Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Efficiency of the removal of microcystin-LR by UV-radiation and hydrogen peroxide

ABSTRACT Due to the harmful effects associated with the presence of microcystin-LR (MC-LR) cyanotoxin, photo-degradation assays were performed in natural and distilled water using the combined action of ultraviolet (UV) radiation and hydrogen peroxide (H2O2). The effect of H2O2 content and UV irradiance was evaluated and optimized using a multilevel factorial design in distilled water spiked with 20 µg L-1 MC-LR. The coupled UV/H2O2 system under optimal operating conditions (0.63 mW cm-2 irradiance and 30 mg L-1 H2O2) was more effective than the individual action of UV irradiance or H2O2 content for 30 min of treatment time, since a reduction of 97.78% of MC-LR was achieved. After optimizing the operating conditions, they were applied for natural water, obtaining MC-LR removals similar to those achieved with distilled water (99.59 and 99.73%, respectively), reaching a final MC-LR concentration in both matrices well below the maximum recommended limit established by WHO for MC-LR in drinking water, fixed at 1 µg L-1. 15 mg L-1 of H2O2 were also tested, and although 98.08% of MC-LR elimination was found for a reaction time of 60 min, WHO advisable limit was not surpassed. The UV/H2O2 process could be considered as an alternative to the conventional processes water facilities are operating with to tackle the problem of fresh water pollution with cyanotoxins, providing the accomplishment of the whole set of water quality standards included in the legislation.

RESUMEN Debido a los efectos adversos asociados con la presencia de la cianotoxina microcistina-LR (MC-LR), se realizaron ensayos de fotodegradación en agua natural y destilada utilizando la acción combinada de la radiación ultravioleta (UV) y el peróxido de hidrógeno (H2O2). El efecto del contenido de H2O2 y la irradiación UV se evaluó y optimizó utilizando un diseño factorial multinivel en agua destilada enriquecida con 20 µg de L-1 MC-LR. El sistema acoplado UV/H2O2 en condiciones óptimas (0.63 mW cm-2 de irradiación y 30 mg de L-1 H2O2) fue más efectivo que su acción individual durante 30 min de tratamiento, ya que se logró una reducción del 97.78% de MC-LR. Después de optimizar las condiciones de operación, se aplicaron para agua natural, obteniendo remociones de MC-LR similares a las obtenidas con agua destilada (99.59 y 99.73%, respectivamente), alcanzando una concentración final de MC-LR en ambas matrices muy por debajo del límite máximo recomendado por la OMS para MC-LR en agua potable, fijado en 1 µg L-1. También se probó 15 mg L-1 de H2O2, y aunque se encontró un 98.08% de eliminación de MC-LR durante 60 min, el límite aconsejable de la OMS no se superó. El proceso UV/H2O2 podría considerarse una alternativa a los procesos convencionales de potabilización para abordar el problema de la contaminación del agua dulce con cianotoxinas, proporcionando el cumplimiento de los estándares de calidad del agua legislados.

A machine learning approach to support deep brain stimulation programming

ABSTRACT Adjusting the stimulation parameters is a challenge in deep brain stimulation (DBS) therapy due to the vast number of different configurations available. As a result, systems based on the visualization of the volume of tissue activated (VTA) produced by a particular stimulation setting have been developed. However, the medical specialist still has to search, by trial and error, for a DBS set-up that generates the desired VTA. Therefore, our goal is developing a DBS parameter tuning strategy for current clinical devices that allows defining a target VTA under biophysically viable constraints. We propose a machine learning approach that allows estimating the DBS parameter values for a given VTA, which comprises two main stages: i) A K-nearest neighbors-based deformation to define a target VTA preserving biophysically viable constraints. ii) A parameter estimation stage that consists of a data projection using metric learning to highlight relevant VTA properties, and a regression/ Classification algorithm to estimate the DBS parameters that generate the target VTA. Our methodology allows setting a biophysically compliant target VTA and accurately predicts the required configuration of stimulation parameters. Also, the performance of our approach is stable for both isotropic and anisotropic tissue conductivities. Furthermore, the computational time of the trained system is acceptable for real-world implementations.

