[EN] This thesis deals with the study of the sounds produced by beluga whales (Delphinapterus leucas) with a fundamental objective: its characterization and modeling. To this end, analysis / synthesis algorithms of the sounds produced by these animals are proposed. These algorithms are inspired by recent researches on how beluga whales produce the sound and in the physiognomy of the sound production organs. This is a multidisciplinary work, and in order to achieve this goal many fields and topics have to be studied: the generation of sounds in musical instruments, time-frequency analysis techniques along with pattern recognition methods, feature selection, the potential to include algorithms that work in the cepstral domain and a quantitative analysis of the Recurrence Plots. All this allows to propose a sound production model capable to adapt to the peculiarities of this specie and reproduce with high fidelity its wide repertoire of sounds. In addition, in order to validate the proposed model, different sounds from a database of beluga whale vocalisations were analysed. These sounds were compared with those generated with a generic analysis / synthesis model. Furthermore, it is proposed to use the synthesis model parameters for a new sound classification based on how the sounds are produced, achieving better results than those obtained with classifiers based on characteristics of the time-frequency diagram. All the proposed hypotheses have been validated by doing acoustic measurements of beluga whales from the Oceanografic of Valencia (supervised by park biologists), as well as a large number of audio laboratory recordings under controlled conditions. Finally, a passive acoustic monitoring device called SAMARUC design in the framework of the projects related to this thesis is described. The SAMARUC system has the possibility to include different signal processing algorithms for sound analysis in open water environment and is capable of recording high quality sounds. It can also provide the classification of the acoustic events as well as the noise indicators of good environmental status of our seas and oceans. These indicators include underwater noise levels as reflected in the Descriptor 11 of the Marine European Directive. For this reason we expect that this research will have a significant importance in the future years. / [ES] Esta tesis doctoral aborda el estudio de los sonidos producidos por las ballenas beluga (Delphinapterus Leucas) con un objetivo fundamental: su caracterización y su modelado. Para ello, se propone una serie de algoritmos de análisis / síntesis de los sonidos producidos por estos animales inspirados en las recientes investigaciones sobre el funcionamiento y la fisionomía del aparato fonador de las ballenas beluga. Se trata de un trabajo multidisciplinar, en el que para alcanzar este objetivo, se analiza la generación de sonidos en instrumentos musicales, se repasan técnicas de análisis tiempo-frecuencia junto con métodos de reconocimiento de patrones, se aplican técnicas de selección de características, se analiza el potencial de incluir algoritmos que trabajen en el dominio cepstral y se realiza un análisis cuantitativo de los Recurrence Plots como medida del determinismo. Todo esto permite plantear un modelo de producción de sonidos capaz de adaptarse a las peculiaridades de ésta especie y reproducir con una alta fidelidad su amplio repertorio de sonidos. Además, con la finalidad de dar validez al modelo propuesto, se analizan y sintetizan diferentes sonidos de una base de datos de vocalizaciones de ballenas beluga para compararlos con los generados con un modelo de análisis/ síntesis genérico. De manera adicional, se propone emplear los parámetros del modelo de síntesis para realizar una nueva clasificación de sonidos de la especie basada en su naturaleza de producción, consiguiendo mejorar los resultados obtenidos con clasificadores basados en características del diagrama tiempo-frecuencia. Las hipótesis propuestas han sido validadas con la realización de medidas acústicas de las ballenas beluga del Oceanografic de València (supervisadas por los cuidadores del parque), así como con un gran número grabaciones de audio de laboratorio en condiciones controladas. Finalmente se describe el dispositivo de monitorización acústica pasiva SAMARUC, diseñado con la funcionalidad de incluir los algoritmos implementados en entornos de aguas abiertas, pudiendo ofrecer datos de la grabación de los sonidos, la clasificación de éstos, así como los indicadores del buen estado medioambiental de nuestros mares y océanos. Estos indicadores incluyen los niveles de ruido submarino tal y como se recoge en el descriptor 11 de la Directiva Marina Europea y es por ello que se prevé que esta línea de investigación tenga un auge considerable en años futuros. / [CAT] Aquesta tesi doctoral aborda l'estudi dels sons produïts per les ballenes beluga (Delphinapterus Leucas) amb un objectiu fonamental: la seua caracterització y modelat. Es proposen una sèrie d'algoritmes d'anàlisi / síntesi d'aquestos sons inspirats en recents investigacions sobre el funcionament i la fisonomia del aparell fonador de les ballenes beluga. Es tracta d'un treball multidisciplinar, on per a arribar a aquest objectiu s'analitza la generació de sons en instruments musicales, es repassen tècniques d'anàlisi temps-freqüencia junt a mètodes de reconeixement de patrons, s'apliquen tècniques de selecció de característiques, s'analitza el potencial de la inclusió d'algoritmes que treballen en el domini cepstral i es realitza un anàlisi quantitatiu dels Recurrence Plots com a mètrica del determinisme. Tot aço permet plantejar un model de producción de sons capaç d'adaptar-se a les peculiaritats d'aquesta espècie i reproduir amb una alta fidelitat el seu amplíssim repertori de sons. Ademés, amb la finalitat de donar validesa al model proposat, s'analitzen i sintetitzen diferents sons d'una base de dades de vocalitzacions de ballenes beluga per a comparar-les amb les generades per un model d'anàlisi / síntesi genèric. De manera addicional es proposa emprar els paràmetres del model de síntesi disenyat per a fer una nova classificació de sons basada en la seua naturalesa de producció, aconseguint millorar el resultats obtinguts amb classificadors basats en característiques del diagrama temps-freqüencia. Les hipòtesis proposades han sigut validades amb la realització de mesures acústiques de les ballenes beluga de l'Oceanogràfic de Valéncia (supervisades pels cuidadors del parc), així com una gran quantitat de grabacions d'àudio de laboratori en condicions controlades. Finalment es descriu el dispositiu de monitorització acústica pasiva SAMARUC, disenyat amb la funcionalitat d'incloure els algoritmes implementats en entorns d'aigües obertes, podent oferir dades de la grabació dels sons, la seua classificació, així com els indicadors del benestar mediambiental dels nostres mars i oceans. Aquestos indicadors inclueixen els nivells de so submarí tal com es diu al descriptor 11 de la Directiva Marina Europea. Es per aço que es preveu que aquesta línia d'investigació tinga un auge considerable als anys futurs. / Lara Martínez, G. (2016). Caracterización y modelado de la producción de sonidos de las ballenas beluga (Delphinapterus Leucas) basado en modelos de análisis / síntesis de voz [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/74645 / TESIS

