Maestría en Ingeniería - Ingeniería Química

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Simulación del diseño de una planta piloto de 10 kg para la extracción y purificación de papaína del látex de la Carica papaya utilizando sistemas bifásicos acuosos (ATPS)
(Universidad Nacional de Colombia, 2026-08-25) Hernández López, Uriel José; Ruiz Colorado, Angela Adriana; Acosta Pavas, Juan Camilo; Hernández López, José Uriel [0002168484]; Ruiz Colorado, Angela Adrian [0000534560]; Acosta Pavas, Juan Camilo [0001621313]; Hernández López, José Uriel [0009000044819067]; Ruiz Colorado, Angela Adriana [0000000204278080]; Acosta Pavas, Juan Camilo [0000000303987712]; Bioprocesos y Flujos Reactivos
En este trabajo se desarrolló un proceso para la extracción, purificación y escalado de la producción de papaína a partir del látex de Carica papaya mediante un Sistema Bifásico Acuoso (ATPS) PEG 6000–citrato y ultrafiltración. Inicialmente, se realizó la caracterización fisicoquímica de la materia prima para establecer condiciones de procesamiento. El pretratamiento por centrifugación en buffer citrato mejoró significativamente la actividad específica respecto al látex crudo, destacándose la condición pH 7.0 y 4000 rpm, con 115.28 ± 6.62 TU/mg y un factor de purificación de 12.88. La extracción fue evaluada mediante un Diseño Central Compuesto, identificándose las mejores condiciones en pH 6.3, temperatura de 39.5 °C y 21.7% de citrato, alcanzando un factor de purificación de 8.3 (R² = 0,957). La ultrafiltración permitió la remoción de PEG y favoreció la recuperación de enzima, así como un valor de actividad específica de 573.66 ± 14.86 TU/mg. Se desarrolló un Modelo Semifísico de Base Fenomenológica para describir la etapa de extracción, verificado mediante la evolución de la altura de fase, y posterior escalado de esta etapa con el método de similitud geométrica. La simulación en Aspen Plus del diseño de una planta piloto de 10 kg estimó que el procesamiento de 200 kg de látex por lote produce aproximadamente 0,295 kg de papaína, requiriéndose 34 lotes para alcanzar la meta de producción. (Texto tomado de la fuente)
Nanoaditivos basados en materiales de cambio de fase (PCM) y puntos cuánticos de carbono (CQDs) para la estabilización térmica de soluciones de HPAM: una evaluación del desempeño reológico mediante diseño de experimentos
(Unversidad Nacional de Colombia, 2026-06-19) Gómez Giraldo , Daniel Felipe; Cortés Correa, Farid Bernardo; Villada Villada, Yurany Andrea; ; Gómez Giraldo, Daniel Felipe [0000-0002-8855-9276]; Cortés, Farid B. [0000000312073859]; Villada Villada, Yurany Andrea [0000000330590761]; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
En el contexto energético global, aumentar la producción de hidrocarburos mediante procesos de recuperación mejorada de petróleo (EOR) representa un desafío constante. Por lo tanto, mejorar la estabilidad térmica de los polímeros tradicionalmente utilizados para la recuperación química, como la poliacrilamida parcialmente hidrolizada (HPAM),constituye una alternativa atractiva. Este estudio incluye la síntesis y caracterización de dos materiales candidatos: materiales de cambio de fase (PCM) y puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno (CQD), así como la evaluación comparativa de su desempeño como estabilizadores térmicos de soluciones poliméricas de HPAM. Los PCM basados en KNO₃ y sílice se sintetizaron mediante el método sol-gel. Los CQD se sintetizaron mediante un método de carbonización asistida por microondas en un solo paso, utilizando ácido cítrico como fuente de carbono y etilendiamina como dopante de nitrógeno. Ambos materiales se caracterizaron en términos de morfología, tamaño de partícula, grupos funcionales y propiedades termofísicas. El efecto de cada material sobre la estabilidad térmica de soluciones de HPAM a 70 °C se evaluó mediante pruebas de reología estática durante 21 días, utilizando un diseño de experimentos (DOE) factorial completo 3K con 80 sistemas por candidato. Los resultados revelaron comportamientos contrastantes entre los dos materiales. Los puntos cuánticos de carbono (CQD) afectaron negativamente las propiedades reológicas de las soluciones de HPAM desde el primer día de evaluación. A la mayor concentración de CQD evaluada (1000 mg/L), se observaron reducciones de viscosidad de hasta 85 % y 95 % para las soluciones con concentraciones de HPAM de 1000 y 5000 mg/L, respectivamente. Estos valores fueron significativamente superiores a los registrados para los sistemas base. En contraste, los PCM demostraron una inhibición consistente. El sistema que contenía 5000 mg/L de HPAM y 1000 mg/L de PCM no solo inhibió la degradación del polímero, sino que también aumentó la viscosidad en aproximadamente un 13 % después de 21 días de envejecimiento térmico con respecto al valor inicial. Por otro lado, el sistema con 1000 mg/L de HPAM y 100 mg/L de PCM alcanzó una pérdida de viscosidad de solo el 24 % después de 21 días, en comparación con una pérdida de viscosidad del 72 % para el sistema base. Con base en estos resultados contrastantes, se seleccionaron los PCM para un análisis detallado de la interacción superficial entre el sistema HPAM-PCM. El análisis FTIR y las mediciones de potencial zeta confirmaron la formación de enlaces de hidrógeno, apantallamiento electrostático e interacciones ión -dipolo entre las cadenas de HPAM y la coraza de sílice del PCM, que restringen la movilidad de la cadena polimérica y mejoran la estabilidad térmica, revelando un comportamiento sinérgico entre ambos componentes. A diferencia de las estrategias convencionales basadas en nanopartículas, este trabajo introduce por primera vez el almacenamiento térmico activo como mecanismo de estabilización de soluciones poliméricas. ofreciendo una solución práctica y sostenible que abre una nueva ruta en el diseño de materiales aplicados a procesos EOR. (Texto tomado de la fuente)
Valorización de lodos de plantas de tratamiento de aguas mediante conversión hidrotérmica
(Universidad Nacional de Colombia, 2026-05-20) Cruz Bernal, Julián Alberto; Maya López, Juan Carlos; Rojas Salas, Myriam Carmenza; ; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
The continuous increase in sewage sludge generation from wastewater treatment plants (WWTPs) represents a major environmental, energy, and economic challenge. In this context, this research evaluates hydrothermal carbonization (HTC) as an integrated technology for the valorization of municipal sludge, combining experimental analysis, mathematical modeling, and advanced statistical assessment. A Central Composite Design (CCD) was implemented to investigate the effects of temperature (180–250 °C), autogenous pressure, and residence time on hydrochar yield, carbonization efficiency, and physicochemical properties of the solid product. Comprehensive characterization was conducted through proximate analysis, CHN elemental analysis, TGA, BET surface area determination, FTIR spectroscopy, and ICP OES to assess energy quality, structural evolution, and metal partitioning. Results show mass reductions between 40–70 %, an increase in fixed carbon content, and a systematic decrease in atomic O/C and H/C ratios, confirming progressive dehydration, decarboxylation, and aromatization mechanisms. The produced hydrochar exhibited improved higher heating value and enhanced thermal stability compared to the raw sludge. Statistical analysis demonstrated the strong significance of temperature and its interaction with residence time on process performance. Finally, a mathematical model integrating mass balances and global kinetic approximations was proposed to predict process behavior under varying operational conditions. HTC emerges as a robust and energetically competitive technology for sustainable sludge valorization within circular economy frameworks.
