Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Waste cooking oil logistics and environmental assessment for biodiesel production in Cali

ABSTRACT The present article analyzes different strategies for collecting Waste Cooking Oil (WCO) to produce biodiesel in Santiago de Cali. The quantitative and qualitative analysis of the models found in the literature highlighted the main characteristics for developing a WCO collection model considering the local parameters. Initial results showed that there is not enough WCO to satisfy the demand. However, an improved scenario is proposed following a supply point’s densification strategy. The improved scenario not only fulfills the plant’s installed capacity but also achieved WCO collection cost of 695.5 COP per gallon. 304 gallons of biodiesel could be produced with the collected WCO achieving a potential reduction of 230.81 kg of CO2 if this biodiesel is used to replace the same amount of diesel in the market, due to the difference between the CO2 emissions factor of diesel [kg CO2/diesel gal] and biodiesel [kg CO2/biodiesel gal].

RESUMEN En el presente artículo se analizaron diferentes estrategias para la recolección de Aceite de Cocina Usado (ACU) con el fin de utilizarlo como materia prima para la producción de biodiesel en Santiago de Cali. El análisis cuantitativo y cualitativo de los modelos encontrados en la literatura arrojó las principales características a tener en cuenta en la construcción y parametrización de un modelo de recolección de AUC, para este estudio de caso. Los resultados iniciales mostraron que no existen suficiente ACU para satisfacer la demanda. Sin embargo, se propone un escenario mejorado considerando una estrategia para la densificación del radio de suministro, logrando no solo la satisfacción de la capacidad instalada sino también costos de recolección de 695,5 COP por galón de AUC. Una producción de 304 galones de biodiesel puede lograrse con el AUC recolectado junto con una reducción potencial de 230,81 kg de CO2 si este biodiesel es usado para reemplazar la misma cantidad de diésel en el mercado.

A model for solving vehicle scheduling problems: a case study

ABSTRACT In this work we formulate a model to solve a type of vehicle scheduling problem, derived from the operation of the mass transit system (MIO) in Cali city, Colombia. Four companies operate the system with 3 types of buses and four depots. Two kinds of tasks should be assigned to operators' buses. A task is a sequence of consecutive travels of a route between two stations: initial and final. Each task should start and should finish in a depot, not necessarily the same. There are two main objectives defined by the operators. One objective is to minimize the total deadhead kilometers between depots and stations where tasks should start or end. The other objective is to minimize the maximum deviation of kilometers (commercial and deadhead) assigned to the operators regarding the ideal quantity of kilometers that they should have, according to the number of their buses in the fleet. We have implemented the proposed model in AMPL using Gurobi solver and we validate it using nine representative instances, generated with real data obtained from the system operation. The results obtained, in all cases, improve the solutions proposed by the company. Model variations are proposed to deal with new desirable constraints for the company.

RESUMEN En este trabajo se formula un modelo para resolver un tipo de problema de programación de vehículos, derivado de la operación del sistema de transporte masivo (MIO) en la ciudad de Cali, Colombia. Cuatro compañías operan el sistema con 3 tipos de buses y cuatro patios. Dos tipos de tareas deben asignarse a los buses de los operadores. Una tarea es una secuencia de viajes consecutivos de una ruta entre dos estaciones: inicial y final. Cada tarea debe comenzar y debe terminar en un patio, no necesariamente el mismo. Hay dos objetivos principales definidos por los operadores. Un objetivo es minimizar el total de kilómetros en vacío entre patios y estaciones donde las tareas deben comenzar o terminar. El otro objetivo es minimizar la desviación máxima de kilómetros (comercial y en vacío) asignada a los operadores con respecto a la cantidad ideal de kilómetros que deberían tener, según el número de sus buses en la flota. El modelo propuesto se implementa con el software Gurobi, utilizando nueve instancias representativas generadas con datos reales obtenidos de la operación del sistema. Todos los resultados obtenidos mejoran las soluciones propuestas por la empresa. Se proponen variaciones del modelo para considerar nuevas restricciones deseables para la empresa.