This thesis presents a new application for in-cylinder pressure sensors in internal combustion engines. The new method takes profit of the high-frequency content of the in-cylinder pressure signal to determine the speed of sound evolution during the expansion stroke and combines this estimation with the low-frequency content of the pressure signal and a volume estimation to obtain a measurement of the trapped mass. The new method is based on the studies of the resonance phenomenon in pent-roof combustion chambers and proposes three calibration procedures to determine the resonant frequency evolution when bowl-in-piston geometries are considered. The Fourier transform has been modified in order to include harmonics with frequency variations, which allows a rapid identification of the resonant modes with no need of time-frequency analysis, e.g. STFT or WD. The main limitation of the method resides in the resonance excitation, which may be insufficient in low-load conditions, such as idle. An observer is presented to overcome that problem. The observer takes into account the dynamics of the sensors, the dynamics at the intake manifold, and combines current flow sensors with intermittent measurements, such as the trapped mass obtained by the resonance method, to provide the system with accurate and robust measurements of the trapped mass, the EGR, and the composition at the exhaust. The trapped mass obtained by the resonance method has been compared with auxiliary methods in various experimental facilities: in a SI engine, where no EGR exist, the differences founded were below 1%, in a conventional CI light-duty engine the average of the differences over 808 operating conditions accounted for a 2.64 %, in a research heavy-duty RCCI engine, with EGR, port fuel gasoline, and direct diesel injections, the average difference was 2.17 %, and in a research two-strokes single cylinder engine, where significant short-circuit and residual gases exist, the differences founded were 4.36 %. In all the studied cases the differences founded with the reference estimation can be attributed to the auxiliary method employed and its expected error. In order to demonstrate the potential of the resonance method four applications for control and diagnosis of internal combustion engines have been proposed: the estimation of residuals in engines with NVO, the prediction of knock in SI engines, the estimation of the exhaust gases temperature, and a NOx model for CI engines. In the four applications the method was compared with current methodologies and with additional sensors, demonstrating the improvement in accuracy and a cycle-to-cycle resolution. / Esta tesis presenta una nueva aplicación para los sensores de presión en cámara. El nuevo método utiliza el contenido de alta frecuencia de la señal de presión en cámara para estimar la evolución de la velocidad del sonido durante la expansión de los gases de escape y combina esta estimación con el contenido de baja frecuencia de la presión en cámara y el volumen instantáneo de la cámara para obtener una medida de la masa atrapada. El nuevo método está basado en los estudios de la resonancia en cámaras de combustión cilíndricas y propone tres procedimientos de calibración para estimar la evolución de la frecuencia de resonancia en cámaras de combustión con bowl. La transformada de Fourier ha sido modificada para considerar harmónicos con frecuencias que varían en el tiempo, lo que permite una rápida identificación de los modos de resonancia sin necesidad de utilizar un análisis en tiempo frecuencia, como por ejemplo STFT o WD. La principal limitación del método es la necesidad de excitación suficiente de la resonancia, que puede impedir su uso en condiciones de baja carga como el ralentí. Para solventar este problema se ha diseñado un observador. El observador incluye las dinámicas de los sensores, las dinámicas del colector de admisión, y combina los sensores actuales de flujo con medidas intermitentes (como la medida ofrecida por el nuevo método de la resonancia) para obtener medidas de la masa atrapada, del EGR y de la composición en el escape precisas y robustas. La medida de la masa atrapada obtenida por el método de la resonancia ha sido comparado con métodos auxiliares en diferentes instalaciones experimentales: en un motor SI, sin EGR, las diferencias con los sensores eran menores del 1%, en un motor convencional CI la media de las diferencias sobre 808 puntos de operación distintos ha sido de 2.64 %, en un motor de investigación con EGR, con inyección gasolina en el colector e inyección directa de diesel, las diferencias fueron de 2.17 %, y en un motor de investigación de dos tiempos, donde existían grandes cantidades de corto-circuito y gases residuales, las diferencias fueron de 4.36 %. En todos los casos estudiados las diferencias encontradas pueden ser atribuidas a los errores que caracterizan los métodos auxiliares utilizados para obtener la medida de referencia. Finalmente, para demostrar el potencial del método se han desarrollado cuatro aplicaciones para control y diagnóstico de motores de combustión interna alternativos: la estimación de gases residuales en motores con NVO, la predicción de knock en motores SI, la estimación de la temperatura de los gases de escape, y un modelo de NOx para motores CI. En las cuatro aplicaciones el método ha sido comparado con los sistemas de medidas actuales y con sensores adicionales, demostrando mejoras importantes en la precisión de la medida y una resolución de un solo ciclo. / Aquesta tesi presenta una nova aplicació per als sensors de pressió en cambra. El nou mètode utilitza el contingut d'alta freqüència del senyal de pressió en cambra per estimar l'evolució de la velocitat del so durant l'expansió dels gasos d'eixida i combina aquesta estimació amb el contingut de baixa freqüència de la pressió en cambra i el volum instantani de la cambra per obtenir una mesura de la massa atrapada. El nou mètode està desenvolupat dels estudis de la ressonància en cambres de combustió cilíndriques i proposa tres procediments de calibratge per estimar l'evolució de la freqüència de ressonància en cambres de combustió amb bowl. La transformada de Fourier ha sigut modificada per considerar harmònics amb freqüències que varien en el temps, el que permet una ràpida identificació dels modes de ressonància sense necessitat d'utilitzar una anàlisi en temps-freqüència, com per exemple la STFT o la WD. La principal limitació del mètode és la necessitat d'excitació suficient de la ressonància, que pot impedir el seu ús en condicions de baixa càrrega, com al ralentí. Per solucionar aquest problema s'ha desenvolupat un observador. L'observador inclou les dinàmiques dels sensors, les dinàmiques del col·lector d'admissió, i combina els sensors actuals de flux amb mesures intermitents (com l'obtinguda pel nou mètode de la ressonància) per obtenir mesures de la massa atrapada, del EGR i de la composició d'eixida precises i robustes. La mesura de la massa atrapada obtinguda pel mètode de la ressonància ha sigut comparada en mètodes auxiliars en diferents instal·lacions experimentals: a un motor SI, sense EGR, les diferencies amb els sensors estaven per davall de l'1 %, a un motor convencional CI la mitja de les diferències sobre 808 punts d'operació diferents ha sigut de 2.64 %, a un motor d'investigació, en EGR, en injecció gasolina en el col·lector i injecció directa de dièsel, les diferències van ser de 2.17 %, i a un motor d'investigació de dos temps, on existien grans quantitats de curtcircuit i residuals, les diferencies foren de 4.36 %. En tots els casos estudiats les diferències trobades poden ser atribuïdes als errors que caracteritzen els mètodes auxiliars utilitzats per obtenir la mesura de referència. Finalment, per demostrar el potencial del mètode s'han desenvolupat quatre aplicacions per al control i diagnòstic de motors de combustió interna alternatius: l'estimació de gasos residuals en motors amb NVO, la predicció de knock en motors SI, l'estimació de la temperatura dels gasos d'eixida, i un model de NOx per a motors CI. En les quatre aplicacions el mètode ha sigut comparat amb els sistemes de mesures actuals i amb sensors addicionals, demostrant millores importants en la precisió de la mesura i una resolució de solament un cicle. / Bares Moreno, P. (2017). In-cylinder pressure resonance analysis for trapped mass estimation in automotive engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90423 / TESIS