Modelo matemático de gasificación de biomasa para reactores de lecho fijo/móvil considerando cambios estructurales mediante la ecuación de balance de población
(Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, 2026-05-17) Calderón Gutiérrez, Iván Luis; Chejne Janna, Farid; Maya López, Juan Carlos; Calderón Gutiérrez, Iván Luis [0000000208198125]; Chejne, Farid [0000000304457609]; ; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
En este trabajo se desarrolla y valida un modelo matemático unidimensional y transitorio para la gasificación de biomasa en un reactor de lecho fijo/móvil, incorporando la evolución estructural de la fase sólida mediante la ecuación de balance de población (PBE), resuelta por el Método de los Momentos (MOM). El modelo acopla balances de masa y energía, cinéticas heterogéneas y homogéneas, y transferencia de calor en medio poroso, permitiendo describir dinámicamente el tamaño de partícula, el área superficial y la porosidad del lecho. Las simulaciones, implementadas en MATLAB® 2023b, se validaron con datos experimentales de un reactor piloto de 1.2 m operado con aire (ER = 0.2), para guadua, cascarilla de arroz y troncos. Se obtuvieron temperaturas de 750-815 °C y una adecuada predicción de la composición del gas de síntesis (H₂,CO,CO₂,CH_(4(eq))), con errores inferiores al 2 % para H₂ y CO, y menores al 12 % para CO₂ y CH_4(eq) . El principal aporte radica en la incorporación del balance de población como un elemento estructural del modelo, lo que permite capturar el acoplamiento dinámico entre la evolución del sólido y los fenómenos de reacción y transporte, corrigiendo las desviaciones inherentes a enfoques que asumen propiedades estructurales constantes. Adicionalmente, el modelo permitió establecer criterios de escalabilidad térmica, identificando un diámetro autotérmico cercano a 0.23 m, a partir del cual el sistema puede operar sin aporte externo de energía. En conjunto, el modelo se consolida como una herramienta robusta para el análisis, diseño y escalamiento de gasificadores, integrando desempeño termoquímico y autosuficiencia térmica (Texto tomado de la fuente)
Validación a escala industrial del proceso de expansión instantánea al vacío para la producción de pulpa de mora (rubus glaucus benth) de alta calidad
(Universidad Nacional de Colombia, 2026) Velásquez Hernández, Orlando; Cortés Rodríguez, Misael; Rodríguez Fonseca, Pablo Emilio; Velásquez Hernández Orlando [0009000989509789]; Cortes Rodríguez [0000000334071635]; Pablo Emilio Rodríguez [0000000348325771]; Gaf (Grupo de Alimentos Funcionales)
El proceso de Expansión Instantánea al Vacío (FVE) constituye una tecnología térmica emergente aplicada en la transformación de alimentos. Este método combina un calentamiento rápido mediante vapor y una despresurización súbita, lo que induce una evaporación instantánea del agua intracelular. Este fenómeno genera una expansión estructural de la matriz alimentaria, promoviendo la ruptura de estructuras macrocelulares y un enfriamiento rápido. Como resultado, el proceso FVE permite preservar las propiedades fisicoquímicas y funcionales del alimento, incluyendo la estabilidad de compuestos bioactivos sensibles al calor; además, contribuye a la reducción significativa de la carga microbiana, mejorando así la seguridad e inocuidad del producto final. El proceso FVE se ha aplicado en matrices alimentarias como uchuva, mora, gulupa, mango, aguacate, entre otros, operando en sistemas por lotes (bachs en inglés); sin embargo, este sistema limita la capacidad de procesamiento a las dimensiones del equipo, colocando la tecnología en una relación inversión-beneficio similar a otras tecnologías existentes, reduciendo su competitividad en términos de costos operativos y accesibilidad. En este contexto, su transferencia a un sistema continuo representa un desafío tecnológico y económico. No obstante, el potencial de FVE para ser implementado en sectores agroindustriales, particularmente en el contexto colombiano, es significativo. Sectores como el de frutas tropicales y productos de alto valor agregado podrían beneficiarse enormemente con los sistemas continuos, de tal forma que incremente su productividad y minimice los costos operativos. Una optimización técnica del proceso FVE es esencial para hacerlo más accesible a pequeños y medianos productores del campo colombiano, permitiéndoles competir en mercados nacionales e internacionales. El objetivo de la investigación fue validar técnica y económicamente el proceso de FVE en un sistema continuo, para la producción de puré de mora andina (Rubus glaucus Benth) de alta calidad, el cual será transferido a la Asociación de Productores de Fruta y Hortalizas del Municipio de La Ceja (ASOFRUTAS). En la 1a etapa se evaluó el desempeño técnico y la viabilidad económica de un sistema FVE continuo para puré de mora, considerando los efectos del tiempo de calentamiento y la velocidad de alimentación, así como la simulación de transferencia de calor. Se empleó un diseño factorial 2 × 2 que probó dos tiempos de calentamiento (48 y 67 s) y dos velocidades de alimentación (4 y 6 kg·min⁻¹). La modelación confirmó que la FVE ocurre dentro de los 48 s de calentamiento, mientras que la condición óptima (48 s, 6 kg·min⁻¹) alcanzó un rendimiento del 72%, una reducción microbiana de 7 log y un aumento del 77% en cianidinas en comparación con el puré sin tratamiento. Las proyecciones económicas a 15 años indicaron un período de recuperación de aproximadamente 2 años y una TIR del 93%, valores comparables o superiores a los reportados para procesos agroindustriales convencionales. En la 2a etapa, se evaluó el proceso óptimo establecido en la 1ª etapa, con el objetivo de determinar la vida