Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Machining process modeling by means of FEM and the use of metamodels with fuzzy logic and linear regression

Se implementó un modelo que simula el proceso de maquinado ortogonal de metales por el método de elementos finitos (MEF). Para el desarrollo del modelo se utilizó el programa Ansys Flotran. El material de trabajo se simuló como un fluido de alta viscosidad que impacta un sólido cuya geometría es la de la arista de corte. A partir del modelo numérico, se realizó un diseño de experimentos factorial fraccionado usando el programa Minitab, donde las variables de entrada seleccionadas fueron: profundidad de corte, velocidad de corte, ángulo de desprendimiento, densidad y viscosidad del fluido. Las variables de salida consideradas fueron la velocidad de salida de la de viruta y la posición del punto de estancamiento en la formación de la viruta. Se realizaron dos metamodelos funcionales que representan la interacción entre las variables de entrada y de salida del modelo MEF. El primer metalmodelo se realizó por medio de una regresión lineal y el segundo por lógica difusa. Los experimentos con los dos metamodelos mostraron que dos de las variables de entrada (profundidad de corte y ángulo de desprendimiento), tienen la mayor influencia en las variables de salida elegidas: velocidad de la viruta y en la posición del punto de estancamiento. El metamodelo basado en lógica difusa presentó una mejor representación de la relación entre las variables de entrada y de salida.

In this work it was implemented a numerical model that simulates the process of orthogonal machining of metallic materials by means of the Finite Elements Method (FEM). For the development of the model, the program Ansys Flotran was used. The material was simulated as a high viscosity fluid crashing against a solid with the cutting edge geometry. From the numerical model it was made a factorial fractionated design of experiments using Minitab software, where the selected input variables were: cutting speed, depth of cut, rake angle, density and viscosity of the fluid. The considered output variables were the velocity of chip and the position of the stagnation point. Two functional metamodels of the FEM model were made, the first one by determining the empirical equations by means of a linear regression. The second was made by establishing functions based on fuzzy logic. The experiments with both metamodels showed that the depth of cut and the rake angle have the greater influence in the chip speed and in the position of the stagnation point. The metamodel based on fuzzy logic presented a better representation between the input and output variables.

Compound digital filter

En este trabajo se describen las características de operación de un Filtro Digital Compuesto, el cual está formado por dos estimadores que intervienen en el filtro de Kalman; el primero de ellos corresponde al gradiente estocástico para obtener la función de transición y el segundo, ajusta la ganancia del proceso de innovación por medio de la lógica difusa. En el proceso de filtrado se cuenta con restricciones de tiempo para que su respuesta ocurra antes de que el sistema de referencia cambie a otro estado. Los resultados obtenidos están desarrollados formalmente a lo largo del documento. Se propone un Modelo Auto-regresivo de Promedios Móviles (MARPM(1,1)) como sistema de referencia. El algoritmo de filtrado fue desarrollado con el programa MatLab® obteniendo las gráficas de su operación, convergencia y respuesta. Concluyendo con un pequeño análisis de los resultados.

This paper describes the identification by the compound digital filter with two estimators involved in the Kalman filter, the first corresponds to stochastic gradient describing the transition function and the second obtains the innovation process gain through fuzzy logic. The filtering process has time constraints for your response occurring before the reference system changes to another state. The results are formally described throughout the document. Auto-Regressive Moving Averages model was proposed (ARMA (1, 1)) as the reference system. The filtering algorithm was developed in MatLab® software getting the integrated filter operations illustrated with its graphics of convergence and response, concluding with brief an analysis of the results.

Contextual dynamic of the software requirements elicitation

La educción de requisitos software desde los stakeholders ha sido declarada como una actividad clave que influye poderosamente sobre la calidad de los requisitos especificados y, por lo tanto, del producto final del desarrollo. Por esta razón, es incuestionable la necesidad de contar con guías claras para conducir la interacción con los propietarios de la información del dominio y de las necesidades a las que se pretende dar solución. Este trabajo se centra en la modelación de la educción considerando la influencia de los agentes contextuales del proceso tales como: eductor, quien conduce la actividad; informante, quien posee la información relevante; dominio del problema, características de la problemática a atacar; y proceso, características y restricciones de la actividad misma. El artículo analiza la dinámica que relaciona y condiciona estos factores para seleccionar la técnica a aplicar en cada sesión de educción. Finalmente, el trabajo contribuye con un modelo temporal del proceso y con la representación de la casuística principal del proceso de educción.

The software requirements elicitation from stakeholders has been stated as a key activity influencing strongly on quality of specified requirements and, therefore, of the final development product. For this raison, is undoubtly the necessity to dispose clear guidelines to drive the interrelationship with the owners of the domain information and the needs that require solutions.This work focuses on the model of the elicitation considering the influence of the contextual agents of the process, such as: elicitor, who drive the activity; informant, who possess the relevant information; problem domain, characteristics of the problematic to tackle; and process, characteristics and restrictions of the activity itself. The article analyses the dynamic that relates these factors to select the technique to use in each elicitation session. Finally, the work contributes with a time model of the process and with the representation of the main casuistic of elicitation process.

Ontological approach to detect holonic concepts in organizations

Actualmente, las organizaciones presentan dificultades para entender el paradigma holónico y más aún, para identificar en sus procesos de producción, la existencia de posibles holones. Existen artefactos como las ontologías y los Esquemas Preconceptuales que permiten representar conocimiento para entender los elementos de un dominio. La literatura actual propone algunas ontologías para representar conceptos holónicos, pero estas ontologías carecen de una integración con los procesos de la organización. Estos procesos organizacionales se encuentran, la mayoría de las veces, escritos en lenguaje natural, el cual por su naturaleza es ambiguo y presenta irregularidades lingüísticas. Los Esquemas Preconceptuales, ayudan a eliminar esas características no deseables del lenguaje natural, representando esos procesos en forma no ambigua. Conocer si una empresa tiene en sus procesos, holones o maneja propiedades holónicas, requiere un análisis complejo por parte de analistas. Este artículo propone una ontología que ayuda a entender qué es un sistema holónico y a conocer si un proceso en una organización, modelado mediante Esquemas Preconceptuales, maneja características holónicas. Este trabajo realiza un acercamiento a la posible implantación de sistemas holónicos en una organización.

