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The role of doping in tannin-derived carbon materials for electrochemical applications.
(Universidad de Concepción, 2024) Pinto Burgos, Oscar Claudio; Matos Lale, Juan; Jiménez, Romel
There is a growing and urgent demand for eco-friendly, high-power devices, especially in portable applications like portable electronics or hybrid-electric/electric vehicles (H/EVs). Electrochemical energy storage systems are highly sought after in this regard. The main technologies currently available are Li-ion batteries and electrochemical capacitors (ECs), each offering distinct yet often complementary performance characteristics. Meanwhile, the former stores the energy mainly through chemical pathways, the latter stores the charge via physical process where the electric double layer is a key parameter. The ECs' storage process is rapid, highly reversible, and exhibits minimal effects on device performance over numerous charge/discharge cycles, making them advantageous in the long term. However, ECs face the drawback of low specific energy, prompting scientific efforts to enhance this value without compromising power. One promising approach to achieve this enhancement is through heteroatom doping of carbon materials. In this context, tannins, a polyphenolic compound frequently derived from tree bark, serve as a suitable precursor due to their auto-condensation reactions, leading to a well-connected porosity network and high reactivity, enabling the incorporation of functionalities. In this context, this doctoral research focuses on the study of the relationship between pore size distribution, surface chemistry, and electrochemical performance of tannins-derived carbon materials as electrodes in electrochemical capacitors, with an emphasis on surface modification with oxygen, nitrogen and/or boron. Advanced characterization techniques such as adsorption-desorption isotherms, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were employed to analyze the structure and chemistry of the carbon materials. Additionally, electrochemical tests were conducted to evaluate their energy storage capacity, power density and overall electrochemical performance. The research establishes tannins-derived carbon materials as effective electrodes for electrochemical capacitors. Chemically activated tannins-derived carbon materials exhibit a linear correlation between capacitance and specific surface area, optimizing electrochemical performance with energy densities reaching 4.4 W∙h∙kg-1 at 1.1 kW∙kg-1. The hydrothermal carbonization doping method successfully incorporates nitrogen or boron into tannins-derived carbon materials, introducing significant alterations to tailored chemical and morphological modifications. Without doping agents, hydrothermal carbonization leads to carboxylic acid-dominated surface chemistry, limiting electric double layer formation. Boron incorporation moderately enhances electrochemical performance. Meanwhile, nitrogen doping significantly improves surface chemistry and textural properties after CO2 activation, enhancing electrochemical performance. The top-performing material achieves remarkable energy density of 6.0 W∙h∙kg-1 at 1.3 kW∙kg-1, retaining nearly 96% of initial energy storage after 30,000 cycles.
Real-time demand response scheduling based on customized online learning of customers considering uncertainty.
(Universidad de Concepción, 2024) Marrero Rodríguez, Lester Julio; Sbárbaro Hofer, Daniel; García Santander, Luis
Chilean commercial, public, and residential sector consume 35 % of the electrical energy in the country. Given the continuous economic growth of society, this percentage will increase gradually, as expected. However, Chile has also made efforts to transition towards power decarbonization, in line with the global context that seeks to reduce its carbon footprint. Distribution grids are a complex infrastructure and, within this scenario, are reaching an intelligent configuration. As a result of this transformation, the proportion of renewable energy sources (RESs) is constantly increasing, and advanced metering systems are playing an essential role in recording electricity data to provide insights into customers’ behavior and corresponding lifestyles. Conditioned by the gradual deregulation of the distribution sector, new market agents are participating in the electricity market, making customers’ service more active and competitive. Therefore, integrating renewable capacity by exploiting the operational flexibility that can arrive from scheduling demand is vital in the current distribution system. Efficient scheduling can also help to decouple economic growth from energy consumption. However, both renewable production and demand exhibit a stochastic behavior, which leads to an increase in uncertainty due to forecast errors in generation and deviations in demand in real-time. This uncertainty jeopardizes the safe operation of the distribution system. This thesis focuses on real-time demand response (DR) scheduling based on customized online learning of customers’ behavior considering uncertainty. First, the thesis proposes an online framework to characterize demand response (DR) over time. The approach facilitates obtaining and updating the daily consumption patterns of customers. The essential concept of response profile class (RPC) is introduced for characterization, complemented by the measure of the variability in customer behavior. For daily profiles, the work uses a modified version of the incremental clustering by fast search and find of density peaks (CFSFDP) algorithm that considers the multivariate normal kernel density estimator and incremental forms of the Davies-Bouldin and Xie-Beni validity indices. Case studies conducted using real-world and simulated daily profiles of residential and commercial Chilean endusers demonstrate how the proposed approach can continuously characterize DR. Results prove that the presented framework achieves realistic customer models for effective energy management by estimating customer response to the price signal at the distribution system operator (DSO) level. Second, the thesis proposes an online framework for scheduling customers’ power responses to support integrating photovoltaic (PV) generation into the distribution system. The approach helps the management of demand flexibilities by providing optimal control prices in real-time. A bi-level optimization model is used to model interactions between the DSO in the upper level, which seeks to maximize the profit, and customers in the lower level, who reduce their electricity bills. In addition, to obtain the RPCs of customers, a characterization stage is introduced by applying the CFSFDP algorithm to daily profiles. The pricing problem, however, is highly challenging since the DSO also requires ensuring the reliable operation of the distribution grid and dealing with uncertainties in consumption and renewable production. Accordingly, the work includes and reformulates chance constraints (CCs) for squared nodal voltage and complex power flow in lines. The CC bi-level problem converts to an equivalent mixed-integer second-order cone programming problem, embedded into a model predictive control to exploit newly available information of the system states. A case study using real-world local market prices and daily profiles of residential and commercial Chilean end-users on the IEEE-37 node test distribution feeder demonstrates how the proposed framework can schedule DR considering uncertainty. Third, for optimal scheduling of other distribution-level energy resources, the previous framework is expanded by including dispatchable inverters of PV facilities. The approach also addresses uncertainty in the distribution system modeling by incorporating, in addition to the above, CCs for the apparent power of PV inverters. A case study with real-world local market prices and daily profiles of Chilean residential and commercial end-users on the IEEE-37 node test distribution feeder demonstrates how the presented framework enables optimal real-time scheduling of customers and PV facilities. The investigation has significant implications both technically, by enhancing the efficiency and reliability of the distribution system, and economically, by generating financial benefits for market players. Furthermore, its methodology is applicable and suitable to meet the practical requirements of Chilean society.
Efficient query processing for multigranular data.
(Universidad de Concepción, 2024) Gatica Romero, Diego; Rodríguez, Andrea; Seco, Diego
Spatial and temporal attributes are typical examples of data that can be represented at different levels of granularity or resolution. The massive amount of this type of data makes it impractical to store and process data without making use of efficient algorithms and structures. In search of a way to handle multigranular data, several data models have been proposed; however, there is no efficient implementation in terms of space usage and query time for any of the various existing models for handling multigranular data. In this thesis, we study algorithms and data structures to process different queries on multigranular models, specifically, the work done uses succinct data structures and achieves a good trade-off between space usage and query time. In particular, we start by proposing a succinct data structure and algorithm for the implementation of a multigranular model that is general enough to be used in different domains. This model is based on the relations of subsumption and disjoint between its elements (i.e. granules), and their respective negations, and it proposes the strategy of deriving new relations, in order to reduce the space to be used. The proposed structure used (|E| − |V |) log2 |V | + O(|E|) space to store a graph with V vertices and E edges to store a graph that represent the subsumption relation, plus |Er| log |V|+|Er|+|V |+o(|Er| + |V |) for for each of the other relationships, and improves the derivation of new relations, compared to other implementations. A second succinct data structure is proposed, with a focus on the spatial domain by providing algorithms for processing topological queries like inclusion, disjointness, and adjacency between regions on a multi resolution context. In the case of a set of n regions without a hierarchy, we can manipulate it efficiently using 4n + o(n) bit, for the case when we have a hierarchy of height h, our structure proposed requires as little as O(n log h) bits, while maintaining a similar query time compared to a non-compact implementation.