útil del producto, Se caracterizó la degradación de ácido ascórbico, cianidina-3-glucósido, cianidina-3-rutinósido y ácido elágico empleando modelos cinéticos de Arrhenius, Ball y Eyring a 8, 18 y 28 °C. C3G y C3R siguieron cinéticas de primer orden, mientras que AE presentó un comportamiento de orden cero; el AA mostró las mayores tasas de degradación y la menor energía de activación, identificándose como el compuesto limitante para la estabilidad del producto. El puré obtenido alcanzó reducciones microbianas superiores a 5–7 log y mantuvo su calidad sensorial bajo condiciones de almacenamiento refrigerado. Con base en el umbral nutrimental de AA, la vida útil estimada fue de 105–115 días a 8–18 °C, manteniéndose niveles funcionalmente relevantes de antocianinas al final del período. Los resultados obtenidos evidencian que la tecnología FVE operando en un sistema continuo, es técnica y económicamente viable para la producción de puré de mora andina con altos estándares de calidad fisicoquímica, microbiológica, funcional y sensorial. La optimización del proceso permitió superar las limitaciones operativas de los sistemas por lotes, incrementando el flujo másico y reduciendo los tiempos muertos asociados a la esterilización entre ciclos. Asimismo, el estudio de vida útil acelerado demostró la estabilidad del producto bajo diferentes condiciones de almacenamiento, consolidando el potencial de la tecnología FVE como una alternativa sostenible para la transformación de frutas en agroindustrias rurales. Esta validación técnica y económica permite proyectar su transferencia efectiva a asociaciones de productores como ASOFRUTAS, contribuyendo al fortalecimiento de las capacidades locales, la reducción de pérdidas postcosecha y la generación de valor agregado en territorios agrícolas del país. (Tomado de la fuente)
Modelado matemático para la predicción del grado de homogeneización en mezcladores de sólidos granulados y café
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-10) Medina Diaz, Daniela Sofia; Chejne Janna, Farid; Muñoz Durango, Diego Alejandro; Chejne, Farid [0000000304457609]; Munoz, Diego Alejandro [0009000603134778]; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas; Computación Científica
El mezclado de sólidos granulados es una operación unitaria crítica en la industria alimentaria, ya que influye directamente en la calidad, homogeneidad y funcionalidad del producto final. En particular, la industria del café en Colombia requiere formulaciones trinomiales —compuestas por café soluble, leche en polvo y azúcar— que garanticen una distribución uniforme de sus componentes. No obstante, muchas plantas aún dependen de criterios empíricos para determinar los tiempos de mezcla, sin contar con modelos predictivos que permitan anticipar la evolución del proceso o definir con precisión el momento óptimo de detención. En este contexto, el presente trabajo desarrolla un modelo computacional del proceso de mezclado, tomando como referencia un mezclador de cinta real utilizado en la industria nacional. El estudio emplea el Método de Elementos Discretos (DEM), implementado en el software Altair EDEM, e incorpora el modelo adhesivo Johnson-Kendall-Roberts V2 (JKR V2), lo que permite representar de forma realista las interacciones entre partículas, incluyendo fuerzas normales, tangenciales, friccionales y cohesivas derivadas de la energía superficial. Las propiedades físicas de los componentes —como el tamaño de partícula, la densidad y la energía superficial— fueron definidas a partir de valores representativos adecuados para simulación, combinando datos experimentales propios con referencias confiables provenientes de la literatura técnica especializada. Se simularon condiciones operativas representativas del entorno industrial, y el grado de homogeneización fue evaluado mediante un índice de segregación global calculado sobre una malla tridimensional del mezclador. Adicionalmente, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad para determinar la influencia de variables clave, como la velocidad angular del eje, el tamaño de partícula y la energía superficial. Los resultados evidencian que un buen grado de homogeneidad se alcanza aproximadamente después de una hora o más de operación continua, lo cual constituye un punto de referencia técnico de utilidad para el control del proceso. Asimismo, se observó un comportamiento diferenciado entre los materiales: la leche en polvo, con alta cohesividad, mostró una marcada tendencia a formar aglomerados y presentó una segregación persistente; el azúcar, de mayor tamaño y baja cohesión, se dispersó con mayor facilidad; mientras que el café exhibió un comportamiento intermedio. El aumento de la energía superficial intensificó la segregación de la leche, tuvo un efecto moderado sobre el café y fue prácticamente nulo en el caso del azúcar. Por otro lado, la velocidad angular del mezclador mostró un efecto no lineal sobre el índice de mezcla, identificándose un rango óptimo que maximiza la homogeneidad sin extender innecesariamente el tiempo de operación. En conjunto, este trabajo proporciona una herramienta de simulación robusta para la toma de decisiones operativas en entornos industriales reales. El modelo desarrollado permite optimizar las condiciones de mezcla, reducir el desgaste mecánico, minimizar el consumo energético y garantizar la uniformidad del producto final, contribuyendo así al diseño racional y sostenible de procesos en la industria alimentaria (Tomado de la fuente)
Desarrollo de electrocatalizadores libres de metales del grupo del platino para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino
