación se evaluaron los siguientes procesos: Coagulación Química (CQ), Electro-Coagulación (EC), Fenton (F), Foto-Fenton (FF) y Electro-Oxidación (EO), y los procesos secuenciales: CQ+F, CQ+FF, CQ+EO, EC+F, EC+FF, EC+EO. Su análisis experimental se enfocó en la degradación de la materia orgánica recalcitrante y el incremento de la biodegradabilidad del agua residual textil Inicialmente, se realizó la caracterización del efluente industrial en términos de su carga de materia orgánica (DQO ≈ 860 mg/L, DBO5 ≈ 150 mg/L, y COT ≈ 225 mg/L), biodegradabilidad (DBO5/DQO ≈ 0.17, que implica que no es biodegradable), color (barrido espectral entre 200-700 nm, la máxima absorbancia a 660 nm, correspondiente principalmente al colorante índigo), toxicidad (mortalidad de la Artemia salina = 100%), distribución de pesos moleculares y contenido de sólidos (sólidos totales y turbidez). Después de comparar cada uno de los sistemas de tratamiento evaluados, el proceso secuencial CQ+F fue la alternativa óptima. Su implementación para el tratamiento de las aguas residuales bajo estudio garantiza: la degradación total del color; la degradación de DQO y COT en 75% y 67%, respectivamente; aumento de la biodegradabilidad hasta 0.41, y disminución de la toxicidad en un 90%. Los costos operacionales totales se estimaron en 1.24 USD/m3. Estas características viabilizan esta alternativa de tratamiento desde el punto de vista ambiental, técnológico y económico. Por consiguiente, fue seleccionado para su diseño conceptual detallado (Texto tomado de la fuente)
Development of an integrated multi-enzyme – membrane system for gluconic acid production
(2020) Ruales Salcedo, Angela Viviana; Higuita Vasquez, Juan Carlos; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías (G.I.A.N.T.)
El desarrollo de bioprocesos es un tema de gran interés para la ingeniería de procesos, ya que necesita mejorar e implementar prácticas en la industria que garanticen un futuro sostenible. En general, la aplicabilidad de estos procesos a escala comercial está limitada por la complejidad de los biosistemas 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 los bioprocesos en la industria. En esta disertación, se desarrolló un proceso intensificado para la producción y extracción de ácido glucónico utilizando un sistema multi-enzimático combinado con una extracción in situ mediante un nuevo proceso de membrana líquida. Este proceso se desarrolló utilizando celulosa microcristalina como fuente de carbono. Además, el proceso se evaluó utilizando el pseudotallo de plátano, ya que es un sustrato económico y de alta disponibilidad en Colombia. El sistema intensificado se desarrolló en tres etapas: el diseño del sistema multi-enzimático para la producción de ácido glucónico, la configuración del sistema de extracción del ácido glucónico empleando una membrana líquida en flujo de Taylor y la integración de los dos sistemas. En el sistema multi-enzimático, se propuso el uso de cuatro enzimas (i.e., celulasa, -glucosidasa, glucosa oxidasa y catalasa) para la producción de ácido glucónico a partir de celulosa. El sistema fue evaluado exitosamente. Primero se identificó una ventana operativa común para las cuatro enzimas, en términos de pH y temperatura y se evaluó el desempeño de las enzimas bajo las condiciones seleccionadas. Con esta información se estimó el modelo cinético para cada enzima individual. Posteriormente, se propuso y evaluó experimentalmente el sistema multi-enzimático, empleando las cuatro enzimas en un solo reactor (one-pot). El desempeño del sistema demostró que es técnicamente viable obtener ácido glucónico a partir de celulosa. Este concepto se validó aún más utilizando el pseudotallo de plátano como fuente de carbono, donde se encontró un desempeño similar de la enzima en comparación con la materia prima sintética. Se implementaron simulaciones de procesos para comparar los modelos cinéticos desarrollados previamente con el desempeño del sistema experimental multi-enzimático. Se descubrió que existe una desviación de los resultados de la simulación, por lo tanto, se deben hacer más esfuerzos para extender los modelos y recalibrar los parámetros del modelo para reproducir evidencia experimental. La segunda etapa es la configuración y análisis de la membrana líquida en un régimen de flujo de Taylor para la recuperación de ácido glucónico. Trioctilamina/1-dodecanol se eligió como la membrana líquida, debido a su afinidad hacia el ácido glucónico y su bajo