Study of the block-sequential operator on Boolean networks. Application to discrete network analysis.
(Universidad de Concepción, 2024) Cabrera Crot, Luis Emilio; Aracena Lucero, Julio; Richard, Adrien; Salinas Ayala, Lilian
A Boolean network is a system of n interacting Boolean variables, which evolve, in a discrete time, according to a regulation rule and to a predefined updating scheme. They have applications in many areas, including circuit theory, computer science, social networks and biological systems. The structure of such a network is often represented by a digraph, called interaction digraph, where vertices are network components, and where there is an arc from one component to another when the evolution of the latter depends on the evolution of the former. The relationship between the structure of a regulatory network and its dynamical behavior is crucial to understand for instance how and why biological networks have evolved. Further, this relationship can be used to construct networks with desirable dynamical properties. In the original scheme of a Boolean network all the nodes are synchronously updated at each time step (this scheme is also called parallel schedule). A more general scheme, introduced in [67], is to consider that the set of network nodes is partitioned into blocks and that the nodes in a block are updated simultaneously. Differences in the dynamical behaviors of Boolean networks with different update schedules has been studied mainly from an experimental and statistical point of view. In this tesis, the variations of the interaction digraph of a Boolean network with respect to changes in the update schedule and its relation with some dynamical properties of the network are studied. In order to achieve this goal, three main topics are discussed. First, the variations in the parallel digraph of some structural characteristics (number of strongly connect components, transversal number, packing number) with respect to changes in the update schedule are analyzed. Second, an algorithm is constructed to find the fixed points of a Boolean network taking advantage of knowledge about the upper bound of the fixed points of a network, in this case we use the positive transversal number. Finally, a new, so far unexplored problem is defined, which states that given a Boolean network f, find a Boolean network h and an update schedule s that are dynamically equivalent to f. In this sense, several variations of the original problem are presented, many of which can be solved in polynomial time.
Laminado en frio con rodillos rugosos: un nuevo proceso para la obtencion de micro o nano granos superficiales en grandes areas.
(Universidad de Concepción, 2024) Maril Millán, Yasmin Alejandra; Camurri P., Carlos G.; Facultad de Ingeniería.
Los procesos de deformación plástica severa en cercanías de la superficie, seguidos de recocidos a bajas temperaturas, han demostrado ser altamente efectivos para generar micro/nano granos en la capa superficial de los materiales. En este contexto, en esta tesis se ha desarrollado y estudiado una técnica innovadora que simula y reemplaza uno de los procesos de deformación plástica superficial existentes, el arenado. El objetivo es lograr una red uniforme de zonas de alta deformación en la superficie del material, actuante como centros de nucleación durante el recocido posterior. El método propuesto consiste en una laminación en frío utilizando rodillos rugosos, seguido de una recristalización a bajas temperaturas y, a diferencia del arenado convencional, ofrece la ventaja de ser un procesamiento continuo con una alta productividad. Para el estudio de este proceso, se llevaron a cabo laminaciones en frío de placas de acero inoxidable austenítico utilizando rodillos rugosos, y posteriormente se realizaron recocidos a temperaturas comprendidas entre 200°C y 400°C durante una hora. Los análisis microestructurales mediante microscopía óptica y electrónica revelaron la presencia de nuevos granos superficiales pequeños, algunos de 200-300 nm, distribuidos de forma heterogénea, lo que aumenta la resistencia al desgaste del material. Dado que la rugosidad impuesta por los rodillos desempeña un rol clave en la determinación de las propiedades finales, específicamente en la deformación plástica y microestructura superficial, se realizó un estudio numérico del proceso propuesto mediante elementos finitos para comprender esa influencia y predecir su efecto en los nuevos granos superficiales obtenidos, y luego correlacionarlo con la evidencia experimental. Esta simulación numérica reveló la presencia de una deformación plástica severa distribuida de forma heterogénea en toda la superficie, un resultado que se alinea con los resultados de los análisis microestructurales, donde se observó que la formación de nuevos granos también fue localizada de manera no homogénea. A pesar de esta heterogeneidad en la distribución de la microestructura, la presencia de granos más pequeños en la superficie condujo a mejoras significativas en las propiedades mecánicas. Se registró un aumento del 20% en la nano dureza superficial en comparación con el centro de la pieza y reducciones del 26% y 45 % en la profundidad del desgaste y la pérdida de masa respectivamente. En resumen, este método innovador ofrece una alternativa prometedora para producir microestructuras y nanoestructuras que resultan en propiedades mecánicas superficiales mejoradas.
Desarrollo de electrodos para la valorización de lixiviado de vertedero mediante electrocoagulación.
(Universidad de Concepción, 2024) Núñez Gutiérrez, Javier Jahir; Carrasco C., Claudia A.
Chile enfrenta una creciente crisis hídrica, catalogada de "estrés hídrico alto" según el informe de 2019 del World Resources Institute del Pacto Mundial de las Naciones Unidas. Esta situación se caracteriza por la demanda de agua que supera la disponibilidad de fuentes de agua dulce en el país. El sector agrícola es el principal consumidor, utilizando cerca del 73% del recurso hídrico disponible. La reutilización de aguas residuales emerge como una solución clave para atenuar esta escasez hídrica. Entre las fuentes de agua susceptibles de reutilización se encuentran los lixiviados de vertedero, los cuales comúnmente son sometidos a tratamientos biológicos y químicos en secuencias que pueden extenderse por más de 60 días. El principal desafío para esta reutilización es contar con un tratamiento que permita alcanzar los estándares requeridos por la normativa correspondiente; en particular, el sodio porcentual definido como Na/(Na+Mg+Ca+K). Para abordar el tratamiento de estas aguas, la electrocoagulación se destaca como una alternativa ecológica, versátil y eficiente. Dentro de sus ventajas destaca que no requiere agentes tóxicos para su operación y la baja generación de lodos posterior al tratamiento. Mediante el uso de los ánodos convencionales de aluminio o hierro, es posible remover muchos de los contaminantes de los lixiviados de vertedero, sin embargo, no se logra disminuir el sodio porcentual. Así, el objetivo de esta tesis doctoral es diseñar, producir y testear materiales que sirvan como ánodos para ser utilizados en el tratamiento de lixiviados de vertederos mediante electrocoagulación, de manera que el agua tratada cumpla con las condiciones de calidad para ser utilizadas como agua de riego en agricultura. El trabajo realizado constó de tres etapas; la primera se focalizó en el desarrollo de un modelo predictivo que introduce un nuevo factor denominado J. Este factor, que relaciona la masa de coagulantes generados durante la electrocoagulación con la cantidad de contaminantes a remover, permitió obtener modelos que predicen la remoción de la demanda química de oxígeno. Los coeficientes de determinación, R2, para dichos modelos fueron de 0,96 y 0,94 utilizando ánodos de aluminio y hierro, respectivamente. De acuerdo con los resultados obtenidos en los modelos, se diseñaron, produjeron y probaron materiales anódicos de aluminio-magnesio, con composiciones de magnesio entre el 6% y el 12%. Los resultados revelaron que la aleación de 88Al-12Mg logró una remoción del 52,9% para la DQO, 98,1% en turbidez, 97,9% en color, dejando el agua tratada con un porcentaje de sodio porcentual por debajo del 35% establecido como máximo permitido por la norma, y una concentración de aluminio de 0,008 mg/L. Estos resultados se alcanzaron con un tiempo de tratamiento de solo 15 min y un consumo energético considerablemente menor a los reportados en la literatura. Finalmente, se abordó el reusó sostenible evaluando la calidad del agua tratada mediante la comparación con normativas nacionales e internacionales. Se llevaron a cabo bioensayos para evaluar la toxicidad del agua tratada, demostrándose que con ella se alcanzó un índice de germinación de semillas de Lactuca sativa del 83,2%, y que el crecimiento de estas plántulas se observó levemente afectado, presumiblemente debido a la alta conductividad eléctrica del lixiviado tratado. El enfoque integral de esta tesis de doctorado ha permitido no solo la obtención de un material que permite un tratamiento altamente eficaz de los lixiviados de vertedero, sino también una evaluación exhaustiva de la idoneidad del agua tratada para su reutilización.