(Universidad Nacional de Colombia, 2025) Flórez Barco, Joe Alejandro; Sánchez Sáenz, Carlos Ignacio; González Ocampo, Javier de Jesús; ; González Ocampo, Javier de Jesús; Flórez Barco, Joe Alejandro [0009000032875109]; Sanchez Saenz, Carlos Ignacio [0000000189417993]; Gonzalez Ocampo, Javier De Jesús [0000000340929474]; Grupo de Ingenieria Electroquímica Griequi
Este trabajo aborda el desarrollo de catalizadores Fe–N–C para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, como alternativa a los materiales basados en metales del grupo del platino. A partir de una revisión exhaustiva de la literatura se analizó la evolución del entendimiento de los sitios activos y de las metodologías de síntesis, identificando estrategias con potencial para el diseño de materiales de alto desempeño. Se implementó una estrategia metodológica secuencial empleando ftalocianina de hierro como precursor principal. Inicialmente, la incorporación de fuentes externas de nitrógeno y carbono incrementó la actividad catalítica. Posteriormente, se evaluó el método VariPore como alternativa para mejorar la microestructura carbonosa y la dispersión de los sitios activos, el cual fue validado mediante la reproducción de un estudio de la literatura y luego adaptado a los catalizadores desarrollados, logrando mejoras significativas en el desempeño electroquímico. En una etapa posterior, se aplicó un diseño estadístico de mezclas para optimizar la composición precursora, obteniéndose un modelo predictivo con un R² ajustado del 95.96 % y un S de 3.54 mV, capaz de describir con precisión la relación entre dicha composición y el potencial de media onda del material final. Finalmente, se propusieron formulaciones basadas en precursores de bajo costo y fácil acceso, que demostraron un desempeño competitivo. En conjunto, los resultados establecen lineamientos metodológicos para el diseño racional de catalizadores Fe–N–C, validan el potencial de media onda como parámetro robusto en estudios de optimización y demuestran la viabilidad de fabricar materiales de bajo costo y alto desempeño. (Texto tomado de la fuente)
Análisis exergético de la pirólisis de gas natural como estrategia de descarbonización para la producción de hidrógeno de bajas emisiones
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-11-13) Hernández Arango, Andrea; Maya López, Juan Carlos; Velásquez Arredondo, Héctor Iván; Sánchez Posada, Mario Alejandro; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
En este estudio se llevó a cabo un análisis exergético de un proceso de producción de hidrógeno de bajas emisiones mediante la pirólisis térmica de gas natural. El sistema fue modelado en Aspen Plus con una capacidad de 2.6 y 6.3 toneladas por día de hidrógeno y negro de humo (carbon black), respectivamente. La energía requerida por el proceso se suministra mediante la combustión del 22% del negro de humo producido y de los gases residuales de la pirólisis después de la separación del hidrógeno. Los resultados revelaron que la eficiencia exergética global alcanza un 89.4% cuando se consideran el hidrógeno y el negro de humo como productos valiosos, pero disminuye al 52.5% si solo se considera el hidrógeno. Esto evidencia la importancia de valorizar el negro de humo, el cual tiene aplicaciones en la fabricación de neumáticos, componentes eléctricos, tintas de impresión, recubrimientos de alto rendimiento y plásticos. Las mayores destrucciones de exergía se localizaron en el reactor de pirólisis y en el combustor. El proceso genera 3.15 kg CO₂/kg H₂, significativamente menos que el reformado de metano con vapor (9–12 kg CO₂/kg H₂) [2], lo cual califica al hidrógeno como de bajas emisiones de acuerdo con los estándares de Estados Unidos y Canadá. Estos hallazgos posicionan la pirólisis térmica de gas natural como una alternativa prometedora para la producción sostenible de hidrógeno y como una estrategia para la remoción de carbono si el proceso es alimentado con gas natural de origen renovable. (Texto tomado de la fuente)
Modelado y simulación del transporte de masa, momentum y energía en una extrusora de plástico mono husillo
(Universidad Nacional de Colombia, 2025) Luna Camacho, Fabian Alirio; Maya López, Juan Carlos; Chejne Janna, Farid; Luna, Fabian [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0002074666]; Luna, Fabian [0009-0008-7157-6652]; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas - TAYEA
Con el objetivo de estudiar y mejorar la predicción de modelos aplicados al proceso de extrusión mono husillo, el proyecto inició con un estudio del estado del arte acerca de modelos utilizados para representar el proceso de extrusión en extrusoras mono husillo, destacando dos grandes enfoques: los modelos de base fenomenológica y los modelos basados en técnicas de soft computing, como redes neuronales artificiales (ANN), lógica difusa, algoritmos genéticos y sistemas expertos. En este proyecto se desarrollaron y validaron dos metodologías complementarias: un modelo Semifísico de base fenomenológica, y otro basado en redes neuronales artificiales (ANN). Se desarrolló un modelo fenomenológico que contempla los balances dinámicos unidimensionales de masa, momentum y energía. El modelo mostró alta precisión en la predicción de la temperatura del fundido y la predicción del perfil de fundición, así como algunas leves desviaciones en los perfiles intermedios de presión sin perder precisión a la salida. Seguido de esto se desarrolló un modelo basado en ANN para capturar la naturaleza altamente no lineal del proceso de extrusión, enfocándose en la predicción dinámica del perfil de presión en diferentes ubicaciones de la extrusora. Los resultados obtenidos mostraron una alta precisión obteniendo un coeficiente de determinación (R2) de 0.9889. Este modelo supera en ciertos aspectos al modelo fenomenológico, particularmente en términos de flexibilidad y rapidez ante variaciones operativas. Finalmente, se recomienda integrar ambos enfoques creando una estrategia hibrida donde se contemplan las fortalezas de cada modelo, empleando el modelo de base fenomenológica para la predicción de la temperatura del fundido para usarla como entrada a la ANN y mejorar la estimación del perfil de presión cuando no se cuenta con sensores para medir esta variable. (Tomado de la fuente)
