Doctorado en Ingeniería - Química

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Application of innovation strategies in the development of sustainable technologies for surface water remediation and smart materials against COVID-19
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Martínez Andrade, Alfonso; Vargas Sáenz, Julio César; Sinisterra Millán, Rubén Darío; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000013192; Martínez Andrade, Alfonso [0000-0003-4361-5067]; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
Las estrategias de innovación aplicadas lideraron el desarrollo de tecnologías sostenibles para dos desafíos abordados en esta tesis. En primer lugar, para remediar aguas superficiales como las del río Doce y manantiales de Minas Gerais, Brasil, se examinó la posibilidad de utilizar residuos mineros de serpentinito natural y endocarpio de Macauba sometido a un tratamiento alcalino, como una alternativa sustentable para la remoción de aluminio(III), hierro(III), plomo(II) y manganeso(II). El estudio utilizó un diseño experimental Box-Behnken para examinar cómo la concentración inicial de metal, la dosis de adsorbato y el tiempo de adsorción afectan la efectividad de la adsorción de los metales. Los resultados demostraron un rendimiento importante, con tasas de remoción superiores al 80 % para Al(III), Fe(III) y Pb(II), y al 60 % para Mn(II). Este estudio profundizo en los mecanismos de adsorción, cinética, isotermas de adsorción y caracterización. Los resultados de las isotermas sugieren que la quimisorción es el principal mecanismo del endocarpio de Macauba químicamente tratado. Para el serpentinito se identificaron mecanismos de fisisorción y quimisorción en las que la formación de complejos con grupos OH- liberados y el intercambio iónico con Mg(II) del serpentinito emergieron como contribuyentes clave al proceso de adsorción. Además, se evaluaron los ciclos de adsorción de metales y regeneración de los adsorbentes, evidenciando para el serpentinito una capacidad de adsorción constante en cada ciclo y sin perdidas de su capacidad de adsorción después de la regeneración. Por el contrario, el endocarpio de Macauba químicamente tratado pierde el 50% de su capacidad de adsorción después del primer ciclo de regeneración. La capacidad de adsorción promedio del serpentinito y del endocarpio de Macauba químicamente tratado fue de 0.71 y 0.23 mg g-1, respectivamente. La Macauba químicamente tratada mostró una mayor selectividad para la adsorción de Mg(II) y Pb(II). La aplicación combinada de ambos materiales redujo con éxito el contenido de metales del río Doce y del agua de los manantiales hasta estándares de potabilidad. Se propone y evalúa un proceso discontinuo y continuo para escalar la adsorción de metales de los materiales. La evaluación de la tecnología con bases de datos de patentes y artículos mostró la novedad de la invención presentada. La valoración constata el bajo coste de esta tecnología. En general, este estudio muestra el potencial de ambos materiales como base para métodos sostenibles y rentables para tratar la contaminación de las aguas superficiales con Al(III), Fe(III), Pb(II) y Mn(II). El segundo desafío abordado fue el desarrollo de materiales inteligentes contra el COVID-19. El confinamiento por la pandemia inicio en Brasil en marzo del 2020, coincidiendo con el inicio de las actividades de esta tesis. En marzo de 2024, había 774 millones de casos confirmados y 7 millones de muertes por la pandemia de COVID-19 causada por el SARS-CoV-2. Este trabajo enfatiza la importancia de la colaboración multidisciplinaria en la creación de estrategias de monitoreo y nuevos materiales para controlar la propagación viral, especialmente a través de superficies contaminadas o fómites. La transmisión de fómites del SARS-CoV-2 aún no está clara. Se propone un nuevo sistema virucida que utiliza complejos de inclusión de clorhexidina (CHX) con β-ciclodextrina (βCD) impregnadas en matrices textiles o de celulosa para abordar esta dificultad. Los hallazgos muestran que estas matrices inactivan el SARS-CoV-2 y reducen los niveles virales en las superficies durante 30 días. Para la preparación de los compuestos de inclusión, se utilizó la liofilización y el secado por aspersión. Los análisis espectroscópicos y microscópicos mostraron la impregnación de los compuestos de inclusión CHX-βCD en las matrices. El escalonamiento de la producción usando secado por aspersión permitió obtener matrices virucidas en escala industrial. Esta opción virucida innovadora y duradera de desinfección de superficies producida en esta tesis es el resultado de un enfoque traslacional en respuesta a la pandemia (Texto tomado de la fuente).
Effect of avocado flour on functional properties in starch films from Plantain (Mussa var. AAB Simonds)
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-03-20) Ávila Martín, Liliana; Perilla Perilla, Jairo Ernesto; Villa Zabala, Cristian Camilo; Avila-Martin, Liliana(0000-0002-4844-8969); Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
This study investigates the physicochemical interactions of Hass avocado flour and Dominico Hartón plantain starch to develop biodegradable films with enhanced mechanical strength and reduced water sensitivity for the food packaging industry. The research evaluates the impact of the chemical composition (starch, lipids, and fibers) of avocado seed flour on the mechanical and hydrophobic properties of films. Specific objectives include identifying the film-forming properties of Dominico Hartón plantain starch, analyzing the properties of native starches that favor characteristics for food packaging—such as rigidity or elasticity—using Shannon-TOPSIS for selection, determining the effects of avocado seed flour components on film stability, and assessing the influence of drying temperature on film crystallinity and permeability. A comprehensive experimental methodology was employed, utilizing comparative analysis and response surface methodology (RSM) to optimize the starch-flour-plasticizer formulations. The study also explored the effects of infrared (IR) drying on film properties, comparing films dried under varying conditions. Results indicated that while the differences between Plantain starches are minimal, more pronounced variations were observed when comparing them to starches from other botanical sources. Avocado seed starch demonstrated notable advantages, including excellent hydrophobicity and selective gas sorption, although it faced challenges in forming independent films. The incorporation of avocado seed derivatives enhanced the mechanical and moisture-resistant properties of the films, resulting in a synergistic effect with plantain starch. Overall, this research highlights the potential of utilizing avocado by-products for sustainable bioplastic production, offering valuable insights into optimizing film formulations for effective packaging solutions, particularly for perishable products like strawberries.