Modificación superficial de membrana de nanofiltración para incrementar su productividad en la desalinización de agua de mar.
(Universidad de Concepción, 2023) Vargas Figueroa, Catalina Adriana; Bórquez Yáñez, Rodrigo; Meléndrez Castro, Manuel
Como consecuencia de la creciente escasez de agua dulce, la implementación de plantas de desalinización ha aumentado a gran escala llegando incluso a 21000 plantas instaladas en el mundo al 2022, aumentando en casi al doble en una década. Dentro de los procesos de desalinización mediante membranas operadas por presión el más masivo es la ósmosis inversa, seguido por la nanofiltración. Una de las desventajas que presenta la nanofiltración frente a ósmosis inversa es la baja retención de iones monovalentes, sin embargo, presenta mayores flujos de permeado trabajando a menores presiones de operación. Otro de los problemas que presenta junto a las otras membranas manejadas por presión, es el ensuciamiento. El ensuciamiento provoca una disminución en el rendimiento de la operación, un acortamiento de la vida útil de las membranas y mayores costos operacionales. La modificación superficial de las membranas ha sido altamente considerada con el fin de encontrar una solución a los problemas referidos. La modificación superficial a diferencia de la creación de nuevas membranas posee la ventaja de poder lograr variadas combinaciones de soluciones partiendo de una matriz inicial, adicionalmente es más económico. Existen diversas metodologías de modificación que están siendo utilizadas actualmente, pero los objetivos son principalmente los mismos: aumentar el desempeño de las membranas en la operación, es decir, aumentar permeabilidad, aumentar la retención de sales y aumentar la resistencia al ensuciamiento. Las propiedades que se deben caracterizar y que influyen los objetivos de las modificaciones son: grupos funcionales en la superficie, rugosidad, ángulo de contacto (hidrofilicidad) y carga superficial. En este estudio se analizan tres tipos distintos de modificaciones a membranas de nanofiltración: interpenetración de redes poliméricas (INPs) con una mezcla de monómeros (ClAPTA, APSA y GMA-NMG), crecimiento in situ de nanotubos de carbono mediante metodología PopTube (asistido por microondas) y Sputtering de ZnO (depósitos de metales y óxido de metal mediante campo magnético en atmósfera de gas inerte Argón). Las membranas comerciales de nanofiltración seleccionadas (NF90 y NF270, Dow chemical) mostraron buena resistencia a todas las modificaciones realizadas. Los resultados obtenidos de las modificaciones con INPs mostraron cambios más importantes, específicamente la mezcla de 0,13 M ClAPTA - 0,07 M GMA-NMG presentó un mejor rendimiento como resultado de un mayor aumento de la permeabilidad en un 84,3 %, manteniéndose estables los rechazos iónicos en comparación con las membranas comerciales originales (~90 %). Para modificaciones PopTube, se observa mejores resultados en el caso de la membrana NF270 aumentando ligeramente el rendimiento de rechazo del NaCl en un 14 %, sin sacrificar excesivamente la permeabilidad de la membrana. Por último, para la modificación mediante Sputtering, el depósito de ZnO sobre la membrana le puede otorgar un aumento en el rechazo de iones monovalentes hasta del 10 %, sin embargo, este aumento es en desmedro de la densidad de flujo de permeado la cual puede caer en un 40 %. Finalmente, los resultados obtenidos en estas modificaciones permiten avalar la hipótesis planteada de que, por medio de modificaciones químicas y físicas, es posible aumentar la permeabilidad y el rechazo de iones monovalentes de una membrana de nanofiltración de poliaramida en la desalinización de agua de mar. Los resultados generados en este trabajo dan lugar a otras interrogantes a ser abarcadas en futuros estudios, como lo son, la modificación de variables que en este estudio se mantuvieron fijas, desarrollar todas las modificaciones a una escala de sobremesa para poder estudiar la transferencia de masa y que éstos resultados sean escalables a una escala industrial y estudiar las cargas superficiales de las membranas modificadas y cómo estas se comportan/varían con las modificaciones incorporadas.
Optimización multicriterio de la envolvente térmica y sistemas de calefacción en viviendas sociales del centro-sur de Chile.
(Universidad de Concepción, 2024) Larrea Sáez, Lorena; Casas Ledón, Yannay; Cuevas Barraza, Cristian
En esta tesis se analiza la importancia de considerar factores económicos y ambientales en la optimización de la envolvente térmica y sistemas de calefacción de viviendas sociales en Chile, y su relación con las políticas de eficiencia energética del país. Se propone un enfoque de optimización multi-objetivo para minimizar la demanda de calefacción, los impactos ambientales y los costos globales en viviendas sociales en diferentes ciudades del centro-sur de Chile, considerando alternativas para los muros de la envolvente y recambio de sistemas de calefacción. En primera instancia se evalúa la demanda energética y el impacto ambiental de las viviendas sociales en Chile mediante una evaluación del ciclo de vida de la cuna a la tumba. Se consideran diferentes condiciones climáticas de siete ciudades, materiales aislantes y espesores. Los resultados muestran la necesidad de considerar aspectos como la combinación entre materiales aislantes, espesores y condiciones climáticas locales. Se plantea la necesidad de mejorar la regulación térmica sobre todo en las zonas más frías, así como establecer normas de eficiencia energética adecuadas a condiciones locales. Posteriormente se estudian los impactos ambientales y costos globales de distintos tipos de sistemas de calefacción, mostrando que la demanda por calefacción, los tipos de combustible, la eficiencia de los sistemas de calefacción y composición de la matriz eléctrica influyen en los impactos ambientales. Se observa que el uso de estufas de leña para la calefacción provoca un mayor impacto ambiental, pero tiene menores costos globales en comparación con el uso de pellet o electricidad/bomba de calor. En este sentido, la eficacia de las iniciativas para sustituir los aparatos de calefacción por tecnologías más eficientes se ha visto limitada por los elevados costes del combustible y por problemas de aceptación social. Los resultados muestran que la leña puede ser una solución óptima a pesar de los impactos ambientales que su uso conlleva. Por ejemplo, en Concepción y Temuco, que son ciudades con PDA vigente, se obtiene que la leña es la solución óptima cuando la importancia (peso relativo) de los costos globales es mayor que 55%, independiente de la importancia asociada a el impacto ambiental y la demanda energética. Se propone resultados óptimos con criterios equilibrados (33.3% cada uno) dependiendo si la ciudad cuenta con PDA vigente. En Concepción el óptimo equilibrado resulta en una solución con leña, entonces se propone aumentar la ponderación de los impactos ambientales y disminuir el de los costos globales, logrando soluciones más costosas, usando bomba de calor. En Temuco en cambio, la solución óptima equilibrada es bomba de calor y también lo es en el caso de Pucón y Puerto Montt. Pero dado que estas 2 ciudades no tienen PDA vigente, se propone aumentar el factor de ponderación del costo y disminuir el de impactos, pero siempre considerando transmitancias térmicas para los muros más restrictivas según lo propone la NCh 1079:2019, para lograr envolventes más eficientes y continuando con el uso de leña siempre utilizando equipos eficientes y leña seca. De acuerdo con lo anterior, se destaca que el análisis multicriterio realizado en esta investigación permite conocer con detalle la importancia relativa de diferentes variables asociadas a la toma de decisiones para calefacción/aislación. Por tanto, incorporar este tipo de análisis contribuye a la generación de políticas públicas efectivas y de manera informada. Los resultados de esta tesis complementan la literatura actual para la toma de decisiones en viviendas sociales en Chile. Destacan la necesidad de políticas públicas que integren aspectos como costos globales e impacto ambiental. Se concluye que una optimización integrada de demanda energética, impactos ambientales y costos globales entregan soluciones que muestran bajo qué condiciones el uso de un sistema de calefacción es factible como solución óptima, para cada ciudad en estudio sometida a diferentes climas, zona térmica y consecuente restricción de transmitancia térmica.