RESUMEN Ajustar los parámetros de estimulación es un desafío en la estimulación cerebral profunda (DBS), debido a la gran cantidad de configuraciones disponibles. Como resultado, se han desarrollado sistemas basados en la visualización del volumen de tejido activado (VTA) producido por una configuración de estimulación particular. Sin embargo, el especialista todavía tiene que buscar, mediante ensayo y error, una configuración DBS que genere el VTA deseado. Por lo tanto, nuestro objetivo es desarrollar una estrategia de ajuste de los parámetros de DBS para los dispositivos clínicos actuales que permita definir un VTA objetivo bajo restricciones biofísicamente viables. Proponemos un enfoque de aprendizaje de máquina que permite estimar los valores de los parámetros de DBS para un VTA dado, que consta de dos etapas principales: i) Una deformación basada en K-vecinos más cercanos para definir un VTA objetivo sujeto a restricciones biofísicas. ii) Una etapa de estimación de parámetros que consiste en una proyección de datos para resaltar las propiedades relevantes del VTA, y un algoritmo de regresión/Clasificación para estimar los parámetros DBS necesarios para generar el VTA objetivo. Nuestra metodología permite establecer un VTA objetivo compatible biofísicamente y predice con precisión la configuración requerida de los parámetros de estimulación. Además, el rendimiento de nuestro enfoque es estable tanto para conductividades del tejido isotrópicas como anisotrópicas. Además, el tiempo de cómputo del sistema entrenado es aceptable para implementaciones en el mundo real.

Design of a load carriage system oriented to reduce acceleration forces when carrying a backpack

ABSTRACT In military life, load carriage is an unavoidable part of field operations which is the reason why soldiers often make use of a military backpack. Infantry soldiers usually carry loads weighting more than 30% of their body weight. When the soldier carries a certain weight, his energy expenditure increases, which causes a reduction in performance. The transported load has a movement similar to the vertical displacement of the center of mass of the soldier while walking. This leads to a significant increase in the acceleration forces generated by the action of said load on the body which explains the increase in energy expenditure. The objective of this project was to develop a load carriage system that suspends the load and reduces its vertical displacement. Results show a reduction in both the vertical excursion of the load and in the total vertical ground reaction force when carrying a load with the developed prototype, with respect to the conventional military backpack.

RESUMEN En la vida militar, el transporte de cargas es una actividad inevitable durante operaciones de campo, razón por la cual los soldados hacen uso de un morral militar. Los soldados de infantería generalmente transportan cargas mayores al 30% de su peso corporal. Cuando el soldado transporta una carga, su gasto energético aumenta lo que ocasiona una reducción en su rendimiento. La carga transportada tiene un movimiento similar al desplazamiento vertical del centro de masa del soldado durante la marcha. Esto conlleva a un aumento significativo de las fuerzas de aceleración generadas por la acción de la carga sobre el cuerpo lo que explica el aumento del gasto energético. El objetivo del proyecto fue desarrollar un sistema de transporte de carga que la mantenga suspendida para así reducir su desplazamiento vertical. Los resultados muestran una reducción tanto en la excursión vertical como en la fuerza vertical total de reacción del suelo al transportar una carga con el prototipo desarrollado, respecto al morral militar convencional.

Effect of cobalt content on non-isothermal crystallization kinetics of Fe-based amorphous alloys

ABSTRACT In the present study, FeSiBP and FeCoSiBP ribbons with a fully amorphous structure were made by melt spinning technique. A detailed analysis of the isochronal crystallization behavior is presented in this paper. The influence of cobalt on the crystallization kinetics of the alloys was studied under isochronal conditions using differential scanning calorimetry (DSC). Apparent and local activation energy values were determined by Kissinger, Ozawa and Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) methods. The results indicate that appropriate amounts of cobalt can significantly enhance the thermal stability of Fe-based alloys, through an increase in nucleation activation energy from 538kJ/mol to 701kJ/mol, obtained by Kissinger method. Furthermore, with the method proposed by Matusita, it was possible to obtain global values for the Avrami exponent, noting that from a general perspective, Co changes the mechanism from diffusion controlled to interface controlled. This leads to the conclusion that the crystallization process is complex and takes place in more than one stage. Therefore, the determination of nucleation mechanisms and dimensional growth is difficult due to the inapplicability of the Johnson-Melh-Avrami (JMA) model. As such, a study under isothermal conditions is suggested, in order to achieve a full understanding of the mechanisms involved.