Intensification in the epoxidation of used cooking oils using acid catalysts
(Universidad Nacional de Colombia, 2025) Cárdenas Ramírez, Juliana; Orjuela, Alvaro; Katryniok, Benjamin; Juliana Cardenas Ramirez [BFL-4vQAAAAJ]; Juliana Cardenas-Ramirez [0000-0003-1142-8064]; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos; Araque, Marcia
Este trabajo se centra en la intensificación del proceso de epoxidación de aceites usados de cocina (UCO) mediante catálisis de transferencia de fase y el uso de reactores de milifluidos de flujo segmentado. Se desarrolló un nuevo catalizador heteropoliácido (HPA) modificado mediante la hibridación del ácido fosfotúngstico con surfactantes, lo que le permitió actuar como catalizador de transferencia de fase y transportador de oxígeno, eliminando la necesidad de ácido peracético. Aunque la actividad catalítica mejoró, la selectividad hacia los grupos oxirano fue limitada, lo que requirió el uso de una resina de intercambio iónico ácida como co-catalizador para optimizar el rendimiento. Posteriormente, se empleó un reactor de flujo segmentado para intensificar el proceso, optimizando parámetros clave con aceite de soya como modelo y extendiendo luego el estudio a UCO. Se alcanzó hasta un 82 % de conversión, 86 % de selectividad y una productividad de 7,91 mL·min⁻¹, con un contenido de oxígeno oxirano del 4,02 % en peso. Los resultados demuestran el potencial de los reactores de flujo segmentado para una epoxidación eficiente y escalable, contribuyendo a la producción sostenible de oleoquímicos de segunda generación a partir de aceites residuales (Texto tomado de la fuente).
Estudio de la respuesta de levaduras transformadoras de xilosa a condiciones de estrés en hidrolizados de bagazo de caña de azúcar
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-09-27) Garcia Acero, Angela Maria; Velasquez Lozano, Mario Enrique; Rosa, Carlos Augusto; Garcia Acero, Angela Maria [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001468893]; Garcia Acero, Angela Maria [0000-0002-2241-9465]; Garcia Acero, Angela Maria [https://www.researchgate.net/profile/Angela-Garcia-Acero]; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos; Taxonomia, Biodiversidade e Biotecnologia de Fungos
La transición hacia los sistemas de producción de base biológica implica no solo la adaptación de tecnologías existentes sino la búsqueda de procesos eficientes y sostenibles. El uso de microorganismos como biocatalizadores para la transformación de biomasa residual ha sido estudiado en las últimas décadas. Sin embargo, dentro de los parámetros de selección de estos microorganismos la capacidad de tolerar y adaptarse a condiciones estresantes es una de las mayores limitantes para su empleo en escala industrial. Este trabajo tiene como objetivo describir la diversidad de la comunidad de levaduras transformadoras de D-xilosa asociadas a bosques de robles en los Andes Colombianos y estudiar la respuesta fenotípica a condiciones de estrés de levaduras no-convencionales, aisladas en ambientes naturales y fermentativos en Colombia capaces de metabolizar la D-xilosa, para su implementación en la fermentación de hidrolizados hemicelulósicos de bagazo de caña de azúcar. Para esto se realizó el aislamiento e identificación taxonómica de 175 levaduras asimiladoras de D-xilosa de bosques de robles de la región central de la cordillera oriental de los Andes en Colombia pertenecientes a 35 especies previamente conocidas y 15 posibles especies nuevas. Se observó que 75 aislados en los bosques de robles presentaron capacidad metabólica para la transformación de la D-xilosa hasta etanol o xilitol. También se evaluaron 50 levaduras de la colección Biológica Banco de Cepas y Genes del IBUN-UNAL, aislados en ambientes fermentativos en el municipio de Puerto López (Meta) y Paipa (Boyacá) de los cuales 12 presentaron capacidad para transformar D-xilosa y producir xilitol como producto principal. Se evaluó la implementación de condiciones de estrés térmico como estrategia para la preparación del inóculo en dos especies de levaduras asociadas a ambientes fermentativos, Meyerozyma caribbica y Candida tropicalis, para la fermentación de D-xilosa en medios suplementados con ácido acético. M. caribbica evidenció la adquisición de protección cruzada a estrés en las levaduras expuestas a 10 °C con un aumento del 29 % en la producción de xilitol frente a las células crecidas a 30 °C en la fermentación de la D-xilosa en presencia del ácido acético (6 g/L). La exposición a estrés ácido, oxidativo y térmico previo a la fermentación de hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña de azúcar fue aplicado para dos levaduras aisladas en ambientes naturales, Debaryomyeces nepalensis y Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus, para la producción de xilitol y etanol, respectivamente. La respuesta fenotípica a las diferentes condiciones de estrés fue específica para cada especie y relacionada con el direccionamiento metabólico para la transformación de la pentosa. D. nepalensis presentó un aumento del 32% en la producción de xilitol en comparación con las células sin tratar en fermentación del hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña de azúcar (75% v/v). La estrategia de preparación del inóculo con exposición previa al estrés sumado a la fermentación en serie mejora la aptitud en Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus logrando fermentar la D-xilosa presente en el hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña sin diluir. Este es el primer trabajo realizado en la bioprospección de la diversidad de levaduras de bosques de robles en la cordillera oriental de Los Andes (Colombia) y los resultados demuestran el potencial para la exploración de servicios ecosistémicos no maderables presentes en estos hábitats forestales. (Texto tomado de la fuente).