El principal objetivo de la tesis es desarrollar una metodología para el diseño sistemático de procesos químicos que permita incorporar los aspectos de seguridad inherente junto con los clásicos aspectos medioambientales y económicos, obteniendo así, un conjunto de soluciones capaz de ofrecer peso en estos tres ámbitos. La tesis es por tanto el resultado del trabajo de investigación con este objetivo, y proporciona modelos tanto para reducir el número de objetivos, con el fin de una mayor facilidad para el estudio de diversos puntos de vista para un proceso, a la vez que sistematiza la inclusión de objetivos de Seguridad entre los principales estudiados en un proceso. / Funded by Spanish “Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades”, research grant “Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores 2017 (BES-2017-080505)”.

El ritmo de aplicación de los procesos que manejan sólidos particulados ha crecido significativamente. Sin embargo, la complejidad de los fenómenos físicos/químicos que tienen lu-gar ha limitado la mejora continua de los mismos. Por ejemplo, las plantas de granulación (industrias cuyos procesos aumen-tan el tamaño de partículas) distan de operar bajo condicio-nes óptimas, presentando frecuentes problemas operativos y paradas indeseadas. A menudo los desafíos operativos se re-suelven por prueba y error, en lugar de ser enfrentados utili-zando principios científicos. Considerando que la urea es el fer-tilizante nitrogenado más usado, que la tecnología líder para su producción es la granulación en lechos fluidizados y que existe una falta de entendimiento de los principios fundamen-tales que gobiernan la operación de plantas de granulación, esta Tesis se centra en el desarrollo de herramientas matemá-ticas que permitan la operación eficiente de circuitos de gra-nulación de fertilizantes. En particular, el circuito de granula-ción de urea bajo estudio está constituido por: una unidad central de granulación (lecho fluidizado multicámaras) donde se produce el crecimiento de las partículas, un enfriador aguas abajo; una zaranda de clasificación que separa (median-te el uso de dos mallas de diferentes aperturas) la corriente de salida del enfriador en material en especificación (produc-to), material de tamaño mayor que el deseado (gruesos) y ma-terial más fino que el producto (finos); y un molino de rodillos (constituido por dos pares de rodillos) que reduce el tamaño de los gruesos para ser reciclados al granulador junto con los finos provenientes de la zaranda. En primer lugar se presentan los modelos correspondientes al molino de rodillos y la zaranda vibratoria. Los parámetros involucrados en los modelos son ajustados a partir de datos experimentales disponibles de una planta de granulación de urea de alta capacidad. En cuanto al granulador, se implementa un modelo desarrollado previamente en nuestro grupo de investigación. Por su parte, en esta Tesis se desarrolla el modelo de un enfriador de lecho fluidizado ba-sado en el modelo del equipo de granulación. Luego de haber validado los modelos que presentan parámetros de ajuste usando información experimental, se presenta un simulador completo del circuito de granulación de urea. El mismo resulta de la integración de los modelos de todos los equipos descrip-tos anteriormente y de la implementación de la corriente de reciclo (de material fuera de especificación) que ingresa al granulador. Una vez que se verifica la capacidad del simulador para reproducir los datos industriales disponibles, se realiza un análisis de sensibilidad donde se determinan las variables operativas y/o de diseño que más afectan la performance del circuito. El análisis dinámico de respuesta a lazo abierto del sistema ante diversas perturbaciones refleja que la dinámica de este tipo de circuitos resulta extremadamente compleja de predecir sin contar con un simulador que facilite esta tarea. Para finalizar, se analizan diversos casos de optimización de estado estacionario relevantes para la práctica industrial, con el objeto de encontrar nuevos puntos operativos manipulando variables operativas y/o de diseño. Considerando que la diná-mica de los circuitos de granulación suele ser oscilante en el tiempo a causa del reciclo, también se postulan optimizacio-nes dinámicas formuladas como problemas de control óptimo. Este último estudio resulta de utilidad para identificar los cuellos de botella que limitan, en particular, los aumentos de capacidad de planta y para analizar posibles acciones ten-dientes a superarlos. En síntesis, en esta Tesis se desarrolla un simulador dinámico que permite representar la operación de un circuito de granulación de urea de manera apropiada, ofreciendo un recurso en condiciones de ser aplicado para múltiples propósitos: evaluar cambios de diseño o diagrama de flujo, ser usado como herramienta de capacitación, valorar el efecto de diferentes perturbaciones, estudiar distintos escenarios a lazo abierto o cerrado, etc. / Studies about particle technology have grown significantly during the last years. However, the complexity of the involved physical/chemical phenomena has limited the improvement of the processes that handle particulate solids. For example, granulation plants (i.e., industries dedicated to the particles size enlargement) operate far from optimal conditions, with frequent operating problems and plant shutdowns. The opera-ting challenges are often overcome by trial and error instead of being solved by means of scientific principles. Taking into account that urea is the most widely used nitrogen based fertilizer, fluidized bed granulation is the leading technology for its production and that there is a lack of understanding of the fundamental principles governing the operation of granu-lation plants, this Thesis focuses on the development of mathematical tools to allow the efficient operation of fertilizer granulation circuits. In particular, the urea granulation circuit under study includes: a central granulation unit (multichamber fluidized bed) where particles growth takes place; a fluidized-bed cooler downstream the granulator; a double-deck vibra-ting screen (using two decks of different mesh openings) that separates the material that leaves the cooler into particles on specification (product), material bigger (oversize) and smaller (fines) than the desired product size; and a double-roll crusher that reduces the size of oversize particles which are recycled to the granulator together with the fines classified by the screen. The mathematical models for the crusher and screen are first presented. The required model parameters are fitted considering experimental data available from a high capacity urea plant. Regarding the granulation unit, a model previously developed in our research group is used. In this Thesis, the fluidized bed cooler model is developed based on its similarity with the granulator mathematical representation. After proving the good capability of the