Maestría en Ingeniería - Ingeniería Química

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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 B.; 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 Andres; Cortes Correa, Farid Bernard; 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)
Impacto del carbón activado en el rendimiento de la producción de biogás durante el proceso de digestión anaerobia
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-10-24) Gaviria Restrepo, Veronica; Chejne Janna, Farid; Tamayo Londoño, Andrea; 0000-0001-5325-2058; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas; Termodinámica Avanzada y Energías Alternativas (TAYEA)
En esta tesis se estudió el impacto de carbón activado en el rendimiento de la producción de biogás durante el proceso de digestión anaerobia. Inicialmente se produjo Carbón Activado (CA) a partir de cuesco de palma, para ser adicionado a un proceso de digestión anaerobia (DA) empleando celulosa como sustrato sintético. Posteriormente, se realizaron ensayos con celulosa y CA comercial como patrón de referencia para determinar la dosis que mejora la producción de biogás. Finalmente, se utilizó la dosis adecuada en un último montaje con desechos de alimentos. La producción del CA se realizó transformando térmicamente cuesco de palma mediante pirólisis en un horno horizontal rotatorio con flujo de nitrógeno 100mLmin-1 a 550oC obteniendo biochar de área superficial especifica de 555,48 (m-2 g -1 ). Gasificándolo en el mismo horno con flujo de CO2 100mLmin-1 a 850oC obteniendo 216 gramos de CA de 811,64 (m-2 g -1 ). Los ensayos de DA se desarrollaron empleando el esquema de Potencial Bioquímico Metanogénico, utilizando reactores batch de 1.1 L, y un sistema de desplazamiento de volumen de solución de NaOH para la medición del metano. Para determinar la dosis de CA, se realizó ajuste de curva de los datos obtenidos con respecto a la Función Logístico (FL), Modificado de Gompertz (GM) y Roediger encontrando una tasa máxima de producción de biogás acumulada 1.1 L/gSV con 25g de CA cuesco utilizando residuos de alimentos y 0.23 L/gSV sin CA. A partir de los resultados obtenidos, se determinó que CA posee grupos funcionales y estructuras porosas que facilitaron la transferencia de electrones entre los diferentes grupos microbianos lo cual favoreció la producción de biogás. (texto tomado de la fuente)
Formulación de una ruta químico enzimática para la producción de 5 – hidroximetilfurfural de manera sostenible a partir de fibra de maíz
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Romero Castaño, Juan Felipe; Ruiz Colorado, Angela Adriana; Bioprocesos y Flujos Reactivos
El calentamiento global generado por la fuerte dependencia de los combustibles fósiles requiere de distintos tipos de soluciones, y entre las más prometedores se encuentra la obtención de productos químicos plataforma a partir de material residual lignocelulósico. En este trabajo se formula una ruta de producción sostenible del compuesto químico plataforma 5 – hidroximetilfurfural a partir de la biomasa lignocelulósica fibra de maíz. La ruta formulada consiste primero de un pretratamiento con líquido iónico en combinación con microondas, seguido de una hidrólisis enzimática para acceder a la glucosa estructural y finalmente una etapa de reacción y separación in situ en un sistema bifásico agua – orgánico conocida como extracción reactiva. Para concluir, se presenta el modelamiento y simulación de esta última etapa del proceso desarrollada en la literatura. (Texto tomado de la fuente)
Evaluación del impacto de gradientes de concentración sobre el metabolismo del carbono central microbiano mediante un enfoque de modelamiento multiescala
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-12-04) Moreno Otálvaro, Sebastián; Suárez Méndez, Camilo Alberto; Bioprocesos y Flujos Reactivos