Today, organizations have difficulties to understanding the holonic paradigm and further, to identify in their production processes possible holons existence. There are artifacts such as ontologies and pre-conceptual schemas which represent knowledge to understand the elements of a domain. Current literature suggests some ontologies to represent holonic concepts, but these ontologies lack of integration with the processes of an organization. These organizational processes are found mainly, in natural language which by its nature is ambiguous and present linguistic irregularities. Knowing whether a company has holons or it handles holonic properties requires a complex investigation by analysts. This paper proposes an ontology that helps to understand what is a holonic system and see if a process in an organization, modeled by pre-conceptual schemas, handling holonic characteristics. This paper provides an insight into the possible implementation of holonic systems in an organization.

Treatment of lack of information in process mining

La minería de procesos es una disciplina que abarca el descubrimiento, monitoreo y mejora de los procesos reales, a través de la extracción de conocimiento de los registros de eventos ampliamente disponibles en los actuales sistemas de información. La mayoría de los algoritmos de minería de procesos parten del supuesto que las trazas son completas y están libres de ruido. En la realidad este supuesto rara vez se cumple. La ausencia de información afecta la comprensión del modelo descubierto. En el trabajo se propone un conjunto de pasos para la estimación de la información ausente en las trazas utilizadas para la minería de procesos. Como parte de la estimación se propone alinear las trazas durante la etapa de pre-procesamiento de estas para detectar las posibles situaciones en las que se manifiesta la ausencia de información. A partir de las situaciones detectadas se estima la información ausente y se genera en correspondencia un nuevo registro de evento, el cual puede ser utilizado por los diferentes algoritmos de descubrimiento de proceso existentes. Finalmente se discuten los resultados experimentales obtenidos al aplicar la propuesta.

Process mining is a research discipline including discovery, monitoring and improvement of real processes by extracting knowledge from event logs readily available in today's information systems. Most process mining algorithms assume that the traces are complete and free of noise. In reality, this assumption is rarely met. The lack of information affects the structure and understanding of the model discovered. The paper proposes a set of steps to estimate the lack of information in the traces used in processes mining. Align traces during the pre-processing stage is proposed as part of the estimation in order to detect possible situations in which lack of information is manifested. From detected situations, missing information is estimated and a new record is generated in correspondence to the event, which can be used by different process discovery algorithms. Finally we discuss the experimental results obtained from implementing the approach.

Simulation of the soil mechanical behavior in the soil tillage tool interface

A partir del desarrollo que han alcanzado los medios de computación en las últimas décadas, la aplicación de los métodos numéricos en la simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza, ha ganado en aceptación. Como paso previo a la simulación de este fenómeno se hace necesaria la definición de los modelos que predicen con mayor exactitud la respuesta mecánica del suelo. Tomando en cuenta estos aspectos se desarrolla el presente trabajo que tiene como objetivo simular la respuesta mecánica del suelo en la interfase suelo-herramienta de labranza, mediante el método de elemento finito a partir del empleo de un modelo que se basa en criterios friccionales, con la inclusión de la adherencia y el establecimiento de una tensión de deslizamiento límite, como penalidad para restringir el desplazamiento relativo entre ambas superficies. Los modelos fueron implementados en la herramienta computacional ABAQUS Ver 6.4, a partir de lo cual se simuló el deslizamiento del suelo sobre una superficie metálica. Los resultados evidenciaron la validez del modelo implementado para simular la respuesta mecánica del suelo en la interfase suelo-herramienta. Los errores en la predicción del estado tensional oscilaron de 1,45 a 5,45 %, para el caso de las deformaciones varió entre 2,22 a 3,57 %.

Starting from the development that has reached the computational means in the last decades, the application of the numeric methods in the simulation of the interaction soil tillage-tool, has won in acceptance. As previous step, to the simulation of this phenomenon becomes necessary the definition of the models that predict with more accuracy the soil mechanical behavior. Taking into account these aspects the objective of present work is, to simulate the soil mechanical behavior in the soil-tillage tool interface by means of the finite element method. Starting from the employment of a model that is based on frictional approaches, with the inclusion of the adherence and the establishment of a tension of slip limit, as penalty to restrict the relative displacement between both surfaces. The models were implemented in the computational tool ABAQUS 6.4, starting from that which the soil-metal relative displacement was simulated. The results evidenced the validity of the model implemented to simulate the soil mechanical response in the soil-tool interface. The errors in the prediction of the soil stress oscillated from 1,45 to 5,45%, for the case of the soil vertical deformations it varied among 2,22 to 3,57%.

Lipid Vesicle Detection using ISFET devices

The Ion Sensitive Field Effect (ISFET) Transistors are electronic devices widely used for detecting, ion concentrations, trapped charge or charge decay processes. This article reports on the electrical characterization of ISFETs exposed to buffer solutions sets at pH 4, 5, 7, and 10. When operated in their saturation regime ISFETs act as local charge detectors. This capability is applied to detect lipid vesicles. Lipid vesicles have promising applications in drug delivery, and their accurate detection can be important in understanding their interaction with living systems.