Development of Design Techniques to optimize the performance of Synchronous Reluctance Machines with Anisotropic Rotor Structure.
(Universidad de Concepción, 2024) Gallardo Sánchez, César; Tapia Ladino, Juan; Degano, Michele
This thesis provides a comprehensive understanding of Synchronous Reluctance Machines (SynRM), addressing both the fundamental principles of operation and the development of various design techniques. To expedite the sizing stage, a precise analytical model was developed which combines two methods: to calculate the air-gap flux density and average torque, the magnetic potential of the rotor and stator were used, and the torque ripple was calculated using the energy stored in the air-gap. This model is extended to machines with multiple flux barriers. Comparisons with the Finite Element Analysis (FEA) yield promising results, both in terms of air-gap flux density and electromagnetic torque. However, a harmonic analysis reveals that the analytical model tends to overestimate the air-gap flux density and torque due to underlying assumptions made during its development. Despite this, the model offers valuable capabilities, including the ability to extract machine parameters in the d-q reference frame, facilitating a preliminary control strategy analysis. In pursuit of further enhancing SynRM performance, an asymmetric rotor topology was Introduced. This feature achieves a significant reduction in torque ripple and an increase in maximum internal power factor. While both designs exhibit similar efficiency, the asymmetric design excels by offering a wider constant power speed range (CPSR). Simultaneously, a comprehensive study on discrete skew methodology was conducted. The proposed method provides deeper understandings into the impact of skew angle on torque ripple. This method introduces an indicator to assess the potential reduction achievable by selecting various skew steps and angles. Validation through FEA in both two and three dimensions reinforces its applicability. These techniques were used to design two SynRMs using the same stator with two different rotor topologies, one symmetrical and the other asymmetrical. The design was carried out by optimization using a multi-objective genetic algorithm (MOGA), coupled with the techniques developed throughout the thesis. The preliminary results highlight the superiority of the asymmetric design in terms of performance indices. However, it is worth noting a significant reduction in these indices when skew is applied, underscoring the importance of design choices. These two rotor topologies were manufactured to validate the improvement through experimental measurements.
Study of the poultry manure treatment process using sequential anaerobic digestion and biological nitrogen removal in the presence of organic matter.
(Universidad de Concepción, 2023) Arriagada Gajardo, Constanza Beatriz; Roeckel von Bennewitz, Marlene
The objective of the present work was to develop a global treatment system that ensures the removal of organic matter and nitrogen from ammonia-rich wastes, such as poultry manure, and to determine operational ranges of the proposed system that allow high methane production, high nitrogen removal and reduction of waste dilution in the treatment of a real and complex substrate. The process consists of biological treatment by anaerobic digestion (AD) followed by the simultaneous process of partial nitrification, Anaerobic Ammonia Oxidation, and denitrification (SNAD, Simultaneous Nitrification, Anammox, and Denitrification). This work has focused on the treatment of poultry manure and the identification of operational conditions to obtain high methane yields with a hydraulic retention time (HRT) lower than 15 d in the anaerobic digestion and nitrogen removal close to the theoretical maximum for the SNAD process, treating wastewater with high total ammonia nitrogen (TAN) concentration. This study is innovative because there are partial studies on the treatment of poultry manure, but there are unsolved problems. There is no information available on the AD of poultry manure with high methane yields and TRH shorter than 15 d, and there is limited information available on the treatment of digested poultry manure using the SNAD process. In addition, the presence of ammonia inhibits anaerobic digestion and the SNAD process, resulting in a diluted substrate with significant costs due to increased freshwater consumption, making the process infeasible for industrial application based on the reported data. Therefore, this research aims to address the unexplored research gap in the performance of AD reactor operated with short HRT and SNAD reactors at high TAN concentrations for poultry manure treatment. The study was divided into four chapters. Chapter 1 reviews the current literature on poultry manure treatment by anaerobic digestion. It was concluded that high methane yields of 0.25 to 0.30 LCH4 /gVS could be obtained when operating at ammonia concentrations between 0 to 500 mgNH3-N/L and with HRT less than 23 days. The average methane yield was 0.218 LCH4 /gVS added. Chapter 2 evaluates the efficiency of an anaerobic digestion system (ADS) focused on treating high substrate concentrations (10.09 to 35.25 g VS/L) with low HRT, less than 10 d. Methane yields of 0.22 LCH4 /gVS added with HRT from 3.38 to 4.66 d and at ammonia concentrations between 323 to 460 mg NH3-N/L were obtained. Chapter 3 studies how to improve nitrogen removal in a continuous SNAD reactor. The apparent kinetics of the process was studied in a global and simplified way, using the Haldane inhibition model. Also, the effect of the influent TAN concentration and the effect of the HRT on the reactor performance were analyzed. The analysis of the apparent kinetics showed the high sensitivity of the process to the ammonia concentration in the bulk liquid, with an ammonia inhibition constant, K'I,NH3, equal to 19 mg NH3-N/L. An optimum average ammonia concentration of 3.2 mg NH3-N/L was obtained, with an average nitrogen removal rate of 483 mg N/ L d. From the performance analysis, safe (stable) and risky (unstable) operating ranges were determined for an industrial operation. The safe operating range, with an influent concentration less than or equal to 450 mg TAN/L and an HRT between 0.4 and 1.4, allows for high nitrogen removal (74 to 83%), supports high nitrogen loading rates (1.1 g N/L d), and has shown high stability over time. Chapter 4 analyzes the stoichiometric substrate composition and the effect of the influent composition for the carbon and nitrogen abatement, in a semi-continuous SNAD reactor fed with anaerobic digested poultry manure with high TAN concentration (above 700 mg TAN/L). The effect of inorganic carbon-to-nitrogen ratio (IC/N) and organic carbon-to-nitrogen ratio (TOC/N) on SNAD reactor performance was analyzed. It was observed that the limitation of IC and/or TOC generates a decrease in nitrogen removal and an imbalance in the biomass of the process, in terms of specific activity. Based on the results, it was recommended to operate with IC/N ratios = 1.7 and TOC/N = 1.07 to improve nitrogen removal in a semi-continuous SNAD reactor fed with concentrations above 700 mg TAN/L. Finally, the obtained results highlight the technical feasibility of the process studied, under conditions of low HRT (3.38 to 4.66 d) for the AD and high substrate concentrations (400 to 794 mg TAN/L) for the SNAD process and defining safe operating ranges for treatment of poultry manure at industrial scale. These findings are crucial for the successful implementation and operation of industrial-scale processes that aim to generate renewable energy, efficiently remove organic matter and nitrogen, and reduce the environmental impact of this type of waste.