Predictive heat transfer models in fibrous insulation at high temperatures
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-01) Carvajal Perdomo, Sergio Andrés; Ramírez Franco, José Herney; Daryabeigi, Kamran; Carvajal, Sergio A [0001352125]; Carvajal, Sergio A [0000-0003-0101-3711]; Carvajal, Sergio A [57204546700]
El modelamiento de la transferencia de calor en materiales fibrosos es importante para el diseño y mejoramiento de los sistemas de aislamiento térmico. A altas temperaturas y bajas densidades, se espera que la radiación térmica sea el principal mecanismo de transferencia de calor. Actualmente los modelos más exitosos para modelar la transferencia de calor en aislantes a altas temperaturas requieren el uso de métodos semi-empíricos. La principal limitación de este enfoque es que los parámetros del modelo deben ser determinados a partir de mediciones calorimétricas para cada posible material y determinados nuevamente si la estructura morfológica es modificada, incluso para el mismo material. Esta investigación presenta un modelo predictivo para la transferencia de calor por radiación basada exclusivamente en propiedades físicas y morfológicas. El modelo fue validado usando mediciones previamente realizadas de la conductividad térmica efectiva en un aislante de baja densidad basado en alúmina. Para distinguir los diferentes mecanismos de transferencia de calor, se analizaron mediciones en vacío y temperaturas criogénicas. El modelo muestra una buena concordancia con las mediciones; sus predicciones son consistentes con las incertidumbres estimadas para las mediciones y el modelo y son comparables con las estimaciones obtenidas a través de métodos semi-empiricos para temperaturas entre 300 K y 1700 K (Texto tomado de la fuente)
Production of n-butyl lactate by reactive distillation process: state-estimation, optimization, and advanced control
(2023-11-22) Garcia, Cesar; Gil, Iván; Ochoa, Silvia; Secchi, Argimiro; Cesar Augusto Garcia; Cesar Augusto García Echeverry; 0000-0001-9271-450X; Cesar García; procesos quimicos y bioquimicos; 2875450
Green chemistry has been gaining popularity to produce bio-based products and reduce environmental impact. This study examines the production of n-butyl lactate through reactive distillation at a pilot plant scale. The isobaric vapor-liquid equilibrium for the binary mixture n-butanol + n-butyl L-lactate at 1 and 5 kPa was evaluated, followed by an analysis and a new methodology to obtain maps of reactive and non-reactive residue curves for producing n-butyl lactate; results showed that it is possible to obtain n-butyl lactate with a purity of 97% w/w. A dynamic model of the reactive distillation column was developed and validated. The model includes a mass and energy balance equation set, the NRTL thermodynamic model, and a pseudo-homogeneous kinetic equation. The model was validated against experimental data and literature data. Based on the modeling analysis and operability of the pilot plant, an advanced control strategy, a Non-linear Model Predictive Controller (NMPC), to improve n-butyl lactate production was tested in silico; this was evaluated and compared with a classic MIMO PID strategy and a Linear Model Predictive Controller (LMPC). Then, a state estimator using an Artificial Neural Network (ANN) was implemented to filter the signal from the measurements and estimate the final product composition, providing a viable scenario to predict and maintain the final product quality. The conclusion of the controller comparison showed that the NMPC presented the best performance indices, ITSE, and ITAE. However, the LMPC control was sufficiently good to be evaluated in silico at pilot plant scale. (Texto tomado de la fuente)
Producción de biodiésel no éster mediante desoxigenación catalítica de aceite de palma con generación de hidrógeno in situ
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Mayorga Betancourt, Manuel Alejandro; Cadavid Estrada, Juan Guillermo; Narváez Rincón, Paulo César; Mayorga Betancourt, Manuel Alejandro [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000947229]; Manuel Alejandro Mayorga Betancourt [https://scholar.google.com/citations?user=wyQTSPEAAAAJ&hl=es]; Mayorga, Manuel A. [0000-0001-6207-8338]; Manuel Alejandro Mayorga Betancourt [https://www.researchgate.net/profile/Manuel-Mayorga-Betancourt-2/stats]; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos; Mayorga Betancourt, Manuel Alejandro [57209243312]
El desarrollo de biocombustibles avanzados es una opción que contribuye a la transición energética a corto y mediano plazo. Así, en esta investigación se verificó experimentalmente la obtención de biodiésel no éster por desoxigenación catalítica de aceite de palma con hidrógeno generado in situ en lugar de alimentarlo. Entonces se definieron dos sistemas catalíticos capaces de generarlo, por transferencia catalítica y/o reformado en fase acuosa, a partir de donantes como ácido fórmico y etanol, para luego hidrotratar los triglicéridos. Se seleccionaron como fases activas platino y paladio soportadas al 5% en carbono, así como su mezcla equimásica. Para estudiar primordialmente el rendimiento de hidrocarburos y la selectividad hacia hidrodesoxigenación, se evaluó el proceso con exceso hidrógeno del 50% y 100%, a 250 °C y 300 °C. El sistema 5% Pt/C con ácido fórmico en un exceso del 50% a 300 °C presentó el mejor desempeño en la producción de hidrocarburos, pues se obtuvo un producto líquido con 94% principalmente de n-pentadecano y n-heptadecano, por lo que favoreció la descarbonilación-descarboxilación, minimizando la selectividad. La temperatura es la variable de mayor incidencia en la producción de hidrocarburos, tal que para el mismo sistema de platino con 100% de exceso de fórmico a 250 °C se obtuvieron menos hidrocarburos aunque se maximizó la selectividad. Mientras que el sistema platino-paladio con un exceso del 50% de ácido fórmico a 300 °C fue el más equilibrado en rendimiento y selectividad. Las diferencias observadas en la actividad de ambos catalizadores, se explican en parte por la mayor mesoporosidad y dispersión del platino. (Texto tomado de la fuente)
Estudio de la actividad fotocatalitica de electrocatalizadores de TiO2 nanoestructurados y modificados en la produccion de hidrogeno