Heuristic parameter estimation for a continuous fermentation bioprocess

ABSTRACT Zymomonas mobilis continuous fermentation bioprocess has the ability of producing energy from glucose catabolism, which promises a relevant application for biomass conversion into fuel, and therefore it represents an industrial scale production alternative for our country. However, it has demonstrated high complexity regarding the non-linear and non-Gaussian characteristics of its dynamics. Several Works have been dealing not only with the bioprocess modeling but also with controller design and implementation. These works have developed state and parameter estimation strategies based on particle filters and Gaussian methods, as well as closing the loop with nonlinear controllers. Nevertheless, there is a need to improve previous parameter estimation results, enabling future design of control strategies for industrial applications. We present a set of heuristics algorithms for the non-linear system parameter estimation evaluated with data from 150 hours of fermentation. Some algorithms such as local search methods, simulated annealing, population heuristics, differential evolution, bacterial chemotaxis and other techniques were tested for the bioprocess. Simulations of the microorganism model and experimental verifications showed the good performance in parameter accuracy and convergence speed of some of the heuristic methods proposed here. Moreover, the reliability and acceptable computational costs of these methods demonstrate that they could also be applied as parameter estimators for other bioprocesses of a similar complexity.

RESUMEN El bioproceso de fermentación continua Zymomonas mobilis tiene la capacidad de producir energía a partir del catabolismo de la glucosa, lo que promete una aplicación relevante para la conversión de biomasa en combustible, y por ende representa una alternativa de producción a escala industrial para nuestro país. Sin embargo, éste ha demostrado una alta complejidad debido a algunas de las propiedades no lineales y no gaussianas de su dinámica. Varios trabajos se han enfrentado no solo con modelar el bioproceso, sino también con el diseño e implementación de controladores. Estos trabajos han desarrollado estrategias de estimación de estados y parámetros basadas en filtros de partículas y métodos gaussianos, así como cerrando el ciclo con controladores no lineales. Aun así, es necesario mejorar los resultados previos de estimación de parámetros, permitiendo el futuro diseño de estrategias de control para aplicaciones industriales. Se presenta un conjunto de algoritmos heurísticos para la estimación de parámetros de sistemas no lineales, evaluados con datos de 150 horas de fermentación. Algunos algoritmos tales como métodos de búsqueda local, recocido simulado, heurísticos de población, evolución diferencial, quimiotactismo bacteriano y otros más fueron probados para el bioproceso. Las simulaciones del modelo del microorganismo y las verificaciones experimentales mostraron el buen desempeño en la precisión de los parámetros y la velocidad de convergencia de algunos de los métodos heurísticos aquí propuestos. Además, la precisión y los aceptables costos computacionales de estos métodos demuestran que también podrían aplicarse como estimadores de parámetros para otros bioprocesos de una complejidad similar.

Hydro-dynamic modeling for identification of flooding zones in the city of Tunja

ABSTRACT The present article elaborates a hydrological and hydraulic model of the Jordán and the Vega rivers in the environs of the city of Tunja in order to enable the identification of potential flood zones. The first model was implemented in HEC - HMS together with the Geographic Information System (ArcGIS) and the incorporation of the HEC-GeoHMS extension; based on official information provided by Corporación Autónoma Regional de Boyacá (CORPOBOYACÁ) and El Instituto de Hidrología y Metereología de Colombia (IDEAM). The considerations adopted in this project were defined taking into account the existing information and the specific characteristics of the basin of the Jordán and the Vega rivers. Flow hydrograms used to feed the boundary conditions of the hydraulic model were derived from the hydrological model. The hydraulic calculations were carried out in IBER two-dimensional model for a critical return period covering 100 years. The results given correspond to maps of high hazard in the city of Tunja, which were generated from data of depth and velocity; this information allowed the identification of areas of interest (areas susceptible to overflow of the Jordán and the Vega rivers), and generated cross-sectional profiles; next, impacts and effects in the surrounding areas were identified, permitting proposals of options to correct, prevent and mitigate impacts of flooding.

RESUMEN El presente artículo incluye la elaboración de un modelo hidrológico e hidráulico de los ríos Jordán y la Vega en su paso por la ciudad de Tunja para identificación de zonas potenciales de inundación. El primer modelo fue implementado en HEC - HMS conjuntamente con el Sistema de Información Geográfica (ArcGIS) y la incorporación de la extensión HEC-GeoHMS; empleando para tal fin, información oficial suministrada por la Corporación Autónoma Regional de Boyacá (CORPOBOYACÁ) y el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). Las consideraciones adoptadas fueron definidas teniendo en cuenta la información existente y las características específicas de las sub cuencas del río Jordán y La Vega. Del modelo hidrológico se obtuvieron los hidrogramas de caudal empleados para alimentar las condiciones de contorno del modelo hidráulico. Los cálculos hidráulicos fueron implementados en el modelo bidimensional IBER para un periodo de retorno crítico correspondiente a 100 años. Los resultados generados corresponden a mapas de máxima peligrosidad en la ciudad de Tunja, generados a partir de datos de calados y velocidades; con esta información se identificaron puntos de interés (zonas susceptibles de desbordamiento de los ríos Jordán y la Vega) generando los perfiles trasversales de cauce, posteriormente se analizó el impacto y afectación en las zonas aledañas, proponiendo algunas alternativas de corrección, prevención y mitigación de impactos.