Estudio de la modificación superficial en fibras de carbono recicladas y su influencia en la interfaz fibra-matriz sobre las propiedades mecánicas de materiales de altas prestaciones.
(Universidad de Concepción., 2023) Salas Salgado, Alexis Fidel; Meléndrez, Manuel; Medina, Carlos
Con el paso de los años, el uso de fibra de carbono en las industrias automovilística, aeroespacial y de energía ha generado un incremento en la demanda global de estos materiales, con una demanda esperada de 194 kt para el año 2022 y un valor de marcado global de $48.7 billones de USD. Sin embargo, existen problemas con el manejo de los residuos de estos materiales, ya que su manufactura produce un 30% de residuos y a esto se debe sumar todos los componentes dados de baja luego de cumplir su vida útil. Por este motivo es importante abordar una estrategia de reciclaje que permita reincorporar estos desechos a las diferentes industrias. El principal problema de las fibras recicladas es la disminución de sus propiedades mecánicas, específicamente su resistencia a la tracción, restringiendo el uso de estos materiales en aplicaciones de alta exigencia mecánica. Uno de los factores que influye en esta disminución de propiedades corresponde a la eliminación del sizing que recubre estas fibras, mecanismo de unión entre la fibra y la matriz. Otro factor corresponde a la estructura química y morfológica de la superficie de las fibras, las cuales se pueden degradar debido al uso de estos materiales (provocando microgrietas, por ejemplo). Considerando lo anterior, este proyecto tiene como objetivo estudiar la estructura y morfología de fibras de carbono recicladas por pirólisis que permita seleccionar un tratamiento superficial sencillo, mejorando las propiedades de adhesión fibra-matriz incorporando nanopartículas en un material compuesto reforzado con fibra de carbono reciclada. Se realiza un estudio de la estructura química y morfológica de las fibras de carbono recicladas, de tal forma de minimizar los daños en la superficie. Luego se investigan métodos para mejorar la interfaz fibra matriz, considerando el nivel de daño de la superficie de la fibra y las propiedades micromecánicas del material compuesto, de esta forma se pretende reparar y modificar la estructura superficial obteniendo una mejora en las propiedades de la interfaz y por consiguiente del comportamiento mecánico macroscópico de los materiales compuestos reciclados. Los métodos de reciclaje por pirólisis en dos pasos y pirólisis microondas permiten recuperar fibras de carbono en forma de tejidos a partir de materiales compuestos, el primero mantiene la integridad estructural y el segundo presenta mayor cantidad de grupos funcionales en la superficie de las fibras. Una vez nanoreforzados se observa que las nanopartículas de SiO2 favorecen las propiedades de adhesión fibra-matriz y los nanorods de ZnO mejoran las propiedades en tracción, sin embargo sólo es posible recuperar cerca del 70% de las propiedades originales de la fibra de carbono.
Algoritmos y arquitectura para cálculo de similitudes genómicas en aceleradores en hardware.
(Universidad de Concepción., 2023) Soto Salcedo, Javier Esteban; Figueroa Toro, Miguel Ernesto; profesor guía; Hernández R., Cecilia; profesora guía
La similitud entre genomas es un concepto fundamental en bioinformática. Esta se utiliza para determinar relaciones evolutivas o filogenéticas entre diferentes especies, para identificar regiones similares en genomas, o para organizar genomas con características genéticas similares en grupos o clústeres. Existen diversas métricas de comparación utilizadas en la literatura, las cuales utilizan diferentes principios para medir la similitud. Una de las más utilizadas en genómica es la similitud de Jaccard, la que se basa en teoría de conjuntos y evalúa la presencia o ausencia de elementos en los dos conjuntos a comparar para indicar qué tan similares son. Otra métrica utilizada es la divergencia de Jensen-Shannon, que usa información estadística asociada a la distribución de probabilidad de un genoma, que puede estar representado por más de una secuencia. En general, el procesamiento de genomas se realiza describiéndolos como un conjunto de substrings de largo k, llamados k-mers. Tanto el proceso de extracción de k-mers como el cálculo de similitud, son tareas computacionalmente desafiantes, debido al alto uso de memoria requerida por el volumen de datos asociado a datos genómicos y a la complejidad cuadrática del cálculo de similitud entre pares. Este trabajo presenta el diseño de algoritmos y aceleradores usando el paradigma de FPGAas-a-service para calcular la similitud entre genomas utilizando estructuras de datos probabilísticas o sketches. El primer acelerador realiza el cálculo de similitud Jaccard entre genomas, pudiendo calcular todas las similitudes entre los elementos de una base de datos o solo aquellos que tengan la posibilidad de superar cierto umbral, permitiendo así reducir significativamente la cantidad de operaciones a realizar. Después de la construcción de sketches, el acelerador puede calcular más de 96 millones de coeficientes Jaccard por segundo en una instancia f1.2xlarge de Amazon Web Services (AWS) con un FPGA XCVU9P, lo que presenta una aceleración de 58 veces sobre el estado del arte en software corriendo en una instancia c5.9xlarge. El acelerador es 27 veces más rápido que una implementación directa en GPU y 4 veces más rápido que una implementación optimizada en GPU, correspondiente a una adaptación del algoritmo diseñado para el FPGA. Ambas implementaciones en GPU fueron evaluadas en una instancia g5.4xlarge que cuenta con una GPU NVIDIA A10G. El segundo acelerador implementa el cálculo de similitud usando divergencia de Jensen-Shannon. El acelerador utiliza una estructura llamada arreglo de colas de prioridad (PQA), la cual almacena los elementos más frecuentes de un conjunto para el cálculo de entropía. Esta implementación alcanza una aceleración de 1, 9 veces comparada con la implementación del mismo algoritmo en GPU, en ambos casos usando las instancias f1.2xlarge y g5.4xlarge respectivamente.
Imagenología infrarroja para asistir la ejecución de acciones en el levantamiento de pesas.
(Universidad de Concepción., 2023) Viafora Reyes, Laura Antonieta; Torres Inostroza, Sergio; profesor guía
En este trabajo se aplica la técnica de “evaluación de calidad acción” y “estimación de pose” en videos infrarrojos (IR) sobre levantadores de pesas, para monitorear y asistir el trabajo de los entrenadores de deportistas de alto rendimiento en la tarea de reducir el riesgo de lesión producto de posiciones incorrectas durante la práctica. Se crearon 2 bases de datos (más de 80 videos) de los deportistas subiendo la barra con la técnica del “snatch” y “Clean & Jerk”. El procesamiento se hizo en “Python científico”. Se utilizo el algoritmo de “mediaPipe” de Google en las imágenes IR para identificar a los atletas y regiones de interés (ROI) de su cuerpo. Con esta información se calcular el grado de inclinación de la espalda, apertura de las rodillas y apertura de los codos. También se obtuvo la gráfica de la trayectoria de la barra olímpica. Por último, se estimó la temperatura promedio de múltiples zonas de interés.
Aleaciones súper austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en plantas térmicas concentradoras solares y salinas.