individual models to represent experimental trends adequately, a simulator for the complete urea granulation circuit is presented. This is achie-ved by integrating the previously described models and by solving the recycle stream (off-specification material) that enters the granulator. Once the simulator ability to track the particle size distributions of the circuit solids streams is verified, a steady-state sensitivity analysis is performed in order to determine the operating and/or design variables that most affect the circuit performance. The non steady-state analysis, i.e. the study of the open-loop circuit behavior sub-ject to different disturbances, indicates that the granulation circuit dynamics is extremely complex to be predicted without a simulator that facilitates this task. Finally, several steady-state optimization cases, relevant to the industrial practice, are studied with the aim of finding new operating points by manipulation of operating and/or design variables. Considering that granulation circuits usually present an oscillating behavior due to the recycle stream, dynamic optimizations formulated as optimal control problems are also performed. This latest study is useful not only to identify the bottlenecks that limit, for example, increments in plant capacity but also to analyze possible actions to overcome them. In summary, in this The-sis, a dynamic simulator to properly represent the opera-tion of a urea granulation circuit is developed, providing a multi-task tool. In fact the simulator can be used to explore design changes or flowsheet variations, as a training tool, for evalua-ting the effect of different disturbances, to study different open or closed loop operations, etc.

Debido al aumento del uso de productos fitosanitarios en la producción agropecuaria argentina, se ha generado una gran cantidad de envases vacíos de estos productos, lo que representa un riesgo para las personas y el medio ambiente. En Argentina esa cifra representa alrededor de 20 millones de envases vacíos al año, lo que equivale aproximadamente a 17 mil toneladas de plástico. El 60% de estos envases los genera la provincia de Buenos Aires (pBA). La Ley Nacional Nº 27.279 de Presupuestos Mínimos de Protección Ambiental para la Gestión de Envases Vacíos de Fitosanitarios (EVFs) sancionada en 2016 para abordar este problema, entre otros aspectos establece claramente la estructura del problema objeto de estudio en esta tesis, definiendo que los sistemas de gestión se dividirán en tres etapas: del usuario al centro de acopio transitorio (CAT), del CAT al operador y del operador a la industria. Sin embargo, en 2020, solo el 8,22% de los envases se gestionaron de manera adecuada, por lo que los desarrollos de esta tesis esperan poder contribuir a lograr ese objetivo. Ante este problema ambiental, este trabajo de investigación busca proponer estrategias de optimización para la gestión de redes de recolección de EVFs. El objetivo es desarrollar herramientas computacionales basadas en modelos matemáticos de optimización para apoyo a la toma de decisiones en el proceso de diseño y operación de la red de recolección y disposición de los envases. La tesis consta de dos partes. En la primera se presenta el contexto del problema y los conceptos relacionados con los productos fitosanitarios y los envases vacíos. Luego, se discute la Ley Nacional Nº 27.279 y su aplicación en la pBA. En la segunda parte de la tesis se presentan las dos herramientas desarrolladas, que se denominan OptiLOC y OptiRUT. El objetivo de OptiLOC es definir la localización, tamaño y período de apertura de los CATs y Plantas de Reciclaje de Plástico, como así también, la localización de los Puntos de Recolección Itinerante, a lo largo de un horizonte de planificación de 10 años. El objetivo de OptiRUT por su parte, es diseñar los circuitos óptimos mensuales para el transporte de EVFs entre dichas unidades y determinar el número mínimo de vehículos necesarios para efectuar la recolección. Finalmente, se presentan los resultados de las herramientas, que muestran que se pueden obtener importantes mejoras en la eficiencia de la gestión de los EVFs mediante la optimización de la red de recolección y disposición de los mismos. El potencial de ambas herramientas radica en que, a partir de esta primera versión, se pueden incorporar aquellas cuestiones de aplicación práctica que los potenciales usuarios de los modelos necesiten, así como también modificar fácilmente los parámetros de entrada y de esta forma estudiar distintos escenarios y alternativas de gestión de los EVFs. En conclusión, la tesis doctoral ofrece una solución práctica y concreta para abordar el problema de la gestión de los EVFs en la pBA y puede ser aplicable a otras regiones con problemas similares. / Due to the increased use of phytosanitary products in agricultural production in Argentina, a large number of empty containers of these products has been generated, which represents a risk for people and the environment. In Argentina, this figure represents about 20 million empty containers per year, which is equivalent to approximately 17 thousand tons of plastic. The province of Buenos Aires (pBA) generates 60% of these containers. National Law No. 27,279 on Minimum Environmental Protection Budgets for the Management of Empty Phytosanitary Containers (EVFs) sanctioned in 2016 to address this problem, among other aspects clearly establishes the structure of the problem under study in this thesis, defining that management systems will be divided into three stages: from the user to the transitory collection center (CAT), from the CAT to the operator and from the operator to the industry. However, in 2020, only 8.22% of the containers were properly managed, so the developments in this thesis hope to contribute to achieving that goal. Faced with this environmental problem, this research work seeks to propose optimization strategies for the management of EVFs collection networks. The objective is to develop computational tools based on mathematical optimization models to support decision-making in the process of design and operation of the collection network and disposal of containers. The thesis consists of two parts. In the first part, the context of the problem and the concepts related to phytosanitary products and empty containers are presented. Then, the National Law No. 27,279 and its application in the pBA is discussed. In the second part of the thesis, the two tools developed, called OptiLOC and OptiRUT, are presented. The objective of OptiLOC is to define the location, size and opening period of CATs and Plastic Recycling Plants, as well as the location of Itinerant Collection Points, over a 10-year planning horizon. The objective of OptiRUT is to design the optimal monthly circuits for the transport of EVFs between these units and to determine the minimum number of vehicles necessary to carry out the collection. Finally, the results of the tools are presented, which show that significant improvements in the efficiency of EVFs management can be obtained by optimizing the EVFs collection and disposal network. The potential of both tools lies in the fact that, from this first version, it is possible to incorporate those practical application issues that the potential users of the models may need, and to easily modify the input parameters and thus study different scenarios and alternatives for EVFs management. In conclusion, the doctoral thesis offers a practical and concrete solution to address the problem of EVFs management in the pBA and may be applicable to other regions with similar problems.