Modelar un bioproceso es crucial para tener un entendimiento y predecir variables de operación importantes en la industria. Para hacerlo no solo es pertinente modelar el biorreactor con sus fenómenos de transporte sino también algunos procesos intracelulares que transforman el sustrato disponible. De esta forma, el objetivo general de esta tesis es realizar un modelamiento multiescala que comprende la escala macro (reactor) y la escala micro (metabolismo celular). La descripción matemática del biorreactor consistió en un modelo de compartimentos, con el fin de calcular los gradientes de concentración. Para la configuración dada del reactor se calculó un tiempo de mezcla de 70s si la alimentación es en el medio del tanque. Por otro lado, se construyó un modelo cinético para predecir datos experimentales del metabolismo de carbono central de Saccharomyces cerevisiae; específicamente para la glucólisis, la ruta de las pentosas fosfato y el metabolismo de trehalosa y glucógeno. Se realizó la estimación de parámetros y se obtuvo diferentes respuestas. Por ejemplo, para la glucosa intracelular el error fue del 3.8% y para fructosa 6-fosfato del 1%. Además, el modelo derivado aquí para el pool de glucógeno funcionará como base para trabajos futuros, ya que su modelamiento no ha sido lo suficientemente explorado en la literatura. Después, se acoplaron ambos modelos a través de la tasa de consumo de sustrato 𝑞��𝑠�� . Se simuló un pulso de alimento y se construyeron mapas de calor que muestran los gradientes de concentración en el reactor para la glucosa extracelular, metabolitos intracelulares y 𝑞��𝑠�� . Por último, se hizo un análisis de sensibilidad según la velocidad de agitación y el número de pulsos. Se obtuvo que a una velocidad de 180 o 240 rpm se disminuyen en gran medida los gradientes. Con el segundo análisis, se concluyó que tanto la trehalosa como el glucógeno son pooles de carbono que funcionan como buffer frente a perturbaciones de concentración en el entorno del microorganismo. (texto tomado de la fuente)
Diseño in silico de una plataforma biológica para la producción de etilenglicol a partir de glicerol crudo mediante herramientas de ingeniería metabólica y principios de la termodinámica
(2022) Cano Zapata, Edgar Alejandro; Suárez Méndez, Camilo Alberto; Suárez Méndez, Camilo Alberto [0000-0002-5345-9662]; Bioprocesos y Flujos Reactivos
El objetivo del presente estudio es diseñar una plataforma biológica in silico para la producción de etilenglicol a partir de glicerol crudo a través de un análisis termodinámico, el cual permitirá establecer la máxima producción teórica que sería posible obtener, y herramientas de la ingeniería metabólica, las cuales permiten evaluar e implementar las diferentes rutas metabólicas y genes heterólogos relacionados para llevar a cabo este proceso. Inicialmente se construyeron modelos de caja negra que representaran la producción biológica de etilenglicol a partir de las principales fuentes de carbono que se encuentran en el glicerol crudo, glicerol y metanol. Estos modelos se construyeron primero para cada sustrato por separado, considerando diferentes aceptores de electrones incluido el etilenglicol. Debido a que se tiene un interés en realizar este proceso utilizando ambos sustratos al mismo tiempo, se resalta la importancia de implementar una metodología que permita construir modelos de caja negra para múltiples sustratos. Más adelante, se construyeron diferentes modelos metabólicos para tres diferentes microorganismos (E. coli, S. cerevisiae, P. pastoris) con el fin de representar la producción de etilenglicol a través de diferentes rutas de biosíntesis (SDP y P1PDP), y las diferentes rutas de asimilación de glicerol y metanol. Estos modelos se utilizaron para estudiar el rendimiento por mol de carbono utilizado y la cantidad de intermediarios energéticos (ATP, NADH, NADPH) generados por mol de etilenglicol producido a partir de diferentes proporciones de glicerol y metanol. Finalmente, se selecciona uno de estos modelos para estudiar el efecto de la velocidad de crecimiento en la síntesis de etilenglicol, y cómo las condiciones intracelulares afectan la viabilidad termodinámica de las rutas de biosíntesis consideradas. En el presente estudio se observó cómo el etilenglicol no resulta adecuado cómo aceptor de electrones en el catabolismo debido la baja cantidad de energía libre obtenida a partir de cada sustrato. Por lo tanto, se consideró el uso de otros aceptores de electrones y se plantean otras reacciones