Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Química / En el presente trabajo de investigación se sintetizó materiales nanoestructurados de óxido de cinc mediante la técnica de sol gel. Con el objetivo de mejorar sus capacidades fotocatalíticas en la síntesis se incorporó cantidades conocidas de metales (dopaje), a saber, Cu, Fe y Ag, esto para producir cambios en su morfología y estructura cristalina. Se incorporó cobre en un 0.5, 1, 1.5 y 2% en fracción molar, hierro en un 0.25, 0.5, 0.75 y 2% en fracción molar y plata en un 0.5, 2, 3, 6 y 9% en fracción molar. Para caracterizar los materiales se realizó medidas de área superficial BET, microscopía electrónica de barrido, microscopía de transmisión electrónica, microscopía de transmisión electrónica de alta resolución, difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía micro-Raman, fotoluminiscencia (FL), y espectroscopía UV visible. Finalmente se llevaron a cabo pruebas de fotocatálisis con luz visible para evaluar las potenciales mejoras en el rendimiento de los materiales, y se determinaron las constantes cinéticas de aquellos que evidenciaron el mayor rendimiento en descontaminación de agua. Se obtuvo muestras de tamaño nanométrico con una morfología de partícula en el caso de hierro y plata. En el caso de cobre la morfología fue varillas. S observó que la incorporación de hierro y plata en el óxido de cinc favorecen la fotocatálisis, no así el cobre.

Memoria para optar al título de Diseñadora Industrial / 01-04-2020

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El objetivo principal del presente trabajo de Tesis consiste en utilizar el método de elementos finitos, para estudiar el comportamiento de algunas geometrías sencillas de cuerpos compuestos por elastómeros sensibles a campos magnéticos, rodeados de espacio vacío, expuestos a la aplicación de un campo magnético externo y solicitación de cargas mecánicas. En el presente trabajo de tesis se desarrollaron varios ejemplos de soluciones numéricas del problema de valor frontera en magneto-elasticidad no lineal, considerando diferentes geometrías base. El marco teórico está basado principalmente en los trabajos desarrollados por Dorfmann et al. [1,2], Bustamante et al. [3,4] y Bustamante [5]. Específicamente, se ha utilizado dos modelos constitutivos distintos para la función de energía para materiales magneto-elásticos, uno es el modelo desarrollado por Bustamante et al., y el segundo corresponde al modelo de energía de Mooney-Rivlin, presentado por Otténio et al. [6]; utilizando ambos para resolver cada uno de los casos de interés y comparando los resultados obtenidos entre estos. En los primeros capítulos del presente informe se presenta una recopilación de antecedentes necesarios para comprender el marco teórico y numérico de la modelación de estos materiales en la teoría de medios continuos y la formulación de los mismos en el método de elementos finitos. Además, se incluyen antecedentes experimentales y numéricos de la literatura sobre elastómeros magneto-sensibles. Se explica el fenómeno físico que hay detrás del comportamiento de estos materiales ante la presencia de campos magnéticos. Todo lo anterior apunta hacia plantear de manera correcta las simulaciones de los problemas. En particular se estudiaron tres geometrías distintas; un tubo, un bloque rectangular de espesor infinito (deformación plana) y un cilindro, simplificados a casos bidimensionales. Se estudió además el comportamiento de un bloque tridimensional, todos compuestos por material magneto-elástico el cual se encuentra rodeado por espacio vacío. En todos estos ejemplos, se induce una deformación a través de la aplicación de un campo magnético lejano y de dirección normal a la superficie plana de los cuerpos. En una segunda instancia, a los casos anteriores se les aplicó además una carga mecánica superficial de corte, de tracción y/o presión, dependiendo de la geometría base. Para cada uno de los cuerpos en estudio, se obtuvo la deformación del mismo, la distribución de las variables magnéticas, campo magnético e inducción magnética, tanto dentro del cuerpo como en el espacio que lo rodea. Como un aporte extra, se simuló sobre algunas geometrías específicas condiciones "más reales'' de los modelos, tratando de asemejar lo que ocurre en un ensayo de tracción o de corte; en los cuales se aplica tanto el campo magnético, como las solicitaciones mecánicas, a través