Doctorado en Ingeniería de Procesos
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- Observabilidad y diseño de observadores no-lineales en producción de biocombustibles(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2022-05) Flores Mejía, HilarioUno de los mayores obstáculos para el diagnóstico, monitoreo y control de bioprocesos es la ausencia de sensores para la medición de variables clave que tengan las siguientes características: (i) en línea, (ii) confiables, (iii) no intrusivos, (iv) esterilizables, y (v) con buenas propiedades de robustez. Las variables clave en la mayoría de bioprocesos incluyen la carga orgánica, las especies de microorganismos, las concentraciones de metabolitos o productos intermedios y las velocidades de reacción. En la literatura se han propuesto los sensores suaves u observadores de estados para la estimación de estados no medibles en una gran cantidad de bioprocesos. Un observador de estados es un sistema dinámico que reconstruye estados no medidos de un sistema con base a un modelo dinámico del sistema y de las mediciones disponibles. Un análisis previo al diseño del observador es la propiedad de observabilidad, la cual se ha estudiado usando diferentes aproximaciones. Sin embargo, la más común es la que se basa en el criterio de observabilidad con base a una linealización del modelo original en un punto de operación dado, por lo general en los puntos de equilibrio del proceso. En la actualidad estas técnicas se han complementado con otras técnicas de diferentes áreas, como los diagramas de inferencia. Existe una gran cantidad de diseño de observadores, tales como los observadores clásicos de Luenberger y filtros de Kalman que garantizan convergencia asintótica de los estados estimados a los reales considerando un modelo perfecto y que se cumple la propiedad de observabilidad en su aproximación lineal. Para tratar con incertidumbres del modelo se han propuesto extensiones o modificaciones a los observadores anteriores, así como otras propuestas tales como observadores difusos, adaptables, y de tipo modo deslizante. El interés de este proyecto de investigación doctoral es profundizar en el estudio de la observabilidad y el diseño de los observadores más adecuados para bioprocesos en producción de biocombustibles. En particular, la investigación se centra en tres aspectos: (i) El análisis de observabilidad no-lineal con base a diferentes enfoques reportados en la literatura. (ii) La variabilidad de las propiedades de la observabilidad en diferentes regiones de operación. (iii) La aplicación de diferentes técnicas de estimación de estados a diferentes casos de estudio. Debido a su relevancia e interés actual, la clase de bioprocesos considerados son los biocombustibles, sin embargo, las metodologías y resultados reportados se espera que sean aplicables a una amplia clase de bioprocesos.
- Intensificación del proceso electroquímico para la remoción de cromo en residuos líquidos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2022-05) Yáñez Varela, Juan AntonioEl cromo es un metal comúnmente utilizado en la industria galvanoplástica, la cual genera aguas de enjuague que contienen concentraciones de cromo hexavalente por encima de las permisibles por la regulación ambiental. Varias alternativas de tratamiento se han propuesto para atacar este problema, de donde destacan los métodos electroquímicos. Entre estos últimos, un proceso atractivo es el que utiliza electrodos de hierro, los cuales son fuente para la generación electroquímica in situ del agente reductor, que químicamente reduce al cromo en el seno del líquido, de su estado hexavalente a trivalente. El efluente, pasa a un tanque de mezclado para propiciar la precipitación de los metales en hidróxidos metálicos, mediante el incremento del pH del medio, con la finalidad de separarlos del agua tratada. En este trabajo se presentan distintas estrategias para intensificar este proceso de tratamiento, con la finalidad de mejorar el desempeño hidrodinámico del reactor electroquímico y la etapa de precipitación. Para la evaluación del comportamiento de los procesos, tanto en el reactor electroquímico como en el de precipitación, se realizaron pruebas experimentales en reactores de mezcla completa y de jarras, las cuales se complementaron con estudios mediante la dinámica computacional de fluidos, para integrar la información del desempeño de los procesos bajo los diferentes escenarios probados. El capítulo dos detalla el estudio realizado mediante herramientas de dinámica computacional de fluidos al reactor electroquímico de anillos rotatorios, el cual ha mostrado altas eficiencias de remoción de cromo hexavalente en aguas contaminadas. Esta parte