Ingeniería e Investigación

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Analysis and modeling of the hydraulic behavior of EGSB reactors with presence and absence of granular biomass at different hydraulic retention times

ABSTRACT The efficiency of biological wastewater treatment systems is linked fundamentally to the hydraulic performance of each treatment unit. These units should guarantee an adequate contact between the microorganisms and the residual water, and the compliance with the hydraulic retention time established, in order to decrease the number of dead zones or short circuits that may exist inside the reactors. In this work, hydraulic performance was evaluated in seven Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) reactors with a useful volume of 3,4 L and constructed in acrylic. The analysis was carried out through the stimulus-response test, using bromide as tracer. Two hydraulic retention times (8 and 24 h) and the effect of the presence of granular biomass were considered. Results were analyzed qualitatively through the construction of curves C, E and F, and quantitatively through the construction of a mathematical model of axial dispersion. The results of the hydraulic performance of the reactors revealed a marked tendency to a complete mix flow pattern, with a low effect of HRT or the presence of granular biomass on their operation.

RESUMEN La eficiencia de los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales está vinculada fundamentalmente al rendimiento hidráulico de cada unidad de tratamiento. Estas unidades deben garantizar un contacto adecuado entre los microorganismos y el agua residual, y el cumplimiento del tiempo de retención hidráulico establecido, con el fin de disminuir el número de zonas muertas o cortocircuitos que puedan existir dentro de los reactores. En este trabajo, se evaluó el rendimiento hidráulico de siete reactores EGSB (del inglés Expanded Granular Sludge Bed) con un volumen útil de 3,4 L y construido en acrílico. El análisis se llevó a cabo a través de la prueba de estímulo-respuesta, utilizando bromuro como indicador. Se consideraron dos tiempos de retención hidráulica (8 y 24 h) y el efecto de la presencia de biomasa granular. Los resultados se analizaron de forma cualitativa a través de la construcción de las curvas C, E y F, y cuantitativamente a través de la construcción de un modelo matemático de dispersión axial. Los resultados del desempeño hidráulico de los reactores revelaron una marcada tendencia a un patrón de flujo de mezcla completo, con un bajo efecto en su operación por parte de la TRH o la presencia de biomasa granular.

Process simulation for xylitol production from brewer's spent grain in a Colombian biorefinery. Part 1: Xylose production from arabinoxilans extracted by the alkaline pretreatment of BSG

ABSTRACT This work presents the simulation in Aspen Plus® of a process to obtain arabinoxylans (AX) from Brewer's Spent Grain (BSG), which is the major byproduct of the brewing industry. The process is divided into two stages: alkaline pretreatment and enzymatic hydrolysis. These stages cover the extraction of proteins and AX from BSG using an alkaline pretreatment and enzymatic hydrolysis of the AX separated from the liquid stream to obtain xylose, i.e. the substrate required for the fermentation to xylitol. Simulation results show that xylose obtained corresponds to 8,5% of the dry weight of the raw material, obtaining a yield of 58%. Several streams of byproducts were obtained, such as proteins, polypeptides, amino acids, phenolic compounds and lignocellulosic residues that can be valorized in other processes. Simulation was performed in the context of a biorefinery in Colombia.

RESUMEN Este trabajo presenta la simulación en Aspen Plus® del proceso para obtener arabinoxilanos (AX) a partir de bagazo de cebada, principal subproducto de la industria cervecera. El proceso se divide en dos etapas: pretratamiento alcalino e hidrólisis enzimática. En la primera etapa, se logra la extracción de proteínas y AX de la cascarilla de cebada y en la segunda etapa, se hidrolizan enzimáticamente los AX separados de la corriente líquida hasta obtenerse xilosa, el sustrato requerido para el xilitol. Los resultados de la simulación mostraron que la xilosa obtenida corresponde al 8,5 % del peso de la materia prima, obteniéndose un rendimiento del 58 %. Adicionalmente se obtienen varias corrientes de subproductos como proteínas, polipéptidos, aminoácidos, compuestos fenólicos y residuos concentrados en lignina y celulosa, los cuales se pueden valorizar en otros procesos. La simulación del proceso se realizó en el contexto de una biorrefinería en Colombia.

Study of coagulating/flocculating characteristics of organic polymers extracted from biowaste for water treatment

ABSTRACT The aim of this research was to evaluate the coagulating/flocculating characteristics of three natural polymers: green plantain peel starch, orange peel pectin and tamarind seed extracts in three solutions (water, sodium chloride and ammonium acetate), for the purification of raw natural water with turbidity of 5,32 NTU. Natural polymers did not present coagulant activity due to the low turbidity of raw natural water. However, they showed flocculant activity in combination with aluminum sulfate. The optimal combinations of aluminum sulfate [mg/L] + natural polymer [mg/L] were: 50+0,2 for starch, 60+0,06 for pectin, 60+0,6 for tamarind extract in water, 60+0,5 for tamarind extract in sodium chloride and 60+0,2 for tamarind extract in ammonium acetate. Removal values of turbidity and color were about 87% and 92 %, respectively. Residual sludge exceeded the maximum permissible limits for discharging to the sewer system. In addition, it showed a toxic effect on the mitotic activity of onion roots with an IC50 of 0,5 to 2 %.