transporte de agua. Para comprender mejor la extracción reactiva del ácido glucónico con la membrana, se propuso un modelo de equilibrio líquido-líquido a partir de datos experimentales. Posteriormente, se analizó el desempeño de la membrana líquida en el régimen de flujo de Taylor en busca de variables operativas. Los resultados de los experimentos mostraron gran influencia del tiempo de espera (delay time) entre la inyección de las fases donadora y aceptora y la concentración de la fase aceptora. Anticipándose a la integración del sistema de membrana líquida con el reactor multi-enzimático, se realizaron experimentos adicionales utilizando buffer acetato de sodio. Como inconveniente, se encontró que la membrana líquida tiene mayor selectividad por el acetato que por el ácido glucónico. Como consecuencia, para el diseño del proceso integrado se cambió el buffer acetato empleado en el sistema multi-enzimático por el buffer gluconato. La última etapa fue el desarrollo y análisis del sistema integrado para la producción de ácido glucónico combinando los dos procesos diseñados previamente. Para integrar los sistemas, se implementó una estrategia de control de pH en circuito abierto donde la extracción del producto in situ permitió regular el pH del reactor. La productividad del sistema integrado fue más alta que la obtenida con el sistema multi-enzimático one-pot. Esta mejora del sistema integrado se atribuye principalmente a la reducción de la fuerza iónica del caldo debido al transporte acoplado de iones de bicarbonato y ácido glucónico, y en una extensión inferior a la eliminación in situ del ácido glucónico. El desempeño obtenido con el sistema integrado muestra el potencial de la tecnología desarrollada y es la fuerza impulsora para continuar investigando la optimización del proceso intensificado (Texto tomado de la fuente)
Theoretical and Experimental Evaluation of Distillation- - Pervaporation in Single Unit System for Ternary Azeotropic Mixtures
(2020) León Marulanda, Juan Álvaro; Fontalvo Alzate, Javier; Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías
En el presente trabajo, se realizó la evaluación teórica y experimental de sistemas de destilación y pervaporación completamente integrados. De manera que, las membranas de pervaporación o permeación de vapor son integradas internamente a la columna de destilación. Como resultado, los mecanismos de separación de destilación y pervaporación o, permeación de vapor están completamente acoplados en la misma sección de la columna. Esta tecnología es conocida como Columnas de Destilación-Pervaporación en Única Unidad (DPSU, sus siglas en ingles). Debido a que los sistemas DPSU son novedosos y están en una etapa de emersión, su comportamiento, funcionamiento y diseño no han sido claramente establecidos. Por lo tanto, este trabajo se enfoca en desarrollar herramientas de diseño, modelamiento y verificación experimental, que permitan realizar una evaluación del sistema DPSU de forma simplificada. Además, identificar el campo de acción con base al comportamiento termodinámico de mezclas multicomponentes no ideales. Como resultado, las bases fundamentales y comportamiento generalizado son identificado para la definición de reglas básicas de diseño. Cuatro mezclas azeotrópicas ternarias fueron seleccionadas como estudios de caso. La selección se basó en el comportamiento termodinámico de las mezclas. Esto significa que, el número de azeótropos, su localización y regiones formadas fueron los parámetros de selección. Cada mezcla fue clasificada según la clasificación topológica de Serafimov, de manera que comportamientos generales pueden ser identificados en función de esta clasificación y no, del tipo específico de mezcla. Estas mezclas son: acetona – isopropanol – agua (1.0-2), acetato de etilo – etanol – metanol (2.0-2b), acetona – acetato de metilo – metanol (3.1-2) y acetona – metanol – cloroformo (3.1-4). Un modelo simplificado de diseño para reflujo finito fue derivado en función de la configuración de la columna DPSU, termodinámica de la mezcla y selectividad de membrana. Por medio de este modelo, se realizó la evaluación de factibilidad de columnas DPSU utilizando hojas de operatividad y áreas de factibilidad. De acuerdo a los resultados, es posible sobrepasar las condiciones azeotrópicas internamente en la columna de destilación, incluyendo separaciones factibles con productos de destilación separados por una frontera de destilación. Además, se evaluó el desempeño