del proyecto da a conocer cuál es el enfoque de modelado más apropiado para simular la hidrodinámica que se desarrolla dentro del reactor. Se realiza la comparación de los resultados predichos por tres variantes del modelo de turbulencia κ-ε (standard, RNG y realizable) acoplado al modelo de múltiples marcos de referencia para simular la rotación del electrodo. También se evalúa el efecto de la posición de las fronteras del marco de referencia rotacional respecto a las fronteras del marco de referencia estacionario. Se demuestra que la predicción con el modelo κ−ε realizable en conjunto con la posición a 0° genera los resultados con mayor acercamiento a las mediciones experimentales de tiempo de mezclado obteniendo un 6% de error. En el capítulo tres se muestran los resultados de la incorporación de una novedad, la cual consiste en un reactor equipado con el electrodo estático de electro-deflectores agitado por dos impulsores de alabes inclinados, conocido como PBT. Los resultados de esta modificación se comparan respecto a los obtenidos con el desempeño del reactor electroquímico equipado con el electrodo dinámico de anillos rotatorios. La comparación se realiza de forma teórica para evaluar sus diferencias en cuanto a su desempeño hidrodinámico, y experimental para conocer su eficiencia frente a la reducción de cromo hexavalente. Para realizar la comparación, los reactores se operaron a la misma velocidad de agitación y al mismo número de Reynolds. Los resultados del análisis hidrodinámico muestran que el arreglo de electro-deflectores estáticos junto con el par de impulsores permite mejorar el tiempo de mezclado en 36%, incrementando la eficiencia hidráulica en 85% cuando el reactor se opera al mismo número de Reynolds. Se evidencia que la capacidad de circulación del reactor afecta directamente la tasa de reducción de cromo hexavalente, ya que los tiempos de tratamiento tienen una tendencia parecida a los tiempos de circulación axial. También se muestra que hay una reducción del consumo energético de al menos un 21% cuando el reactor es equipado con los electro-deflectores y el sistema de agitación de dos impulsores. En el capítulo cuatro se evalúan las condiciones de operación del reactor electroquímico, como son: configuración geométrica del electrodo, velocidad de agitación e intensidad de corriente. Para evaluar el cambio en la configuración del electrodo se utiliza el electrodo de anillos estáticos y electro-deflectores. Al operar el electrodo con anillos estáticos también se evalúa la necesidad de incorporar deflectores convencionales. Los sistemas de agitación del reactor están compuestos por dos impulsores PBT, de los cuales también se evalúa la separación entre ellos. Al realizar las simulaciones se consideró la interacción de la interfase líquido-gas. Los resultados revelan que por la posición de los impulsores es necesario tomar en cuenta en el modelo la interacción líquido aire para obtener una predicción más realista del patrón de flujo en la configuración de electro-deflectores. Resultado de los estudios, se obtuvo que la configuración con menor consumo energético fue la de los electro-deflectores con una separación entre impulsores igual a su diámetro pues sus características geométricas e hidrodinámicas le permiten ser más eficiente. En este sistema se exploró el efecto de la velocidad de agitación y de la intensidad de corriente. La velocidad de agitación aumenta la tasa de reducción de cromo hexavalente, hallando su límite en 300 rpm. En esta velocidad de agitación se exploró el efecto de la intensidad de corriente, de donde se encuentra una dependencia lineal del consumo energético del reactor respecto a esta variable en el rango evaluado. En el capítulo cinco se estudia la etapa de precipitación. Los estudios se realizan en un sistema de jarras agitado con dos tipos de impulsores, uno radial y otro axial. Se realiza la evaluación del efecto del pH al que se ajusta el efluente para realizar la precipitación en los valores de 4, 6, 7 y 9. Los resultados muestran que después de precipitar el agua tratada a un pH = 9.0, se obtiene un clarificado con pH neutro y se logran precipitar todas las especies. Se evalúa también el ambiente hidrodinámico de las jarras de forma experimental y numérica, determinando que el impulsor radial disipa mayor energía turbulenta respecto al impulsor axial. Por lo anterior, el impulsor axial propicia un ambiente hidrodinámico favorable para el desarrollo de los flóculos, lo que se traduce en velocidades de sedimentación mayores con respecto a las alcanzadas cuando la jarra se opera con el impulsor radial. Además, el impulsor axial consume solo el 50% de la energía que consume el impulsor radial.