RESUMEN El objetivo de esta investigación fue evaluar las características coagulantes/floculantes de tres polímeros naturales: almidón de cáscara de plátano verde, pectina de cáscara de naranja y extracto de semilla de tamarindo en tres soluciones (agua, cloruro de sodio y acetato de amonio), para la purificación de agua natural cruda con turbidez de 5,32 NTU. Los polímeros naturales no presentaron actividad coagulante debido a la baja turbidez del agua natural cruda. Sin embargo, mostraron actividad floculante en combinación con sulfato de aluminio. Las combinaciones óptimas de sulfato de aluminio [mg/L] + polímero natural [mg/L] fueron: 50+0,2 para almidón, 60+0,06 para pectina, 60+0,6 para extracto de tamarindo en agua, 60+0,5 para extracto de tamarindo en cloruro de sodio y 60+0,2 para extracto de tamarindo en acetato de amonio. Los valores de eliminación de turbidez y color fueron aproximadamente 87 % y 92 %, respectivamente. El lodo residual excedió los límites máximos permisibles para la descarga al sistema de alcantarillado, además, mostró un efecto tóxico sobre la actividad mitótica de las raíces de cebolla a un CI5o de 0,5 a 2 %.

Assessment of groundwater level variations using multivariate statistical methods

ABSTRACT Fluctuation of groundwater level induces changes in pore-water pressure of soil. However, this variation is not considered for underground constructions. This article explores the application of a statistical method to evaluate the groundwater level variation in geotechnical designs. The methodology included: (i) data collection, (ii) statistic formulation, and (iii) statistic data analysis. We collected information from the technical studies of the project "Metro de Bogotá", and selected four boreholes spanning 160 m, approximately, where the 1o de Mayo metro station will be built, in the south of the city. We used groundwater level readings reported by different piezometers for 30 days and data variance was assessed using a multivariate statistical method: analysis of repeated measures profiles. Results present a procedure to estimate the groundwater level fluctuation during a short monitoring period. We concluded that the analysis of repeated measures profiles allows estimating the groundwater level variation under a significance level 1-α.

RESUMEN La fluctuación del nivel freático induce cambios en la presión de poros del suelo. Sin embargo, esta variación no se contempla en construcciones subterráneas. Este documento explora la aplicación de un método estadístico para evaluar la variación del nivel freático en diseños geotécnicos. La metodología incluyó: (i) recolección de datos, (ii) formulación estadística y (iii) análisis estadístico de datos. Se recopiló información de los estudios técnicos del proyecto "Metro de Bogotá". Se seleccionaron cuatro sondeos que abarcan 160 m, aproximadamente, donde se construirá la estación 1 o de Mayo, al sur de la ciudad. Se utilizaron lecturas de nivel freático reportadas por varios piezómetros, durante 30 días y la variabilidad de los datos se evaluó utilizando el método estadístico multivariado: análisis de perfiles de medidas repetidas. Los resultados presentan un procedimiento para estimar la fluctuación del nivel freático durante un período corto de monitoreo. Se concluyó que el análisis de perfiles de medidas repetidas permite estimar la variación del nivel freático bajo un nivel de significancia 1- α.

Support for incident management in optical networks through critical points identification

ABSTRACT In incident management for optical networks, when a fault or event occurs, a network element will often send a notification, in the form of an "alarm", to operators and managers. Alarms contain valuable information to support the fault management process at the operating level, because it is a persistent indication of a fault. Alarms usually clear only with the triggering of the solution for its cause. To mitigate business risks related to faults in optical networks, service managers need to estimate the impact of a network fault in relation to business needs. In optical networks, identifying redundancy points of high-impact on the network is still a challenge for managers. They often rely on their own experience to prioritize points that possibly need to have redundancy in those networks. This work presents a simulation model capable of locating suitable points for the application of asset redundancy to reduce optical network disruptions, based on business risk. The model is implemented in a software tool and then used in a case study of two reference networks, whose elements may fail according to a realistic failure scenario. Results of the study allow face validity with preliminary evidence that the model is useful to support incident management in optical networks.

RESUMEN En la gestión de incidentes de redes ópticas, cuando ocurre una falla o evento, generalmente un componente de la red envía una notificación a los operadores y gerentes. Las alarmas contienen información importante para respaldar el proceso de gestión de fallas a nivel operativo, porque es una indicación persistente de una falla que se borra solo con la solución de condición de disparo. Para mitigar los riesgos comerciales relacionados con las fallas en las redes ópticas, los administradores de servicios deben estimar el impacto de una falla de red en relación con las necesidades del negocio. En las redes ópticas, la identificación de puntos de redundancia de alto impacto de red todavía es un desafío para los gerentes. Usualmente, estos gerentes confían en su propia experiencia para priorizar puntos que posiblemente deban tener redundancia en esas redes. En este trabajo, presentamos una evaluación de un modelo de simulación, capaz de localizar puntos adecuados para la aplicación de redundancia de activos y así reducir las interrupciones de la red óptica, en función del riesgo comercial. El modelo se implementó en una herramienta de software y se procedió a un estudio de caso que incluye dos escenarios de simulación de redes de referencia, con resultados prometedores.