Los transistores de efecto campo sensibles a iones (ISFET) son dispositivos electrónicos con un amplio uso para la detección de concentraciones de iones, cargas confinadas o procesos de decaimiento de carga. Este articulo reporta la caracterización eléctrica de ISFET expuestos a soluciones buffer de pH 4, 5, 7 y 10. Cuando los ISFET operan en región de saturación funcionan como detectores de carga localizada. Esta habilidad se usa en este trabajo para detectar vesículas lipídicas. Las vesículas lipídicas tienen una amplia aplicación en el trasporte de medicamentos, y por lo tanto su detección puede ser importante para entender su interacción con otros sistemas vivos.

Processing, characterization and biological testing of electrochemically modified titanium for dental implants

Las aplicaciones biomédicas del titanio y sus aleaciones son posibles debido a que éste material posee características deseables para el reemplazo de huesos, incluyendo buenas propiedades mecánicas, excelente resistencia a la corrosión y alta biocompatibilidad. Sin embargo, una de sus principales limitaciones radica en el encapsulamiento del material por un delgado tejido fibroso, el cual puede estar relacionado con el aflojamiento del implante. Como una alternativa para dar solución a esta limitación, en el presente trabajo se realizaron modificaciones químicas y electroquímicas a la superficie del titanio para evaluar su influencia en la oseointegración de los implantes, para lo cual se realizaron ensayos in vitro del material en contacto con osteoblastos. Los resultados de caracterización por microscopía electrónica de barrido (SEM), de medición de parámetros de rugosidad y de morfología de los osteoblastos, indicaron que existe una relación entre la rugosidad superficial y la adhesión de las células óseas. Las superficies con los mayores parámetros verticales de rugosidad, para las condiciones evaluadas, permitieron una mejor adhesión celular. Estos resultados sugieren que la combinación de técnicas químicas y electroquímicas puede permitir el control de la rugosidad de los implantes dentales de titanio y, por tanto, la optimización de su oseointegración.

Biomedical applications of titanium and its alloys are possible due to their suitable characteristics for bone replacement, including good mechanical properties, excellent corrosion resistance and high biocompatibility. However, one of their main limitations is the fibrous tissue capsule that is formed around the material, which can be related with implants loosening. As an alternative to solve this problem, in this work were carried out some chemical and electrochemical modifications of titanium surface, in order to evaluate their influence on implants osteointegration through in vitro testing in contact with osteoblasts. Results of scanning electron microscopy (SEM), roughness parameters measured and osteoblasts morphology indicate that there is a relationship between surface roughness and bone cells adhesion. Surfaces with highest vertical roughness parameters, within evaluated conditions, allowed better cells adhesion. These results suggest that a combination of chemical and electrochemical techniques can help to control surface roughness of titanium dental implants and, by this way, it can also allow to optimize osteointegration.

Damage accumulation and redistribution of stresses in fiber reinforced material

Se analiza el proceso de fractura de materiales compuestos, considerando la interacción de diferentes factores que tienen un carácter muy particular. La resistencia a la ruptura de las fibras, la resistencia localizada de la matriz y la fuerza de adherencia entre la fibra y la matriz, por lo general varían de manera substancial y, además, la distribución del reforzamiento es errática y casual. Analíticamente la interacción entre estos imprevisibles factores durante la fractura del compuesto no pueden ser plenamente descritos mediante el uso de métodos probabilísticos. El desarrollo de métodos computacionales abre enormes posibilidades para simular la influencia de estos factores durante el proceso de fractura del compuesto. Determinadas dificultades surgen en el desarrollo de estas investigaciones porque éstas sintetizan problemas de física de materiales, así como de mecánica al tener que considerar y analizar simultáneamente la estructura real del material. Por lo anterior, resulta conveniente junto con la simulación numérica aplicada al estudio de determinados fenómenos y a la solución de problemas prácticos, hacer uso de criterios que son fundamentales para simular los procesos de delaminación de las fibras fracturadas y el desarrollo de grietas en la matriz.

During the analysis of fracture processes of composite materials we deal with the interaction of different factors that have a very particular character. There exist a substantial variation between the breaking resistance of the fibers, the resistance of the matrix and the adhesion resistance of the matrix, as well as the arrangement of the reinforcement which is erratic and random. The unpredictable interaction between these factors during the fracture of the compound is not fully described by using probabilistic methods. The development of computational methods opens an enormous amount of possibilities to simulate the influence of these factors during the fracture process of the composite. The use of computational methods is complex because the algorithms must synthesize both physical and mechanical problems of materials considering at the same time the real structure of the materials. Because of that, the use of fundamental criteria is suitable in order to create the simulation of the delamination processes in cracked fibers and the development of cracks in the matrix.

Hydrolysis time influence in obtaining hybrid film with addition of cerium ions for protecting galvanized steels

Las películas hibridas actúan como una barrera entre el substrato y el medio, reduciendo la velocidad de entrada del agua, electrolito, oxígeno y la penetración deiones agresivos hasta el metal, disminuyendo la velocidad de corrosión del substrato. Los principales factores que influyen en la resistencia a la corrosión de las películas híbridas son: el tiempo de curado, la concentración del baño, el pH de la solución de hidrólisis y el tiempo de hidrólisis. En este trabajo, se realizaron las pruebas con cuatro diferentes tiempos de hidrólisis (1, 3, 24 y 48 horas), el acero galvanizado fue revestido con una película híbrida obtenida a partir de un sol constituido por los precursores alcohoxidos 3-(trimetoxisililpropil) metacrilato (TMSPMA) y Tetraetoxisilano (TEOS) con adición de nitrato de cerio [0,01 M]. La caracterización de las películas fue realizada por MEB, perfilometria, ángulo de contacto, polarización y espectroscopia de impedancia electroquímica. Los resultados muestran que el tiempo de hidrólisis interfiere en la obtención de la película híbrida y consecuentemente en las propiedades protectoras de la película.