(2022-11-18) Tirano Vanegas, Joaquin Enrique; Zea Ramirez, Hugo Ricardo; Grupo de Investigación en Materiales, Catálisis y Medio Ambiente
Se obtuvieron nanotubos de TiO2 dopados con níquel, con un notorio desempeño fotocatalítico, gran área superficial y con dimensiones y características controladas, mediante anodización electroquímica. Los resultados complementan el estado del arte de la síntesis de este tipo de nanoestructuras, establece relaciones entre las características morfológicas obtenidas y las variables de síntesis. Estas relaciones permiten establecer zonas de síntesis donde se puede controlar la morfología de los nanotubos. Se discuten los resultados de tratamientos que modifican la estructura cristalina de los nanotubos y su superficie. Se discute el efecto del tratamiento térmico sobre la evolución de la fase anatasa del rutilo en los nanotubos de TiO2. Se establece un protocolo para modificar superficialmente los nanotubos de TiO2 con nanopartículas de níquel, mediante electrodepositación. Para cada tratamiento se realiza una caracterización morfológica, cristalina y elemental de las muestras. Se efectúa la caracterización electroquímica de los fotoelectrodos sintetizados y los efectos de las morfologías de las nanoestructuras sobre su comportamiento fotoelectroquímico. Los análisis revelan el comportamiento eléctrico de las nanoestructuras sintetizadas dentro de una celda fotoelectroquímica, así como el tipo de semiconductor y el rol del níquel en la recombinación de cargas fotogeneradas. Se revisan los circuitos equivalentes que representan el comportamiento de nanotubos modificados con níquel en la producción fotoelectroquímica de hidrógeno. (Texto tomado de la fuente)
Analysis of a depropanizer column with internal energy integration of concentric configuration
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-11) Mancera Apolinar, Javier Alexander; Martínez Riascos, Carlos Arturo; Mendoza Muñoz, Diego Fernando; Javier Alexander Mancera (https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001349782); 0000-0003-4793-7442
In this study, the performance of a concentric distillation column with internal energy integration (HIDiC) was analyzed, considering the system propylene-propane and based on the second thermodynamic law. Additionally, the hydraulic behavior was studied and the efficiency of some trays in different points of column was estimated by CFD. To achieve that, five specific objectives were established: 1) Select the most suitable type of concentric HIDiC configuration for the separation of the propylene-propane mixture, considering second thermodynamic law, as well as the effect of the configuration on the entropy generation, the energy and exergy required for the separation. 2) Fit a CFD model for predicting the hydraulic behavior and mass transfer efficiency in a tray of the selected HIDiC. 3) Identify effects of column design and operating variables on thermal, hydraulic and mass transfer performance in a HIDiC tray. 4) Analyze the second law efficiency in the selected HIDiC, distinguishing the exergetic losses by phenomena, and 5) Propose a preliminary methodology for the conceptual design of concentric HIDiCs, considering the operational viability and its thermodynamic efficiency. In the development of the first objective, it was possible to determine that the HIDiC column that presents the best exergetic behavior, for the separation of the studied system, is the Top-HIDiC (Chapter 1). In the second objective, due to the absence of experimental data for the chosen system, we first proceeded to validate the use of CFD for a known binary system with experimental data of its hydrodynamic behavior (Chapter 2), and mass transfer, through tray efficiency (Chapter 3). Once the hydrodynamic and mass transfer components were validated, the CFD was applied to a tray of the HIDiC for the propylene-propane system (Chapter 4), predicting the clear liquid height and the tray efficiency in rectification and stripping sections, obtained results were coherent with the studied phenomenon. For the third objective (Chapter4), three integrated trays ‒located in different places of the HIDiC: above, in the middle and in the lower‒ were analyzed to check the influence of initial and boundary conditions on the studied properties (clear liquid height and tray efficiency). For the fourth objective, it was possible to discriminate the exergetic losses for each component of the HIDiC column and they were compared with the losses generated in a Conventional Column and a Vapor Recompression Column, confirming a higher thermodynamic performance for the HIDiC (Chapter 5). Finally, in the development of the last objective, it was possible to establish a preliminary conceptual design through 5 general steps, with the exergetic loss as the main design criteria (Chapter 6). (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de la modificación de almidón de yuca (Manihot esculenta) vía desramificación enzimática y entrecruzamiento y la utilización del almidón modificado para la obtención de películas biodegradables
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Algecira Enciso, Néstor Ariel; Perilla Perilla, Jairo Ernesto; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
En esta investigación se estudió la morfología, cristalinidad y el proceso de gelatinización mediante seguimiento de la viscosidad y calorimetría diferencial de barrido para el almidón de yuca. Se evaluó el proceso de hidrólisis enzimática con pululanasa para obtener almidón desramificado enzimáticamente (ADRE), y se estableció que las mejores condiciones para el proceso son la temperatura de reacción 60 °C y pH 4, y mediante seguimiento cromatográfico se determinó que se producen una mezcla de alto, medio y bajo peso molecular con capacidad filmogénica. Posteriormente se trabajó con esterificación de almidón nativo y almidón desramificado (ADRE) con ácido cítrico, málico y adípico, inicialmente se realizó en medio orgánico con DMSO para la obtención de adipato de ADRE a 90 °C con un grado de sustitución de 0,009, en la segunda parte la evaluación se realizó mediante el método de calor seco en horno, y se logró sintetizar citrato, malato y adipato de almidón y de ADRE con una temperatura de reacción de 100°C, tiempo de reacción 2,5 h y relación ácido/almidón de 15 g/100g, esto se verificó con espectroscopia infrarroja y se complementó con determinaciones de calorimetría diferencial de barrido (DSC) y termogravimetría (TGA), los grados de sustitución obtenidos fueron bajos y estuvieron entre 0,04 y 1,03. Se caracterizaron estos productos y se encontró aumento de la hidrofobicidad, pocos cambios en la cristalinidad, cambios en la morfología y se prepararon películas con estos derivados de almidón por el método de casting con polioles como plastificantes y estas tienen menor permeabilidad a vapor de agua, mejores propiedades mecánicas y son biodegradables. (Texto tomado de la fuente)