Model for the prediction of noise from wind turbines

ABSTRACT This article presents a prediction model that can be applied to estimate the propagation of noise generated by wind turbines through an easy calculation procedure. The proposed prediction model is semi-empirical and based on the analysis of phenomena related to the generation and propagation of sound levels and field measurements. An experimental program was designed that included the measurement of sound pressure levels with a sound level meter to different weather conditions and distances within a wind farm to compare them with the levels estimated by ISO 9613 Part 2. A statistical analysis of the data recorded in field was performed to observe the dependence on the meteorological variables recorded during the measurements. The model explains 92.5% of the variability of the residual sound pressure level and has an average absolute error of 2.9 dB. After eliminating 5.0% of the data considered atypical, the proposed model explains 94.7% of the variability of the residual sound pressure level, with an average absolute error of 2.5 dB. A statistically significant relationship exists between the variables with a confidence level of 95.0%. The results have provided a rather satisfactory model for predicting noise from wind turbines up to distances of 900 m, greatly improving what has been achieved so far by the method established in standard ISO 9613 Part 2.

RESUMEN Este artículo presenta un modelo de predicción aplicable a la propagación del ruido proveniente de los aerogeneradores a través de un procedimiento de cálculo de fácil implementación. El modelo de predicción propuesto es semi-empírico y se basa en el análisis de los fenómenos relacionados con la generación y propagación de los niveles sonoros y las mediciones de campo. Se diseñó un programa experimental que comprendió la medición de los niveles de presión sonora con un sonómetro en determinadas condiciones meteorológicas y diferentes distancias al interior de un parque eólico para compararlos con los niveles estimados por la norma ISO 9613 Parte 2. Se realizó un análisis estadístico de los datos registrados en campo para observar la dependencia con las variables meteorológicas registradas durante las mediciones. El modelo propuesto explica el 92,5 % de la variabilidad del nivel de presión sonora residual y tiene un error absoluto medio de 2.9 dB. Al eliminar el 5,0 % de los datos por considerarlos atípicos, el modelo propuesto explica el 94,7 % de la variabilidad del nivel de presión sonora residual con un error absoluto medio de 2,5 dB. Hay una relación estadísticamente significativa entre las variables en un nivel de confianza del 95,0 %. Los resultados han arrojado un modelo bastante satisfactorio para predecir el ruido proveniente de los aerogeneradores hasta distancias de 900 m, mejorando en gran medida lo obtenido hasta el momento por el método establecido en la norma ISO 9613 Parte 2

Reduction process of low-grade nickel laterite agglomerates using different carbonaceous materials

ABSTRACT Lateritic nickel ores need to be reduced to obtain direct reduced iron and nickel alloy. During processing of lateritic nickel ores in rotary kilns, there is a great loss of fines of ores due to degradation during transport into the reactor. These fines contain substantial amounts of nickel and iron, which could be recovered if they are agglomerated and fed back to the process. It is important to note that the processing of minerals with smaller particle sizes yields more efficient reduction processes because there is more surface area for the reducing agent to react with the mineral particles. This work involves the agglomeration of lateritic ore with a nickel content of 1.78%. Briquettes of 10 g were manufactured with the addition of various carbonaceous materials, such as coal, molasses, and coke, with a ratio of carbon/oxygen = 1. These samples were subjected to temperatures of 1100 °C to reduce the iron and nickel oxides present. The reduction percentages were obtained and the products were analyzed by X-ray diffraction (XRD), atomic absorption, thermogravimetry, and scanning electron microscopy to observe the effectiveness of the reducing agent. The highest reduction percentages (95%) were obtained when molasses was used as the reducing agent.