The hybrid films act as a barrier layer between the substrate and the environment. This kind of coating reduces the electrolyte permeability, decreasing the corrosion rate of the substrate. However, many variables influenced the corrosion resistance of hybrid coating. The main factors that influence the thickness of the films are: temperature, curing time, the concentration alcooxide precursors on the bath, the pH of the hydrolysis and the hydrolysis time. In this study, the galvanized steel was coated with and hybrid film obtained from precursors consisting of a sol alcooxide 3-(trimetoxisililpropil) methacrylate (TMSPMA) and tetraethoxysilane (TEOS) with cerium nitrate addition [0,01 M]. The hydrolysis time was varied in four levels of (1, 3, 24 and 48 hours). The characterization of the films was performed by SEM, profilometry, contact angle determination, polarization and electrochemical impedance spectroscopy measurements. Results showed that the hydrolysis time presented influence on the hybrid film properties and consequently on the protection.

A nonlinear finite element model of lightweight walls with cold formed steel members under lateral load

En este artículo se presentan los resultados de una investigación que tuvo como propósito modelar con elementos finitos el comportamiento a cargas laterales de los muros livianos compuestos de un entramado típico de acero para diferentes materiales de revestimiento. Se inició con la recopilación de información de ensayos de caracterización en los elementos del muro y las conexiones entre estos, a partir de esta información y la investigación realizada por [1] se construyó un modelo de elementos finitos que considera el comportamiento no lineal de las conexiones entre los elementos. Este modelo fue ajustado con la información de los ensayos ante carga lateral realizados en probetas a escala real para cinco configuraciones de revestimiento. En este proceso se encontraron grandes diferencias entre los parámetros del modelo ajustado y los iniciales que son atribuidas a la interacción entre los componentes del muro liviano. La validación del modelo se realizó prediciendo los resultados experimentales de una nueva configuración en la cual se combinan varios materiales, obteniendo un error del 6.9%. Este resultado indica una buena capacidad de predicción del modelo para otras posibles configuraciones de revestimiento.

This article presents the results of an investigation aimed at generating finite element models (FEM) for studying lateral load behavior of lightweight walls composed of a typical steel framing and different coating materials. Initially, the elements and connections were characterized with standard tests, based on this information and research by [1] finite element models were built that included the nonlinear behavior of the connections between elements. This model was updated for different coating materials using experimental results of lateral loads test conduced on full-scale prototypes for five different coating configurations. However large differences were found when compared the model updating parameters with initial parameters on the FEM model. These differences are attributed to the dissimilar materials working together as a composite rather than as individually. The model was validated with a configuration combining coating materials producing results with a 6.9% difference with respect to experimental data. This indicates an acceptable predictability of the model for other coating materials.

Total Lagrangian Finite Element Formulation of the Flory-Rehner Free Energy Function

The total Lagrangian finite element implementation of the Flory-Rehner free-energy function in the framework of a hyperelastic material model is addressed. It is explicitly given all the equations required to implement this material model in an implicit nonlinear finite element analysis, particularly, it is shown how to derive the so-called algorithmic or consistent linearized tangent moduli in the Lagrangian description. Some analytical and numerical results for different boundary-value problems are presented to validate the implementation.

Se trata la implemetación total Lagrangiana en elemento finito de la función de energía libre de Flory-Rehner en un marco de un modelo de material hiperelastico. Explícitamente se dan todas las ecuaciones requeridas para implementar este modelo de material en un análisis de elemento finito no lineal, particularmente, se muestra como derivar el llamado modulo tangente consistente o algorítmico en una descripción Lagrangiana. Algunos resultados analíticos y numéricos para diferentes problemas de valor de frontera son presentados para validar la implementación.

Recent advances in navigation of underwater remotely operated vehicles

A review of the most significant technical papers related to the navigation of underwater remotely operated vehicles is presented, with special interest in aided inertial navigation. Sensors used for implementation, fusion algorithms and models that describe the navigation systems are presented. From this review, it was concluded that the implementation of an estimator, based on the vehicle kinematic and dynamic models, limits the growth of the estimated error, even in case that the only available information is that provided by an inertial measurement unit.

Se presenta una revisión de las publicaciones técnicas más significativas sobre la navegación de vehículos submarinos operados remotamente, con especial interés en la navegación inercial asistida. Se definen los sensores que se utilizan para su implementación, los algoritmos de estimación y los modelos que describen los sistemas de navegación. Con esta revisión, se concluye que la implementación de un estimador basado en los modelos cinemático y dinámico del vehículo ayuda a limitar el crecimiento del error de estimación, incluso cuando sólo está disponible la información proporcionada por una unidad de medición inercial.

Application of CFD to the design of the runner of a propeller turbine for small hydroelectric power plants

A procedure for the design of the runner of a pico hydraulic propeller turbine according to the specific conditions of water potential of the site of operation is presented based on a theoretical and technical analysis. For this purpose the main characteristics of the runner are determined and data such as the suction head, the rated flow, and the occurring forces are established during the design. Modern engineering tools such as Computational Fluid Dynamics (CFD) are utilized for predicting the flow and Computer Aided Engineering software (CAE) for the design verification. The Runner of the Propeller Turbines (RPT) designed can be a viable option for electricity generation in not interconnected zones (NIZ) of the national interconnected electric system in developing countries and can be manufacture locally.