Aerosol size distribution and size resolved composition in urban areas of Colombia
(2023-06-13) Mateus Fontecha, Lady; Jiménez P., Rodrigo; Rojas R., Néstor Y.; MATEUS FONTECHA, LADY; https://orcid.org/0000-0002-9038-1673; https://www.researchgate.net/profile/Lady-Mateus; Grupo de Investigación en Calidad del Aire
The Colombian Air Quality National Strategy have established that prevention actions, reduction, and control emissions should be focused mainly on particulate matter, PM10 and PM2.5, due to the consistent exceedances related to the air quality guidelines suggest by the World Health Organization and the Air Quality National Standard in urban areas. In addition, the harmful effects in public health of population exposed to airborne particles. Therefore, one of the aims of the Strategy is encouraging the scientific knowledge to improve the national air quality management. Therefore, the aim of this dissertation's is to further knowledge of particle size distribution (PSD) of aerosols in urban areas in Colombian, linking the local and regional sources of air pollutants and the local weather patterns. The study was conducted in two places of Colombia: Bogotá and Palmira (Cauca’s Valley). The airborne aerosols were investigated utilizing impactors cascades to measure the size of inhale particles. The particle number concentration and particle number size distribution were measured in the size range from 17 nm and 10 mm using an Electrical Low-Pressure Impactor (ELPI+). Also, was used an Andersen Non-viable Impactor Cascade to determinate the mass size distribution and collect samples size segregated in nine stages between 0.1 to 9 um, to determine the contained of organic carbon, elemental carbon, and water-soluble ions in airborne inhalable particles. The findings of this study revealed that Bogotá's urban background area had a higher average particle number concentration (3800 #/cm3) than the area that was most adversely affected by automobile emissions (2800 x103 #/cm3). The number particle size distribution was unimodal in the traffic station of “Las Ferias” with a diameter centered in 120 nm, which evidences the particles are formed and grow through atmospheric process. In other hand, the urban background area exhibited a bimodal distribution, with a larger mode centered in particles of 120 nm of diameter with a second mode centered in 30 nm of diameter, which is more relevant in morning rush traffic hours. The Lung Deposition Surface Area (LDSA) was estimated from the interaction between particle size distribution and the model of the particle deposition in the respiratory system published by the Commission on Radiological Protection (IRCP) (ICRP, 1994). In this study, the urban background area reveled higher concentrations than the area affected by traffic emissions in Bogota, and other similar environments reported in the scientific literature. The submicrometric particles PM1, which can enter the alveolar region of the human respiratory system, was 20.8 ug/m3 in Bogota and 13.8 ug/m3 in Palmira. The mass size distribution exhibits a bimodal distribution that is equally centered between 0.43 and 1.1 um and 4.7 and 9.0 um. According to the chemical composition size separated, elemental carbon was accumulated in the fine fraction of PM2.1 in Bogotá at a rate of 72%, relative to 57% in Palmira. On the other hand, organic carbon was more evenly distributed in fine and coarse fraction. The sulfate ion was one of the most abundant water-soluble ions in two sites, but the size distribution was different while in Palmira was mainly accumulated in fine mode, in Bogota was dispersed across the two-size fraction. (Texto tomado de la fuente)
Development of a new integrated assessment methodology to design and select the best emission reduction strategies for urban passenger transport
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-03-09) Cuéllar Álvarez, Yohén; Belalcázar Cerón, Luis Carlos; Clappier, Alain; Calidad del Aire
In cities in emerging countries, the demand for passenger transport has proliferated, creating socially and environmentally unsustainable transport systems. Finding the best transport options for these communities poses substantial challenges to transport policymakers. Therefore, the main objective of this thesis was to develop a new Integrated Assessment Methodology (IAM) to design and select the best emission reduction strategies for urban passenger transportation. This MEI considers direct emissions inventory, indirect emissions inventory, total ownership cost, and emission reduction strategies. First, the estimation of the inventory of direct emissions of air pollutants (PM2.5, NOx, SO2, CO) and greenhouse gases (CO2-Eq), including emissions from the exhaust and Wear and Resuspension (W&R). The latter is not usually included in existing MEIs. In this work, the COPERT model was adapted to local conditions to estimate direct emissions from combustion and the EMEP and EPA methodologies to estimate W&R emissions. Second, the indirect emissions inventory is estimated from the Well-to-Wheel (WTW) life cycle assessment approach. This study highlights the importance of including emission sources other than vehicle combustion in emission inventories. Third, the Total Ownership Cost (TOC) is calculated from the capital, operating, maintenance and technology replacement costs over the vehicle's lifetime. Traditional MEI focuses only on the cost of introducing new vehicles with updated technologies, not the TOC. This research shows that using electric vehicles is the most economical technical strategy to minimize