de la interacción con un cuerpo ferroso. Se explica en detalle de cada uno de los modelos simulados, incluyendo las propiedades de la malla utilizada, las simplificaciones a los modelos, simetrías existentes, condiciones de borde y cargas aplicadas en los cuerpos. Se estudió la continuidad de las variables magnéticas a través de las interfaces del cuerpo y se analizó el comportamiento de este último en función de las solicitaciones aplicadas. Se recomienda en un futuro trabajo modelar de manera adecuada los esfuerzos superficiales de Maxwell, los cuales no fueron incluidos dentro del presente trabajo ya que se presentaron problemas de convergencia en los modelos. Por tanto, para estudiar de manera adecuada el fenómeno e incorporar dichos esfuerzos a los modelos, es necesario desarrollar mejores métodos numéricos que puedan incorporar estos esfuerzos de manera adecuada. Con la finalidad de avanzar en esta dirección, se inició el desarrollo un método y algoritmo propio, el cual es incluido dentro de la sección de Anexos.

Mixtures of expanded polystyrene (EPS) wastes and gypsum, characterization and uses in construction.Francisco Javier González MadariagaThe expanded polystyrene (EPS) recycling technique exposed here consists in the formation of EPS wastes and gypsum-water mixtures with different proportions and under different conditions. One of the objectives for this thesis is to determine the components proportions for the gypsum-EPS wastes mixtures to be used as plasterboards and panels in construction also the work done here includes the determination of some of the new plasterboards and panels main properties. The experimental work at the new materials is the main part in this thesis. In the latest experimental section 14 physical and mechanical resistance tests have been done to 290 specimens. Among 68 different mixtures tested only 8 were selected and applied in 2 construction materials: one with similar uses to gypsum plasterboards and the other one with similar uses to a thermal insulating panel. The plasterboard mixtures have been produced with a main gypsum proportion and a reduced percentage of EPS wastes. From the plasterboard tests we know that plasterboards made of gypsum-EPS wastes are more prone to total water absorption (14% more) and the new material is 23,1% lighter than the standard laminated gypsum plasterboards (10 kg/m2) available in the market, both materials 12,5 mm thick. The flexure resistance for the new plasterboards with EPS wastes complies the UNE 102035-1M: 2001 Spanish Norm by more than 24 N. The fire reaction test developed here allows the research team to propose a Euroclasses level of B, s2, d0 for the new plasterboard materials because they show under a punctual fire attack a very limited combustion and a slow and limited smoke production with no ignited dropping particles. The impact resistance test of the new plasterboards shows that they exceed the limits by more than 2, 29 mm of the Spanish Norm mentioned before where the maximum impact mark diameter accepted is 20 mm.The mixture selected to by used in a thermal insulation panel has a high EPS waste percentage and a little of gypsum-water. From the insulation panel tests: they show a 20.7% mean of water absorption which is higher than the percentage accepted by the Spanish Norm UNE-EN 12087. The new panel has a density of 193 kg/m3 which is superior to a brand new EPS panel's density (Type III 15 kg/m3) this result is similar or superior to others researcher's publications who work on construction materials made of alike components. The EPS wastes-gypsum panel could be classified to flexure resistance as a BS 350 material (349,9 kPa) according the European Norm UNE-EN 13163:2002 which is a higher level to a new EPS panel type III (15 kg/m3) with a flexure resistance of 124 kPa, level BS 115 . The thermal conductivity index for the selected EPS wastes- gypsum mixture was 0,065 W/mK which is 12, 3% higher than a new EPS Type I (0,057 W/mK) and 66% higher than a type III EPS panel ( 0,039 W/mK).This is an original work which has produced several optimized mixtures of EPS wastes and gypsum-water. The new materials developed here are useful for manufacturing of construction elements with similar applications like gypsum plasterboard and EPS panels which in one hand cooperate to recycle EPS wastes and in the other hand they save the gypsum quantities required for its production.