RESUMEN En el presente estudio, se obtuvieron cintas de las aleaciones FeSiBP y FeCoSiBP con una estructura completamente amorfa mediante la técnica de “melt spinning”; en este artículo se presenta un análisis detallado del comportamiento de las aleaciones bajo cristalización isócrona La influencia del cobalto en la cinética de cristalización de las aleaciones se estudió bajo condiciones isócronas utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC por su sigla en inglés). Los valores de energía de activación local y aparente se determinaron mediante los métodos de Kissinger, Ozawa y Kissinger-Akahira-Sunose (KAS). Estos resultados indican que cantidades apropiadas de cobalto pueden mejorar significativamente la estabilidad térmica de las aleaciones base Fe a través de un aumento en la energía de activación de nucleación, pasando de 538 kJ/mol a 701kJ/mol, con el modelo de Kissinger. Además, con el método propuesto por Matusita, fue posible obtener valores globales para el exponente de Avrami, observando que, desde una perspectiva general, el Co cambia el mecanismo de crecimiento de controlado por difusión a uno controlado por interfaz, afirmando la complejidad del proceso de cristalización, que tiene lugar en más de una etapa. Por otro lado, la determinación de los mecanismos de nucleación y la dimensionalidad del crecimiento es difícil debido a la inaplicabilidad del modelo Johnson-Melh-Avrami (JMA), por lo que se sugiere un estudio en condiciones isotérmicas, con el fin de lograr un mayor entendimiento de los mecanismos implicados.

Determination and use of feasible operation region in flash distillation control

ABSTRACT Flash distillation is essentially a single stage mass transfer operation. The flash distillation operation is used in this work to highlight the importance of identifying the zone where a system has an appropriate behavior. In this sense, this paper presents a discussion about the use of the feasible operation region (FOR) in the design of process control structures. For this reason, three control structures are presented. The first one is the traditional one, a PID multiloop control structure. The second structure uses the FOR graphically in order to determine a better operation point and improve the control response. Finally, the third structure uses the FOR numerically for guiding the controller using a modified control structure. The improvement of the closed loop operation of the flash using the last control structure is notorious when compared with the traditional control structure.

RESUMEN La destilación flash es una operación de transferencia de masa con sólo una etapa. Esta operación de destilación flash se usa en este trabajo para resaltar la importancia de conocer la zona donde el sistema presenta un comportamiento adecuado. En este sentido, se presenta una discusión acerca de los usos de la región factible de operación (FOR por sus siglas en inglés) en el diseño de la estructura de control para un proceso. Por este motivo, se presentan tres estructuras de control. La primera es la tradicional, una estructura de control PID multilazo. La segunda usa información gráfica de la FOR para mejorar el punto de operación y las respuestas de la estructura de control. Finalmente, la tercera estructura usa información numérica de la FOR para guiar los controladores en una estructura modificada. La mejora en el desempeño del flash en lazo cerrado, usando la última estructura de control, es notoria comparada con la estructura de control tradicional.

Effect of processing technology on the physicochemical properties of non-centrifugal cane sugar (NCS)

ABSTRACT Non-centrifugal cane sugar (NCS) is a natural sweetener with beneficial health properties. This is traditionally produced in an oven which has had technological variations. Therefore, the present study focuses on determining the effect that NCS processing technology has on its physicochemical properties. In this study, two contrasting technologies were selected: the first one corresponds to the traditional furnace, characterized by a flat combustion chamber and hemispherical pan. The second one corresponds to the furnace with a ward type combustion chamber and modified pan. The variety of sugarcane selected was RD 75-11. The physical and chemical parameters evaluated were hydrogen potential (pH), total acidity (TA), solid soluble content soluble (SSC), ash, minerals, reducing sugars, color, moisture content and heat capacity. The technology with ward- type combustion chamber and modified pan managed to concentrate the oBrix of syrup to NCS in a 36.03% unlike the traditional furnace (32.59%). The two technologies used allowed obtaining NCS with an average caloric value of 14684.9 J g-1 and soluble solid content of 90.1°Brix. It was found that the NCS is a source of minerals such as potassium (3.55 g kg -1), calcium (2.25 g kg -1) and phosphorus (0.3 g kg -1).

RESUMEN La panela es un edulcorante natural con propiedades beneficiosas para la salud. Ésta se produce tradicionalmente en un horno, el cual ha tenido variaciones tecnológicas. Por tanto, el presente estudio se enfoca en determinar el efecto que tiene la tecnología de procesamiento de la panela sobre sus propiedades fisicoquímicas. En este estudio, se seleccionaron dos tecnologías contrastantes: la primera corresponde al horno tradicional, caracterizado por una cámara de combustión plana y pailas hemisféricas. El segundo corresponde a un horno con cámara de combustión tipo ward y pailas modificadas. La variedad de caña estudiada fue RD 75-11. Los parámetros físicos y químicos evaluados fueron potencial de hidrógeno (pH), acidez total (AT), contenido de sólidos solubles (CSS), ceniza, minerales, azúcares reductores, color, contenido de humedad y capacidad calorífica. La tecnología con cámara de combustión tipo ward y pailas modificadas lograron concentrar los °Brix de miel a panela en un 36.03% a diferencia del quemador tradicional (32.59%). Las dos tecnologías utilizadas permitieron obtener panela con un valor calórico en promedio de 14684.9 J g-1 y una concentración de sólidos solubles de 90.1 ° Brix. Se comprobó que la panela es un alimento rico en minerales como potasio (3.55 g kg -1), calcio (2.25 g kg -1) y fósforo (0.3 g kg -1).