En este artículo se presenta un procedimiento para el diseño del rodete de una turbina hidráulica tipo hélice de acuerdo con las condiciones específicas del potencial del agua del sitio de operación basado en un análisis teórico y técnico. Para este fin, las principales características del rodete se determinan y datos tales como la cabeza de succión, el caudal nominal, y las fuerzas que se producen son establecidos durante el diseño. Para la verificación del diseño se utilizan herramientas modernas de ingeniería tales como la dinámica de fluidos computacional (CFD) para predecir el flujo y el método de elementos finitos (CAE) para el chequeo de la integridad estructural. El rodete diseñado puede ser una opción viable para la generación de energía eléctrica en zonas no interconectadas (ZNI) del sistema interconectado nacional de electricidad en los países en desarrollo y se puede fabricar localmente.

Active Perturbation Rejection in Motion Control of Milling Machine Tools

This article deals with the robust control problem of the motion axes of milling machine tools subjected to perturbation forces induced by the metal machining process. A position output feedback control scheme is proposed for robust rejection of unknown cutting and friction perturbation forces and robust tracking tasks of motion trajectories planned for a three-axis milling machine tool. The Coulomb friction, viscous damping and cutting forces are considered as terms of an unknown time-varying disturbance input signal affecting the dynamics of the motion axes of the milling machine. In the motion control design, the perturbation signal is modeled locally by a fourth degree Taylor time-polynomial family. Then, a state observer is designed to estimate the disturbance and velocity signals required for implementation of the proposed motion controllers. Simulation results are included to show the robust performance of the proposed motion control scheme and the fast and effective estimation of the perturbation and velocity signals.

En este artículo se aborda el problema de control robusto de los ejes de movimiento de máquinas- herramienta fresadoras sujetos a fuerzas de perturbación que se inducen durante el proceso de maquinado del metal. Se propone un esquema de control por retroalimentación de la salida de posición para el rechazo robusto de fuerzas de perturbación de fricción y de corte desconocidas, y para tareas de seguimiento robusto de trayectorias de movimiento planificadas para una máquina-herramienta fresadora de tres ejes. Se considera la fricción de Coulomb, el amortiguamiento viscoso y las fuerzas de corte como términos de una señal de entrada de perturbación variable en el tiempo desconocida, la cual afecta la dinámica de los ejes de movimiento de la máquina fresadora. En el diseño del control de movimiento, se modela la señal de perturbación mediante una familia de polinomios en el tiempo de Taylor de cuarto grado. Entonces, se diseña un observador de estado para estimar las señales de velocidad y perturbación que se requieren para la implementación del controlador de movimiento propuesto. Se incluye resultados en simulación para mostrar el desempeño robusto del esquema de control de movimiento propuesto y la estimación efectiva y rápida de las señales de perturbación y velocidad.

Computational Intelligence Techniques Applied to Coagulant Estimation Models in Water Purification Process

En este artículo se presentan cuatro modelos para la estimación de la dosificación de coagulante en el proceso de potabilización de agua, los cuales utilizan para su implementación, técnicas de inteligencia computacional que incluyen redes neuronales artificiales, lógica difusa tipo Sugeno, lógica difusa tipo Mamdani y estructuras neuro-difusas tipo ANFIS. La metodología descrita en la obtención de los modelos se basa en la extracción de la experiencia almacenada en los datos de operación de la planta (para el caso de los modelos basados en redes neuronales, lógica difusa Sugeno y estructuras ANFIS) y en el conocimiento expresado en forma lingüística por un operador experimentado de la planta (para el caso de la lógica difusa Mamdani). Los resultados obtenidos en las diferentes simulaciones realizadas demuestran que algunos de los modelos implementados pueden ser incluidos en sistemas de control que permiten superar algunas de las limitaciones que actualmente presentan los métodos de dosificación utilizados más ampliamente en las plantas de potabilización; la prueba de jarras y el streaming current detector.

Four coagulant estimation models in water purification process are presented. For its developing computational intelligence techniques are used, which include neural networks, fuzzy logic (Sugeno and Mamdani type) and ANFIS structures. The methodology described is based on the operator's experience extraction from operational historical data (in neural network, fuzzy logic Sugeno type and ANFIS case), and the linguistic information given by an experimented plant operator (in fuzzy logic Mamdani type case). According to the reached results, by applying some of this models in a control system strategy, could be possible overcome some of the current limitations found in the most widely used techniques for coagulant dosing in water purification plants; jar tests and streaming current detector.

Comparative evaluation of some limnological characteristics of six lentic environments of Colombia

Este estudio propuso evaluar algunas características limnológicas de seis ambientes leníticos de Colombia ubicados en un gradiente altitudinal de las regiones Caribe, Andina y Amazónica. Estos ambientes presentan diferente origen, tipo y variabilidad climática, física y química, esto es una evidencia de que en los ambientes ecuatoriales, como los de Colombia, varían entre sí y requieren un enfoque local enlazado con patrones regionales y geográficos que influencian la limnología del sistema. Los ambientes estudiados corresponden a ciénagas y lagos de inundación de tierras bajas y lagos de alta montaña, los cuales fueron monitoreados en diferentes estaciones y momentos hidrológicos; los resultados fueron analizados en torno a sus diferencias ambientales y tróficas. La ubicación altitudinal y en consecuencia el tipo, origen, morfometría y condición hidroclimática que afecta los seis sistemas promueven cambios significativos en el régimen de precipitación, la temperatura, nivel y transparencia del agua, la concentración de nutrientes, el oxígeno disuelto, el pH, la conductividad eléctrica y la clorofila a.