catabólicas alternas que permitan la producción de etilenglicol a partir de un consumo parcial de oxígeno para la obtención de energía. Posteriormente, se presenta una propuesta preliminar para la construcción de un modelo de caja negra para un proceso con múltiples sustratos partiendo de una metodología ya propuesta para un único sustrato. En esta se resalta la presencia de nuevos parámetros que consideran el efecto de la presencia de múltiples sustratos en los diferentes procesos celulares. Estos, sin embargo, quedan pendientes por determinar dado a que no se logró establecer una correlación matemática que permitiera calcularlos. Por otra parte, se observó a partir del análisis de los modelos metabólicos cómo el modelo para E. coli proporciona el mejor escenario para la obtención de etilenglicol dado el mayor rendimiento obtenido y a la cantidad de intermediarios energéticos generados durante el proceso. Para este modelo, se encontró cómo la producción de etilenglicol se da principalmente a bajas velocidades de crecimiento de la biomasa, demostrando que ambos procesos compiten directamente por el flujo de carbono que entra al metabolismo. Finalmente, se encontró que algunas reacciones dentro de las rutas de síntesis de etilenglicol son sensibles a las variaciones de concentración intracelulares, lo que provocaría la generación de cuellos de botella en el proceso disminuyendo el rendimiento en la producción de etilenglicol. Mediante estos análisis se pudo validar que la producción biológica de etilenglicol es posible a partir de las principales fuentes de carbono del glicerol crudo. Para llevar a cabo este proceso, se deben cumplir determinadas condiciones a nivel del metabolismo para dirigir el flujo de carbono hacia el producto de interés y hacer el factible el proceso. Sin embargo, es necesario seguir realizando estudios posteriores para determinar a profundidad las modificaciones a nivel genético que permitan acoplar la producción de biomasa con la síntesis de etilenglicol, implementar otras rutas de síntesis alternas, y finalizar la construcción del modelo de caja negra para múltiples sustratos para evaluar con más detalle que tiene la presencia de cada uno de estos en los diferentes procesos celulares de interés. (Texto tomado de la fuente)
Evaluación de la pirólisis rápida en reactor tipo Auger (doble tornillo sinfín) para el aprovechamiento de biomasas residuales de origen agroindustrial en el departamento Norte de Santander
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-01-30) Chávez Tarazona, Belky Paola; Chejne Janna, Farid; Moreno Gamboa, Faustino; Chejne Janna, Farid [0000-0003-0445-7609]; Moreno Gamboa, Faustino [0000-0002-3586-4306]; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
El presente trabajo consiste en el diseño y puesta en marcha de un reactor tipo Auger, a escala de laboratorio para el procesamiento de 2 kg/h con el fin de llevar el proceso de piólisis rápida de diferentes tipos de biomasas como la cascarilla arroz, cisco café y cuesco de palma de aceite. Para lo cual se llevó a cabo una metodología para diseño de tornillos sinfín con los pasos para los cálculos de diámetros, áreas de relleno, expansión térmica, rpm y potencia. Además, se realizó un diseño experimental que permitió evaluar la pirólisis rápida a la temperatura de 550°C y 650°C en las tres diferentes biomasas con características fisicoquímicas de alto potencial de aprovechamiento en procesos termoquímicos. (Texto tomado de la fuente)
Simulación del proceso de clarificación enzimática de jarabes glucosados producidos por medio de celulasas a partir de residuos agroindustriales
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Morales González, Alejandro; Ruiz-Colorado, Angela Adriana; Acosta Pavas, Juan Camilo; Morales González, Alejandro [0001892156]; Morales González, Alejandro [0009-0009-4895-6208]; Bioprocesos y Flujos Reactivos