Recobro mejorado de petróleo y almacenamiento de CO2 mediante la Inyección de espumas de mezclas de CO2/N2 provenientes de flue gas potenciadas por nanopartículas
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-11-04) Benjumea García, Maria Camila; Cortés Correa, Farid Bernardo; rBbGu9YAAAAJ; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
Flue gas foams for EOR projects are a promising alternative to overcome the high mobility limitations of gas injection in displacement processes, while contributing to global energy supply and decarbonization of industrial plants. In the context of CCUS projects, this technology allows cost savings in the CO2 capture stage and enables potential CO2 storage. Furthermore, by assisting this technology with nanoparticles, the foam stability can be improved, increasing the sweep efficiency and the oil recovery factor. Therefore, the aim of this work is to evaluate, at laboratory scale, the use of CO2/N2 foams potentiated with NPs in EOR processes with associated CO2 storage potential. In this sense, static tests were performed to evaluate the stability of foams, made with CO2/N2 mixtures representative of flue gas streams, by means of half-life tests, varying the surfactant and nanoparticle concentration, nanoparticle type and gas ratios. These experiments were complemented by adsorption tests to evaluate the NP-surfactant interaction and by microscopy tests to study foam morphology. In addition, two types of dynamic tests were performed to evaluate the foam strength and stability, incremental oil recovery factor, and potential CO2 storage using foams generated by the surfactant-alternating-gas injection strategy with and without nanoparticles. The flue gas foaming system with 2500 mg·L-1 of Surfonic L24-22 surfactant maintained a higher apparent viscosity and achieved 7% higher incremental oil recovery than the supercritical CO2 foaming system. Furthermore, the flue gas foam system with 100 mg·L-1 of SiO2 NPs and 3000 mg·L-1 of AOS was considered optimal in static foam stability tests and evaluated in dynamic tests. This system achieved increases in half-life and durability of 34% and 80%, respectively, and a faster process development with an incremental oil recovery factor of more than 13% over the flue gas system without NPs, and a CO2 storage potential of 11%. These results demonstrate the potential of this technology to reduce costs associated with gas injection operations, enable carbon storage, and eliminate the CO2 capture stage in CCUS projects. (Tomado de la fuente)
Simulación molecular de una membrana de intercambio catiónico para un sistema de electrodiálisis inversa
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-10-07) Pérez Grisales, María Susana; Castañeda Ramírez, Sergio; Sánchez Sáenz Carlos Ignacio; Moncayo Riascos Iván Darío; Pérez Grisales, Susana [0000000229059968]; Grupo de Ingenieria Electroquímica Griequi
Las membranas de intercambio iónico desempeñan un papel fundamental en diversas tecnologías de separación y generación de energía. En particular, su aplicación en dispositivos de electrodiálisis inversa es clave, ya que la eficiencia de estos dispositivos depende del transporte selectivo de iones a través de las membranas y es sensible a la presencia de iones multivalentes cuando se operan con aguas naturales. Estos últimos reducen significativamente la densidad de potencia (hasta la mitad) que se puede obtener y disminuyen la eficiencia del equipo. Una mayor comprensión de los fenómenos relacionados con el transporte de los iones contribuye al diseño y mejora de membranas de intercambio iónico que estén adaptadas a las necesidades de la tecnología. Típicamente, los efectos de los iones multivalentes se han evaluado experimentalmente, sin embargo, es importante realizar estudios que brinden una comprensión más detallada de los fenómenos involucrados. Para esto se usaron técnicas de simulación molecular, que permitieron estudiar la autodifusión de los iones sodio, magnesio y cloro en membranas del polímero poliéter éter cetona sulfonado (SPEEK). Este enfoque fue útil para determinar las interacciones específicas entre el grupo cargado fijo de la membrana y los iones, y para obtener información sobre el transporte de los iones monovalentes y el ion divalente, en relación con la estructura del polímero. Asimismo, se observó la transición de difusión normal a anómala cuando se disminuye el contenido de agua en la membrana, teniendo en cuenta diferentes grados de hidratación experimentalmente observados para esta membrana. También, en este trabajo se encontró que los iones divalentes se caracterizan por una difusión anómala y coeficientes de autodifusión hasta diez veces menores que los coeficientes de autodifusión observados para el sodio y los iones cloro. Finalmente, dado que los iones divalentes se unen con mayor fuerza a los grupos funcionales de la membrana, la presencia de este ion da lugar a una disminución de las distancias probables entre los grupos funcionales de la membrana y una mayor tortuosidad, lo que puede limitar la movilidad de los iones divalentes y afectar propiedades críticas como la conductividad eléctrica y la permselectividad de la membrana de intercambio iónico.