RESUMEN Los minerales de níquel lateríticos necesitan ser reducidos, para obtener hierro directamente reducido y níquel metálico. Durante el procesamiento de minerales lateríticos de níquel en calcinador rotatorio, se evidencia gran pérdida de finos de mineral debido a degradación por transporte dentro del reactor. Estos finos contienen cantidades sustanciales de níquel y de hierro, lo cual podría recuperarse si estos se aglomeran y se alimentan al proceso. Es importante notar que el procesamiento de partículas con tamaños más pequeños, pueden hacer procesos de reducción más eficientes, porque se tiene mayor superficie de área para que el agente reductor reaccione con las partículas de mineral. En este trabajo se llevó a cabo la aglomeración de mineral laterítico con 1.78% de níquel. Se fabricaron briquetas de 10 g adicionando diferentes materiales carbonosos, como el carbón, melaza y coque, con una relación de carbono/oxígeno = 1. Estas muestras se sometieron a temperaturas de 1100°, para reducir los óxidos de hierro y níquel presentes. Los porcentajes de reducción obtenidos y los productos fueron analizados por difracción de rayos X, absorción atómica, termo gravimetría (TGA) y microscopía electrónica de barrido, para observar la efectividad del agente reductor. El mejor porcentaje de reducción fue de 95%, cuando la melaza es la utilizada para generar el agente reductor.

Limonene epoxidation in aqueous phase over Ti/KIT-6

ABSTRACT Limonene epoxidation was carried out in the liquid phase using Ti/KIT-6 as the catalyst and tert-butyl hydroperoxide as oxidant. The best selectivity (60%) was obtained at 50 °C after 7 h of reaction, and the conversion was 23%. The main side products were carvone, carveol, 1,2-epoxylimonene diol, perillyl alcohol and p-mentha-2,8-dien-1-ol. The catalyst does not leach under reaction conditions and it can be reused after calcination at 550 ºC. The catalyst was characterized by atomic absorption, XRD, UV-vis and N2 adsorption isotherms.

RESUMEN Se evaluó la actividad del material Ti/KIT-6 en la epoxidación de limoneno en fase líquida con hidroperóxido de terbutilo como agente oxidante. La mayor selectividad (60%) se obtuvo a 50 ºC después de 7 h de reacción con una conversión de 23%; otros productos detectados fueron carvona, carveol, 1,2-diol-epoxilimoneno, alcohol perílico y p-menta-2,8-dien-1-ol. Se encontró que el catalizador no se lixivia y que antes de reutilizarlo se debe activar a 550 ºC. El catalizador se caracterizó por análisis químico, DRX, UV-vis e isotermas de adsorción.

Evaluating the scale-up of a reactor for the treatment of textile effluents using Bjerkandera sp

ABSTRACT Effluents from the textile industry have a negative environmental impact due to their high load of dyes and hard-to-remove compounds: additives, detergents, and surfactants; these must be treated before effluents can be discharged into water. White-rot fungi show great potential for the bioremediation of water and soil matrices contaminated with recalcitrant pollutants (these are generally toxic). In this work, we designed a 5 L fixed bed reactor and evaluated its performance on the degradation of pollutants in effluents from the textile industry in continuous-operation mode under non-sterile conditions, using ligninolytic fungus Bjerkandera sp. (anamorphic state R1). This setup was based on a previous design of a 0.25 L fixed-bed model bioreactor. The system was designed by taking into account the geometric and hydrodynamic similarities of both setups. In continuous-mode color-removal assays, the bioreactor was operated at a 36 h Hydraulic retention time (HRT), a 1 L/min air flux at 33 °C, and a dye concentration of 75 g/L (sulfur black 1) and 6.5 g/L (indigo Vat blue 1). 69% of the dye was removed, and changes in the chemical structures of the dyes confirmed the ligninolytic activity of the microorganism as the main dye removal mechanism.

RESUMEN Los efluentes provenientes de industrias textiles generan impactos ambientales negativos, debido a altas cargas de colorantes y compuestos de difícil remoción como aditivos, detergentes y surfactantes, los cuales deben ser tratados antes de ser descargados a cuerpos de agua. Los hongos ligninolíticos han mostrado gran potencial para procesos de biorremediación de aguas y suelos contaminados con compuestos recalcitrantes y generalmente tóxicos. Este trabajo, se enfoca en el diseño y evaluación del desempeño de un reactor de 5L de lecho fijo para la degradación de efluentes de la industria textil en condiciones no estériles y operación continua, usando el hongo ligninolítico Bjerkandera sp. en su estado anamorfo R1. Dicha tecnología se desarrolló tomando como base para realizar el diseño un biorreactor modelo de lecho de fijo de 0,25 L. El sistema de 5L se diseñó teniendo en cuenta la similitud geométrica e hidrodinámica. En los ensayos de decoloración en continuo el reactor se operó a un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 36 h, aireación de 1 L/min y 33°C, además de una carga de colorante de 75g/L para el Negro sulfuroso y 6,5g/L para índigo Vatblue; se alcanzó una decoloración del 69% y se identificaron cambios en las estructuras químicas de los colorantes presentes en el agua residual después del tratamiento, mostrando la actividad ligninolítica del microorganismo como el principal mecanismo de remoción de color.