This study proposed to evaluate some limnological characteristics of six lentic environments in Colombia located at the altitudinal gradient in Caribbean, Andean and Amazon regions. These environments have different origin, type and physic, chemic and climatic variability. This is clear evidence that equatorial environments, like the ones found in Colombia presents variation among them and requires a local approach linked with regional and geographical patterns which influences the limnology of system. The studied environments correspond to high mountain lakes and lowland floodplain, which were monitored in different hydrological seasons and times and the results were reviewed with respect to their environmental and trophic differences. Altitudinal location and therefore the type, origin, morphometry and hydroclimatic conditions which affects the six systems, promotes significant changes in the precipitation regime, temperature, level and water transparency, nutrients concentrations, dissolved oxygen, pH, electrical conductivity and chlorophyll a.

Optimal land use under environmental and economic approaches

La pérdida de suelo derivada de la actividad humana tiene impactos negativos en términos de pérdida de productividad y por lo tanto de ingresos debido a los sobrecostos asociados al mayor uso de fertilizantes como consecuencia de la pérdida de nutrientes y acumulación de carbono orgánico. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar una herramienta metodológica que permita la valoración de los usos del suelo desde criterios medioambientales y económicos. Con el fin de observar las variaciones potenciales de pérdida de suelo y beneficio económico potencial en la cuenca del río Negro se usan la metodología RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation, por sus siglas en Inglés) y valoración económica de mercado mediante la herramienta SIG (Sistema de Información Geográfica) ArcGis 9.3. Los resultados obtenidos con el modelo SIG son procesados mediante técnicas de evaluación multicriterio. Mediante esta evaluación se encontró que los usos actuales del suelo para el año 2007, si bien representan un mayor beneficio económico para los agricultores y campesinos a corto plazo, no es una solución económica y ambientalmente óptima a largo plazo.

Soil losses resulting from human activity have negative impacts in terms of loss of productivity and therefore income. In that sense, there is an overcost associated with the increased use of fertilizers as a result of the decrease of nutrients and organic carbon accumulation. The main objective of this paper is to develop a methodological tool to assess the optimal land use from an environmental and economic point of view. To observe potential variations of soil loss and potential economic benefits in the Negro river watershed, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) methodology and economic valuation of market prices was used coupled with Geographic Information Systems (GIS) tool (ArcGIS 9.3). The obtained results with the GIS model are processed using multi-criteria evaluation techniques. Results show that land use in 2007, even though it represents greater economic benefit for farmers and peasants in the short term, it is not an economical and environmental optimal allocation in the long-term.

Variations of seasonal and spatial Hg, Pb, Cr and organic matter contents in Ayapel Flood Plain Lake sediments, Córdoba, northwest Colombia

Las planicies de inundación atlánticas colombianas están impactadas por la minería aurífera artesanal desarrollada durante las últimas décadas. Sin embargo, la contaminación local por mercurio ha sido comparada con niveles de acción de otras latitudes y no se han incluido otros metales de interés sanitario en las investigaciones. El presente estudio contribuyó al conocimiento de la respuesta geoquímica espacial inducida por el pulso hidrológico y la composición de materia orgánica (MO) en el área de influencia del complejo de humedales de Ayapel. Se evaluó la distribución espacial y temporal de mercurio (Hg), plomo (Pb), cromo (Cr) y MO en el sedimento reciente del complejo cenagoso de Ayapel y se contrastó con el nivel de referencia de contaminación local por Hg (0,032 μg g-1), Pb (2,39 μg g-1) y Cr (89,58 μg g-1) determinado en la Formación Betulia. Los rangos de los tres metales fueron: 0,008-0,117 μg Hg g-1; 1,090-11,870 μg Pb g-1 y 5,350-93,430 μg Cr g-1. El Hg mostró la mayor variabilidad espacial (0,083 ± 0,064 Mg g-1) y niveles superiores en el afluente del frente de explotación aurífera en la década del 80. En comparación con el nivel de referencia, el 91 % del sedimento reciente presentó enriquecimiento por Pb (6,376 ± 4,048 μg g-1) y el 66,6 % enriquecimiento por Hg. En contraste, el contenido de Cr fue relativamente bajo (96,325 ± 29,868 μg g-1) y presentó tendencia a disminuir de oriente a occidente. El sedimento fue predominantemente inorgánico, con porcentajes medios de cenizas de 88,154 ± 3,822 % y escasos niveles de MO (11,846 ± 3,822 %). Se presume el aumento en la movilidad del Hg debido a la alta tasa de respiración de MO en la zona central del espejo de agua principal de la ciénaga de Ayapel. La resuspensión y migración de sedimentos contaminados es facilitada por la inestabilidad térmica de la columna de agua influenciada por la acción del viento.

The Flood Plain Lakes of the Atlantic Colombian have been impacted by artisanal gold mining during last decades. However, the obtained results have been compared to action levels relevant to other latitudes and the investigations have not included other trace metals of sanitary interest. The present study contributed to understanding the spatial geochemical response controlled by hydrological pulse and organic matter (OM) composition within the Ayapel Flood Plain Lake influence area. We assessed the seasonal and spatial variations of mercury (Hg), lead (Pb), and chromium (Cr) content in recent Ayapel Flood Plain Lake sediments and then compared them with the determined local pollution level of Hg (0.032 μg g-1), Pb (2.39 μg g-1) and Cr (89.58 μg g-1) found in Betulia Formation. The ranges of metal content were 0.008-0.117 μg Hg g-1, 1.090-11.870 μg Pb g-1, and 5.350-93.430 μg Cr g-1. Hg showed the largest spatial variation (0.083 ± 0.064 μg g-1) and the highest values at the distributaries of the former gold mining fronts. About 91 % of samples displayed Pb enrichment (6.376 ± 4.048 μg g-1) and 66.6 % Hg enrichment when compared with the reference levels. In contrast, Cr content was relatively low (96.325 ± 29.868 μg g-1) and showed a decreasing trend from East towards West. The sediment was mainly inorganic (88.154 ± 3.822 %) with depleted OM levels (11.846 ± 3.822 %). The results suggested enhanced Hg motility owing to a high respiration rate of OM about the centre of the main water table. The sediment resuspension and migration was facilitated by thermal instability of the water column influenced by wind action.