emissions. Fourth, the analysis of reduction strategies evaluates the change generated by scenarios designed for technology substitution and mode shift. Replacement of the current fleet with modern combustion technologies results in relatively small reductions in total emissions, while replacement with electric vehicles powered by electricity from renewable energy is the most efficient scenario. In addition, to incorporate the system context and the variables that determine the adoption of various modes of urban passenger transport, the advantages and disadvantages of these modes were analyzed using a set of criteria related to the environment, risk, and social welfare (i.e., CO2-Eq and PM2.5 emissions, energy consumption, traffic mortality and injuries, vehicle congestion, travel time and discomfort). For the case of Bogotá, trends in mode share were compared according to the socioeconomic stratification of households. The results indicate that the disadvantages of passenger cars and taxis are high environmental impacts and vehicular congestion; high levels of discomfort and travel times characterize buses, and high risk characterizes motorcycles. Finally, the main contribution of this research is the development of a more effective MEI for policymakers to address solutions around the different modes of transport in environmental and economic terms. It is expected to be improved and applied in other cities in Latin America and worldwide. (Texto tomado de la fuente)
A system approach to support a methodology for the design of formulated cosmetic products in the context of companies
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-12-14) Rivera Gil, Jose Luis; Narváez Rincón, Paulo César; Boly, Vincent; Falk, Véronique; Serna Rodas, Juliana; https://orcid.org/0000-0001-6237-8736; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
Managing a new chemical product design and development project is a complex task at different levels. In addition to the technical challenges of the formulation and the definition of process conditions, design teams should also consider the requirements of the organization where the product design is performed. Therefore, the organizational dimension and its importance in chemical product design are explored in this research. Through a bibliometric literature review, it was found that chemical product design methodologies integrating the organizational context have not been thoroughly analyzed and are highly required. In this research, through a systemic analysis based on information collected in semi-structured interviews with design experts of the cosmetic sector, the characteristics of the organizational context and its effects on the product design process of that sector were studied. Additionally, information captured during those interviews was formalized in an expert knowledge base of recommendations to support the cosmetic product design process. A tool to adapt those recommendations to the design process of specific companies was proposed. The tool is applied through collaborative workshops which enable the active participation of the design team in the evaluation of the design process in order to select and implement the most suitable recommendations. Finally, the tool is applied in a real organization showing how it can be used to evaluate and improve a real design process. In that case it was found that the tool proposes adapted improvement solutions aligned to the company's value concepts, where the design team has the role of evaluator and builder of its own design methodology. (Texto tomado de la fuente)
Accesibilidad de hidrocarburos en zeolitas y su efecto en el proceso de hydrocracking
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá, 2021) Martinez Saavedra, Jose Mateo; Rodriguez Niño, Gerardo; Trujillo, Carlos Alexander; Ecopetrol; Laboratorio de Catálisis Heterogénea (LCH)
En este trabajo se estudió el impacto de las propiedades físicas y químicas de las zeolitas USY en el proceso de hydrocracking de hidrocarburos pesados orientado hacia su accesibilidad en zeolitas USY. Las propiedades texturales y morfológicas de las zeolitas USY fueron medidas usando fisisorción de N2, Difracción de Rayos X (DRX), y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). La acidez de las zeolitas USY fue caracterizada usando quimisorción de piridina medido por espectroscopía infrarroja (FTIR), y quimisorción de isopropilamina medida por análisis termogravimétrico (TGA). La actividad catalítica de catalizadores de platino soportados en zeolitas USY y en soportes no ácidos en el hydrocracking no isotérmico de fluoreno se estudió empleando un analizador térmico simultáneo de alta presión (STA-HP). El hydrocracking no isotérmico en un STA-HP permitió observar de forma cualitativa los pasos de la reacción del hydrocracking. Además, el test evidenció la necesidad de sitios ácidos Brønsted (BAS) en el hydrocracking, mostrando correlaciones positivas entre la entalpía de hydrocracking y la concentración de BAS. Un segundo test consistió en estudiar el hydrocracking de fenantreno usando un reactor Trickle-Bed a diferentes temperaturas. La participación de los BAS a distintas temperaturas fue calculada mediante el Turn-Over Frequency (TOF). El cálculo del TOF permitió correlacionar las propiedades estructurales de las zeolitas USY con su actividad catalítica hacia hydrocracking. Zeolitas con altos volúmenes de mesoporo reportaron más alto TOF de los BAS debido al mejor acceso del fenantreno al interior de las zeolitas. La accesibilidad del fenantreno en zeolitas USY se puede mejorar mediante el uso de agentes de lavado del aluminio amorfo. Mejorar la accesibilidad en las zeolitas USY favorece la actividad catalítica hacia reacciones de hydrocracking y cracking considerablemente, además de favorecer las reacciones de hidrogenación. (Texto tomado de la fuente)
Desarrollo de un proceso de producción-separación de galactooligosacáridos mediante un sistema acuoso de dos fases asistido por microondas
(Universidad Nacional de Colombia, 2020) Castro Moreno, Germán Andrés; Serrato Bermúdez, Juan Carlos; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