La producción de biocombustibles a partir de microalgas ha recibido gran interés en las últimas décadas, en respuesta a la creciente crisis energética y el cambio climático. La factibilidad económica para el desarrollo de biocombustibles a partir de microalgas se ve comprometida por los altos costos y consumos energéticos que las correspondientes operaciones requieren. Debido a esto, la producción de coproductos de alto valor agregado resulta atractivo para mejorar la economía y viabilidad de una biorrefinería basada en microalgas. En la presente tesis se propone la formulación de modelos de programación matemática avanzada para el diseño óptimo y la optimización de plantas completas para la producción de biodiesel y otros productos de alto valor. En primer lugar, se propone un modelo de programación no lineal para la optimización de una biorrefinería basada en microalgas para producción de biodiesel, en la que se incluyen unidades de generación de energía a partir de corrientes residuales. En este sentido, el modelo propuesto incorpora restricciones de operación de digestores anaeróbicos, ya que los mismos presentan resultados viables solo bajo ciertas condiciones. Los resultados obtenidos permiten visualizar la factibilidad en cuanto a la reducción de consumo de energía a partir de fuentes fósiles y de suministro de nutrientes de manera externa, con la implementación de unidades de biodigestión anaeróbica y posterior transformación del biogás producido. A continuación, se formulan problemas de programación mixto entera no lineal para la determinación de la configuración óptima de una biorrefinería para la producción de biodiesel a partir de microalgas bajo criterios de optimización económica (maximización del valor presente neto de la biorrefinería propuesta). Asimismo, se lleva a cabo un estudio de riesgo tecnológico sobre las diferentes alternativas de proceso analizadas. La incorporación de coproductos de alto valor agregado en biorrefinerías integradas, supone una mejora en la factibilidad económica para la producción de biocombustibles de tercera generación. En ese marco, se formula un modelo de diseño óptimo de una biorrefinería en base algal para la producción de biodiesel y coproductos de alto valor (biopolímeros y nutraceúticos) como un problema de programación mixto entera no lineal. Los resultados numéricos permiten determinar la viabilidad económica del proceso. Un estudio de sensitividad posterior revela los principales factores que afectan el valor presente neto del proyecto. Por último, se formula un problema de diseño óptimo para una biorrefinería integrada para la producción de astaxantina, un nutracéutico de alto valor. La idea es implementar procesos “verdes”, que colaboren en mitigar las problemáticas actuales en cuanto a la escasez de recursos hídricos, la necesidad de producción de alimentos y el alto consumo energético a partir de fuentes fósiles. Estos factores son tenidos en cuenta como restricciones del problema de diseño. A su vez, se lleva a cabo un estudio de la implementación de la biorrefinería a nivel local. En síntesis, bajo el concepto de “Nexo agua-alimentosenergía”, el modelo desarrollado para la producción de astaxantina permite el diseño de procesos amigables con el medio ambiente, autoabastecidos y económicamente atractivos. / Biofuels production from microalgae has attracted attention in recent decades, in response to the growing energy crisis and climate change. The economic feasibility for the development of microalgae biofuels is compromised by high investment and operational costs as well as energy consumption. The production of value added co-products results an attractive alternative to improve the microalgae-based biorefinery economy and viability. Advanced mathematical programming strategies are applied in this thesis for the optimal design and optimization of facilities for the production of biodiesel and high added-value products. A nonlinear programming model is proposed for the optimization of a microalgaebased biorefinery for biodiesel production, with the inclusion of energy generation units from waste streams. In this sense, the proposed model includes operating constraints of anaerobic digesters, since they present viable results only under certain conditions. Numerical results show the feasibility of reducing energy consumption from fossil sources and the supply of nutrients externally, through the implementation of anaerobic biodigestion units and the subsequent transformation of the produced biogas. Mixed integer nonlinear programming models are formulated to determine the optimal configuration of a biorefinery for the production of biodiesel from microalgae under economic optimization criteria (net present value maximization). Likewise, a technological risk study is carried out on different process alternatives. The incorporation of high added-value co-products within integrated biorefineries implies an economic feasibility improvement for the production of third generation biofuels. In this framework, a mixed integer nonlinear problem for the optimal design of an algae-based biorefinery is formulated. Not only biodiesel production is considered but also high added-value co-products (biopolymers and nutraceuticals). Numerical results show the economic viability of the process. Subsequent sensitivity analysis determines relevant parameters affecting net present value. Finally, an optimal design problem is formulated for an integrated biorefinery for the production of the high value nutraceutical astaxanthin, under the concept of "green" processes. Issues like scarcity of water resources, food production and high energy consumption from fossil sources are taken into account as constraints within the proposed model. Also, a study on the implementation of the integrated biorefinery at local level is carried out. Results allow the design of environmentally friendly processes, self-sufficient and economically attractive, under the concept of "Water-Food-Energy Nexus".

