Cuaderno de trabajo de Química General (MA212) para nutrición, que corresponde al ciclo 2013-2. Contenido: 1. Conociendo la materia. 2. La materia cambia. 3. Velocidad de reacción y equilibrio químico. 4. Termodinámica.

Cuaderno de trabajo de Química General (MA212) para nutrición, que corresponde al ciclo 2014-2. Contenido: 1. Conociendo la materia. 2. La materia cambia. 3. Velocidad de reacción y equilibrio químico. 4. Termodinámica.

Tesis para optar al Grado de Doctor en Química / En esta tesis se estudiaron tanto las características fisicoquímicas de los complejos de inclusión de derivados de ariloxazinonas y arilnaftoxazoles en ciclodextrinas y se determinaron los parámetros termodinámicos que controlan el proceso de inclusión. Para ello se emplearon técnicas y metodologías que involucran medición de fluorescencia estacionaria y resuelta en el tiempo. Las constantes de inclusión (K) fueron obtenidas empleando dos metodologías: Benesi-Hildebrand y de solubilidad de fases. Los experimentos demostraron que ambas familias de moléculas forman complejos de inclusión con ciclodextrinas con una estequiometría 1:1 y tienen constantes de inclusión K>100 M-1. Se encontró que las oxazinonas que tienen sustituyentes dadores de electrones como amino y N,N-dimetilamino, son las que presentan mayor constante de inclusión (K= 486 ± 0,5 M-1 (6-amino-2-fenil-3H-nafto[2,1-b][1,4]oxazin-3-ona) y K=604 ± 0,4 M-1 (6-(dimetilamino)-2-fenil-3H-nafto[2,1-b][1,4]oxazin-3-ona)). También se determinó que los arilnaftoxazoles que presentan puentes vinílicos en su estructura, tienen constantes de inclusión mayores que los unidos directamente al anillo oxazol, por ejemplo el 2-(quinolin-2-il)nafto[2,1-d]oxazol, tiene una K = 326 ± 6 M-1 y el 2-(2-(quinolin-2-il)vinil)nafto[2,1-d]oxazol, tiene una K = 515 ± 6 M-1. Los parámetros termodinámicos que controlan el proceso de inclusión, se obtuvieron utilizando ecuaciones termodinámicas conocidas como la ecuación de van´t Hoff. Además los valores de ΔG° son negativos y se encuentran entre -1 y -5 kcal/mol, indicando que el proceso de inclusión es favorecido termodinámicamente, siendo más afines los arilnaftoxazoles que las ariloxazinonas por la cavidad de la β-ciclodextrina. También, se analizó la dependencia de la energía libre, la entalpía y la entropía de inclusión con la estructura del huésped. A partir de los valores de entalpía y entropía se estableció si las interacciones ciclodextrina/molécula huésped son aquellas que predominantemente controlan la inclusión o bien si es el efecto hidrofóbico, encontrándose que para las ariloxazinonas el control es principalmente entálpico, mientras que en los ariloxazoles en general es la entropía la que controla la inclusión. Además, se realizaron estudios de modelamiento molecular empleando metodologías de docking y de dinámica molecular, junto con un análisis de orbitales naturales de enlace (NBO), con el propósito de optimizar la geometría del complejo heterociclo-ciclodextrina y estimar las contribuciones de las interacciones más importantes para la formación del complejo de asociación entre la molécula anfitrión y la molécula huésped. Los resultados obtenidos fueron comparados con los datos experimentales, encontrándose una buena correlación entre ellos. Se desarrolló un sistema para producir luz blanca en fase sólida, empleando una β-ciclodextrina modificada por un grupo ácido sulfónico. Para esto se seleccionó el compuesto 2-(2-(quinolin-2-il)vinil)nafto[1,2-d]oxazol. Adicionalmente se evaluó si el naftoxazol (E)-2-(2-(furan-2-il)vinil)nafto[1,2-d]oxazol cambia su comportamiento fotofísico/fotoquímico relativo al observarlo para la molécula no incluida, con el propósito de desarrollar una sonda fluorescente que permita la detección de oxígeno excitado en medio acuoso que opere como un sensor de tipo apagado-encendido / In this thesis, the physicochemical characteristics of the inclusion complexes of aryloxazinones and arylnaphthoxazoles derivatives in cyclodextrins were studied. In addition, the thermodynamic parameters that control the inclusion process were determined. To accomplish these purposes, techniques and methodologies that involve measurement of steady-state and time resolved fluorescence were used. The inclusion constants (K) were obtained using both, the Benesi-Hildebrand and the phase solubility methodologies. The experiments showed that both families of molecules form inclusion complexes with cyclodextrins with a 1:1 stoichiometry, and they present a great affinity for the β-cyclodextrin cavity (K>100 M-1). The oxazinones who have electrodonating substituents, like amine or N,N-dimethylamine, have the largest inclusion constants (K= 486 ± 0,5 M-1 (6-amino-2-phenyl-3H-naphtho[2,1-b][1,4]oxazin-3-one) and K= 604 ± 0,4 M-1 (6-(dimethylamino)-2-phenyl-3H-naphtho[2,1-b][1,4]oxazin-3-one)). Also, the