(Universidad de Concepción., 2023) Ramírez Briceño, Jesus Alfredo; Rojas Jara, David; profesor guía; Meléndrez Castro, Manuel; profesor guía
La siguiente investigación lleva por título “Aleaciones Súper Austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en Plantas térmicas Concentradoras Solares". El desarrollo de esta investigación parte del estudio de un acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO. En esta investigación se determinó el efecto del Nb como agente estabilizador y las temperaturas de tratamiento térmico optimas de recocido de precipitación sobre las propiedades de resistencia a la corrosión general y localizada. De acuerdo con esta investigación existen algunas incertidumbres e hipótesis si la adicción de otros elementos estabilizadores como (Nb, V y Ti), puedan incrementar las propiedades mecánicas, específicamente la resistencia al fenómeno de termofluencia sin promover la corrosión intergranular. La investigación del acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO y 709, crea una base científica y un reto tecnológico para el diseño de nuevos aceros inoxidables superausteníticos (A1 y A2) con modificación de Mo y adición de nuevos elementos estabilizadores. La investigación realizada se enfocó en el diseño, producción, caracterización y evaluación de dos tipos de aceros Súper Austeníticos con la adición de elementos estabilizadores y tierras raras. Los aceros desarrollados fueron evaluados frente a condiciones cíclicas de trabajo (temperatura y tiempo) a las cuales operan los sistemas de almacenamiento de energía solar (tanques de almacenamiento, tuberías y válvulas), como lo son altas temperaturas (550 °C) y medios agresivos (sal solar), para evaluar su comportamiento como solución al deterioro acelerado de estos materiales. Se utilizó la simulación termodinámica Thermo-Calc, con la finalidad de predecir las posibles fases secundarias intermetálicas (σ, chi, MX, M23C6 y Laves) y temperatura de aplicación de tratamientos térmicos. La producción de las dos aleaciones se enfocó en el estudio de la influencia de la concentración de Nb, Ti y V con respecto a las propiedades de termofluencia. Asimismo, se integró el Ce para el estudio o contribución a la resistencia a la corrosión a alta temperatura y sales fundidas. Las aleaciones producidas fueron formadas por Nb, V, Ti y Ce en un rango de 0.37 %, 0.09 %, 0.02 % y 0.009 % (A1) y 0.16 %, 0.34 %, 0.00 % y 0.01 % (A2) y composiciones de Cr, Ni, Cu, Mn, Si y Fe similares. Se realizaron caracterización en condiciones iniciales y de exposición, mediante microscopia óptica, MEB, RAMAN, AFM, XPS y DRX. Como principales resultados se tiene que la microscopía óptica en ambas aleaciones mostró inclusiones no metálicas de óxidos globulares tipo D2 y morfología de granos austeníticos equiaxiales con tamaño de grano ASTM6 y precipitaciones secundarias. Los aceros diseñados expuesto alta temperatura (800 °C y 110 h de exposición) presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.17 mg/cm2 y 2.49 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente, siendo su cinética de oxidación del tipo parabólica con valores de su contante cinética de 9.16 × 10-13 g2/cm-4s-1 y 3,40 × 10-11 g2/cm-4s-1, lo cual indica una excelente resistencia de los aceros a la exposición a alta temperatura. En lo que respecta a la exposición en sales fundidas (NaNO3 y KNO3) a 550 °C durante 720 h, ambas aleaciones diseñadas presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.0110 mg/cm2 y 0.0353 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente. Es decir, sus ganancias de masa son muy bajas lo cual es excelente para la aplicación en plantas térmicas solares. Por otra parte, las propiedades mecánicas de tracción, dureza y termofluencia presentadas en las aleaciones A1 y A2 son excelentes y comparables al acero comercial 709. Destacándose la aleación A1 con altos tiempo de ruptura en ensayos de termofluencia en el orden de 1190 h a condiciones de 720 h – 150 MPa. De manera general, 1) la adición de elementos estabilizadores como Nb, V, Ti aumentaron la resistencia a la termofluencia de las aleaciones mediante el mecanismo de endurecimiento por precipitación (NbMX, TiMX y VMX) y 2) la adicción de Ce por debajo de 0.01 ppm modifica la microestructura de las aleaciones, resistencia a la oxidación y produce un refinamiento de la estructura dendrítica.
Modelado de estados en la dinámica de las redes cerebrales en estado de reposo.
(Universidad de Concepción., 2023) Hernandez Larzabal, Hernan; Guevara Álvez, Pamela Beatriz; profesora guía; EL-Deredy, Wael; profesor co-guía
La dinámica de las redes cerebrales en estado de reposo (RSNs) es objeto de intensa investigación como posible predictor del estado cognitivo y conductual actual y futuro. Para modelar la actividad cerebral regional como una combinación lineal de la actividad pasada en todas las demás regiones se utilizan Autoregresores Multivariados (MAR). Los coeficientes del MAR se toman como estimaciones de la conectividad efectiva de la red cerebral. Sin embargo, la suposición de estacionariedad junto con el gran número de coeficientes, hace que el MAR sea poco práctico para la estimación precisa o eficiente de las redes a partir de series de tiempo de neuroimagen estándar con duración limitada. El método propuesto en esta tesis, HsMM-MAR-AC, es un modelo novedoso, híbrido, discreto-continuo y disperso para la estimación eficiente de redes cerebrales efectivas dependientes del tiempo, a partir de series de tiempo de actividad cerebral no estacionarias. Los estados cerebrales discretos cuasi estacionarios y el rápido cambio entre ellos se modelan mediante un Modelo Semi-Markov Oculto cuyas emisiones continuas se extraen de un MAR disperso. Los coeficientes dispersos del MAR se restringen mediante información de Conectividad Anatómica Cerebral de dos formas: i.) la conectividad directa efectiva entre dos regiones cerebrales solo se considera si existe la conexión anatómica correspondiente y ii.) el retraso asociado con cada conexión directa se calcula en función de la longitud promedio de las fibras entre las dos regiones, de manera que solo se estima un retraso por conexión. Se evaluó el rendimiento de HsMM-MAR-AC en base a la recuperación de las redes en estado de reposo (RSN) en señales simuladas de actividad cerebral. Se exploraron diferentes duraciones y diferentes umbrales de restricciones anatómicas. Los resultados demostraron que HsMM-MAR-AC recupera las RSNs de manera más precisa que el método de la ventana deslizante, con tan solo 4 minutos de datos. Además, los resultados muestran que con restricciones anatómicas menos estrictas, se necesitan series de tiempo más largas para estimar las redes, lo cual se vuelve computacionalmente inviable sin restricciones anatómicas. Adicionalmente, se aplicó el modelo HsMM-MAR-AC a datos reales de dos grupos de sujetos con edades diferentes. Un grupo con edades entre los 22 y 25 años y otro grupo con edades entre los 31 y 35 años. Los resultados demostraron que la red de modo por defecto (DMN) tiene una duración significativamente mayor en el caso de los sujetos de 31 a 35 años. Además, las conexiones entre las regiones de la DMN son más fuerte en el grupo de 31 a 35 años. HsMM-MAR-AC ofrece un modelo eficiente para estimar la conectividad efectiva dependiente del tiempo a partir de datos de neuroimagen, que aprovecha las ventajas de los modelos de Markov ocultos y MAR sin problemas de identificabilidad, una demanda excesiva en la recopilación de datos, ni esfuerzos computacionales innecesarios.
Modelación de sistemas de refrigeración basados en R744 (CO2) para supermercados en Chile.