En la actualidad existe una necesidad creciente de guiar el descubrimiento in silico de nuevos polímeros industriales mediante enfoques de Aprendizaje Maquinal supervisado que identifiquen correlaciones estructura-propiedad a partir de la información contenida en bases de datos de materiales, donde cada uno de estos está caracterizado mediante Descriptores Moleculares (DMs). Estas correlaciones se conocen como Modelos de Relación Cuantitativa Estructura-Actividad/Propiedad (QSAR/QSPR, por las siglas en inglés de Quantitative Structure-Activity/Property Relationship) y pueden ser empleadas para predecir propiedades de interés previo a la etapa de síntesis química, contribuyendo de este modo a acelerar el diseño de nuevos materiales y reducir sus costos de desarrollo. El modelado QSAR/QSPR ya ha sido ampliamente empleado en Informática Molecular para el Diseño Racional de Fármacos asistido por computadoras. Sin embargo, los materiales poliméricos son significativamente más complejos que las moléculas pequeñas como las drogas, dado que están integrados por colecciones de macromoléculas compuestas por miles de cadenas que, a su vez, se forman por la unión de cientos de miles de Unidades Repetitivas Estructurales (UREs). Estas cadenas poseen diferentes pesos moleculares (o largos de cadena) y, a su vez, aparecen con distintas frecuencias dentro de cada material. Este fenómeno, conocido como polidispersión, es la principal razón de que muchas aproximaciones informáticas desarrolladas para el diseño racional de fármacos no sean directamente aplicables, ni lo suficientemente efectivas, en el ámbito de la Informática de Polímeros. El objetivo general de esta tesis es contribuir con soluciones para distintas cuestiones relativas a la representación computacional y algoritmia que surgen durante el modelado QSPR de propiedades de polímeros polidispersos de alto peso molecular, con especial énfasis en el tratamiento del problema de selección de descriptores moleculares. Las variaciones en la frecuencia de las cadenas de diferentes largos hacen que la descripción de la estructura de un material polimérico contenga incertidumbre, en contraste con lo que sucede en la caracterización estructural típica de una molécula pequeña. No obstante esto, debido a la complejidad de modelar esta incertidumbre, la mayoría de los estudios QSAR/QSPR han utilizado hasta ahora modelos moleculares simples y univaluados, es decir, calculan los descriptores moleculares para una única instancia de peso, de entre todas las posibles cadenas que conforman un material. En particular, la casi totalidad de estos estudios usan descriptores calculados sobre una única URE, sin tener en cuenta la polidispersión. En tal sentido, esta tesis propone investigar distintas alternativas de selección y aprendizaje de características para modelado QSPR con incertidumbre, que exploren la efectividad de otras representaciones computacionales más realistas para los materiales poliméricos. En primer lugar, se presenta una metodología híbrida que emplea tanto algoritmos de Selección de Características como de Aprendizaje de Características, a fin de evaluar la máxima capacidad predictiva que se puede alcanzar con la tradicional representación univaluada URE. En segundo lugar, se proponen nuevas representaciones univaluadas, basadas en pesos moleculares promedios, denominadas como modelos moleculares Mn y Mw, cuyas capacidades para inferir modelos QSPR son contrastadas con el modelo molecular URE. La siguiente alternativa propuesta estudia una representación computacional trivaluada, basada en la integración de los modelos moleculares univaluados URE, Mn y Mw en una única base de datos, la cual permite capturar parcialmente el fenómeno de la polidispersión. Esta caracterización computacional logra mejorar la generalizabilidad de los modelos QSPR obtenidos durante el proceso aprendizaje supervisado, en comparación con los inferidos mediante enfoques de representación univaluados. Sin embargo, esta nueva representación sigue sin contemplar las frecuencias de aparición de los distintos largos de cadena dentro de un material. Por último, como contribución final de esta tesis se propone una representación computacional multivaluada, basada en el perfil polidisperso real de un material, donde cada descriptor queda caracterizado por una distribución probabilística discreta. En este contexto, las técnicas de selección de características empleadas para representaciones univaluadas ya no resultan aplicables, y surge la necesidad de contar con algoritmos que permitan operar sobre este nuevo modelo molecular. Como consecuencia de esto, se presenta el diseño e implementación de un algoritmo para selección de características multivaluadas. Este nuevo método, FS4RVDD (como sigla de su nombre en inglés Feature Selection for Random Variables with Discrete Distribution), logra un desempeño prometedor en todos los escenarios experimentales ensayados en estas investigaciones. / Nowadays, there is an increasing need to lead the in silico discovery of new industrial polymers through supervised Machine Learning approaches that identify structure-property correlations from the information contained in material databases, where each of them is characterized by Molecular Descriptors (MDs). These correlations are known as Quantitative Structure-Activity/Property Relationship models (QSAR/QSPR). They can be used to predict desirable properties of new materials before the synthesis stage, contributing to accelerate the design of new materials and to reduce the associated development costs. QSAR/QSPR modeling is widely used in Molecular Informatics for Computer-Aided Drug Design. However, polymeric materials are significantly more complex than small molecules such as drugs, since they are collections of macromolecules that consist of a large number of structural repetitive units (SRUs) linked together in thousands of chain-like structures. These chains have different molecular weights (or lengths) and, in turn, they appear with different frequencies within each material. This phenomenon, known as polydispersity, is the main reason why many approaches developed for rational drug design are neither directly applicable nor sufficiently effective in the field of Polymer Informatics. The main objective of this thesis is to contribute with solutions for various issues related to computational representation and algorithm development that arise during the QSPR modeling of properties of high molecular weight polydisperse polymers, with special emphasis on the Feature Selection problem. Because of frequency variations in the different chain lengths, the characterization of the polymeric material structure contains uncertainty, in contrast with the typical structural characterization of a small molecule. However, to deal with the uncertainty that introduces the polydispersity of polymeric materials, most of the QSAR/QSPR studies, until now, have used simple and univalued molecular models, that is, they calculate the molecular descriptors for a single instance of weight among all the possible chains that constitute a material. In particular, most QSPR studies use descriptors calculated on a single SRU, regardless of polydispersity. In this context, the present thesis proposes to investigate different alternatives of Feature Selection and Feature Learning for QSPR modeling with uncertainty that explore the effectiveness of more realistic computational representations for polymeric materials. First, a hybrid methodology that uses MDs from both Feature Selection and Feature Learning algorithms is presented to evaluate the maximum predictive capability the traditional univalued representation (URE) can achieved. Then, new univalued representations based on average molecular weights are proposed, called Mn molecular model and Mw molecular model, whose capabilities to infer QSPR models are contrasted with the URE molecular model ones. The other alternative computational representation proposes is trivalued MDs, based on the integration of URE, Mn, and Mw univalued molecular models into a single database. This representation partially captures the polydispersity inherent to polymers. This computational characterization improves the generalizability of QSPR models obtained during the supervised learning process, compared to those inferred through univalued representation approaches. However, this new trivalued representation still does not contemplate the frequencies of appearance of the different chain lengths within a material. Finally, this thesis contributes with a multivalued computational representation based on the actual polydisperse profile of a material, in which each descriptor is characterized by a probabilistic discrete distribution. In this context, the Feature Selection techniques used for univalued representations are no longer applicable, and there is a need for algorithms to deal with this new multivalued molecular model. To face this need, both the design and implementation of an algorithm for the selection of multivalued features are presented here. This new method is called Feature Selection for Random Variables with Discrete Distribution (FS4RVDD), and it achieves a promising performance in all the experimental scenarios tested in these investigations.

