Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Control robusto de reactores continuos de tanque agitado para la producción de biohidrógeno(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018-11) Rodriguez Jara, MarianaUn tema relevante de hoy en día es el cambio climático, el cual se genera entre otras cosas por la gran cantidad de gases arrojados a la atmósfera, los cuales son precursores del efecto invernadero. Una fuente principal de estos gases de efecto invernadero son las emisiones de vehículos motorizados a través de la combustión de combustibles fósiles. Más aun, uno de los mayores desafíos de nuestro siglo es cubrir la demanda mundial de energía, debido al incremento de la población y al aumento del nivel de vida. Sumado a esto, las reservas de combustibles fósiles son cada vez menos accesibles a medida que se consumen las de fácil acceso, por lo que el precio de dicho combustible cada vez es más elevado. Con la finalidad de mitigar efectos ambientales y tener seguridad energética, se ha propuesto la producción del hidrógeno por medio de procesos biológicos. El hidrógeno es un combustible con alto contenido energético y durante su combustión solo se genera agua como producto resultante, lo que reduce en forma importante los efectos ambientales de los combustibles convencionales. El hidrógeno se puede producir mediante diferentes métodos. Uno de los más prometedores es por métodos biológicos, el cual emplea biomasa como materia prima. Con la producción del hidrógeno a partir de un sustrato se pueden obtener diversos beneficios, principalmente la obtención de energía limpia y la gestión de desechos. Sin embargo algunas desventajas de la producción de hidrógeno a partir de biomasa son los bajos niveles de producción de hidrógeno así como la tasa de degradación del sustrato. En consecuencia los procesos continuos son preferibles para el aumento en la producción a largo plazo. Se debe considerar que la operación convencional de procesos biotecnológicos continuos está sujeta a cambios importantes en la carga orgánica del sustrato, la actividad microbiana y las condiciones ambientales. Además, existe la necesidad de optimizar las condiciones para mejorar su productividad a largo plazo. Controlar un proceso biotecnológico puede ser un problema complicado debido a dificultades inherentes tales como la cinética no lineal y las incertidumbres del modelo. En este trabajo, se presentan dos métodos biológicos de producción de hidrógeno, la fermentación oscura y la fotofermentación, a los cuales se les implementa su optimización para la producción de hidrógeno en un CSTR. Además, para garantizar el proceso en las condiciones óptimas, se propone un enfoque de control robusto y práctico. Los resultados muestran que es posible mejorar la operación convencional y la producción de hidrógeno en reactores continuos.
- Optimización y control robusto de un digestor anaerobio de dos etapas para el procesamiento de vinazas de tequila(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Piceno Diaz, Ennio RafaelEn el presente trabajo se aborda el problema de optimización y control de un digestor anaerobio continuo de dos etapas, específicamente para el procesamiento de vinazas de tequila. El problema del tratamiento de estas aguas residuales es de gran importancia debido al impacto ambiental en función de los volúmenes de producción de tequila. Adicionalmente el recuperar el agua de desecho de los procesos de producción de tequila por medio de procesos de digestión anaerobia trae consigo como todo proceso de este tipo, la obtención de biogas que se traduce en la generación de bioenergía. El problema de optimización y control de procesos de digestión anaerobia es difícil por su naturaleza no lineal, el presente trabajo tiene como objetivo la mejora en la operación de estos equipos y/o procesos. Por lo que para este fin se aplicaron primero, técnicas de optimización no lineal para minimizar la demanda química de oxígeno (DQO) a la salida del sistema de reactores y para maximizar la producción de biogas, principalmente constituido por metano. Después de encontrar los valores óptimos de las variables de estado, se propusieron diseños de controladores basados en el método de compensación del error de modelado (MEC), modos deslizantes (SMC) y control predictivo no lineal (NMPC). Se consideraron los casos de regulación de DQO a la salida del sistema y también de regulación de AGV en cada reactor, esto último con el fin de mediciones más continuas de la salida de control. Los diseños resultantes se implementaron numéricamente y se obtuvieron resultados adecuados de los controladores MEC y NMPC, que cumplieron con los objetivos de regulación antes mencionados. Pero, para el caso de los controladores SMC los resultados no fueron aceptables debido a un comportamiento con sobredisparos en la variable manipulable. Finalmente en este trabajo se propusieron y analizaron los elementos para una futura implementación física de los controladores diseñados que presentan un comportamiento adecuado, en este caso el algoritmo MEC resultó el más atractivo.