de las columnas DPSU en función de parámetros de diseño básicos como: relación de reflujo, tamaño de sección, configuración de la columna y selectividad de membrana. También se realizó la evaluación de columnas DPSU por método de mapa de curvas de residuo (RCM). Por medio de este abordaje, fue posible identificar regiones de separación factible, como regiones de separación dificultosa. Por otra parte, se identificó el surgimiento de nuevas limitaciones termodinámicas generadas por el uso de membranas de selectividad infinita. Como consecuencia, bajo condiciones específicas, el rompimiento de las condiciones azeotrópicas como separaciones factibles a través de la frontera de destilación no son posibles de alcanzar en columnas DPSU. Paralelamente, se realizó un estudio para el mejoramiento de membranas de PDMS por métodos de modificación física a las capas selectivas. Como modificador, fue usado 1-dodecanol, componente altamente hidrofóbico. Su finalidad fue desarrollar membranas de pervaporación altamente selectivas a componentes orgánicos, con el fin de aplicarlas en pruebas experimentales del sistema DPSU. Aunque la selectividad aumento respecto a membranas de PDMS sin modificación, no se alcanzaron los valores de selectividad esperada a fin de aplicar en la columna DPSU. De manera que se optó por el uso de membranas hidrofílicas (silica), ya ampliamente estudiadas y establecidas como membranas con alta selectividad por el agua, las cuales también son aplicables al sistema DPSU. Finalmente, se realizaron pruebas experimentales del sistema DPSU con membranas selectivas a agua (silica) para la separación de la mezcla etanol – isopropanol – agua. Inicialmente se desarrolló para un sistema abierto DPSU en operación por lotes o batch. El objetivo de esta prueba fue realizar una prueba de concepto de una separación por medio de los mecanismos de destilación y pervaporación totalmente acoplados. De manera que, observaciones y descubrimiento determinados en la etapa teórica, describieran el comportamiento del sistema. Por otra parte, se realizó pruebas experimentales en columnas DSPU a reflujo infinito. Dos configuraciones de columnas DPSU fueron evaluadas, a fin de identificar el efecto de la localización de la sección de membrana a lo largo de la columna. De igual manera, membranas de sílica fueron usadas para remover agua desde las corrientes internas de la columna, mientras la separación por destilación era llevada simultáneamente en la misma sección. En ambas pruebas experimentales, tanto en la destilación simple como en la destilación a reflujo infinito, la frontera de destilación pudo ser superada por el sistema DPSU. Este tipo de sistemas permite cruzar las fronteras de destilación y, consecuentemente, reducir de forma significativa el número de unidades de destilación y el consumo de energía asociado en trenes de destilación para la separación de mezclas complejas (Texto tomado de la fuente)
Modelación Dinámica y de Bifurcación de Reactores Químicos. Teoría y Aplicación a Casos de Estudio Reales
(2019-10-29) Ojeda Toro, Juan Carlos
Los fenómenos de inestabilidad, inherentes o inducidos, en reactores químicos afectan significativamente su desempeño. Su ocurrencia depende, principalmente, de la naturaleza de los reactantes y de las condiciones de operación de la reacción. Para que un proceso reactivo opere a condiciones seguras, es necesario evitar regiones o condiciones que puedan propiciar la aparición de dichos fenómenos. A pesar de la amplía teoría matemática disponible para el estudio de los sistemas reactivos, de la capacidad de las herramientas computacionales modernas, y de la conciencia que se tiene sobre la respuesta dinámica de algunos procesos reactivos, aún se siguen reportando incidentes asociados a procesos reactivos fuera de control (v. g., desastre de Bhopal, la explosión de Yung-Hsin, el desastre de Kursk). Peor aún, en la literatura abierta es común encontrar estudios cuyas simplificaciones los hacen poco realistas. Por estas razones, en esta tesis se estableció una metodología apropiada, sistemática y bien fundamentada para el estudio de la dinámica de sistemas reactivos. Esta permitió predecir y caracterizar los diferentes comportamientos de los sistemas reactivos seleccionados y posteriormente discriminar las regiones estables e inestables. Esta metodología se basa en los principios de las teorías de la singularidad y las bifurcaciones. De ella se realizó una corta revisión, a manera de guía para