Esta tesis se encuadra en el análisis de las tecnologías de la información como herramientas para aumentar la eficiencia de la toma de decisiones en sistemas logísticos, en el marco de la gestión de la cadena de suministros. Más específicamente se busca desarrollar y aplicar una herramienta de gestión que mejore la eficiencia de la programación de operaciones en la planificación operativa de la distribución física de mercaderías (R&S: Routing and Scheduling) en el ámbito del transporte automotor de cargas refrigeradas fronteras adentro. En este sentido en este trabajo se definen las formulaciones más conocidas que se encuentran en la literatura de problemas de ruteo de vehículos en el contexto del servicio logístico objeto de la investigación, y se presenta un criterio para su clasificación de acuerdo a los aspectos principales que se desprenden de las investigaciones más relevantes. Luego se modela formalmente una variante del problema clásico de ruteo de vehículos con restricciones de capacidad y ventanas temporales (CVRPTW) en un entorno urbano de distribución. Para su resolución se desarrolla un procedimiento meta-heurístico evolutivo, específicamente un algoritmo genético dada su demostrada adaptación a este tipo de problemas. El procedimiento fue testeado sobre el conjunto de 56 problemas académicos de ruteo de vehículos con restricciones de capacidad y ventanas temporales de Solomon (1987) y se comparó su desempeño con los mejores resultados conocidos obtenidos por otros autores. La experimentación se realiza sobre un caso de aplicación con información real de un operador logístico (2PL second part logistic) bonaerense especializado en el transporte y distribución de mercadería a carga fraccionada en entornos urbanos de distribución. La mercadería tiene restricciones en materia fitosanitaria y requerimientos especiales en el mantenimiento de temperatura y humedad, al tratarse de productos frescos en los que un quiebre o interrupción en la cadena de frío repercute en la calidad del producto, alterando sus atributos organolépticos. La empresa abastece en un día de operatoria habitual, en promedio, unos doscientos clientes minoristas del Gran Buenos Aires. Del testeo del optimizador desarrollado en las instancias académicas de Solomon se desprende que presenta un mejor desempeño en problemas con características similares a los problemas de distribución urbana. Aunque el desempeño del algoritmo en problemas con características más cercanas a los de distribución de media a larga distancia es bueno, es inferior a los resultados obtenidos por otros autores. De los resultados obtenidos de la experimentación con información real se observa una notable calidad de las soluciones y una mejora en cuanto a eficiencia y productividad en comparación con la asignación realizada por la empresa en la instancia real. / This work fits into the analysis of information technologies as tools to enhance efficiency in decision making in logistics systems, and falls within the framework of supply chain management. More specifically, the aim is to develop and apply a management tool that improves the efficiency of operation scheduling in the operational planning of the physical delivery of goods (R&S: Routing and scheduling) in the area of road transportation of refrigerated cargo within the country. In this respect, this work defines the best-known formulations found in the literature on vehicle routing problems in the context of the logistics service being researched and a criterion for their classification according to the main aspects arising from the most relevant research is presented. Then, a variant of the classic capacitated vehicle routing problem with time windows (CVRPTW) in the delivery in an urban environment is formally modeled. To solve this problem, a meta-heuristic evolutionary procedure, specifically a genetic algorithm, is developed, since it has been shown that it is suitable for this type of problems. The procedure was tested in the set of 56 academic capacitated vehicle routing problems with time windows presented by Solomon (1987) and its performance was compared to the best known results obtained by other authors. The experiment is carried out on a case of application with real information of a Buenos Aires province logistics service provider (2PL second part logistic) specialized in transportation and distribution of break bulk cargo in urban environments. The goods have constraints in phitosanitary terms and special requirements related to temperature and humidity settings, since they are fresh products whose quality, and, consequently, organoleptic properties, are affected by breaks or interruptions in the cold chain. In a regular working day, the company supplies, in average, around two hundred retail clients in Buenos Aires metropolitan area. From Solomon's academic testing of optimizer it follows that it shows a better performance in problems similar to problems in the delivery in urban environments. While the algorithm performance in problems with more similar characteristics to those in middle and long distance transport is good, it is less successful than the results obtained by other authors. In the results obtained in the experiment with real data we can observe a remarkable quality in solutions and improvements as regards efficiency and productivity as compared to the assignment carried out by the company in real life.