arylnaphthoxazoles who have a vynilic bridge have higher inclusion constants than those which are directly linked to the oxazole ring, for example 2-(quinolin-2-yl)naphtho[2,1-d]oxazole, K = 326 ± 6 M-1 and 2-(2-(quinolin-2-yl)vynil)naphtho[2,1-d]oxazole, K = 515 ± 6 M-1. Thermodynamic parameters that control the inclusion process were determined using classic thermodynamic equations such as the van't Hoff equation. Furthermore, the ΔG° are negative and they are in the range of -1 to -5 kcal/mol, indicating that the inclusion process is thermodynamically favored. Values of ΔG° shows that arylnaphthoxazoles are more compatible with the β-cyclodextrin cavity than the aryloxazinones. Using the analysis of the dependence of the free energy, enthalpy and entropy of inclusion process with the guest structure, it was possible to determinate if the cyclodextrin/guest interactions are the ones that control the inclusion or if the predominant driven force is the hydrophobic effect. It was found that for aryloxazinones the thermodynamic control is primarily enthalpic, whereas for aryloxazoles the entropy controls the inclusion process. In addition, studies of molecular modeling were performed using both, docking and molecular dynamics methodologies, in addition to analysis of natural bond orbitals (NBO) in order to optimize the geometry of the guest-cyclodextrin complex and estimate the more important interactions contributing to the formation of the association complex. The results obtained were compared with the experimental data, finding a good fit between them. Furthermore, a system to produce white light in solid phase using a β-cyclodextrin modified with a sulfonic acid group was developed. The compound (E)-2-(2-(quinolin-2-yl)vinyl)naphtho[1,2-d]oxazole, included in the modified cyclodextrin cavity, shows an emission spectra comprising with the visible range with characteristic similar to white light. Additionally, the (E)-2-(2-(furan-2-yl)vinyl)naphtho[1,2-d]oxazole included in the β-cyclodextrin cavity, change its photophysical/phochemical behavior relative to that the observed for the uncomplexed molecule. This behavior allows to propose this system as a new fluorescent probe capable to detect excited singlet oxygen in aqueous media operating as an "switch" on-off / Conicyt; Fondecyt

Ingeniero Civil en Biotecnología / The present report contains an exergy analysis of the Chilean society in 2013. Wall s approach was taken to assess the exergy efficiency of four main economic sectors: mining, manufacturing, transportation, and households. Several assumptions were taken to simplify the complex thermodynamic interactions within the society model. For instance, exergy flows among economic sectors were not considered, due to the lack of relevant statistical data on these interactions. On the other hand, only some of the exergy carriers entering and leaving the society were accounted, as the focus of this work is to provide a first outlook of the Chilean exergy efficiency from a chemical exergy standpoint. An extended exergy analysis (EEA) is proposed for future studies, in order to integrate exergy of labor and capital into the analysis. Statistical power plays an important role in this matter, as key data required to perform an EEA is nowadays unavailable. The efficiency of the society in 2013 was 24%. Comparing with other societies, the Chilean case was found to be in between advanced economies and less developed countries. The current development model is criticized, as the most developed countries previously analyzed have the lowest thermodynamic efficiency. In the long term, a shift of paradigm is expected, fostering local development and educating about resources overconsumption. Regarding Chilean economic sectors, exergy efficiency was found to be higher in extractive activities, such as mining (53%), and manufacturing (53%). In general, exergy efficiency was lower in services and end-use sectors, such as transportation (21%), and households (10%). This is considered to be related with omission of labor in the analysis, as end-use sectors show a higher dependency on human work compared to industrial/extractive activities. Despite of methodological difficulties, interesting suggestions were obtained from the analysis. Structural changes are proposed in the manufacturing sector, to improve the efficiency of transformations carried out in agriculture, livestock, and aquaculture activities. Food industry as a whole would improve its thermodynamic performance if steps in this direction were taken. Likewise, fostering a technological shift towards electric vehicles would imply a much better use of the available resources. In the same way, improvements in water and space heating are desirable, as these two end-uses are the most exergy intensive applications in household consumption.