ingenieros químicos, con el fin de brindar más claridad sobre su aplicación al estudio de la estabilidad de reactores químicos. Además, se implementó un método de continuación para la construcción de diferentes diagramas de bifurcación usando la interfaz gráfica de Matcont, disponible en el software de MatLab®. En síntesis las etapas que se consideraron en esta tesis fueron: la síntesis o deducción de los modelos dinámicos, reparametrización de los mismos, determinación de un estado estacionario a condiciones fijas, continuación de soluciones y reconocimiento de bifurcaciones, construcción de diagramas de bifurcación de codimensión 1, continuación de soluciones y reconocimiento de bifurcaciones codimensión 2 a partir de una de codimensión 1, construcción de diagramas de continuación, verificación del comportamiento de los sistemas alrededor de la bifurcaciones de codimensión 2 y pruebas de sensibilidad mediante el cálculo de series de tiempo a diferentes perturbaciones de los parámetros. Todas ellas fueron incluidas en el estudio dinámico de los sistemas reactivos seleccionados: hidrólisis de isocianato de metilo, síntesis de ácido acético a partir de anhídrido acético, hidratación ácido-catalizada de glicidol, descomposición de peróxido de hidrógeno e hidrólisis de cloruro de acetilo. Se logró demostrar que el comportamiento oscilatorio de las variables de estado y la multiplicidad de estados estacionarios son predominantes en amplias regiones de operación estos sistemas. En algunos casos, la capacidad predictiva de los modelos propuestos permitió contrastar los resultados con datos experimentales (o de planta) disponibles de la literatura (Texto tomado de la fuente)
Catálisis Heterogénea para el Aprovechamiento Energético de la Biomasa
(2019) Gómez Peña, Alvaro; Cardona Alzate, Carlos Ariel (Thesis advisor)
El incremento gradual en el consumo energético y los trastornos climáticos causados por los gases de efecto invernadero han propiciado un cambio en las políticas estatales y el direccionamiento de la investigación hacia los combustibles de origen biomasico, atendiendo a la diversidad de fuentes renovables representado en los residuos lignocelulósico procedentes de la agro industria y agro forestales, de los cultivos de café, caña de azúcar y arroz principalmente. La disponibilidad de estos recursos en el territorio colombiano garantiza un potencial de biomasa con características propias para la generación de biocombustibles y energía directa la cual amplía inicialmente la oferta de fuentes energéticas con proyección hacia una gradual sustitución de las fuentes fósiles. En el presente trabajo de tesis se configuran dos estructuras de biorefinería para la síntesis de combustibles y energía eléctrica a partir de residuos lignocelulósico a través de la integración de la catálisis heterogénea a la transformación de moléculas plataforma, etanol y furfural en la ruta bioquímica y gas de síntesis en la ruta termoquímica. El esquema de simulación de cada una de las biorrefinerías se estructuró con base en las rutas catalíticas para la producción de octano, síntesis de butanol y producción de energía eléctrica por electro oxidación catalítica de etanol en la línea bioquímica. En la ruta termoquímica se estableció como productos principales las fracciones de combustibles líquidos para el sector de transporte obtenidos por aplicación de la tecnología catalítica de Fischer Tropsch: Gasolina, Queroseno y Diésel (Texto tomado de la fuente)
Applications of a liquid membrane in Taylor flow regime (LMTF) on separation processes and design of fermentation hybrid systems
(2019-04-10) Pérez Ávila, Alan Didier; Fontalvo Alzate, Javier (Thesis advisor)
In this book, it is shown a proof of concept and the performance assessment of a novel liquid membrane in Taylor flow applied to the lactic acid (LA) removal. Liquid-liquid equilibria (LLE) of potential membrane phases for LA removal were experimentally measured and a LLE model is proposed to fit the values of the of the distribution coefficient and chemical equilibrium constants for this kind of systems. Additionally, molecular toxicity tests of the potential liquid membranes on the lactic acid bacteria Lactobacillus casei ATCC 393 were carried out in order to have a membrane phase for LA removal with a good compromise between a high value of the chemical equilibrium constant and a relatively low molecular toxicity. The performance of the liquid membrane in Taylor flow (LMTF) in terms