La gran versatilidad y amplia variedad de características que poseen los plásticos los hace materiales claves para el ser humano, ya que permiten mejorar la calidad de vida, al ser empleados en sectores como la construcción, el transporte, el envasado, la medicina y el deporte, entre otros. No obstante, los plásticos producidos a partir de petróleo tienen la gran desventaja de no ser biodegradables, por lo que esta preocupación ha creado un especial interés en el desarrollo de procesos alternativos para generar polímeros de origen biológico, amigables con el medio ambiente. A pesar de los esfuerzos destinados a la investigación de biopolímeros, éstos aún no resultan competitivos en términos económicos frente a los plásticos petroquímicos. El costo de los polímeros convencionales oscila entre 1 y 1,5 dólares por kilogramo y el de los biopolímeros puede variar entre 2,5 y 15 dólares por kilogramo. Por lo tanto, el objetivo que se propone en este trabajo de tesis es profundizar, tanto a nivel teórico como experimental, en el estudio de la producción de plásticos biodegradables (poli(hidroxialcanoato)s, PHAs) empleando fuentes de carbono alternativas para su biosíntesis. En la presente tesis se llevan a cabo experiencias in vivo con un microorganismo aislado del estuario de Bahía Blanca, Bacillus megaterium BBST4, en cultivos batch. A partir del biomaterial obtenido, se realizan ensayos que permiten caracterizar el polímero acumulado intracelularmente. Asimismo, se obtienen datos experimentales a nivel Erlenmeyer y biorreactor, que se emplean para ajustar un modelo cinético de crecimiento y biosíntesis de PHA. La estimación de parámetros se realiza mediante la formulación de un problema de optimización dinámico cuya función objetivo es de cuadrados mínimos, sujeto a un sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Por otro lado, con el objetivo de realizar aportes en el diseño de biorrefinerías, se propone la implementación de modelos detallados de los equipos de una planta de producción de PHA y también de una biorrefinería integrada, donde la síntesis de biopolímero brinda un valor agregado al objetivo económico de la misma. Para ello, las distintas configuraciones de operación de las plantas se incluyen en una superestructura y se formulan problemas de programación no lineal mixto entero (MINLP) en un entorno orientado a ecuaciones, con un criterio de optimización económico (maximización del valor presente neto del proceso productivo) sujeto a restricciones de balances de masa y energía, ecuaciones de diseño, condiciones operativas y correlaciones de costos. La metodología presentada en esta tesis junto con los resultados numéricos obtenidos, representan una progresión en el estudio biotecnológico de la síntesis de PHAs mediante la utilización de herramientas provistas por el modelado matemático. / Due to their great versatility and comprehensive features, plastics have become key materials to human beings. They allow improving the quality of human life in areas such as construction, transportation, packaging, medicine and sports, among others. Nevertheless, petroleum-based plastics are non-biodegradable. This issue has led to the development of alternative processes to produce bio- based polymers environmentally friendly. Despite efforts devoted to biopolymers research, they are still non-economically competitive with the petrochemical plastics. While synthetic polymers cost is between 1 to 1.5 dollars per kilogram, biopolymers prices vary between 2.5 to 15 dollars per kilogram. Therefore, the main objective of the work is to carry out theoretical and experimental studies of biodegradable biopolymer production (poly(hydroxyalkanoate)s, PHAs) using alternative carbon sources for their biosynthesis. In this thesis work, in vivo experiences in batch cultivations are performed by means of Bacillus megaterium BBST4, a microorganism isolated from Bahía Blanca estuary. With the obtained biomaterial, several tests were carried out in order to achieve a characterization of the intracellular accumulated polymer. Also, experimental data is obtained in Erlenmeyer and bioreactor cultures. This data is used to adjust a growth and PHA bio-synthesis kinetics model. Parameter estimation is performed within a dynamic optimization framework with a least squares objective function, subject to a differential algebraic equations system. Furthermore, in order to make a contribution to biorefineries design, we implemented two detailed equipment models: a PHA production plant and an integrated biorefinery, where biopolymer synthesis is a value- added co-product. Different plant configurations are embedded within a superstructure. Mixed integer nonlinear programming (MINLP) problems are formulated in an equation oriented approach. The economic objective function (net present value maximization of the productive process) is subjected to mass and energy balances, equipment design cost, operation conditions and cost correlations. The methodology presented in this thesis together with the obtained numerical results, provides useful insights on the biotechnological study of PHAs synthesis by means of mathematical modeling tools.

Las cápsides virales tienen un rol fundamental en el proceso de infección viral ya que son las encargadas de censar el ambiente donde se encuentra el virus y también interactuar con la célula infectada. Debido a esto, es de interés comprender como es que desempeñan esta función. Los virus icosaédricos, como los del género Picornavirales, poseen cápsides con gran simetría. Estas cápsides poseen varios ejes de simetría dobles, triples y quíntuples. Particularmente, se ha propuesto que la cavidad presente en el eje de simetría quíntuple podría ejercer un rol como canal de iones[1]. Sin embargo, esta hipótesis no ha sido corroborada. Un ejemplo particular de estos virus icosaédricos es el virus del Triatoma (TrV). Este virus es miembro de la familia Dicistroviridae del género Picornavirales y resulta ser un patógeno viral del Triatoma infestans (vinchucas) por lo cual ha sido propuesto como potencial control biológico para estos insectos que son los vectores del Mal de Chagas, enfermedad endémica de América Latina[2]. El objetivo de esta tesis es lograr determinar, a partir de técnicas computacionales, el rol de la cavidad presente en el eje de simetría quíntuple en el virus del Triatoma. Particularmente dilucidar si se comporta como un canal, si es capaz de regular su apertura, bajo qué condiciones se encuentra abierto o cerrado y qué tipo de átomos o moléculas son capaces de atravesarlo. A su vez se busca correlacionar el rol de esta cavidad con el proceso de infección viral. Con este fin, se utilizarán técnicas computacionales como la Dinámica Molecular para estudiar el comportamiento de la estructura de la cápside bajo distintas condiciones. A su vez se compararía la estructura de TrV con otros virus del género para poder inferir diferencias o similitudes en las funciones de las cavidades presentes en sus ejes de simetría. / Viral capsids play a fundamental role in the viral infection process since they are in charge of censoring the environment where the virus is found and also interacting with the infected cell. Thus, it is interesting to understand how they perform this function. Icosahedral viruses, such as those of the genus Picornavirals, have highly symmetric capsids. These capsids have several double, triple and quintuple symmetry axes. In particular, it has been proposed that the cavity present in the five-fold symmetry axis could play a role as an ion channel [1]. However, this hypothesis has not been corroborated. A particular example of these icosahedral viruses is the Triatoma virus (TrV). This virus is a member of the family Dicistroviridae of the genus Picornavirales and is a viral pathogen of Triatoma infestans (vinchucas and is therefore proposed as biological control for these insects that are the vectors of Chagas disease, an endemic disease in Latin America)[2]. The goal of this thesis is to determine, using computational techniques, the role of the cavity present in the fivefold symmetry axis in the Triatoma virus. Particularly, we expect to elucidate if it behaves as a channel, if it is able to regulate its opening, under what conditions it is open or closed and what kind of atoms or molecules are capable of crossing it. At the same time, we seek to correlate the role of this cavity with the viral infection process. To this end, computational techniques such as Molecular Dynamics will be used to study the behavior of the capsid structure under different conditions. In addition, the structure of TrV will be compared to other viruses of the genus in order to infer differences or similarities in the functions of the cavities present in their symmetry axes.