Procedure for the continuous improvement of human resource management

ABSTRACT The hotel sector in the historic center of Havana reveals deficiencies in customer satisfaction regarding human resource. This research is aimed at analyzing the results of the implementation of a continuous improvement of human resource management that allows the enhancement of services quality, assuming the Cuban norm. The main results show that 55% of the items identified with the application of the SERVQUAL model show quality deficit associated with processes of human resource management, such as work competences and work organization. The main dysfunctions identified were unproductive times due to organizational and technical issues and labor fluctuation. Subsequently, hidden costs due to deficiencies were calculated, which amount to a value of 13 249,89 MU/year. To monitor these problems, objectives and indicators are proposed through the Integral Command Table, as well as a plan of corrective and preventive actions.

RESUMEN El sector hotelero en el centro histórico de La Habana revela deficiencias de satisfacción del cliente en relación con los recursos humanos. Esta investigación tiene como objetivo analizar los resultados de la implementación de una mejora continua de la gestión de los recursos humanos que permite mejorar la calidad de los servicios, asumiendo la norma cubana. Los principales resultados muestran que el 55 % de los ítems identificados con la aplicación del modelo SERVQUAL reflejan un déficit de calidad asociado a los procesos de gestión de recursos humanos, como las competencias laborales y la organización del trabajo. Las principales deficiencias encontradas son los tiempos improductivos debido a problemas técnicos y organizacionales y la fluctuación laboral. Posteriormente, se calcularon los costos ocultos generados por los disfuncionamientos existentes, los cuales ascienden a un valor de 13 249,89 MU/año. Para monitorear estos problemas, los objetivos e indicadores se proponen a través de la Tabla de Comando Integral, así como un plan de acciones correctivas y preventivas.

Modeling and simulation for mechanical behavior of modified biocomposite for scaffold application

ABSTRACT Bones in the human body are a natural composite material that can be fractured due to impact stress and excessive loads. Human bones become less dense and strong when age increases, thereby they become more susceptible to fracture. The present work aims to study the effect of adding nano-ceramic particles on the mechanical properties to fabricate four types of hybrids of Titanium dioxide (TiO2) and Alumina (Al2O3) reinforced polyetheretherketone (PEEK) biocomposites. The objective of this study is to develop and improve the biomechanical properties of the fabricated biomaterials to withstand the loads of the daily human activities. Modeling and analysis of femur bone biomechanics were implemented by using the SOLIDWORKS 17.0 and the finite element ANSYS 15.0 software programs. The response surface methodology (RSM) technique and the Design Expert 11.0 software program were used to improve and verify the results of biomechanical performance of the fabricated biocomposites. From the current research results, it was deduce that the maximum equivalent (von-Misses) and shear stresses on the modeled femur bone are 1 20,93 and 60,80 MPa. The tensile for modeling the fabricated 20 vol.% TiO2/5 vol. % Al2O3/PEEK biocomposite material is higher than the one of natural femur bone by 10%. The maximum strain energy and the maximum equivalent elastic strain were reduced by 20% and 26,09%, respectively. The stress safety factor values increased in 5,81 %, and the fatigue life for the fabricated biocomposite is more than 40,43 %, when compared with natural femur bone material.

RESUMEN Los huesos en el cuerpo humano son un material compuesto natural que puede fracturarse debido a la tensión de impacto y cargas excesivas. Los huesos humanos pierden densidad y fuerza al aumentar la edad, por lo que se vuelven más susceptibles a las fracturas. En el presente trabajo, se ha estudiado el efecto de la adición de partículas de nanocerámica en las propiedades mecánicas para fabricar cuatro tipos de híbridos de biocompuestos de polieteretercetona reforzada con dióxido de titanio (TiO2) y alúmina (Al2O3). El objetivo de este estudio es desarrollar y mejorar las propiedades biomecánicas de los biomateriales fabricados para soportar las cargas de las actividades humanas diarias. El modelado y análisis de la biomecánica ósea del fémur se implementó utilizando los programas de software SOLIDWORKS 17.0 y de elementos finitos ANSYS 15.0. La técnica de metodología de superficie de respuesta (RSM) y el programa de software Design Expert 11.0 se utilizaron para mejorar y verificar los resultados de las propiedades de rendimiento biomecánico de los biocompuestos fabricados. Los principales resultados de la investigación actual deducen que el máximo equivalente (von-Misses) y las tensiones de cizallamiento en el hueso del fémur modelado son 120,93 y 60,80 MPa. La tensión para modelar el fabricado es 20 vol. % TiO2/5 vol. El material biocompuesto % Al2O3/PEEK es más alto que el del hueso del fémur natural en un 10 %. La energía de tensión máxima y la máxima tensión elástica equivalente se redujeron en un 20 % y en un 26,09 %, respectivamente. Los valores del factor de seguridad de estrés aumentaron en un 5,81 %, y la vida de fatiga del biocompuesto fabricado es superior al 40,43 % en comparación con el material del hueso del fémur natural.