- Bioproceso para obtener ácido cítrico, a partir de un material lignocelulósico(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2021-03) Guzmán Gil, RaymundoEl propósito de este estudio fue desarrollar un proceso biotecnológico para producir ácido cítrico, mediante la biorreacción de residuos de Opuntia ficus indica, como materia prima, a partir del Residuo Agroindustrial generado en la Alcaldía Milpa Alta, Ciudad de México. Los hongos Pycnoporus cinnabarinus y Aspergillus niger realizaron los procesos de biorreacción en biorreactores homogéneos. La eficiencia de la deslignificación con Pycnoporus cinnabarinus se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 4 y 6, temperaturas de 30° C y 50° C; y tamaño de partículas de 0.074 mm y 0.25 mm, y la eficiencia de la biotransformación con Aspergillus niger se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 2 y 4, 20 g/L y 30 g/L de celulosa, y concentraciones altas y bajas de metales traza: Cobre (Cu), Manganeso (Mn) y Zinc (Zn). La deslignificación y la producción de ácido cítrico se evaluó mediante espectroscopía IR y los efectos de los factores y sus interacciones se evaluaron mediante el análisis de varianza (ANOVA). Además, durante las biorreacciones se mantuvo bajo control el pH, el oxígeno disuelto (OD) y el potencial de óxido reducción (ORP), así como las concentraciones de biomasa y de carbohidratos reductores totales, para su determinación se utilizaron los métodos de Bradford y del ácido 3,5-Dinitrosalicílico (DNS) respectivamente. Mediante el análisis de la espectroscopía IR se midieron los porcentajes de deslignificación, logrando alrededor del 67 % de deslignificación durante las biorreacciones. La cantidad máxima de ácido cítrico obtenida fue de 6.2 g/L en las condiciones de operación optimizadas, a partir de 20 g de celulosa, y los valores de las constantes asociadas a la formación de producto fueron α de 2.91, β de 4.28, μm de 0.1362 d-¹, ks de 0.603 g sustrato/l, kd de 0.0102.