Single pixel compressive spectral polarization imaging using a movable micro-polarizer array

ABSTRACT The acquisition of spectral polarization images is a method that obtains polarized, spectral and spatial information of a scene. Traditional acquisition methods use Dynamic elements that capture all the information of a scene, by scanning the areas of interest, which result in large amounts of data proportional to the desired image resolution. Hence, in this work, the compression of spectral polarization images using a single pixel architecture, that uses a micro-polarizer array aligned with a binary coded aperture is proposed. The micro-polarizer is moved horizontally in each shot, so that diverse types of codifications from the scene are obtained. The proposed architecture allows several compressive 2D projections with spatial, spectral and polarization coding to be obtained. Stokes parameter images at several wavelengths are reconstructed. This architecture reduces the total number of measurements needed to obtain spectral polarization images compared to traditional acquisition methods. The experiments validate the quality of the architecture obtaining 43.19 dB, 37.49 dB and 30.41 dB of the peak signal-to-noise ratio for the first three Stokes parameters respectively.

RESUMEN La adquisición de imágenes espectro polarizadas es un método que obtiene información espacial, espectral y de polarización de una escena. Los métodos tradicionales de adquisición utilizan elementos dinámicos que capturan la totalidad de la información de la escena, escaneando las áreas de interés. Esto resulta en grandes cantidades de datos proporcionales a la resolución de imagen deseada. Por esta razón, en este trabajo se propone la compresión de imágenes espectro polarizadas usando una arquitectura óptica de único píxel, que usa un arreglo de micro-polarizadores alineados con una apertura codificada binaria. El arreglo de micro-polarizadores es movido horizontalmente en cada captura, permitiendo lograr diversos tipos de codificaciones de la escena. La arquitectura propuesta permite obtener varias proyecciones 2-D comprimidas con codificación espacial, espectral y de polarización, para luego reconstruir los Parámetros de Stokes a varias longitudes de onda. Esta arquitectura reduce el número total de medidas necesarias para obtener la información espectral y de polarización de las imágenes comparadas con las arquitecturas tradicionales. Los experimentos validad la calidad de la arquitectura propuesta obteniendo 43,19 dB, 37,49 dB y 30,41 dB de la proporción máxima de señal a ruido para los tres primeros de Stokes respectivamente.

‘Worst Month’ and ‘Critical Period’ Methods for the Sizing of Solar Irrigation Systems - A Comparison

ABSTRACT Despite the fact that solar photovoltaic (PV) water pumping systems, in particular, irrigation systems have been in use for more than 40 years, there remains a need for their improvement and development. The sizing of such systems is very important in terms of their energy output and hydraulic sustainability. This paper presents and explains an innovative methodology for the sizing of PV irrigation systems, called the Critical Period Method (CPM). CPM includes information about the design of the elements of the solution, the PV system, the pump station and the water reservoir, based on the critical period of operation of each one. The period within which water pumping and water consumption can be balanced is usually at least one day and may be several days, but it is usually no more than five days. A comparison between the most commonly used sizing method, the Worst Month Method (WMM) and the CPM method will be presented. It will be shown that the new method, CPM, could be beneficial for the sizing of PV irrigation systems.

RESUMEN A pesar de que los sistemas solares fotovoltaicos (PV) de bombeo de agua, en particular, los sistemas de riegohan estado en uso durante más de 40 años, hay una necesidad de sumejora y desarollo. El dimensionamiento de este tipo de sistemas es muy importante en condiciones de suproducción de energía y sostenibilidad hidráulica. Este artículo presenta y explica una metodologíainnovadora para eldimensionamiento de los sistemas de riego PV, llamadoel Método del período crítico (CPM). El CMP incluyeinformación sobre eldiseño de los elementos de solución, el sistema PV, laestación de bombeo y depósito de agua, enfuncióndel período crítico de funcionamiento de cada uno. El período dentro delcualbombeo de agua y el consumo de agua puedenequilibrarse es generalmente de al menos undía y puede ser variosdías, pero normalmente no es más de cinco días. Se presenta una comparación entre el método más comúnmente utilizado, el Método delpeormes (WMM) y el método CPM. Se mostrará que elnuevo método, CPM, podría ser beneficioso para eldimensionamiento de los sistemas de riego de PV.