Los GOS (Galactooligosacáridos) son carbohidratos con una molécula de glucosa unida a 2-5 moléculas de galactosa. Los GOS son prebióticos y se obtienen industrialmente mediante reacciones enzimáticas. Los GOS son producidos a partir de lactosa, ya sea en estado puro o haciendo parte del suero de quesería, el cual debe presentar un contenido de lactosa superior al 70% (m/m). La reacción de hidrólisis rompe la lactosa en glucosa y galactosa, que reacciona para formar GOS, a través de la reacción de transgalactosilación, estas dos reacciones suceden simultáneamente, ya que una se nutre de la otra. La presencia de estos monosacáridos inhibe la última reacción y disminuye la producción de GOS. Los sistemas acuosos de dos fases (SADF) pueden usarse para separar una mezcla de sustancias de acuerdo con su afinidad preferencial por una de las dos fases en este sistema. Estos sistemas están formados por dos polímeros o una sal y un polímero disueltos en agua en una concentración específica para producir la separación de fases. Hay muchos factores que afectan esta operación, como el pH, la temperatura, el polímero, la concentración de sales y sustancias, el peso molecular del polímero y la relación polímero / sal. El SADF puede usarse para separar los monosacáridos inhibidores de la mezcla de GOS. La irradiación de microondas ha mostrado un efecto positivo en la separación por SADF y se ha utilizado para mejorar la reacción de producción de GOS a partir de lactosa. El SADF se utilizó en este trabajo para producir y separar GOS simultáneamente. El medio de reacción estaba formado por lactosa a diferentes concentraciones, polietilenglicol (PEG) y citrato de sodio para formar el SADF, pH de 4.5 a 5.5, las temperaturas probadas estuvieron entre 40 y 60 ° C. Se evaluó el efecto de la irradiación de microondas sobre la reacción, la separación por SADF y la reacción - separación simultáneas. Se establecieron todas las condiciones del SADF que produjeron resultados optimizados, que se expresaron como coeficiente de partición, rendimiento de separación, selectividad para GOS y rendimiento de reacción. La selectividad para GOS aumentó más del 40%, en relación con el medio convencional (buffer + lactosa), el rendimiento de la reacción no cambió estadísticamente. La separación de la mezcla de carbohidratos fue de acuerdo con su peso molecular, las sustancias más pesadas (GOS) se mantuvieron principalmente en la fase inferior (citrato de sodio), mientras que los monosacáridos migraron en mayor medida a la fase superior (PEG). Los resultados optimizados de reacción, separación y separación simultánea de reacción se probaron en irradiación de microondas. El rendimiento, la producción, la selectividad y la productividad disminuyeron con la acción de microondas. (Texto tomado de la fuente).
Flujos de bióxido de carbono y vapor de agua medidos mediante covarianza de remolinos en sabana nativa y cultivos transitorios mecanizados en la Altillanura colombiana
(Universidad Nacional de Colombia, 2020) Morales Rincón, Luis Alberto; Jiménez Pizarro, Rodrigo; Calidad del Aire
Mediciones de flujos de carbono y energía en una sabana nativa y un ecosistema de cultivo transitorio en la altillanura colombiana. En este documento se presenta la estrategia metodológica para la selección del sitio de medición, diseño de la estación de monitoreo, análisis y procesamiento de datos de mediciones realizadas a través de la técnica de covarianza de remolinos (Apartes del texto)
CO2 Capture by mineral carbonation to obtain a usable material of industrial waste
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Pedraza Vega, Jenniffer Iveth; Rojas Roa, Nestor Y.; Tobón, Jorge Iván; Calidad del Aire; Grupo de Investigación en Materiales, Catálisis y Medio Ambiente; Grupo del Cemento y Materiales de Construcción
Carbon dioxide capture and utilization (CCU) technologies are being developed to reduce carbon dioxide emissions from the cement sector and to obtain by-products with high added value. The cement sector is the second-largest industrial emitter of carbon dioxide (CO2), contributing to 5-8 % of anthropogenic global emissions in 2015-217. Cement production consists of raw material preparation, clinker production, blending/grinding, and packaging. A major emission source of CO2 is the de-carbonation of limestone during the calcination process, which constitutes 60 % of the total clinker kiln CO2 emissions and the remaining 40 % comes from the combustion of fuels (liquid fuels, gas, coal, wastes, and biomass). The CO2 emissions from limestone calcination are inherent to chemical reactions of the raw material and cannot be avoided unless other sources of CaO would be used. Mineral carbonation (MCAP-CO2) is one of the CCU technologies that recover CO2 contained in flue gases coming from clinker kiln to obtain synthetic carbonate from the reaction between CO2 and industrial wastes rich in calcium oxide, and using these synthetic carbonates either as a final product or as an input to the cement industry. Prior studies have noted the importance of combined economic and environmental aspects to evaluate the performance of CCU technologies applied to the cement sector. In this research, it was addressed this need using technological, economic, and environmental criteria for an initial assessment (at pre-feasibility level) of implementing the MCAP-CO2 within a conventional cement plant from a net-zero emissions perspective. The analysis goes from extractive processes to blended cement production including the capture process. It is considered that flue gas (rich in CO2) and CKD streams from clinker production are directed to the MCAP-CO2 process as main inputs. This thesis provides a better understanding of the capture technologies focused on the mitigation of CO2 emissions in the cement Colombian sector. This novel approach, integrating technological, economic and environmental criteria following LCA standardized metrics, allows to establish the cost–benefit relation of implementing CCU within the cement industry. In addition, hotspots were identified and evaluated at prefeasibility level in the assessment of CCU from a sustainability perspective such as: energy costs, CO2 abatement costs and plant capacity. Furthermore, we can extend these methods to others CCU technologies if we align the goal, scope, boundaries, inventory and indicators, so they must fit to the research question.