Tesis por compendio de publicaciones / Synthesis of biodiesel from soybean oil using supercritical methanol in a catalyst-free process in batch reactor was investigated, studying the evolution of intermediate products (monoglycerides and diglycerides) as well as the conversion of triglycerides and the yield of fatty acid methyl esters (biodiesel) and glycerol. Experiments were carried out in a temperature range of 250-350ºC (12-43 MPa) at reaction times of 15-90 min for a methanol-to-oil molar ratio of 43:1. Maintaining the thermal stability of biodiesel is one of the most important concerns in supercritical high­yield biodiesel production. Thus, thermal decomposition reactions were investigated in different reaction conditions [temperature, reaction time and methanol­to­oil molar ratio ranges of 250–350ºC, 15–90 min and 13:1-53:1, respectively]. A new method for determining the degree of decomposition is proposed based on the area of a new chromatographic peak detected during the analysis of the reaction samples according to the standard UNE­EN 14105:2003. / Se investigó la síntesis de biodiésel con metanol supercrítico sin catalizador en reactor discontinuo a partir de aceite de soja, estudiando la evolución de los productos intermedios (monoglicéridos y diglicéridos), la conversión de triglicéridos y el rendimiento de biodiésel y de glicerina. Los experimentos se llevaron a cabo en un intervalo de temperaturas de 250-350ºC, tiempos de reacción de 15-90 min para una relación molar metanol/aceite de 43:1. Mantener la estabilidad térmica del biodiésel es una de las mayores preocupaciones en la producción de biodiésel en condiciones supercríticas. Así, se investigaron las reacciones de descomposición térmica bajo diferentes condiciones [intervalos de temperatura, tiempo de reacción y relación molar de 250-350ºC, 15-90 min y 13:1-53:1, respectivamente]. Se propuso un nuevo método para determinar el grado de descomposición en base al área de un nuevo pico cromatográfico detectado durante el análisis de las muestras de la reacción según la norma UNE-EN 14105:2003.

Este trabajo valida un modelo de interacción flexión–corte en vigas de hormigón armado con adición de fibras de acero. Estas fibras son incorporadas en la mezcla del hormigón, y su principal ventaja radica en un incremento en la ductilidad de los elementos, lo cual contribuye a disminuir los refuerzos tradicionales de barras de acero (longitudinales y estribos). La interacción entre flexión y corte se analizó mediante el uso de elementos tipo panel de hormigón armado en la modelación, es decir, elementos con comportamiento biaxial, mientras que el efecto de las fibras fue incluido en el análisis a través de las leyes constitutivas del material (curvas tensión–deformación). De esta manera, se caracterizó el comportamiento de los materiales a utilizar, adaptando modelos de hormigón tradicional a modelos de hormigón con fibras. Definidas las leyes constitutivas de los materiales, éstas fueron incorporadas al modelo en estudio, obteniéndose respuestas analíticas para ser comparadas con resultados experimentales de ensayos realizados en la Universidad de Oklahoma, con el fin de verificar el modelo de interacción y el efecto de las fibras de acero en las vigas. Dos hipótesis fundamentales se utilizaron en el modelo: (i) resultante nula de las tensiones transversales e (ii) imposición de un perfil de deformaciones transversales que fue calibrado para muros cortos. En general, el modelo de tensiones nulas resultó en buenas predicciones de capacidad y deformación en vigas más esbeltas, mientras que la imposición de deformaciones transversales resultó mejor en el caso de la viga más corta con falla de corte. Al acotar las deformaciones unitarias al momento de fluencia del refuerzo de flexión, este último modelo mejoró su respuesta en términos de ductilidad para todas la vigas.