En general, esta investigación busca modelar y simular el proceso de clarificación enzimática con pectinasas y mejorar los procesos de clarificación tradicionales utilizados en los jarabes glucosados producidos a partir de residuos agroindustriales, permitiendo mejorar los jarabes producidos por el grupo de Investigación Bioprocesos y Flujos Reactivos de la Universidad Nacional de Colombia (BIOFRUN). Los jarabes glucosados son soluciones ricas principalmente en glucosa, producidas por la hidrólisis ácida o enzimática del almidón, celulosa de residuos agroindustriales y/u otros materiales. A través de los pretratamientos y la hidrólisis, no solo se libera la glucosa, también quedan en la solución restos de las células vegetales, proteínas, grasas, aceites, pectinas y otros compuestos disueltos y suspendidos que le dan una apariencia turbia y opaca a los jarabes producidos. Dependiendo de los usos de estos jarabes, estos necesitan ser tratados con métodos de clarificación que remuevan o degraden estos compuestos contaminantes del jarabe. Estos métodos presentan algunos inconvenientes, la decantación y la centrifugación, a pesar de ser simples, presentan pérdidas considerables de jarabe (40 - 50%), la adsorción con carbón activado, a pesar de presentar la mejor eliminación del color, tiene el inconveniente de adsorber los azúcares del jarabe (alrededor del 14%), y la floculación mejora los procesos de clarificación, pero no puede actuar por sí sola, por lo que se ha buscado otros métodos para realizar este proceso. En los jarabes producidos a partir de residuos agroindustriales hay presencia de un residuo de particular interés, la pectina, un polisacárido complejo de alto peso molecular, que tiene la capacidad de formar geles cuando las largas cadenas de una molécula interactúa con las de otra, atrapando otras sustancias disueltas y sólidas, dando una apariencia turbia a las soluciones en las que está presente. Otros productos donde la pectina también está presente son los jugos y vinos producidos a partir de frutas. Por esta razón, para su clarificación son usadas enzimas pectídicas, que modifican y degradan la pectina, obteniendo un producto más claro y menos turbio. Este uso de las enzimas pectídicas se aplicó en este trabajo en jarabes glucosados con el fin de degradar la pectina presente en estos y obtener un aumento de su claridad. Esta investigación tuvo como propósito la evaluación de enzimas pectídicas aplicadas al momento de realizar la clarificación de jarabes glucosados producidos a partir de residuos de carácter lignocelulósico, encontrando las mejores condiciones para realizar dicho proceso y modelarlo usando datos de la investigación. La primera parte de este trabajo comienza con una recopilación bibliográfica de los temas relacionados con este proceso, empezando con la historia de los jarabes glucosados, las materias primas de las que se obtienen, sus métodos de producción y clarificación, que es la pectina y las enzimas pectídicas, estudios previos para la clarificación de jugos y jarabes, y el modelamiento. La segunda parte de esta investigación corresponde al proceso de clarificación enzimática, que inicia con la caracterización de la materia prima utilizada para la producción del jarabe y las enzimas usadas para la clarificación, encontrando propiedades como la composición química de la materia prima, los parámetros cinéticos y la actividad de la enzima. Con estos datos se procede a preparar el jarabe y realizar los ensayos de clarificación, variando la concentración de enzima y la agitación para encontrar la combinación de parámetros que obtienen la mejor clarificación, y finalmente seguir el proceso de clarificación de los jarabes a lo largo del tiempo. La última etapa de este estudio es utilizar los datos de clarificación contra tiempo y parámetros cinéticos obtenidos en la etapa anterior, para combinarlos con otra información de la literatura y así llegar al planteamiento de un modelo dinámico con base fenomenológica que sea capaz de simular como se degrada la pectina en oligosacáridos de ácido poligalacturónico, hasta llegar a la formación de ácido galacturónico, y vincular esta degradación con la clarificación del jarabe. Adicionalmente, se buscó la optimización de los parámetros del modelo, comparando los datos simulados con los experimentales, encontrando la combinación de parámetros que reduzca sus diferencias por medio de programas matemáticos. (Texto tomado de la fuente)