Non-viral gene modification of mesenchymal stem cells in a tridimensional biocompatible scaffold
(2020-09-19) Ramos Murillo, Ana Isabel; Camacho Rodríguez, Bernardo; Silva Cote, Ingrid; Godoy Silva, Rubén Darío; Salguero López, Gustavo Andrés; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
La necesidad creciente de tejidos y órganos para reemplazo y/o reparación impulsó el desarrollo de nuevas disciplinas como la ingeniería de tejidos, que combina el uso de células, andamios y moléculas biológicamente activas para reparar o restablecer la función de los tejidos. Una aproximación para regular la liberación de las moléculas biológicamente activas en los andamios de ingeniería de tejidos consiste en el uso de terapia génica, que hace referencia a la introducción de material genómico exógeno (ARN o ADN) en las células con el fin de generar un beneficio terapéutico. La combinación de la terapia génica y la ingeniería de tejidos da lugar a la obtención de andamios que se conocen bajo el nombre de matrices activadas génicamente o GAMs, por sus siglas en inglés (Gene Activated Matrices). La presente tesis de doctorado consistió en el desarrollo de una matriz activada génicamente, basada en andamios preparados a partir de plasma humano crioconcentrado, combinado con células estromales mesenquimales derivadas de la gelatina de Wharton (WJ-MSC) y complejos de polietilenimina y ADN plasmídico.
Metabolic manipulation as a strategy for the improvement of the biocrude obtained by hydrothermal liquefaction of microalgae
(2020-12-10) Palomino Martínez, Alejandra; Departamento de Ingeniería Química y Ambiental; Godoy Silva, Rubén Darío; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
Hydrothermal liquefaction of the microalga was carried out. A response surface methodology was used to explore the effect of reaction temperature, retention time, initial total solids, and biomass composition, as well as their interactions, on the yield and quality of the resultant biocrude. The maximum biocrude yield was obtained between 315–325 °C and 40–45 min, at lipid ratio and initial total solids of 0.65 and 15 %, respectively. Under these conditions, the higher heating value was 35 MJ/kg, the total acid number was 70 mg KOH/g and the carbon, nitrogen and oxygen contents were 72 %, 3.7 % and 13 %, respectively. The inclusion of the chemical composition of the biomass as a modeling factor allowed predicting the yield and quality of the biocrude for several data sets published in the literature. The regression model predicted 61 % of the biocrude yields published within the standard deviation zone of ± 5 %. The degree of success for the models predicting quality parameters ranged from to 50-80 %. A new quantitative model was proposed for the calculation of biocrude yield of microalgae. The new model was tested with large numbers of experimental data published over a wide range of temperatures (200–400 °C), retention times (1–120 min) and chemical composition of microalgae (0.0–66 % lipids, 9–75 % proteins, 5–64 % carbohydrates, in dry basis). This model predicted 45 % of the biocrude yields published within the standard deviation zone of ± 5 % and 78 % of the total data was within the zone of standard deviation of ± 10 %. The effect of reaction temperature, retention time and elementary composition of the biomass was evaluated on the quality of the algae biocrude and used to propose a new quantitative model for the calculation of the elemental composition of this biocrude. The model provided information on the behavior of the reaction temperature and retention time on the carbon, nitrogen, hydrogen, and oxygen content of the algae biocrude. The new model was successful in more than 81 % for predicting the elemental composition of the macroalgae biocrude. The prediction capacity of the carbon, nitrogen, and oxygen content in the microalgae biocrude was between 53 and 81 %. The storage stability of biocrude produced from hydrothermal liquefaction of microalgae was systematically studied over 60 days, and the effect of the storage material, feedstock species, liquefaction temperature and storage temperature were assessed. Biocrudes obtained at 300 °C and 350 °C from the microalgae Spirulina and Chlorella vulgaris were stored at three temperatures: cold (4 °C), ambient (20 °C) and elevated temperatures (35 °C), over the two-month period. The viscosity of the biocrudes only increased considerably at 35 °C. The reaction temperature and biomass type were also strong determining factors of the impact on biocrude stability. Biocrudes produced from C. vulgaris were more stable than the Spirulina, and the crudes formed at 350 °C were considerably less reactive than those produced at 300 °C.
Producción de acetato de fusel por destilación reactiva
(2020-07-02) Sánchez Correa, César Augusto; Rodríguez Niño, Gerardo; Gil Chaves, Iván Darío; Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos
En este trabajo se investigan las trayectorias directas de procesos de destilación reactiva (DR) para la síntesis de acetatos a partir de la esterificación de ácido acético con aceite de fusel (AF). El problema se encuentra limitado a una descripción aproximada donde el AF se considera como una mezcla de alcohol isoamílico + agua + etanol. Esta versión simplificada del problema puede ocurrir aproximadamente en la práctica. En este contexto el objetivo principal del trabajo consistió en diseñar un proceso de DR para la producción de acetato de fusel. Los objetivos específicos son: a) desarrollar un modelo termodinámico adecuado para predecir los equilibrios de fases líquido – vapor y líquido – líquido – vapor del sistema multicomponente a partir de la información experimental (generada y recopilada en la literatura) de los subsistemas binarios y ternarios; b) desarrollar un modelo cinético apropiado para describir la esterificación directa del ácido acético con aceite de fusel en fase líquida; c) sintetizar a nivel conceptual alternativas de proceso para la tecnología de DR; y d) calcular los tamaños de los equipos y el costo total anualizado para alternativas de proceso técnicamente factibles. Desde el punto de vista experimental, se generó información nueva en dos casos: a) para el equilibrio líquido – vapor de las mezclas binarias de acetatos; y b) datos de velocidad de reacción para la esterificación de ácido acético con alcohol isoamílico (y con mezclas de alcohol isoamílico y etanol) utilizando la resina Amberlyst 70 como catalizador. La información experimental se utilizó para correlacionar y validar los modelos termodinámico y cinético. Desde el punto de vista teórico se desarrolló la caracterización termodinámica completa del sistema multicomponente reactivo, y se usaron los planos de fases reactivos para sintetizar estructuras de proceso que se caracterizaron utilizando los estados estacionarios de máxima conversión. Se encontró que es posible implementar un proceso de DR con alimentos en la proporción estequiométrica, altas conversiones (~99%) y alta recuperación de los acetatos (≥99%).

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