- Caracterización y modelado de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2020) Vian Pérez, José GuadalupeLa generación y deficiente disposición de residuos sólidos urbanos es una problemática ambiental y de salud pública. Ante esto es necesario generar tecnologías de valorización energética de los residuos o implementar las ya existentes. En este breve contexto, el objetivo del presente trabajo fue caracterizar una nueva configuración de reactor para el tratamiento anaerobio de residuos de frutas y verduras (RFV). El reactor consiste en un dispositivo tubular que consta de diferentes secciones que son: un lecho de lodos, una sección buffer y una sección de empaque de RFV. En este trabajo, primero se evaluó el desempeño del Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente Empacado con Lecho de Lodos (RAFAELL). El reactor presentó 67 % de remoción de sólidos y la productividad de metano fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹, que es similar a la reportada para sistemas de dos etapas que tratan RFV con velocidades de carga orgánica mayores a 5 g SV∙L-¹∙d-¹. El desempeño óptimo del reactor fue alcanzado operando con una velocidad superficial de 1.4 m·h-¹ y un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 10 d; los valores de los parámetros de operación y control fueron: pH de 6.5 – 8, velocidad de carga orgánica de 10 g SV∙L-¹∙d-¹ y temperatura de 35 °C y. A estas condiciones, la productividad de metano que se obtuvo fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹. Posteriormente se determinó experimentalmente la distribución de tiempos de residencia en el reactor con la finalidad de conocer su patrón de flujo. En todos los casos, el patrón de flujo se encontró en uno intermedio entre flujo pistón y mezcla completa, esta información permite confirmar que existe una separación de etapas en el reactor. Se encontró como fuente principal de retromezcla el flujo de biogás, la concentración de sólidos en el lecho de lodos y la zona de empaque de residuos, sin embargo, este efecto es minimizado al incrementar la velocidad superficial de la fase líquida. El patrón de flujo fue descrito satisfactoriamente a través de un modelo de dispersión axial considerando también la presencia de zonas de estancamiento. Por otro lado, se analizó la cinética de degradación anaerobia de RFV, encontrando efecto significativo del tamaño de partícula y composición del sustrato sobre la producción de metano. La digestión anaerobia de RFV con tamaño de partícula < 500 μm y con una fracción de fácil biodegradación de 0.73 presentó fenómenos de inhibición. La información permitió establecer un modelo matemático en el que las principales variables son el tamaño de partícula y la proporción de la fracción fácilmente biodegradable en el residuo.
- Recuperación de In y Sn a partir de paneles LCD residuales usando citrato como agente complejante(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2020) López Yañez, AdriánEn este trabajo se investigó un proceso de lixiviación amigable con el medio ambiente para la recuperación de indio y estaño a partir de residuos de paneles LCD. Se usó el ion citrato (C₆H₅O₇³-) como agente complejante y al ser un ligante orgánico es fácilmente degradable. Se caracterizó la morfología de las partículas de polvo obtenido de los residuos de paneles LCD y la composición atómica en dicho polvo-LCD antes y después de los procesos de lixiviación mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de dispersión de energía (EDS). La cantidad de indio (In), estaño (Sn) y hierro (Fe) presente en el lixiviado se determinó mediante una digestión en medio ácido y su posterior análisis en espectrometría de absorción atómica (AAS). Las condiciones termodinámicas que favorecen la recuperación u obtención de las especies de interés, en este caso In, se establecieron mediante el uso del software MEDUSA. Las condiciones de reacción para la lixiviación se determinaron experimentalmente variando la concentración de citrato al inicio de la reacción y utilizando un agente reductor u oxidante, empleando para dicho fin, hidracina (N₂H₄) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) respectivamente. Se encontró que la hidracina en una solución de citrato aumenta la eficiencia de la lixiviación de In. Sin embargo, se encontraron altas concentraciones de Sn y Fe con respecto al In en el polvo-LCD y a su vez compiten por el citrato. Por tal motivo, se implementó un pretratamiento utilizando solamente ácido sulfúrico (H₂SO₄) y pH = 1 en una primera etapa para eliminar el exceso de Sn y Fe, y posteriormente se realizó la lixiviación con una solución 1 M de ácido citrico, 0.2 M de hidracina, el pH se ajustó en 5 mediante una solución 7 M de hidróxido de sodio (NaOH) y una relación sólido:líquido (S:L) de 20 g∙L-¹, obteniendo una recuperación de In notablemente alta de aproximadamente el 99% después de 16.6 h.