Muros de hormigón armado con una proporción de altura versus largo menor a dos, son importantes componentes estructurales en edificios de muros con grandes aberturas y en casi todas las estructuras nucleares. El comportamiento de estos muros cortos en eventos sísmicos es de importancia ya que estos son diseñados para proporcionar rigidez lateral y resistencia en un edificio o estructura. Actualmente, las normas y códigos se enfocan en muros que generalmente fallan por flexo-compresión, mientras que un muro corto está gobernado por los esfuerzos de corte los que son más difíciles de predecir que las fallas por flexión. En este trabajo se modificó el modelo de Viu (2009), con orígenes en el modelo de Hwang et. al (2001), los que corresponde a un modelo puntal-tensor de compresión reducida para muros cortos, capaz de predecir la resistencia al corte asociada a una falla de compresión diagonal. Este modelo considera un sistema de tres mecanismos resistentes para muros de hormigón armado: diagonal, vertical y horizontal. La modificación principal corresponde a la introducción de un parámetro α que representa la porción del tensor de la armadura vertical distribuida que no se transmite como esfuerzo a la fundación. La respuesta mejora considerablemente al permitir a este refuerzo transmitir el 70% del esfuerzo a la fundación. A pesar de las mejoras, el modelo podría resultar en sobre-estimaciones de la fuerza en los puntales inclinados, causando tracciones en el puntal principal, e indicar degradación de capacidad con el aumento del refuerzo vertical distribuido. El modelo fue calibrado a partir de una base de datos existente de 252 muros, incluyéndose muros con doble empotramiento, así como muros en voladizo y una amplia gama de valores asociados a la geometría, refuerzo y propiedades de los materiales. Con esta formulación, el promedio de la relación de capacidades de corte del modelo y del ensayo, es de 0.95 con una desviación estándar relativamente baja de 0.20, al compararlo con otros modelos disponibles en la literatura.

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo consiste en obtener el campo de deformación de una probeta de acero SAE 1020 sometida a flexión, a partir de mediciones del campo de desplazamiento a través de correlación de imágenes digitales con cámaras DIC (Digital Image Correlation). Este sistema DIC, es un mé-todo óptico no destructivo para medir el campo de desplazamientos y deformaciones en todo punto. Sin embargo, el proceso de captura digital de imágenes está sujeto a muchas fuentes de ruido y error. Esta situación, define el principal foco de estudio de reducir el efecto del ruido experimental y los errores numéricos en la obtención del campo de deformaciones, en donde los resultados obtenidos son comparados con la solución del problema de flexión, utilizando elementos finitos. De esta forma, el trabajo realizado es necesario como fase preliminar para el estudio de fenómenos más complejos, tales como, el estudio de propagación de grietas en materiales considerando el efecto microestructural, así como también en materiales frágiles, por mencionar algu-nos. La primera parte del trabajo, contempla una revisión detallada de la bibliografía y estudio de la teoría, junto con la obtención de desplazamientos utilizando correlación de imágenes digi-tales. Para esto, se propusieron dos técnicas de preparación de las probetas para la correlación de imágenes digitales. La primera, por medio del salpicado de tinta con un cepillo y tinta en spray negra. La segunda propone el estampado del patrón de manchas con tinta gráfica por medio de un timbre fabricado por cortado laser. Esta última, implicó los mejores resultados en la obtención de desplazamientos. Posterior a la preparación de probetas, se definen los parámetros de opera-ción de la máquina del ensayo, para luego obtener los desplazamientos de las muestras utilizando el software propio de las cámaras DIC. Los parámetros de correlación de mejores resultados fue-ron un sub set de referencia de 17x17 pixeles y distancia de paso de 5 pixeles, presentando un error promedio de dos órdenes de magnitud menor a la escala de los desplazamientos medidos. La segunda parte, busca la reducción del ruido en los campos de deformación por medio de tres métodos diferentes. El primer método propuesto busca suavizar el campo de desplaza-mientos de forma previa a la obtención del campo de deformación por diferenciación numérica. Este método alcanza una reducción de un 88.5% del error promedio, con respecto a los campos de deformación obtenidos directamente sin suavizar. El segundo, utiliza el método Pointwise Least-Squares, por ajuste de mínimos cuadrados, alcanzando una reducción del 80,5%. Finalmen-te, el último método, busca la disminución del ruido inherente en el campo de deformación, de-finiendo sobre él una función de costos regularizada, cuyo mínimo implica el campo de mejor rendimiento. Este último método alcanza una reducción del 72,28% del error promedio. Del trabajo realizado, se observa que el montaje experimental y la calibración de las cáma-ras tienen la mayor influencia en los errores de los desplazamientos medidos. En cuanto a los mé-todos de reducción del error en el campo de deformación, el más efectivo corresponde al suavizado de los desplazamientos mediante la aproximación de la transformada de coseno discreta.