of hydrodynamics and mass transfer was tested for LA removal. The LA removal is favored at low injection times and high droplet velocities by providing the suitable space-time to achieve the mass transfer at the operating conditions used. A semi-empirical model for calculation of the overall volumetric mass transfer coefficients (OVMTC) was developed and their empirical parameters were fitting by using the experimental results. The LMTF was integrated with a batch lactic acid fermentation in order to remove the LA during fermentation. This hybrid process was experimentally assessed in terms of LA productivity and yields comparing it with a conventional batch fermentation. The LA produced increases by 41%, the glucose consumption increases by 68% and the biomass production increases by 12%. The glucose consumption is higher than LA and biomass production, which is in agreement with the effect of the membrane phase on Lactobacillus casei ATCC 393 which promotes the glucose consumption instead of biomass and LA production. The model for the hybrid process was developed using material balances and the model of the OVMTC of the LMTF for LA removal. The model shows some slight differences as compared with experimental results because the model does not take into account the toxicity effects of the membrane phase on the lactic acid bacteria. In the model is included a LMTF system with multi-channels. The effect of the number of channels of theLMTF is modeled and its impact on productivity, fermentation time, and final biomass concentration are analyzed. From the experimental results, it can say that the LMTF is a promising technology for removal of LA, from both aqueous lactic acid solutions and fermentation broths. The LMTF can be integrated with fermentation processes to remove metabolites and enhance both LA and biomass productivity, however molecular toxicity issues could reduce LA to glucose yield. Within this book, every section of each chapter is self-contain and can be read independently (Texto tomado de la fuente)
Procesos electroquímicos para el tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria de café soluble
(2018) Ibarra Taquez, Harold Norbey; Gómez García, Miguel Ángel; Dobrosz-Gómez, Izabela
Colombia es el séptimo país exportador de café soluble a nivel mundial y hace parte de un mercado en continuo crecimiento. Sin embargo, su producción conlleva a la generación de aguas residuales caracterizadas por un alto contenido de color, de Demanda Química de Oxígeno (DQO) (ca., 3.6 g de O2/l), de materia orgánica soluble y de algunos componentes inhibitorios para los procesos biológicos. Las empresas productoras de café soluble de la región cafetera colombiana han resuelto parcialmente el problema utilizando métodos convencionales de tratamiento. Sin embargo, se enfrentan al reto del incremento de los vertimientos y a una legislación colombiana cada día más exigente. Con el objetivo de explorar procesos efectivos de tratamiento para reducir el color y obtener altos niveles de mineralización de los efluentes provenientes de esta industria, se estudian en esta tesis dos procesos electroquímicos: Electrocoagulación (EC) y los Procesos Electroquímicos Avanzados de Oxidación (PEAOs). Dentro de los PEAOs se seleccionó la Oxidación Anódica (OA) como la opción más adecuada para tratar las aguas residuales de esta industria. Inicialmente, para EC y OA se encontraron las condiciones óptimas de operación a través de diseños experimentales del tipo Box-Behnken alcanzando reducciones de color de 95% con EC y 96% con OA. Las reducciones de DQO fueron de 56% para EC y de 50% para OA. La primera parte del estudio demostró que el proceso de EC requiere menor cantidad de reactivos y genera menor cantidad de lodos que un proceso de tratamiento primario convencional como Coagulación-Floculación y que la EC necesita ser complementada con otra tecnología para alcanzar los estándares impuestos por la legislación colombiana vigente respecto a la concentración de DQO (i.e., 1.0 g/l). En el caso de OA se predijo que una concentración de DQO dentro de estos estándares se alcanzan a las 2.5 horas de operación, lo que implica altos costos operacionales (ca., 30 USD/m3). Para potencializar sinérgicamente las ventajas y disminuir las limitaciones de EC y OA, en una segunda parte del trabajo se analizaron dos esquemas secuenciales conformados por una primera etapa de EC y una etapa posterior de depuración con OA. El primer esquema utilizó