- Análisis multiescala en procesos químicos y biológicos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Hernandez Aguirre, AlbertoLa creciente demanda de productos de alto valor agregado de bajo costo y de mayor calidad ha conducido a la industria química a la generación e implementación de sistemas de monitoreo y control robustos que les permitan alcanzar los estándares establecidos. Actualmente, el monitoreo de procesos se realiza de dos maneras, ya sea, mediante el uso de equipos costosos (cromatógrafos de gases y/o líquidos) o mediante muestras fuera de línea las cuales son caracterizadas usando técnicas de laboratorio. Entonces, el monitoreo de procesos requiere de altos costos y puede generar retrasos importantes, afectando la eficiencia del controlador. En las últimas décadas han surgido propuestas que se han centrado en el análisis de variables secundarias (e.g., temperatura, flujos, pH, conductividad, entre otros), en las cuales su medición es relativamente sencilla y de bajo costo. De hecho, se ha mostrado que el análisis de series de tiempo y/o imágenes brindan información que permite identificar etapas y/o fenómenos que son característicos del proceso estudiado, sugiriendo que es posible realizar el monitoreo indirecto en línea de variables claves del proceso. Particularmente, las metodologías basadas en descomposición multiescala han mostrado gran capacidad para identificar fenómenos que se conservan a diferentes escalas y detectar correlaciones entre variables del proceso lo cual indica la presencia de mecanismos deterministas contenido en los procesos estocásticos. Aunque existe un amplio marco de desarrollo y aplicación de estas metodologías en distintos campos de la ciencia e ingeniería, los trabajos reportados en el área de ingeniería de procesos, químicos y biológicos es limitado. Por lo cual, en este trabajo se plantea la evaluación de metodologías multiescala, tales como análisis de fluctuaciones sin tendencias (DFA), rango reescalado (R/S) y transformada de Fourier para la generación de guías de aplicación en el monitoreo indirecto de procesos.
- Control robusto de un reactor continuo para la producción de biobutanol(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017) Torres Quintanilla, ErickaEn años recientes ha surgido un interés renovado en la producción comercial de biocombustibles. El biobutanol es un biocombustible que es atractivo por sus propiedades de usarse sin grandes modificaciones como sustituto de la gasolina y generar una menor emisión de contaminantes. Una limitación de los biocombustibles es su alto costo de producción, lo cual se puede reducir al usar procesos continuos y que operen en forma adecuada. En este trabajo se presenta el diseño de un esquema de control robusto para la producción de biobutanol por medio de la fermentación ABE en un reactor continuo de tanque agitado. El proceso se describe por un conjunto de siete ecuaciones diferenciales ordinarias no-lineales que describen la dinámica de las variables principales de operación (Glucosa, Biomasa, Biobutanol, Butirato, Acetato, Acetona, Etanol). Con base a modelos que se obtienen por identificación empírica, se proponen esquemas de control que compensan incertidumbres del modelo (reducción y simplificación del modelo). El control resultante es simple y muestra buenas propiedades de robustez bajo diferentes escenarios. Debido a la naturaleza de los bioprocesos, se estudia además las propiedades de controlabilidad en forma numérica en diferentes regiones de operación.
- Modelado fenomenológico y computacional de la determinación de aceite residual en yacimientos naturalmente fracturados usando trazadores reactivos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015) Fernandez Alarcon, Aaron GerardoEn este trabajo se realiza el modelado fenomenológico del transporte de trazadores reactivos que es una herramienta comúnmente usada para describir los procesos que subyacen dentro de los yacimientos naturalmente fracturados. Esto con el objetivo de calcular el aceite residual remanente. Se usaron ecuaciones de transporte de masa y ecuaciones de equilibrio locales como punto de partida para el escalamiento de un modelo matemático global. Usando el teorema del promediado volumétrico, se estudiaron los fenómenos a una escala local y se promediaron en todo el sistema a partir de un volumen muestra representativo. Se compararon los modelos propuestos fenomenológicamente con los realizados con el método de escalamiento matemático del promedio volumétrico, llegando a ecuaciones análogas que representan físicamente lo mismo. Los fenómenos de transporte de masa en los dos dominios del sistema para la etapa de inyección del reactivo acetato de etilo, fueron la convección, reacción química y difusión molecular efectiva. En la etapa de reposo, es donde se lleva a cabo el fenómeno de la partición del reactivo A en el aceite residual, la adsorción en la roca, así como la difusión molecular efectiva entre los intersticios de la matriz porosa. En la etapa de salida o producción, las sustancias químicas que comprenden la prueba de trazadores reactivos salen del yacimiento naturalmente fracturado. Se realizó un programa en el software MATLAB, usando el método de diferencias finitas, dividiendo el sistema en dos dominios: la matriz porosa y la fractura. En la simulación se pudieron observar claramente los efectos de cada uno de los mecanismos del modelo propuesto. Así se concluye que los modelos presentados en este trabajo son aceptables para simular el comportamiento del acetato de etilo y el etanol dentro del sistema de estudio.