Los sistemas térmicos se caracterizan por sufrir importantes interacciones de trabajo y/o calor con el entorno y, además, pueden intercambiar con él masa en forma de corrientes calientes o frías, incluyendo mezclas químicamente reactivas. Los sistemas térmicos aparecen en casi todas las industrias y pueden encontrarse numerosos ejemplos de ellos en nuestra vida cotidiana. Su diseño supone la aplicación de principios correspondientes a la Termodinámica, la Mecánica de fluidos y la Transferencia de calor, al igual que en campos tales como materiales, fabricación y diseño mecánico. El diseño de los sistemas térmicos también requiere la consideración explícita de la ingeniería económica, puesto que los costes son siempre un aspecto a tener en cuenta. El término termoeconomía puede usarse para esta área general de aplicación, aunque a menudo se aplica de manera más restringida a metodologías que combinan exergía y economía para optimizar el diseño y la operación de los sistemas térmicos. En la empresa SEFRIN S.A.C, es una fábrica de producción de hielo en bloques (barras) y que su principal mercado de consumo es el sector pesquero, y que usan los bloques de hielo triturados en las cámaras de refrigeración, va ser un modelo para el estudio termoeconómico el cual permitirá optimizar el diseño y la operación del sistema de congelamiento de agua para producir el hielo.

Actualmente son utilizados los sistemas que permiten la refrigeración que comprime el vapor mecánicamente, lo que implica que dichos sistemas dependan de la energía eléctrica, la presente investigación plantea una nueva alternativa de ahorro de energía en los sistemas de refrigeración, sustituyendo el equipo de compresión por unos de absorción y utilizando como refrigerante amoniaco y como absorbente agua. Así mismo se pretende analizar las propiedades termodinámicas como la entalpia, entropía y volumen específico, y el dimensionamiento de los componentes del sistema, teniendo al generador como equipo clave del sistema de refrigeración. En él se realizan las operaciones físicas la cual permite la obtención de bajas temperaturas en el evaporador. Se presenta una propuesta básica que permitirá al sistema de refrigeración reemplazar al compresor con un recuperador de calor empleando el principio de la absorción, de la sustancia activa (amoniaco) por el agua y obteniéndose el efecto refrigerante necesario en el equipo de refrigeración. Se plantea la utilización de un sistema que permita refrigerar mediante la absorción con la finalidad de ofrecer una alternativa sostenida para atender la necesidad de almacenar productos medicinales en una posta medica rural, reemplazando los sistemas de refrigeración convencional que utilizan energía eléctrica para su funcionamiento que utilizan refrigerantes convencionales y sufren la necesidad de un suministro de energía eléctrica deficiente. Por tal motivo, se plantea el empleo de sistemas que utilicen energía térmica que provenga del gas en combustión o, también, de resistencia eléctrica conectada a un sistema fotovoltaico y que sea eco-amigable. El presente trabajo se divide en los siguientes capítulos ; el capítulo I, describe la problemática del sistema convencional, los objetivos que se formulan para la elaboración del proyecto, así como el porqué del mismo; en el capítulo II, se presentan las bases teóricas que se utilizan para calcular las características del sistema planteado; el capítulo III, indica el análisis termodinámico perteneciente a cada componente que forma parte del sistema que permite la refrigeración realizada mediante la absorción y el cálculo de sus respectivas propiedades termodinámicas con ayuda del programa EES; en el capítulo IV, se expone el cálculo del diseño mecánico, el cual consiste en encontrar los parámetros físicos de cada componente permitiendo el diseño del sistema de tal manera que se garantice su funcionamiento de manera correcta; el capítulo V, se detalla la simulación a través de programa Solidworks y EES, para corroborar los datos obtenidos en el capítulo anterior; el capítulo VI, se puntualiza el tema de seguridad y mantenimiento, teniendo en cuenta que se trabaja con amoniaco, este sistema debe cumplir con utilizar los equipos de protección señalados para evitar percances en la manipulación de la sustancia, con respecto al mantenimiento la máquina de absorción cuenta con un cuidado casi nulo; el capítulo VII, se realiza un balance costo - beneficio del proyecto de investigación; por último el capítulo VIII, mencionan las conclusiones que deja el estudio del proyecto y las recomendaciones para futuros avances con respecto al tema de los métodos de refrigerado mediante la absorción con amoniaco-agua.