la pareja grafito-acero en la OA y NaCl como electrolito de soporte (E.S.I) mientras que el segundo utilizó la pareja Diamante dopado con boro (DDB)-acero para la misma etapa y Na2SO4 como electrolito de soporte (E.S.II). A través de diseños experimentales y modelos polinómicos se optimizaron estos esquemas para alcanzar los requisitos impuestos por la legislación colombiana con los menores costos operacionales. Así, se obtuvieron reducciones de DQO de 71.4% para E.S.I y 73.7% para E.S.II y costos operacionales de 10.8 y 8.4 USD/m3 para el E.S.I y E.S.II, respectivamente. Respecto a los niveles de mineralización, se alcanzaron reducciones de 65% y 72% del Carbono Orgánico Total (COT) mientras que la reducciones de color fueron mayores a 96%. Considerando el impacto de los efluentes tratados sobre el ambiente se demostró que, con cualquiera de los dos esquemas secuenciales propuestos, la solución bajo estudio se degrada a un efluente que no es tóxico para organismos acuáticos sensibles a la contaminación (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de fibras y cenizas provenientes de residuos agroindustriales como materias primas para la producción de materiales compuestos con cemento hidráulico
(2017-11) Tolosa Correa, Ricardo Augusto; Cardona Alzate, Carlos Ariel
El presente trabajo evaluó la viabilidad de utilizar tres residuos de producción agroindustrial Colombiana generados en grandes volúmenes como elemento de refuerzo de matrices de cemento hidráulico. Las biomasas analizadas fueron el raquis de la palma aceitera o palma africana, el bagazo de caña y la cascarilla de arroz. Se planteó su uso como fibras (Bagazo y raquis), y como cenizas obtenidas por combustión (Las tres biomasas), y por gasificación (Cascarilla y raquis). Para alcanzar el fin señalado, se evaluaron distintos procesos de extracción de las fibras, seleccionándose para ello un tratamiento en NaOH, se aplicó un recubrimiento con KMnO4 con el fin de protegerlas del ataque alcalino de la matriz. Las fibras se caracterizaron estructuralmente empleando difracción de rayos X (XRD), morfológicamente mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), se sometieron a una prueba acelerada de degradabilidad en medio con alta concentración alcalina, se evalúo su resistencia a tracción, el módulo de elasticidad y la elongación, verificando el aporte del recubrimiento a la condición tensional. Se introdujeron a morteros de cemento hidráulico en porcentajes del 0,5% y 1% en peso del compuesto, determinando para estas condiciones la conductividad eléctrica de las muestras y su resistencia a flexión y compresión, obteniendo resultados significativos. Como cenizas, se determinó la temperatura y el tiempo apropiados para combustión de las biomasas, además se evalúo el proceso de su obtención mediante empleo de gasificación. Se caracterizaron estructuralmente por difracción de rayos X (XRD), morfológicamente mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), térmicamente a través de termogravimetría (TGA). Se evalúo su capacidad puzolánica y se determinó su aporte a la resistencia a compresión en pastas, donde reemplazaron al cemento en porcentajes de un 10% hasta un 40%. Las cenizas obtenidas por gasificación fueron las que dieron los mejores resultados. Finalmente, se realizó la evaluación técnica, económica y ambiental del proceso de gasificación empleando el software Aspen Plus V 9.0. Se evaluaron los costos de obtención de cenizas y el costo de morteros adicionados con fibras y concretos con reemplazo de cenizas. Se determinó la viabilidad de empleo de estas biomasas en el contexto colombiano y se demostró la posibilidad del uso de cenizas obtenidas por gasificación para producción de materiales de construcción (Texto tomado de la fuente)
Dinámica e impacto de emisiones antrópicas y naturales en una ciudad andina empleando un modelo euleriano de transporte químico on-line. Caso de estudio : Manizales, Colombia
(2017) González Duque, Carlos Mario; Aristizábal Zuluaga, Beatriz Helena; Rojas Roa, Néstor Yesid