Projecting the future of Ayapel Cienaga: A hydroecologic analysis under climate change scenarios

ABSTRACT We developed a three-component model to evaluate the present and future hydrological behavior of Ayapel Cienaga under different scenarios of climate variability and human intervention associated with fishing and mining activities and the maintenance of levees. We calibrated the water balance with historical information on hydrological variables, water levels, stream discharges, fishing activities and gold mining records in the period 1985-2015. We use autoregressive statistical models to project climate scenarios that consider extreme variations in mean monthly rainfall, ENSO activity, temperature increases of 2°C, and levee breaks along the Cauca River. In addition, we incorporated two dynamic of systems models of bocachico fish population and mercury accumulation in the Cienaga. The simulations indicate that the Cienaga levels can be affected by extreme changes in rainfall associated with ENSO. The model estimates the fraction of water that could enter from the Cauca River due to levee breaks. Furthermore, using a fish dynamic population we could project the population and catch of bocachico. Finally, the mercury balance model due to mining in the region help to estimate mercury concentrations in water, fish and aquatic macrophytes matrices. This model offers a tool for management and decision-making in ecohydrological aspects of the Cienaga under different climate change scenarios.

RESUMEN Desarrollamos un modelo con tres componentes para evaluar el comportamiento hidrológico presente y futuro de La Ciénaga de Ayapel bajo diferentes escenarios de variabilidad climática e intervención humana asociada con pesca y minería y el mantenimiento de diques. Calibramos el balance hídrico con información histórica sobre variables hidrológicas, niveles de agua, descargas de arroyos, actividades de pesca y registros de extracción de oro en el período 1985-2015. Utilizamos modelos estadísticos autorregresivos para proyectar escenarios climáticos que consideran variaciones extremas en la precipitación media mensual, la actividad de ENSO, un aumento de temperatura de 2 °C y la ruptura de diques en el río Cauca. Además, incorporamos dos modelos de dinámica de sistemas de la población de peces bocachico y la acumulación de mercurio en la Ciénaga. Las simulaciones indican que el nivel de Ciénaga puede verse afectado por cambios extremos en las precipitaciones asociadas con ENSO. El modelo estima la fracción de agua que podría ingresar desde el río Cauca por las rupturas del dique. Además, utilizando una población dinámica de peces podríamos proyectar la población y la captura de bocachico. El modelo de balance de mercurio debido a la minería ayuda a estimar las concentraciones de mercurio en el agua, los peces y las macrófitas. Este modelo ofrece una herramienta para la gestión y la toma de decisiones en aspectos ecohidrológicos de Ciénaga bajo diferentes escenarios de cambio climático.

Gas phase synthesis of dimethyl carbonate from CO₂ and CH₃OH over Cu-Ni/AC. A kinetic study

ABSTRACT The catalytic activity for dimethyl carbonate formation from carbon dioxide and methanol over mono and bimetallic Cu:Ni supported on activated carbon is presented. Bimetallic catalysts exhibit higher catalytic activity than the monometallic samples, being Cu:Ni-2:1 (molar ratio) the best catalyst; X-Ray diffraction, transmission electron microscopy, and metal dispersion analysis provided insight into the improved activity. In situ FT-IR experiments were conducted to investigate the mechanism of formation of dimethyl carbonate from methanol and carbon dioxide over Cu-Ni:2-1. The kinetics of the direct synthesis of dimethyl carbonate in gas phase over Cu:Ni-2:1 supported on activated carbon catalyst was experimentally investigated at 12 bar and temperatures between 90 °C and 130 °C, varying the partial pressures of CO2 and methanol. Experimental kinetic data were consistent with a Langmuir-Hinshelwood model that included carbon dioxide and methanol adsorption on catalyst actives sites (Cu, Ni and Cu-Ni), and the reaction of adsorbed CO2 with methoxi species as the rate determining step. The estimated apparent activation energy was 94.2 kJ mol-1.