La valorización de la biomasa es un área en permanente evolución, relevante de investiga-ción y que continuará atrayendo el interés del sector industrial a medida que más y más consumidores estén preocupados por el impacto ambiental del uso de recursos fósiles no renovables. Señal de ello son las grandes inversiones realizadas por la industria química tradicional (BASF, DUPONT, Braskem, Mitsubishi, entre otras) en nuevas vías de síntesis de químicos y materiales, a partir de recursos renovables. Además, existen beneficios eco-nómicos significativos si en futuros desarrollos tecnológicos se procesa biomasa residual. El notable potencial de la biomasa, como fuente alternativa de productos químicos, com-bustibles y materiales demanda nuevas tecnologías para procesar eficientemente materias primas complejas y diversas. Por su parte, impulsar el desarrollo de biorrefinerías eficien-tes obliga a integrar el diseño de nuevos procesos con el diseño de productos innovadores que faciliten la inserción de estos en el mercado. En este contexto, es importante el desa-rrollo de modelos termodinámicos predictivos y de algoritmos de simulación de propieda-des de mezclas robustos, tanto en el ámbito productivo (diseño y simulación de biorrefi-nerías) como en el de blends de combustibles, que permitan predecir el desempeño de biocombustibles al ser utilizados, por ejemplo, como aditivos de combustibles convencio-nales. Esta tesis realiza dos contribuciones principales: 1) modelado del equilibrio de fases de sistemas involucrados en la conversión de biomasa, dirigida a la síntesis de biocombusti-bles y 2) desarrollo de herramientas para el diseño de productos multicomponentes que, en particular, se aplican al diseño de mezclas de combustibles y biocombustibles. El Capítulo 1 brinda una visión general sobre las tendencias actuales en biorrefinerías y biocombustibles. Se presentan los compuestos que constituyen la plataforma de biobasa-das y sus principales rutas de conversión a biocombustibles. En esta tesis se amplía el alcance de la Ecuación de Estado a Contribución Grupal con Asociación (GCA-EoS). Este mo-delo ha sido aplicado con éxito a la descripción del comportamiento de fases de mezclas que involucran biocombustibles de primera generación (etanol y biodiesel) y numerosos productos naturales. En el Capítulo 2, luego de describir el modelo termodinámico GCA-EoS, su base teórica y tabla de parámetros, se discuten las principales estrategias de pa-rametrización desarrolladas durante este trabajo de tesis. El Capítulo 3 presenta el mode-lado del equilibrio entre fases de mezclas de CO2 con las series homólogas de n-alcanos y n-alcoholes. Estos sistemas son de particular interés para el desarrollo de tecnologías in-tensificadas por presión que están siendo altamente aplicadas en la síntesis de compues-tos biobasados y donde el CO2 es el solvente por excelencia. El Capítulo 4 desarrolla el tra-bajo realizado en torno a extender la tabla de parámetros de la GCA-EoS a nuevos biocom-bustibles furánicos. Por último, el Capítulos 5 está dedicado al modelado termodinámico de éteres con alcanos y alcoholes. Esta extensión se aplica a la predicción del equilibrio de fases de sistemas constituidos por compuestos polifuncionales como poliéteres y glicol éteres. En la segunda parte de la tesis, la GCA-EoS se aplica a la simulación de propiedades de blends y se integra a una herramienta de diseño de productos multicomponentes basado en propiedades termodinámicas. En el Capítulo 6 se presentan los algoritmos desarrolla-dos para simular matemáticamente ensayos experimentales que determinan las principa-les propiedades reguladas por normas nacionales e internacionales. Finalmente, el Capítu-lo 7 presenta el algoritmo de optimización, basado en técnicas metaheurísticas, que permi-te encontrar mezclas sustitutas que cumplan con un conjunto de propiedades especifica-das para el combustible (presión de vapor Reid, curva de destilación y perfil de composi-ción PIANOX). El diseño de blends es una aplicación de interés particular para esta tesis; sin embargo, está claro que la herramienta desarrollada puede ser extendida y aplicada al diseño de productos multicomponentes en una diversidad de aplicaciones. / Currently, biomass valorization is a research field of growing interest and has gain special attention in the industrial sector as more and more consumers are concerned about the environmental impact of using non-renewable fossil resources. Sign of it are the large in-vestments done by the traditional chemical industry (BASF, DUPONT, Braskem, Mitsubishi) in new synthesis routes of chemicals and materials from renewable resources. Moreover, significant economic benefits can be achieved if future technological develop-ments process residual biomass. Biomass potential as an alternative source of chemical, fuels and materials require new technologies capable of efficiently process complex and inhomogeneous raw materials. On the other hand, boosting the development of efficient biorefineries requires