Ciudades intermedias de países emergentes en Latinoamérica están experimentando un rápido crecimiento. Sin embargo, el estudio de temas relacionados con las emisiones de contaminantes al aire y su dinámica de transformación y dispersión es limitado, aumentando su vulnerabilidad a potenciales efectos adversos derivados de episodios de contaminación atmosférica. Para suplir esta deficiencia, la modelización atmosférica y de calidad del aire se establece como una herramienta fundamental. Sin embargo, su uso en Colombia es limitado, especialmente en ciudades intermedias. En la primera fase de la investigación, se analizó la contribución a las emisiones de contaminantes del aire en Manizales por fuentes antropogénicas (móviles en ruta y estacionarias puntuales). Se estimaron los flujos anuales de contaminantes criterio, NMVOC, y gases efecto invernadero. Los resultados obtenidos sugieren que la actividad vehicular contribuye con más del 90% de las emisiones para la mayoría de contaminantes evaluados. Las emisiones CO (43.4 Gg/año) y NMVOC (9.6 Gg/año) estuvieron asociadas principalmente al uso de motocicletas (50% y 81% del total de emisiones respectivamente). Los buses de transporte público fueron las principales fuentes de PM10 (47% - 0.36 Gg/año) y NOx (48% - 2.4 Gg/año). Las emisiones antropogénicas fueron desagregadas en tiempo (1h) y espacio (1 km2) aplicando una metodología top-down basada en distribución de conteos vehiculares y densidad de la red vial. Esta técnica permitió identificar puntos críticos de emisión en el centro histórico y zonas residenciales-comerciales. Posteriormente, el modelo de simulación de calidad del aire, WRF-Chem, fue utilizado para evaluar la dinámica de dispersión y transformación de los contaminantes O3, SO2 y PM10 en Manizales durante un periodo seco en 2015. Las simulaciones de calidad del aire permitieron evaluar el impacto relativo de las emisiones antropogénicas en la calidad del aire de Manizales; así como el impacto de emisiones volcánicas en la dinámica del SO2. Adicionalmente, la representatividad del uso del inventario local versus inventarios globales en la descripción de la dinámica del O3 y PM10 en Manizales fue analizada. Los resultados mostraron mejoras significativas al utilizar el inventario local en las simulaciones, obteniendo mejores estadísticos de desempeño para el O3 (RMSE = 8.8 ppb, r = 0.81); en comparación con los obtenidos al evaluar inventarios globales (RMSE = 13.9 ppb, r = 0.64). Resultado similar se tuvo para concentraciones de PM10 con valores de 11.5 µg/m3 (RMSE) mediante el uso del inventario local, en comparación con los valores obtenidos usando datos de emisión global (RMSE = 28.8 µg/m3). El análisis del impacto relativo de las fuentes de emisión, permitió evidenciar que la química de formación de ozono y los niveles de PM10 en el aire ambiente de Manizales, son controlados por las emisiones provenientes de fuentes móviles en ruta. En el caso de los perfiles de SO2, durante el periodo de estudio se evidenció un mayor impacto de las emisiones antropogénicas en las concentraciones de este contaminante en la ciudad. Este estudio provee información valiosa en el entendimiento de procesos de emisión, transporte y transformación de contaminantes del aire en ecosistemas de montaña, y establece bases sólidas para la implementación de políticas públicas en la gestión de la calidad del aire de Manizales (Texto tomado de la fuente)
Evaluación técnica, económica y ambiental del aprovechamiento de residuos lignocelulósicos de cadenas agroindustriales en la producción de biofertilizantes
(2015) Hernández Piedrahita, Valentina; Cardona Alzate, Carlos Ariel
Las prácticas agrícolas en Colombia actualmente involucran el uso extensivo de fertilizantes químicos, los cuales presentan un alto precio de mercado, que ponen en riesgo la economía no solo de agricultores sino también de consumidores en el país. Como alternativa al uso de estos agroquímicos, se proponen en esta tesis dos procesos para la obtención de biofertilizantes (biol y biosol) y promotores del crecimiento celular de las plantas (GA3) a partir de diferentes residuos agroindustriales disponibles en Colombia (bagazo de caña, racimos vacíos de palma, cascarilla de café y cáscara de naranja) y España (poda de olivo) y que fueron evaluados desde los puntos de vista económico y ambiental. Los procesos de producción fueron evaluados como planta uniproducto considerando capacidades de producción de baja y alta escala con el objetivo de evaluar el desempeño económico con respecto a la disponibilidad de la materia prima. Además, la producción de biofertilizantes y GA3 fue evaluada también bajo el concepto de biorefinería, concluyendo que este enfoque de la integración de líneas de proceso en una misma planta mejora el desempeño económico y ambiental de dichos procesos (Texto tomado de la fuente)

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