Databases reconstruction from operating modes recognition in dynamic processes
(Universidad Nacional de Colombia, 2015-12) Obando Montoya, Andrés Felipe; Alvarez Zapata, Hernán Dario; OBANDO MONTOYA, ANDRÉS FELIPE; Grupo de investigación en Procesos Dinámicos KALMAN
This work presents a methodology for data reconstruction based in operational modes recognition in dynamic processes, maintaining dynamic properties of registered variables in such database. To do this, an introduction of process and system is made, characterizing the source of databases. Also, a review of data imputation methodology is presented, highlighting the main features of their procedures. Despite of count with several imputation methodologies, any of them are focused into conserving dynamic properties of variables contained in databases, only proposing different identification models sketchers without considering of a previous data selection step to assure the accuracy of predictive models. Taking into account this fact, the proposed data imputation methodology is based into Dynamical Operational Mode (DOM) recognition of processes, grouping data in clusters with similar dynamic properties, allowing the usage of correct information for auxiliary identification models. Under this considerations, Artificial Resonance Theory (ART2) is introduced as the algorithm for DOM recognition. Additionally, the proposed methodology verifies that imputations do not add uncertainty to original data, conserving initial dynamic information. (Tomado de la fuente)
Evaluación técnica de la exposición del Tereftalato de Polietileno (PET) a la acción de cepas microbianas y/o extractos enzimáticos a nivel de laboratorio con fines de degradación
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-07) Castaño Castro, Yesenia Andrea; Suárez Méndez, Camilo Alberto; Bioprocesos y Flujos Reactivos
El Tereftalato de polietileno (PET) es un plástico utilizado comúnmente en la industria textil y de empaques. Actualmente es uno de los residuos posconsumo más contaminantes del mundo debido a que tarda siglos en degradarse en el ambiente. Como consecuencia de lo anterior, en la presente investigación se realizó la evaluación de la degradación del PET tras la exposición de éste a la acción de cepas microbianas y/o extractos enzimáticos. Se determinaron las condiciones fisicoquímicas que favorecieron el crecimiento de Penicillium spp, Aspergillus nidulans y Streptomyces spp, además de la producción de proteína con actividad esterasa a partir de estas cepas, encontrándose que Aspergillus nidulans presentó la mayor productividad de biomasa y la mayor actividad enzimática esterasa a nivel de matraz (0.047 g/L-h y 2.14 U/mL), y biorreactor (0.18 g/L-h, 36.7 U/mL). Tras la presencia del PET en crecimiento de Aspergillus nidulans, se encontró que éste posee la capacidad de metabolizar el ácido tereftálico (TPA), por lo que la estrategia de degradación del material abordada fue a través de la exposición a sus extractos enzimáticos durante 144 horas, hallándose que para el PET en láminas de 0.5 cm, la concentración de TPA en el medio fue 0.056 ppm, con una pérdida de peso del material inferior al 1%. Finalmente, se determinó que el pretratamiento de reducción del tamaño del PET a 177 µm, aumentó la concentración de TPA a 0.062 ppm, además de reflejar una pérdida de peso del material aproximadamente del 6.0%. Con esta investigación se logró obtener enzimas hidrolíticas con capacidad de degradar el PET en monómeros básicos como el TPA, además de identificar la reducción del tamaño de este material como un pretratamiento físico que potencia su degradación. (Tomado de la fuente)
Desarrollo de un nanofluido de fractura con doble propósito : aumento en la movilidad de crudos pesados y reducción del daño de formación
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Giraldo Muñoz, Maria Alejandra; Cortés Correa, Farid Bernardo ; Fenómenos de superficie - Michael Polanyi
En la actualidad, el uso de la nanotecnología aplicada a diferentes ramas de la industria global ha sido de gran efectividad, esto incluye a la industria del petróleo y gas que cada día enfrenta retos mayores para suplir la demanda energética mundial, volcando sus esfuerzos a la recuperación de crudo pesado y extrapesado, principalmente en países como Colombia en donde esta condición es característica de los fluidos producidos. El presente estudio tiene como objetivo desarrollar y evaluar nanofluidos de fractura con doble propósito: aumento en la movilidad de crudos pesados y reducción del daño de formación. Se realizaron diferentes pruebas estáticas y dinámicas en condiciones de laboratorio, empleando un crudo de 11,6 grados API, caracterizando y modificando superficialmente dos nanopartículas de sílice fumárica de diferentes tamaños y nanopartículas de alúmina, y utilizando un fluido de fractura comercial. Se evaluaron las interacciones entre las nanopartículas y el crudo pesado y la superficie de núcleos sintéticos humectables al agua y al aceite; además de su comportamiento en presencia de aditivos críticos del fluido de fractura. La nanopartícula con mejor desempeño fue la sílice fumárica neutra de 7 nm a 1000 mg/L, la cual fue empleada para preparar un nanofluido de fractura a partir del fluido de fractura comercial y garantizar condiciones idénticas de comportamiento reológico, así como: cambio en la humectabilidad de medios porosos hacia el agua, mejoramiento de permeabilidades relativas, disminución de daño de formación y reducción de viscosidad del crudo pesado. Con base en estos resultados, el nanofluido de fractura fue seleccionado y utilizado en la primera aplicación de campo a nivel mundial de fracturamiento hidráulico y nanotecnología, obteniendo excelentes resultados de incremental de aceite, disminución de % BSW y reducción de viscosidad de crudos pesados, que han permitido llevar a cabo operaciones exitosas implementando la tecnología en campo. (Tomado de la fuente)
Pore-scale analysis of the effect of salinity, type of brine (NaCl/KCl), and pressure on underground hydrogen storage (UHS)
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Gallego Arias, Jhon Fredy; Cortés Correa, Farid Bernardo; Gallego Arias, Jhon Fredy [Jhon_Fredy_Gallego_Arias]; Gallego Arias, Jhon Fredy [0009-0002-1154-6087]; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
The primary objective of this study is to explore Underground Hydrogen Storage (UHS) in H2/brine systems, considering different brines, salinities, and the influence of hydrogen flow. The research is structured into four key stages: i) Estimating the dimensionless numbers, especially the Capillary number for Hydrogen-Brine systems: This stage involves assessing the capillary number for drainage and imbibition stages variating the brine type, salinity, and pressure. The study found a nuanced modification in Capillary number concerning salinity and brine type, with no observed differences in the pressure range evaluated. Notably, the lowest values were obtained at the drainage stage for (NaCl+KCl) at 0.5, 2.0, and 4.0 M, registering 6.49 x 10-7, 6.19 x 10-7, and 5.81 x 10-7, respectively. ii) Hydrogen Drainage and Imbibition Experiments: Conducted in a micromodel chip to describe hydrogen displacement and trapping mechanisms. Initial hydrogen saturation after drainage was affected by salinity, type of brine, and pressure presenting the following increasing tendencies: (NaCl+KCl) < NaCl < KCl, 4.0 < 2.0 < 0.5 M, and 60 < 45 < 30 < 10 bar. iii) Quantification of Hydrogen Dissolution Kinetics and Contact Angle performed in an H2/brine/glass microfluidic system: Hydrogen dissolution during withdrawal depended on the type of ions, salinity, and pressure. Dissolved H2 increased with increasing diffusion coefficients of H2 in brines. H2 dissolution time was highly dependent on the competing interaction between four factors: diffusion capacity, average bubble size, capillary pressure, and system pressure. Contact angle measurements revealed slight changes with salinity and a pressure-dependent behavior. For the drainage stage, with an augment in pressure from 10 to 60 bar, KCl at salinities of 0.5, 2.0, and 4.0 M contact angles increased from 22°, 23°, and 23° to 27°, 29°, and 31°, respectively. While for the imbibition stage, the contact angles at salinities of 0.5, 2.0, and 4.0 M increased from 36°, 37°, and 39° to 44°, 46°, and 50°, respectively. iv) Hydrogen Hysteresis Cycles: Cyclic injections, particularly with KCl brines, were identified as the best scenario for cyclic hydrogen injection in saline aquifers, considering initial and residual hydrogen saturation, and H2 recovery. Key findings indicate that the study provides crucial experimental data to enhance the understanding of UHS in saline aquifers, offering insights into factors such as H2 storage, H2 recovery, dissolved H2, and dissolution times. This information is vital for assessing the feasibility of large-scale implementations of Underground Hydrogen Storage.