(Universidad de Concepción., 2023) Sacasas Suárez, Daniel; Cuevas Barraza, Cristian Alberto; profesor guía; Blanco Machín, Einara; profesora co-guía
La presente investigación se basa en la necesidad de Chile de incluir soluciones rentables y amigables ambientalmente ante los refrigerantes empleados (R404A) en sistemas de refrigeración para supermercados. Como solución, se presentan los sistemas transcríticos con R744 que presentan bajos desempeños a temperaturas ambientes por encima de 15°C. Dada la variabilidad climática de Chile, una adecuada evaluación es necesaria. Este estudio tiene como objetivo evaluar varios sistemas transcríticos para sustituir los sistemas convencionales de expansión directa (DXS-R404A) en 18 ciudades representativas de cada región de Chile, a través de un análisis multidimensional (energético, ambiental y económico), basado en la modelación robusta de sistemas. El estudio considera un supermercado mediano con 2,500 m2 de área de ventas con una demanda de refrigeración de 140 kW y 40 kW en los evaporadores de media (MT) y baja temperatura (LT), respectivamente. Tomando como referencia el sistema convencional con R404A (DXS), se proponen los siguientes sistemas transcríticos: Booster (BB); Booster en Paralelo (BP); BP con evaporadores MT sobrealimentados (Ov) (BP+MT-Ov); BP con Multi-eyectores (BP+ME+MT-Ov); y BP con Multi-eyectores y ambos evaporadores MT y LT sobrealimentados (BP+ME+MT-Ov+LT Ov). Cada sistema es evaluado mediante la integración de los modelos de cada equipo, donde los equipos críticos son evaluados con modelos semi-empíricos y los no críticos mediante modelos termodinámicos. Como aporte científico, se modificaron y crearon modelos semi-empíricos basado en principios físicos para los compresores a pistón y scroll, gas cooler/condensador, y multi eyectores, complementado con un sistema de control para estos. Se descubre la mejor forma de modelar el condensador con R744 en 3 zonas discretizando la zona sobrecalentada en 8 subzonas, mientras que el gas cooler es discretizado con un modelo de 4 zonas, delimitadas por los cambios en las propiedades termo-físicas del refrigerante. El modelo del sistema Booster es validado con 2.4% de error en el COP, logrando reducir los errores de los modelos termodinámicos existentes en 3.5%. Se revela que en Chile, los sistemas transcríticos reducen el consumo anual del sistema convencional en un: 5% (BB), 8% (BP), 15% (BP+MT-Ov), 20% (BP+ME+MT-Ov) y 21% (BP+ME+MT-Ov+LT-Ov), acompañadas de reducciones ambientales del DXS en un 77% y un 86%. Sin embargo, comparado con el DXS, con el sistema BB y BP nunca se logra recuperar la inversión inicial, mientras que con los sistemas BP+MT-Ov, BP+ME+MT-Ov y BP+ME+MT-Ov+LT Ov, la inversión se recupera en 7.4, 7.4 y 6.7 años, respectivamente. No se cumple la hipótesis inicial dado que no se encontraron sistemas transcríticos con un período de recuperación de inversión menores a 3 años. Pero si se considera un tiempo menos optimista, de 8 años, se identifican las siguientes soluciones: desde Magallanes hasta Ñuble, el sistema BP+MT-Ov; entre el Maule y Coquimbo, el BP+ME+MT-Ov; desde Atacama hasta Arica y Parinacota, el BP+ME+MT-Ov+LT-Ov. Con el análisis exergoeconómico, se identificaron las posibles mejoras para reducir los elevados costos exergoeconómicos de los sistemas transcríticos: adquirir los compresores a un menor precio, mejorar el diseño del gas cooler/condensador, aumentar el rendimiento de los eyectores y aumentar la temperatura de evaporación de los evaporadores.
Desarrollo y producción recombinante de un péptido bloqueador de TNF para el tratamiento de trastornos autoinmunes inflamatorios.
(Universidad de Concepción., 2023) Aguilar Domínguez, Pedro Pablo; Sánchez Ramos, Oliberto; profesor guía; Zaror Zaror, Claudio; profesor guía
El Factor de Necrosis Tumoral (TNF; de sus siglas en inglés, tumor necrosis factor), se ha transformado en una importante diana terapéutica para el tratamiento de trastornos autoinmunes inflamatorios. A la fecha, existen 5 biofármacos bloqueadores de TNF aprobados por la FDA que corresponden a proteínas de fusión y anticuerpos monoclonales. A pesar de los resultados terapéuticos informados, estos biofármacos poseen desventajas que limitan su uso, entre ellas: (i) deben ser producidos en cultivos de células de mamíferos, a un elevado costo de producción, (ii) son moléculas considerablemente grandes (~150 kDa), lo que limita la penetración de tejidos y condiciona el uso de altas dosis, (iii) tienen altos precios de mercado (~100 000 dólares/año, para una terapia individual), lo que implica que menos del 10% de los pacientes tenga acceso a este tipo de terapia. Para solucionar estas limitaciones, el Laboratorio de Biofármacos Recombinantes (LBR), de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Concepción, empleando la tecnología de Phage Display, ha desarrollado un péptido de unión a TNF (CBB288) con capacidad bloqueadora. Los péptidos, como potenciales bioactivos, suelen ser selectivos, poco tóxicos, y con un tamaño molecular (≤5 kDa) que permite el uso a bajas dosis respecto a los anticuerpos monoclonales. Como limitante, es conocido que existe una escasa optimización de operaciones a escala industrial para sintetizar péptidos, resultando la síntesis química de péptidos en un proceso caro y poco sustentable que genera un exceso de residuos tóxicos. En este marco, el avance de la biotecnología ofrece variantes con buena combinación de costo-sustentabilidad, donde sobresale la expresión de proteínas en Escherichia coli. En este trabajo, tres etapas fundamentales fueron establecidas para producir el r-CBB288, en una primera etapa de fermentación se expresaron copias repetidas del CBB288 en forma de tándem, luego, para obtener el péptido recombinante se realizó una proteólisis asistida con hidroxilamina (HX) y posteriormente para purificar el péptido se utilizó una cromatografía de exclusión molecular (CEM). Las tres operaciones se evaluaron mediante diseño experimental para analizar la influencia de los principales parámetros operacionales sobre las variables respuestas más importantes. En el caso de la CEM, resulta válido aclarar que las operaciones de purificación en los procesos biotecnológicos constituyen alrededor del 70% del costo total de producción, motivo por el cual estas operaciones deben ser optimizadas con rigor, para evitar afectaciones en la factibilidad del proceso. En este sentido, para la CEM se desarrolló un modelo fenomenológico que permite describir la operación e inferir el comportamiento a dimensiones requeridas. Para demostrar que el r-CBB288 conserva la capacidad unirse al TNF, ensayos de Termoforesis en Microescala (TMS) determinaron las constantes de disociación (Kd) respecto a la diana molecular. Además, ensayos MTT se llevaron a cabo para demostrar el bloqueo de la actividad citotóxica del TNF. Por otra parte, se demostró que la alternativa del péptido sintético no presenta diferencias respecto a su homólogo recombinante en cuanto a afinidad, para esto se realizó un estudio de simulación in silico desarrollado mediante dinámica molecular. Finalmente, un análisis técnico-económico del proceso se ejecutó mediante la herramienta de simulación computacional SuperPro Designer. Los resultados obtenidos sugieren que el péptido diseñado previamente CBB288 puede ser obtenido a partir de un proceso recombinante y utilizado en futuros estudios biomédicos relacionados con las patologías de inflamación crónicas.
Diseño de aleación de alta entropía de alto desempeño mecánico en condiciones de bajas y altas temperaturas para aplicaciones energéticas y aeroespaciales.