RESUMEN Se reporta la actividad catalítica en la formación de dimetil carbonato a partir de dióxido de carbono y metanol sobre catalizadores mono y bimetálicos de Cu-Ni soportado en carbón activado. Los catalizadores bimetálicos presentaron una mayor actividad catalítica que los monometálicos, siendo la muestra Cu:Ni-2:1 el mejor catalizador. La caracterización de los materiales mediante análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y dispersión metálica permitieron sugerir una explicación al porqué de su mejor desempeño. Se realizaron experimentos de FT-IR in situ para investigar el mecanismo de formación de carbonato de dimetilo a partir de metanol y dióxido de carbono sobre Cu-Ni: 2-1. Se estudió la cinética de la síntesis directa de dimetil carbonato en fase gaseosa sobre Cu:Ni-2:1 soportado en carbón activado, a 12 bar y temperaturas entre 90 °C y 130 °C, como función de la presión parcial del dióxido de carbono y del metanol. Los datos experimentales fueron consistentes con un mecanismo Langmuir-Hinshelwood, el cual incluyó la adsorción de dióxido de carbono y metanol sobre los sitios activos del catalizador (Cu, Ni, y Cu-Ni), siendo la reacción del dióxido de carbono adsorbido con las especies metoxi como etapa limitante. La energía de activación aparente estimada de la reacción fue 94,2 kJ mol-1.

Comparative analysis of drying coffee beans using microwave and conventional oven

ABSTRACT This article reports a comparative study of experimental results obtained during the drying of Castilla-variety coffee beans from Santander, Colombia. They were performed by two means: thermal and electromagnetic radiation. Twenty experiments were carried out, ten tests in a microwave cavity at 2,450 MHz-1,080W, and ten tests using a conventional electric oven with temperature controlled at 50 ± 2°C. Experiments were made using samples of coffee beans with parchment, without parchment, and of the only-parchment. For each sample, dimensionless moisture ratio and diffusion coefficients were determined, according to the second law of Fick. We found that the diffusion coefficient of the samples dried in a microwave cavity was twenty-two times higher than the diffusion coefficient of samples dried with thermal radiation. Likewise, it was observed that samples in conventional oven showed a uniform temperature, in contrast with those heated by microwave radiation. Such results are useful for designing hybrid systems for drying coffee beans.

RESUMEN El presente artículo reporta los resultados de una investigación experimental, obtenidos en el secado de granos de café variedad Castilla, originarios de Santander, Colombia. Los experimentos fueron llevados a cabo a través de dos técnicas: radiación térmica y radiación electromagnética. Veinte experimentos fueron realizados, 10 en un horno microondas a 2.450 MHz-1.080W, y 10 en un horno eléctrico convencional con temperatura controlada a 50 ± 2°C. Las pruebas fueron hechas a muestras de grano con cascarilla, sin cascarilla y a la sola cascarilla. En cada experimento se determinó la relación de humedad adimensional del proceso de secado, y su coeficiente de difusión, de acuerdo con la segunda ley de Fick. Se encontró que el coeficiente de difusión de las muestras secadas en horno microondas fue veintidós veces mayor que el respectivo coeficiente de las muestras secadas en horno eléctrico. Las muestras secadas por radiación térmica mantuvieron una temperatura uniforme, en contraste con las muestras secadas por microondas. Los resultados son de gran utilidad para el posterior estudio de sistemas híbridos de secado de granos de café.

Development of an armored upper limb exoskeleton

ABSTRACT Personal safety is a critical aspect of daily life, but also in the military. Active soldiers often have to carry heavy gear during missions, which puts pressure on their backs. Therefore, the military must come up with new technologies that allow both protection and movement. In this paper, it is explaining the development of an armored upper limb exoskeleton with three degrees of freedom. To ensure portability, it is used battery-fed DC actuators. The system was encased in a metal matrix that doubles up as a protective plate. The exoskeleton, the control system, the actuators, and the plate are integrated so that they offer protection while supporting the flexion and extension of the upper limb.

RESUMEN El aspecto de la seguridad personal resulta ser un tema de interés en la vida cotidiana y más aún en el aspecto militar; dada la exigencia física que se requiere para llevar equipamiento pesado, la industria militar desde hace algunas décadas se ha visto en la necesidad de desarrollar tecnologías que apoyen físicamente a los soldados sin perder la capacidad de proteger la integridad de la persona. En el presente artículo se aborda el diseño de un exoesqueleto de armadura para miembro superior con 3 grados de libertad. Se usa una metodología de diseño mecatrónico para ajustar tanto los requerimientos antropométricos y tecnológicos, para el sistema de actuación se emplean motores DC alimentados por batería para garantizar la portabilidad del dispositivo. Para soportar los sistemas mencionados se emplea un material de matriz metálica el cual a su vez tiene la función de proteger al usuario. La estructura del exoesqueleto propuesto, el sistema de control, los módulos de actuación y la armadura son integrados para generar un exoesqueleto portable para la protección y apoyo de los movimientos de flexo/extensión del miembro superior.