Physicochemical dynamics water in a tropical floodplain

Se estudió el cambio de algunas variables fisicoquímicas en el agua de siete caños y siete ciénagas pertenecientes a la zona de planos de inundación de Ayapel en nueve muestreos durante el periodo 2006-2009. El valor medio de la conductividad eléctrica en la ciénaga es tres veces inferior al valor medio de las ciénagas de la región. 100 μS/cm puede considerarse como discriminante entre ciénagas con valores inferiores y los caños con valores superiores. No hubo relación entre la transparencia y la concentración de pigmentos fotosintéticos, lo que podría considerarse como indicador de un nivel de estado trófico bajo del sistema. A nivel temporal todas las formas de nutrientes evaluadas presentaron diferencias lo que indica la importancia del efecto del pulso de inundación a través del ciclo hidrológico. Con la disminución de la columna de agua en época de estiaje, se evidenció un aumento de las concentraciones de nitrógeno, las cuales se ven favorecidas por la resuspensión de material del fondo de la ciénaga. La concentración de fósforo es más sensible a la variación espacial, ya que el ciclo de este nutriente estuvo asociado a los sedimentos y a la composición del suelo de cada microcuenca. Se encontró que para una misma fase del pulso en ciclos sucesivos, se registran diferencias en la dinámica del sistema, por lo que el momento hidrológico en el que se realiza el muestreo es el factor principal en el comportamiento de las condiciones fisicoquímicas del sistema.

We studied the physicochemical variables change in seven water swamps and seven streams outside the floodplain area Ayapel in nine samples during the period 2006-2009. The average value of electrical conductivity in the swamp is three times less than the value of the swamps of the region. 100 μS/cm can be considered as discriminating among swamps with lower values, and streams with higher values. There was no relationship between transparency and the concentration of photosynthetic pigments, which could be considered as an indicator a lower level trophic system. Temporary level all evaluated forms of nutrients present differences which indicates the importance of the effect of the pulse of flooding through the hydrological cycle. With the decline of the column of water in times of drought, there was an increase in the concentrations of nitrogen, which are favored by the resuspended material from the bottom of the swamp. Phosphorus concentration is most sensitive to spatial variation, this nutrient cycle is very associated with the sediments and the composition of the soil of each basin. We found that for the same phase in successive cycles of the pulse, there are differences in the system dynamics so that when the hydrologic sampling is performed is the main factor in the behavior of the physicochemical conditions of the system.

Calibration methodology for air pollutants dispersion models. Case Study: PM₁₀ dispersion in the surroundings of Havana

El presente documento describe una metodología general para la calibración de modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos. La simulación numérica de este fenómeno es un proceso complejo debido a la cantidad de factores de los que depende. La principal contribución de este trabajo es la consideración conjunta en una única metodología del análisis de incertidumbre y el de sensibilidad. Asimismo, se aplica con gran éxito en el proceso de calibración del modelo gaussiano de dispersión ISCST3, implementado en un área densamente poblada, el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE) ubicado en La Habana.

This paper describes a general methodology for calibration of air pollutants dispersion models. Numerical simulation of this phenomenon is a complex process due to it depends on many factors. Main contribution of this paper is to consider in a unique calibration methodology of uncertainty and sensitivity analysis. Furthermore, the methodology is applied successfully in the calibration process gaussian dispersion model ISCST3 applied in a densely populated area, the Higher Polytechnic Institute José Antonio Echeverría (CUJAE) in Havana.

Influence of season and species Phragmites australis and Schoenoplectus californicus on the removal of organic matter and nutrients contained in sewage wastewater during the start up operation of the horizontal subsurface flow constructed wetland

Las plantas de tratamiento de aguas servidas basadas en humedales construidos de flujo horizontal subsuperficial (HSS), logran su etapa de madurez después de dos años de operación. La eficiencia de operación de los sistemas depende de la estacionalidad, tipo de plantas y periodo de madurez del sistema. El objetivo de este trabajo es evaluar la influencia de la estación y de las especies Phragmites australis y Schoenoplectus californicus, en la eficiencia de depuración en materia orgánica y nutrientes de unidades de HSS, durante la etapa operativa de puesta en marcha. Con esta finalidad, se implementaron cuatro unidades de HSS bajo condiciones climáticas mediterráneas australes. Dos unidades fueron plantadas con Phragmites australis y las otras dos, con Schoenoplectus californicus. En este trabajo se presentan los resultados de la etapa de puesta en marcha, que cubre los primeros 193 días de operación. Se evaluó la influencia de la especie de planta y la estación (invierno y primavera), en la eficiencia de depuración de materia orgánica (Demanda Biológica de Oxígeno, DBO5, y Demanda Química de Oxígeno, DQO) y nutrientes (nitrógeno (N-NH4+, N-NO3- y NT) y fósforo (P-PO4-3 y PT)). Las unidades de HSS plantadas con Phragmites australis mostraron mejor adaptación temprana que las unidades de HSS plantadas con Schoenoplectus californicus. Sin embargo, las eficiencias de eliminación fueron similares en todas las unidades. Estacionalmente, se pudo evidenciar una diferencia de eliminación para DQO (invierno: 18 a 30%, primavera: 45 a 55%) y NT (invierno: 25 a 65%, primavera: 25 a 35%)