- Effect of the rotating domain size in multiple reference frame simulations of two radial flow impellers in a baffled stirred tank(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-06) De La Concha, Aaróncomputational fluid dynamics (CFD) study was conducted in order to simulate the flow induced by both a turbine of four flat blades, and a high shear impeller (HSI) Norstone® type. The investigation was carried out in a stirred baffled-tank operating in laminar and turbulent flow conditions. To account for the rotation of the impeller-shaft array, the multiple reference frame (MRF) approach is employed, which in its core demands a demarcation for a surface separating the computational domain into two very distinctive regions: the rotating reference frame (RRF) and the static reference frame (SRF). This research project focuses specifically on investigating the role of the location of the separating surface over the accuracy of numerical approximations. To this end, several cylindrical volumes are constructed surrounding each of the impellers. In order to conduct simulations of the stirred-tank working at Reynolds numbers below 115, the laminar model was considered, whereas for Reynolds numbers above 21000, the standard κ-ε turbulence model was employed. To validate the digital replicas employed in the numerical simulations, power number measurements corresponding to laminar and turbulent flow regimes were obtained from a lab-scale cylindrical stirred-tank equipped with either of the two impellers previously mentioned. The computer results reveal that in the case of laminar flow, the position of the surface separating both regions for the two evaluated impellers do not have a substantial effect on the corresponding numerical approximations. However, its position influences numerical accuracy as the Reynolds number increases, i.e., the higher this is, the larger the RRF must be. The optimal extension for the RRF-region for the four flat blades impeller found in this work in turbulent flow were employed for reproducing satisfactorily experimental results of a published system. An analysis based on grid density for the two digital replicas built for this study, revealed that numerical power number values and local velocity profiles are more sensitive to changes in the extension of the RRF domain rather tan to an increase in the number of grid points for the mesh representing the stirred-tank system equipped with the four flat-blade turbine. On the other hand, in the case of the stirred-tank system equipped with the Norstone® impeller, sensitive changes were only substantial in the case of the velocity profiles.
- Intensificación de procesos de dispersión en sistemas agitados mecánicamente(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Martínez-De Jesús, GastónLos impulsores de alto corte (IAC) son muy utilizados en la industria de recubrimientos y pinturas para recuperar el tamaño primario de pigmentos (i.e. desaglomeración), sin embargo, los parámetros hidrodinámicos que caracterizan su desempeño son muy escasos en la literatura científica. Esto origina que el escalamiento y puesta a punto los proceso en los que se utilizan se ejecuten siguiendo reglas heurísticas y la experiencia de ingenieros de proceso. Por ello, en esta tesis, utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y mediciones experimentales de consumo de potencia, se comparan los parámetros hidrodinámicos de los IAC tipo Norstone, Hockmeyer y Cowles. El estudio se realizó en el régimen de flujo laminar y de laminar a transición (0.5≤Re≤263). Se considera la naturaleza newtoniana y no newtonianos de tipo pseudoplástico de los fluidos de proceso. Se obtuvieron los campos de velocidad, la dependencia de los números de potencia (NP) y de bombeo (NQ) respecto al número de Reynolds (Re). También se comparan sus capacidades de disipación viscosa de energía en regiones cercanas a la superficie de los impulsores. Este parámetro es de particular interés ya que está relacionado con la capacidad de desaglomeración de partículas. Los valores de disipación viscosa en la zona de contacto con la superficie de los impulsores fueron de utilidad para definir la zona de bombeo efectivo. La comparación de estos parámetros, a una misma potencia inyectada, indica que los impulsores tipo Norstone pueden generar los valores más altos de disipación viscosa, lo cual sugiere que este impulsor tendría un mejor desempeño con partículas difíciles de desaglomerar. Sin embargo, su capacidad de bombeo es la de menor magnitud. En impulsor Cowles presenta los valores más altos de bombeo y los valores de disipación viscosa en presencia de fluidos newtonianos es aproximadamente del 90%, mientras que con fluidos pseudoplásticos es cercana al 70% ambas comparadas con los tipo Norstone. El impulsor Hockmeyer presenta un desempeño intermedio. Tanto con la los fluidos newtoniano y pseudoplásticos, este genera cerca del 50% de la disipación respecto de los tipo Norstone, pero su capacidad de bombeo es aproximadamente el 70% del Cowles. Los datos de simulación indican que existe una relación inversa entre las capacidades de disipación de energía y la viscosidad del fluido de proceso. Para investigar el desempeño de los impulsores tipo Norstone con relación al tamaño de sus surcos, se evaluaron tres variantes de estos. El primero que presenta surcos de una profundidad de 3 mm, el segundo 1.5 mm y un disco plano. Los resultados numéricos indican que la función principal de los surcos es la generación de bombeo. Sin embargo, cuando se evaluaron altas velocidades de agitación, los surcos presentan valores de disipación viscosa comparable a los máximos generados por el Hockmeyer. Utilizando la metodología de Metzner y Otto adaptada a herramientas de CFD se obtuvieron las constantes de Metzner y Otto, la cuales son utilidad práctica para estimar la potencia de impulsores operando con fluidos pseudoplásticos. Además, para el Hockmeyer se obtuvieron datos experimentales de reducción de tamaños de partículas de polvos minerales, los cuales se relacionaron directamente con los datos numéricos de disipación viscosa. Y estos resultados fueron comparados con los generados por una turbina Rushton.