Hydrogen storage in depleted gas reservoirs using methane cushion gas : an interfacial tension and pore scale study
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-05-08) Viveros Acosta, Edgar Frank; Franco Ariza, Camilo Andrés ; Cortés Correa, Farid Bernardo ; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
This work presents the evaluation of a mixture of gases (H2 and CH4) as Cushion gas in a depleted gas reservoir. Where the flow behaviors and the different interactions between these gases are studied. The experimental tests were performed to pore scale using a micromodel that simulated a sandstone reservoir saturated with deionized water at a pressure of 30 bar. The injection dynamics used were drainage (gas injection) and imbibition (water injection) observed in geological formations. The amount of gas injected corresponds to fifty pore volumes of each of the gases (CH4, H2 and H2-CH4 in a ratio of 1:1) at room temperature (20 °C) at three injection rates (0.1, 1, 10 mL·h-1). Data collection was carried out using a videographic record and using a MATLAB algorithm for an image segmentation and analysis was carried out, this analysis was complemented with ImageJ software for the comparison of methods, ensuring precision. The main results are found in the increase in gas saturation for high Capillary Numbers NCa) and among them a greater saturation of H2-CH4 compared to individual gas systems. As capillary number increases, dissolution times become similar, with significant differences observed at lower capillary numbers. The contact angles demonstrated minimal variation, indicating weak wettability toward gases. While the gas retention capacity in the imbibition stage is affected by the capillary pressure that varies with the pore throats, favoring the presence of gases such as Cushion Gas. The study pioneers the investigation of hydrogen flow behavior in a multiphase system at the pore scale under high pressure conditions. These insights contribute to addressing the knowledge gap, advancing the potential implementation of hydrogen in diverse geological formations for energy storage. (Tomado de la fuente)
Desarrollo de materiales carbonosos obtenidos por transformación termoquímica de residuos industriales para la producción de agua dulce a partir de la deshumidificación del aire
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Galeano Caro, Dahiana; Cortés Correa, Farid Bernardo; https://scholar.google.com/citations?user=feYIAEsAAAAJ&hl=es&oi=ao; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
El agua potable es un recurso indispensable para la humanidad. Sin embargo, en zonas de alto estrés hídrico es difícil encontrarlo en condiciones adecuadas para su consumo y uso. Por ello, el principal objetivo de este estudio es la producción de agua dulce a partir de la deshumidificación del aire utilizando carbones activados obtenidos a partir de residuos industriales para hacer frente a esta situación. Se sinterizaron carbones activados a partir de la transformación termoquímica de residuos de tereftalato de polietileno (PET) y su desempeño se comparó con carbones activados comerciales sintetizados a partir de residuos agroindustriales de café y coco. Adicionalmente, los carbones fueron modificados superficialmente con ácido nítrico para mejorar su afinidad por compuestos polares. Los materiales fueron caracterizados profundamente a través de microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de fotoemisión de rayos (XPS), espectroscopia Raman y adsorción de nitrógeno. Los resultados mostraron materiales con área superficial de hasta 1313 m2‧g-1 para aquellos sin acidificación superficial. Mientras que, aquellos modificados superficialmente disminuyeron su área superficial hasta en un 65% para los materiales sintetizados a partir de residuos de café y coco, y del 5% para aquellos sintetizados a partir de residuos PET. La acidificación superficial de los carbones permitió la exhibición de múltiples grupos oxigenados y nitrogenados, lo cual maximizó la interacción con las moléculas de agua a través de la formación de puentes de hidrógeno. Las isotermas de adsorción de agua sobre los carbones activados a 20 °C tuvieron un comportamiento Tipo IV según la clasificación de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), mientras que, para temperaturas de 30 y 40 °C se obtuvieron isotermas tipo I. La máxima capacidad adsortiva fue de 1.55 g‧g-1 para el material P800N (carbón activado carbonizado hasta una temperatura de 800 °C y modificado superficialmente con ácido nítrico) para una humedad relativa del 84% y una temperatura de 20 °C. El proceso se puede definir como espontáneo y exotérmico según las propiedades termodinámicas de la sorción. Para las pruebas de campo se diseñó un prototipo para evaluación en Medellín, Antioquía, Colombia. Durante la prueba de campo, la sorción/captura de agua se realizó durante la noche, mientras que la liberación y producción de agua se produjo durante el día con uso exclusivo de energía solar. La humedad relativa promedio durante la etapa de adsorción fue de 80%, mientras que la velocidad del viento fue de 2.3 m‧s-1 y la temperatura fue de 20.7 °C. Durante la etapa de desorción la temperatura promedia fue de 26.2°C. La productividad del agua fue igual a 0.9 g de agua condensada por g de material seco. Estos resultados indican que los materiales sintetizados pueden producir agua de manera eficiente en áreas desafiantes en el marco de una economía circular, contribuyendo a la sostenibilidad y el bienestar social en zonas con alta escases hídrica. (Tomado de la fuente)
Educational program for the prevention of fires and explosions through emerging technologies
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-12-30) Vallejo-Molina, Luis Francisco; Molina, Alejandro; Molina Escobar, Jorge Martin; Luis F. Vallejo-Molina [https://orcid.org/0009-0006-4686-982X]; Bioprocesos y Flujos Reactivos