The Wastewater Treatment Plant (WWTP) based on horizontal subsurface flow constructed wetland (HSS) achieved its full operation after two years of implantation. Removal efficiency of this WWTP is function of seasonality, type of species plant and maturity period of the system. The objective of this work is evaluating of the influence of season and plant species Phragmites australis and Schoenoplectus californicus in removal of organic matter and nutrients in HSS units during start up operation phase. To this end, four HSS units were implemented in Mediterranean Austral weather conditions. Two HSS units were planted with Phragmites australis, and the other two HSS units were planted with Schoenoplectus californicus. This paper shows results from start up operation phase which cover the first 193 days. It was evaluated the influence of plant species and season (winter and spring), in the removal efficiency of organic matter (5-day Biological Oxygen Demand, BOD5, and Chemical Oxygen Demand, COD) and nutrients (nitrogen (NH4+-N, NO3- -N and TN) and phosphorus (PO4-3-P and TP)). The HSS units planted with Phragmites australis showed better early adaptation than HSS units planted with Schoenoplectus californicus. However, removal efficiencies were similar in all units. Seasonality, it can evidence differences for COD (winter: 18 to 30%, spring: 45 to 55%) and TN (winter: 25 to 65%, spring: 25 to 35%).

Evaluation of mature landfill leachates Treatment systems: the case of the landfill Curva de Rodas (Medellín-Colombia)

Leachates produced in the closed landfill Curva de Rodas in Medellin, Colombia are catalogued as mature leachates. These are characterized as poorly biodegradable waste containing organic compounds such as fulvic and humic acids, heavy metals, ammonia, nitrogen, and salts. In this paper five possible physicochemical leachate treatments are evaluated: adsorption with five types of granular activated carbon (GAC), adsorption with zeolite type A, Fenton oxidation, chemical precipitation by Ca(OH)2, and coagulation- flocculation with aluminum sulfide type A. The treatments are compared in terms of their capacity to remove Chemical Oxygen Demand (COD) and color. GAC adsorption removals of up to 39% for COD and 50% for color were achieved. In the case of the adsorption with zeolite type A, negligible removals of COD and color were achieved (3% and 7% respectively). Removals using the Fenton oxidation and neutralization with NaOH reached up to 95% for COD and 97% for color. When additionally neutralized with raw leachate the removals were up to 79% for COD and 87% for color. Finally in the chemical precipitation tests, removals of 27% for COD and 63% for color were achieved. Clearly, Fenton oxidation was identified as the most appropriate treatment process.

Los lixiviados producidos en el relleno sanitario clausurado Curva de Rodas de la ciudad de Medellín se catalogan como ''lixiviados maduros'', estos se caracterizan por ser un residuo poco biodegradable. En este trabajo se evalúa la eficiencia de cinco posibles tratamientos fisicoquímicos: adsorción con 5 tipos de carbón activado granular (CAG), adsorción con Zeolita tipo A, oxidación Fenton, precipitación química con Ca(OH)2 y coagulación- floculación con Sulfato de Aluminio Tipo A. Mediante la adsorción con CAG se alcanzaron remociones de hasta 39% para DQO y 50% para Color. En el caso de adsorción con Zeolita tipo A se lograron remociones de hasta 3% en DQO y 7% en Color. En los ensayos de precipitación química se lograron remociones máximas de 16% en DQO y 50% en color y por el proceso de coagulación-floculación hasta del 27% en DQO y del 63% en color. Los mejores resultados se obtuvieron con el proceso de oxidación Fenton, neutralizando con NaOH se lograron remociones máximas de 95% en DQO y 97% en color. Al neutralizar con lixiviado sin tratar las remociones alcanzadas fueron de hasta 79% en DQO y 87% en color.

Evaluation of chemical pretreatments for enzymatic hydrolysis of lignocellulosic residues cassava (Manihot esculenta Crantz)

El efecto de diferentes pretratamientos químicos con ácido sulfúrico (H2SO4), hidróxido de sodio (NaOH) y peróxido de hidrogeno (H2O2), fueron evaluados mediante la cuantificación de azucares reductores totales producidos durante la etapa de hidrólisis enzimática de los residuos lignocelulósicos de yuca (Manihot esculenta Crantz) y el porcentaje (%) de remoción de lignina después del pretratamiento. La cantidad de residuos utilizados (1 y 5%) (w/v) a diferentes tamaños de partícula (1,18 y 0,6mm) fueron pretratados por separado (hojas y tallos) con H2SO4, NaOH y H2O2 a diferentes concentraciones (1 y 5%) (w/v). Los residuos vegetales fueron hidrolizados con la enzima accellerase 1500 a 50°C, pH 5 y 140 rpm. El pretratamiento con NaOH permite la mayor liberación de azucares reductores totales durante la hidrólisis enzimática (3,7g/L) en hojas seguido del pretratamiento con H2SO4 (2,11g/L) y H2O2 (1,54g/L). En tallos las concentraciones de azúcares son menores.

The effect of different chemical pretreatment with sulfuric acid (H2SO4), sodium hydroxide (NaOH) and hydrogen peroxide (H2O2) were evaluated by quantifying total reducing sugars produced during enzymatic hydrolysis step of lignocellulosic residues cassava (Manihot esculenta Crantz) and lignin removal percentage after pretreatment. The amount of waste used (1 to 5%) (w/v) in different particle sizes (1.18 and 0.6 mm) were pretreated separately (leaves and stems) with H2SO4, NaOH and H2O2 at varying concentrations (1 and 5%) (w/v). Plant residues were hydrolyzed with enzyme Accellerase 1500 with 50 ° C, pH 5 and 140 rpm. NaOH pretreatment enables higher total reducing sugars released during enzymatic hydrolysis (3.7 g/L) followed by leave pretreatments using H2SO4 (2.11 g/L) and H2O2 (1.54 g/L). Sugar concentrations were lower in stem pretreatments.