- Experimentación y modelado a escala de laboratorio y banco de los fenómenos cinéticos, de adsorción y partición en un sistema roca-fluido-aceite en una prueba de trazadores de pozo único(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016-03) Otero Lopez, Martha LeticiaEsta investigación tiene como objetivo esclarecer algunos fenómenos que se involucran en una prueba de trazadores de pozo único: cinética química, adsorción y partición del acetato de etilo. Se utilizaron agua de formación sintética, aceite residual y roca de yacimiento (dolomita) de un campo situado en el sureste de México para los experimentos llevados a cabo en los sistemas a escala de laboratorio y banco. Se realizaron un conjunto de experimentos independientes diseñados para calcular el coeficiente de partición entre el acetato de etilo en agua de formación y el aceite residual, así como el desarrollo de un modelo cinético para la hidrólisis del acetato de etilo, la isoterma de adsorción del acetato de etilo y los modelos cinéticos para la adsorción del acetato de etilo en roca de yacimiento. Los experimentos fueron evaluados en un intervalo de concentraciones de 100-300 mmol L-1, condiciones similares a las utilizadas en el método de trazadores de pozo único. Todos los parámetros determinados a partir de estos experimentos fueron validados con los experimentos en el sistema trifásico, donde los fenómenos cinéticos químicos, de partición y adsorción se llevan a cabo al mismo tiempo; tanque agitado y lecho empacado. Se desarrolló un modelo pseudo-heterogéneo que considera tres fases constituidas por el agua de formación, la roca y el aceite residual que describe la interacción de los diferentes fenómenos involucrados. Los resultados pueden resumirse de la siguiente manera: (i) los coeficientes de reparto (KEA) obtenidos son aparentes variando en un intervalo entre 5 a 8, esto debido a limitaciones termodinámicas;(ii) el modelo cinético para la hidrólisis del acetato de etilo se desarrolló en condiciones básicas y ácidas, ya que en condiciones neutras la conversión de reacción es despreciable; (iii) el modelo de isoterma de Langmuir-Freundlich combinado y la cinética de Langmuir son los modelos que más se adecuan a los datos experimentales obtenidos al equilibrio y la velocidad de adsorción, respectivamente; (iv) la roca dolomita adsorbe cantidades significativas de acetato de etilo, obteniéndose una capacidad de adsorción máxima (qEAm) de 7 mmol.g-1 en las condiciones de estudio; (v)los fenómenos de adsorción del acetato de etilo sobre la roca dolomita se describen de forma más adecuada con un modelo cinético de adsorción que con el modelo de isoterma simplificado; (vi) los parámetros de partición, hidrólisis y adsorción evaluados en los experimentos independientes nos permiten describir los datos experimentales obtenidos en el sistema trifásico y el lecho empacado. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de considerar los mecanismos de partición, hidrólisis y adsorción en una prueba de trazadores de pozo único cuando se utiliza como trazador el acetato de etilo.