Análisis termodinámico y metabólico de un sistema biológico células de insecto Spodoptera frugiperda (sf9) y su infección con un virus recombinante Autographa californica nucleopolyhedrovirus (BvGCN4-NA1)
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-10-10) Fajardo Figueroa, Lina Maria; Suárez Méndez, Camilo Alberto; Bioprocesos y Flujos Reactivos
En el presente trabajo se aborda el análisis de la producción de proteínas recombinantes con interés bio-farmacéutico a través de la tecnología de expresión en células de insecto mediante la infección con baculovirus recombinantes. Esta es una estrategia ampliamente utilizada que aún tiene desafíos en el diseño, modelamiento y entendimiento (Monteiro, 2015). En primer lugar, se analiza bajo una perspectiva termodinámica de caja negra la etapa de crecimiento celular encontrando que su modelamiento es posible a través de una metodología, dirigida principalmente a microorganismos, la cual se puede adaptar a eucariotas con especial consideración en la definición y diferenciación de la fuente de energía, carbono y nitrógeno. En particular, cuando se considera en el análisis una fuente de nitrógeno orgánica, la cual induce un sobreflujo de electrones que pueden terminar en biomasa o en subrpoductos carbonados como lactato. Aunque no fue posible reproducir los escenarios planteados en un modelo metabólico, mediante el análisis metabólico se identificó la importancia de considerar las rutas de asimilación de nitrógeno (orgánico e inorgánico) y el uso de métodos estadísticos como herramienta para la mejora de estos procesos. Finalmente, basado en el análisis de tiempos característicos derivados de cinéticas reportadas para la etapa de infección y producción en la literatura, se encontró que el evento celular que principalmente afecta la homogeneidad y la productividad de las proteínas recombinantes es el evento de unión virus-célula ya que su tiempo característico puede variar considerablemente y afectar otros subprocesos. Además, se encontró que, en la producción de proteínas complejas a nivel intracelular, su expresión se ve favorecida en linajes celulares con velocidades de internalización más bajas. (Texto tomado de la fuente)
Modelación de sistemas biológicos metaestables en la mesoescala
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-05-28) Maldonado Perez, Daniel Oswaldo; Hernández Ortiz, Juan Pablo; Crs-Tid Center for Research and Surveillance of Tropical and Infectious Diseases
Modelación de sistemas biológicos metaestables en la mesoescala Este trabajo presenta diferentes métodos y plataformas de entendimientos de procesos biológicos como proteínas, complejos supramoleculares y enfermedades trasmitidas por vectores como dengue en diferentes escalas. A nivel de proteínas, se emplea métodos atomísticos de dinámica molecular para analizar la evolución de proteínas en agua, para luego medir propiedades fisicoquímicas en el tiempo y así extraer las superficies en un estado metaestable de cada una de ellas. La formación de estructuras supramoleculares a través de agregaciones o segregaciones en sistema biológicos entre diferentes moléculas se da principalmente por interacciones electrostáticas en la escala mesoscópica, por consiguiente, se estudia modelos como Monte Carlo y dinámica molecular permiten entender el comportamiento energético y de interacción de las configuraciones del sistema como las formaciones de hélices. Por último, análisis retrospectivo de rezagos entre diferentes variables climáticas, fenómeno del niño, índices asociados al atlántico permite entender las incidencias de estas en casos de dengue El cálculo de la constante dieléctrica se puede ver afectada debido a las interacciones entre el agua y las proteínas como posibles efectos de polarización entre ellas. La energía libre de los sistemas helicoidales del sistema específico del disminuye a medida que aumenta la longitud de debye en modelo de Monte Carlo. Las principales variables que inciden o afectan en la aparición de casos del dengue son; el fenómeno del niño, índice del Caribe (CAR) y Noratlántico Tropical (NTA) debido a las fluctuaciones de temperaturas. (Texto tomado de la fuente)

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