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Objetivos El objetivo general de esta Tesis Doctoral se centró en la aplicación de la tecnología enzimática para el diseño y optimización de procesos integrados de sacarificación de celulosa mediante el uso de la tecnología de líquidos iónicos y reactores de membrana. Metodología Para llevar a cabo este objetivo se realizaron tests de actividad y estabilidad del derivado enzimático inmovilizado de estudio en diferentes líquidos iónicos (ILs). En los procesos de disolución, regeneración de celulosa y recuperación del IL, se emplearon diferentes etapas de operación (mezclado, filtración y destilación) para la obtención de la celulosa regenerada y separación del IL. Se contempló también, el diseño de sistemas integrados de reacción / separación basados en la incorporación de membranas para la recuperación y reutilización de enzimas. Y por último, para los controles de calidad de las disoluciones de glucosa obtenidas, se emplearon cultivos de Saccharomyces cerevisiae. Resultados y conclusiones La estabilidad de la celulasa comercial (Celluclast®), inmovilizada en un soporte polimérico (Amberlite XAD4), se estudió en 3 líquidos iónicos diferentes [N1114] [NTf2], [Bmim] [NTf2] y [Bmim][Cl]) a 50°C. Los ILs hidrofóbicos mejoraron claramente la estabilidad térmica de la enzima: En el caso del [N1114][NTf2] se consiguió aumentar hasta 4 veces el tiempo de vida media del biocatalizador, mientras que el [Bmim][Cl] se comportó como un potente desactivador. La estabilidad de la celulasa en mezclas IL hidrofóbico/ Bmim][Cl] permitió estabilizar la enzima frente a la desactivación producida por el [Bmim][Cl]. El derivado enzimático inmovilizado se recubrió con [N1114][NTf2] utilizándose exitosamente en la sacarificación de celulosa disuelta en [Bmim][Cl] (i.e. hasta un 50% de hidrólisis en 24h) a 50°C. Así mismo, se desarrolló un proceso cíclico sostenible de sacarificación enzimática de celulosa pretratada con IL. Para ello se emplearon diferente soluciones homogéneas de celulosa en [Bmim][Cl] para la producción de celulosa amorfa mediante precipitación con agua, etanol o una mezcla equimolar agua / etanol. Varios parámetros de operación (e.g. tipo de disolvente, temperatura, ultrasonidos, etc.) se probaron para la precipitación de celulosa así como para las siguientes etapas de lavado para la total recuperación del IL (hasta un 99.7%), el cual se reusó exitosamente en un proceso cíclico de disolución / regeneración. La celulosa regenerada producida en cada ciclo resultó en un sustrato excelente para la sacarificación enzimática (i.e. hasta un 97.7% de hidrólisis en 4h a 50°C) mediante la acción combinada de celulasa y celobiasa solubles. La solución transparente de glucosa obtenida fue de excelente calidad para el crecimiento aeróbico de Saccharomyces cerevisiae. El uso de un reactor de membrana polietersulfónica, en modo discontinuo demostró excelentes rendimientos de hidrólisis (95%), manteniéndose constantes durante 9 ciclos operacionales de reutilización de la enzima soluble, sin problemas de colmatación en la membrana. Por otra parte, la sacarificación en continuo de celulosa, realizada en un reactor de membrana cerámica, requirió la optimización de parámetros como la concentración del sustrato alimentado y el tiempo de residencia en el reactor. Los perfiles de hidrólisis constantes observados durante el estado estacionario del reactor demostraron la idoneidad del mismo. En lo referente a los flujos de permeado, éstos permanecieron constantes en el tiempo, probando una eficaz acción catalítica de la enzima que evitó problemas de colmatación en la membrana. Esta Tesis Doctoral presenta por primera vez una estrategia sostenible para la sacarificación de celulosa en reactores de membrana, basada en la combinación de