(Universidad de Concepción., 2023) Oñate Soto, Angelo Giovanni; Rojas Jara, David; profesor guía; Melendrez Castro, Manuel; profesor guía
Debido al continuo avance tecnológico y a los crecientes requerimientos de la industria moderna, es necesario buscar materiales de alto rendimiento para satisfacer las necesidades industriales actuales como la automotriz, aeroespacial y energética, que enfrentan claras limitaciones en las condiciones de fabricación y en los requerimientos de los materiales. Además, para obtener materiales de alto rendimiento, se han tenido que buscar nuevas metodologías de diseño. Ejemplo de lo anterior son las aleaciones de alta entropía. Su diseño requiere la consideración de variables no convencionales o no contempladas en la metodología CALPHAD. Una de estas variables son los rangos de estabilidad de los electrones de valencia, que están acoplados al factor de empaquetamiento atómico. Adicionalmente, el diseño de materiales progresivos esta involucrando el aprendizaje automático como método predictivo de aleaciones complejas. En este contexto, se han diseñado, fabricado y caracterizados materiales metálicos complejos, que incluyen un acero avanzado de alta resistencia mecánica y aleaciones de alta entropía con mecanismos de refuerzo mecánico. Estos materiales buscan satisfacer las necesidades de las industrias mencionadas, y ofrecen una solución prometedora para mejorar el desempeño de los componentes y sistemas utilizados en ellas. El diseño se realizó utilizando CALPHAD, análisis exploratorio de datos y aprendizaje automático para las aleaciones de alta entropía. Se estudiaron los mecanismos de refuerzo por plasticidad inducida y precipitación mediante caracterización microestructural y mecánica en múltiples escalas para aplicaciones energéticas y aeroespaciales. Como principales resultados en el acero avanzado de alta resistencia mecánica se obtuvo posterior al tratamiento de temple y partición una retención máxima de austenita de un 10.75% con una absorción de energía indirecta (tolerancia al daño) de 30.55 GPa%. Además, se ha observado que la estabilización de la austenita retenida se ve afectada por el espesor de la muestra debido a la cinética de difusión durante el proceso de partición. Esto se debe a que, a medida que aumenta el espesor, la muestra experimenta una menor homogeneidad de temperatura a lo largo del tiempo debido a la transferencia de calor. Los principales resultados obtenidos en las aleaciones de alta entropía consistieron en nuevos rangos de estabilidad basados en la concentración de electrones de valencia (VEC por sus siglas en inglés) acoplado al factor de empaquetamiento atómico para la predicción de fases. La resistencia a bajas y altas temperaturas de la aleación de alta entropía diseñada Fe36.29Cr28.9Ni26.15Cu4.17Ti1.67V2.48C0.46 es destacable entre la media de las aleaciones de alta entropía FCC, incluso en su condición salida de fundición. La aleación presentó una resistencia al impacto a -196°C de 103.01 J y de 93.195 J para una temperatura de 25°C debido a refuerzo por plasticidad inducida mixta TRIP/TWIP. La resistencia al daño obtenida a temperaturas de 600°C fue de 30.06 GPa% y a temperatura ambiente de 47.64 GPa%, siendo una aleación apta para aplicaciones a altas temperaturas y a temperaturas extremadamente bajas. La aleación de alta entropía Fe37.37Cr26.38Ni7.44Cu6.41Mn17.59Nb1.17C3.63 resulto en una aleación eutéctica de grano ultrafino con refuerzo de fase B2 principalmente. La resistencia al daño en la condición solubilizada parcialmente fue de 37.20 GPa%, el refuerzo mecánico proporcionado por la fase B2 y grano ultrafino son prometedores, sin embargo, es requerido un mayor control sobre la fase Laves.
Caracterización del ensuciamiento y determinación de la calidad superficial óptima del vidrio sola expuesto a condiciones desérticas.
(Universidad de Concepción., 2023) Tobosque Pereira, Pablo Sebastian; Carrasco Carrasco, Claudia Andrea; profesora guía
En la última década, se ha observado un incremento a nivel mundial del consumo de energía debido principalmente al crecimiento de la población y al desarrollo urbano. Organizaciones internacionales y muchos países se han puesto como meta suplir esta demanda energética con el menor perjuicio ambiental posible. En este contexto, la energía solar ha concentrado la mayor atención, debido a la gran disponibilidad del recurso y la baja en los costos de los módulos fotovoltaicos. El principal problema que enfrenta la tecnología solar es la disminución de la eficiencia debido a factores externos como por ejemplo el ensuciamiento o “soiling”. Esto último dificulta la implementación de soluciones universales, haciendo necesario el estudio de sus respectivas características. Al igual que en el resto del mundo, Chile ha experimentado un gran desarrollo en la energía fotovoltaica. Sin embargo, el ensuciamiento sólo se ha abordado mediante algunas investigaciones que tratan la temática desde el punto de vista de sus efectos en la producción de energía, dejando de lado su estudio fenomenológico. En esta tesis se realiza un estudio del fenómeno del ensuciamiento en el desierto de Atacama. Inicialmente, se identificaron sitios de interés para realizar ensayos de campo con la finalidad de estudiar el desempeño de distintos tipos de vidrios protectores de módulos solares y las características fisicoquí-micas del ensuciamiento depositado en condi-ciones reales. Paralelamente, se registraron variables climáticas para evaluar su relación con las características del ensuciamiento en los sitios de interés. Posterior a esto se desarrolló una técnica de mitigación pasiva del ensucia-miento, la cual fue probada en condiciones de laboratorio, mostrando resultados prometedores. Los resultados mostraron que algunas características del ensuciamiento tienen una dependencia estacional, como por ejemplo la cantidad de polvo depositado. Adicionalmente se observó que existen periodos de tiempo donde las condiciones climáticas favorecen el depósito de polvo. La modificación superficial realizada a los vidrios protectores mediante decapado químico, mostró ser una técnica de mitigación eficaz y sencilla.
Explicit feedback for congestion control in Science DMZ cyberinfrastructures based on programable data-plane switches.
(Universidad de Concepción., 2023) Vega Caicedo, Christian Fernando; Figueroa, Miguel; profesor guía; Pezoa, Jorge; profesor guía
Diariamente, se genera una gran cantidad de datos científicos en diferentes áreas del conoci-miento. Los desafíos de investigación son cada vez más sofisticados y demandan una mayor cantidad de información para tomar decisiones, y además, las herramientas tecnológicas están cada vez más al alcance de los investigadores. En muchos casos, esta información debe ser recopilada y procesada, y transmitida entre diferentes centros de investigación ubicados a considerable distancia. Se recurre Internet y otras ciber infraestructuras dedicadas para lograr este objetivo. La transferencia de información científica entre sitios remotos implica desafíos en el rendimiento, la seguridad, la coexistencia y la asignación de recursos. Por lo tanto, ESnet propuso el concepto de Science DMZ que proporciona patrones de diseño para un entorno de red optimizado para intercambiar datos científicos. Debido a su naturaleza, los flujos de datos científicos masivos son orientados a la conexión, demandando un alto y constante tasa de transmisión, con baja latencia y variabilidad deseables, para alcanzar tiempos de transmisión razonables. Esto impone desafíos fundamentales al diseño de la red, especialmente en los mecanismos de control de congestión, estimación de los buffers y detección de anomalías, temas objeto de estudio de la presente tesis. Esta disertación aborda dos tecnologías disruptivas para responder a estos desafíos: modelos impulsados por datos y dispositivos programables en el plano de datos. Las soluciones fueron evaluadas empleando redes de producción y testbeds utilizando dispositivos reales de enrutamiento y procesamiento en el plano de datos. Los resultados mostraron que las soluciones desarrolladas podrían mejorar efectivamente el rendimiento de las redes académicas y adaptar efectivamente los patrones de diseño de Science DMZ a redes no dedicadas.

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