Four real cases of fires and explosions in Colombia were used as the basis for an education program that aimed at training undergraduate and graduate engineering students in fire and explosion safety. A systematic review of the Emerging Technologies (ETs) available indicated those more important for fire and explosion safety. The four real cases of fires and explosions in Colombia were selected from a pool of incidents collected from the local industry as those more suitable for education processes. The educational program was based on four premises: i) Application of Bloom’s taxonomy; ii) Empowering and fostering students' autonomy; iii) Use of real-life problems; iv) Application of modules in mandatory courses. The program was implemented in courses of different engineering undergraduate and graduate programs The program evaluation was conducted by comparing the perspective that experts and students had regarding the competencies required in fire and explosion safety, before and after the students were exposed to the educational modules. In general the students' perception of competencies regarded as important for fire and explosion safety increased after exposure to the education program. (Tomado de la fuente)
Adición de biochar a la digestión anaerobia para una adecuada valorización de biomasa residual
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Ortiz Cardona, Michell; Chejne Janna, Farid; Tamayo Londoño, Andrea; 0000-0003-0251-8068; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
Anaerobic digestion is a natural process by which microorganisms degrade organic matter. This occurs in the absence of oxygen and its products are biogas (CH4, CO2 and traces of other gases) and an aqueous phase of suspended solids. The functioning of these systems is strongly linked to the stability of the medium in which the microorganisms coexist, for which the addition of carbonaceous materials such as biochar has been investigated. Biochar is the product of the thermochemical conversion of biomass in the absence of oxygen. Its addition to anaerobic digestion allows increasing the buffering capacity of the medium, as well as decreasing the concentration of inhibitors and working as a support for biofilm formation. In the development of this work, it is intended to evaluate the possible improvements in the yield, quality and stability of biogas obtained using biochar in anaerobic digestion. The biochar was obtained by slow pyrolysis from palm kernel shell and pruning residues, then it was used in laboratory-scale PBM assays and in pilot-scale digestion tests in a UASB system. CH4 quantification was performed using the manometric and volumetric methods, in addition to adjusting the PMB results according to certain kinetic models. A 30% yield of palm kernel shell biochar was obtained at 550°C, in addition its microporous structure and its CIC of 2.37 meq/100g were determined, ideal qualities for its addition in anaerobic digestion tests. In the PBM tests, an increase of between 44% - 53% of the volume of CH4 per gram of SV was obtained in cellulose digestion (positive control) and 12.6% for food waste. In the kinetic study, adjustments with R2 higher than 0.99 were obtained. In the UASB tests, an 80% increase in volatile solids (VS) removal per day was obtained, while the daily production of CH4 (l CH4/d) increased by 67.4%. The percentage of CH4 in biogas increased by 14% after the implementation of biochar, reaching a maximum peak of 95% of the fuel. Finally, the positive effects of the addition of palm kernel shell biochar on the anaerobic digestion of cellulose and food waste are identified, both in laboratory scale PBM assays and in pilot scale UASB systems.
Modelo cinético para la degradación fotoelectrocatalítica del tinte rojo reactivo 239 en aguas textiles mediante óxido de zinc nanoestructurado
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Salazar Hoyos, Luis Daniel; Sánchez Sáenz, Carlos Ignacio; 0000-0003-2635-028X; Salazar Hoyos, Lis Daniel [0000-0003-2635-028X]; Grupo de Ingenieria Electroquímica Griequi
Esta tesis de maestría tuvo como objetivo general desarrollar un modelo cinético para la degradación fotoelectrocatalítica del tinte rojo reactivo 239 (RR239) mediante un semiconductor basado en óxido de zinc decorado con plata ZnO/Ag, para su aplicación en la remediación de efluentes textiles. Se realizó la síntesis de nanobarras de ZnO/Ag con la técnica de electrodeposición y posterior crecimiento químico. Se utilizaron técnicas electroquímicas y espectroscopia UV-Vis de reflectancia difusa para la estimación del ancho de banda prohibido, y la estructura de bandas del semiconductor. Mediante FE-SEM se verifico la morfología del semiconductor corroborando que si se logró la síntesis de nanobarras, con longitudes de $\sim$ 565 y 664 nm para el ZnO y ZnO/Ag respectivamente. Con DRX se estimó el tamaño del cristalito de 22,4 nm para el ZnO prístino y 36,9 nm para el ZnO/Ag}, se estimó también los planos preferenciales (100), (002) y (101) típicos de la fase hexagonal tipo wurtzita del ZnO. Por UPLC-MS/MS-QTOF se evidenció la ruptura del enlace azoico y la degradación a productos más simples, permitiendo elucidar un mecanismo de reacción. Se encontró que la degradación del colorante rojo reactivo 239 (RR239) mediante el semiconductor de ZnO/Ag sigue una cinética de segundo orden, esta cinética desarrollada está en función de la intensidad de luz UV a 365nm y el flujo de oxígeno. Los resultados muestran la eficiencia de la eliminación de COT y sugieren que es factible aplicar la oxidación fotocatalítica de compuestos orgánicos usando fotoelectrocatálisis basados en ZnO/Ag. (texto tomado de la fuente)

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