la tecnología de los líquidos iónicos con la tecnología enzimática, lo que permite la valorización de biomasa vegetal para la producción de bioetanol. / Aims The principal aim of this PhD Thesis was focused on the application of enzyme technology for the design and optimization of integrated processes for saccharification of cellulose using ionic liquids technology and membrane reactors. Methodology To accomplish this aim, activity and stability tests of the studied immobilized enzyme derivative were performed in different ionic liquids (ILs). Different stages of operation (mixing, filtration and distillation) were used in the dissolving, regeneration and recovery of IL processes, in order to obtain regenerated cellulose and separate the IL. The design of integrated reaction / separation systems, based on the incorporation of membranes for the recovery and reuse of enzyme, was also considered. Finally, for quality control of the glucose solutions obtained, cultures of Saccharomyces cerevisiae were used. Results and discussion The stability of commercial cellulase (Celluclast ®), immobilized on a polymer support (Amberlite XAD4) was studied in three different ionic liquids [N1114] [NTf2], [Bmim] [NTf2] and [Bmim] [Cl]) at 50 °C. The hydrophobic ILs clearly improved the thermal stability of the enzyme. For the case of [N1114] [NTf2], the half-life time of the biocatalyst was increase up to 4 times, while [Bmim][Cl] behaved as a powerful deactivating agent. Cellulase stability in mixtures hydrophobic IL / [Bmim][Cl] helped to stabilize the enzyme against inactivation produced by the [Bmim][Cl]. The immobilized enzyme derivative was coated with [N1114] [NTf2] being successfully used in the saccharification of cellulose dissolved in [Bmim] [Cl] (i.e. up to 50% hydrolysis in 24 hours) at 50 ° C. A sustainable cyclic process for enzymatic saccharification of cellulose pretreated with IL was developed. To this end, different homogeneous solutions of cellulose in [Bmim][Cl] were used for the production of amorphous cellulose by precipitation with water, ethanol or an equimolar mixture water/ethanol. Several operating parameters (e.g. type of solvent, temperature, ultrasound, etc.) were tested for the precipitation of cellulose as well as for the following washing steps for the complete recovery of IL (up to 99.7%), which was successfully reused in a cyclic process of dissolution/regeneration. Regenerated cellulose obtained from each cycle was an excellent substrate for enzymatic saccharification (i.e. up to 97.7% hydrolysis in 4 h at 50 ° C) by the combined action of soluble cellulase and cellobiase. The clear solution of glucose obtained was of excellent quality for aerobic growth of Saccharomyces cerevisiae. Enzymatic hydrolysis of cellulose was also studied in different membrane reactors in continuous and discontinuous mode. The use of polietersulfonic membranes in discontinuous mode showed excellent hydrolysis yields (95%), which remained constant for 9 cycles of soluble enzyme reuse, without fouling problems in the membrane. On the other hand, the continuous saccharification of cellulose, realized with a ceramic membrane reactor, required to optimize parameters such as feeding substrate concentration and residence time. Constant hydrolysis profiles observed during the steady state of the reactor demonstrated its suitability. Regarding the flow of permeate, it remained constant along time, confirming an effective catalytic action of enzymes which avoided any fouling problem in the membrane. This PhD thesis presents for the first time a sustainable strategy for the saccharification of cellulose in membrane reactors, based on the combination of the technology of ionic liquids with enzyme technology, which allows the use of plant biomass for production of bioethanol.