integrating the design of new processes with the design of innova-tive products that facilitate the insertion of these in the market. In this context predictive thermodynamic models and robust property simulation algorithms are required for both, process and product conceptual design and optimization. This thesis makes two main contributions for the development of: 1) a thermodynamic model for biorefineries, with focus on biofuel synthesis and 2) a tool for multicomponent product design, specifically applied to fuel/biofuel blends design. Chapter 1 provides an overview about current trends in biorefineries and biofuels. It also introduces the main platform chemicals obtained from biomass processing and their fur-ther conversion routes towards biofuels. In this thesis the scope of application of the Group Contribution with Association Equation of State (GCA-EoS) is extended in the biore-fineries context and to include new biofuels. This thermodynamic model has been success-fully applied to mixtures involving first generation biofuels (bioethanol and biodiesel) and several natural products. Chapter 2 describes the GCA-EoS model, its theoretical bases and discusses the parametrization strategies developed during this research work. Chapter 3 reviews the modeling of CO2 phase behavior with the n-alkane and n-alcohol homologous series. These systems are of interest for developing pressure intensified technologies highly applied in the synthesis of platform chemicals. Chapter 4 is focus on extending GCA-EoS table of parameters to new furanic biofuels. Finally, Chapter 5 introduces the thermo-dynamic modeling of ethers with alkanes and alcohols, extension of the GCA-EoS that al-lows predicting the phase behavior of systems including polyfunctional compounds such as polyether and glycol ethers, also considered next generation biofuels. In the second part of this thesis, the GCA-EoS is applied to the simulation of fuel blend properties and the development of a tool for designing blends based on thermodynamic properties. The developed algorithms for modeling experimental tests methods, regulated by national and international standards, are presented in Chapter 6. Finally, Chapter 7 presents an optimization algorithm based on metaheuristics techniques that allows searching for surrogate mixtures that fulfill specified fuel properties (Reid vapor pressure, distillation curve and PIANOX composition). Beyond blend design, the tools developed in this thesis could be extended and applied to other multicomponent product design.

La presente tesis tuvo como objetivo diseñar un equipo de volumen constante para caracterizar los parámetros físicos en la inyección de combustibles líquidos en medios inertes (sin combustión). Para lograr este objetivo, primero se realizó una revisión de un consolidado de artículos relacionados con el trabajo de tesis desarrollado. Además, se relacionaron los conceptos de termo-fluidos y resistencia de los materiales para construcción del equipo de volumen constante. Mediante la norma VDI 2221 se evaluaron distintos diseños preliminares con el objetivo de encontrar el diseño óptimo de este equipo. Luego, se definieron los parámetros para el diseño del equipo: presión interna de 10 MPa y volumen interno de 4L. Con estos parámetros se procedió a dimensionar el equipo de volumen constante usando el código ASME para recipientes a presión. Debido a que el código ASME no está enfocado directamente al diseño de este tipo de equipos, se validó dicho diseño mediante un análisis por el método de elementos finitos, con el cual se verificó que el equipo cumplía con las exigencias mecánicas. Luego, se procedió a realizar los planos de ingeniería y de detalle del equipo. Finalmente, se realizó un metrado de los materiales y posterior proceso de fabricación con la finalidad de realizar un análisis de costos de fabricación del equipo, en el cual se obtuvo un valor de S/. 59 437.70 nuevos soles. / Tesis

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No autorizado por el autor para ser publicado a texto completo / El presente trabajo tiene por objetivo la formalización de fundamentos sobre la gasificación de pellets de madera para ser utilizado en el diseño de equipos o procesos. La gasificación corresponde a un proceso de producción de un gas combustible a partir de una reacción heterogénea, en este caso: pellet de madera y un reactante gaseoso. El trabajo incorpora una revisión de antecedentes que cubren aspectos cinéticos, termodinámicos, de transferencia de masa y calor, además de fluidodinámicos. Posterior a la revisión de antecedentes se desarrolla un modelo que describe la dinámica de las concentraciones en el lecho de reacción mediante un sistema de ecuaciones de derivadas parciales respecto al tiempo y al eje axial del lecho. Mediante un balance de energía se describe los valores que alcanza la temperatura. Mediante la resolución numérica del modelo, se intenta caracterizar el lecho, con ello, se pueden realizar aproximaciones de conversión, poder calorífico, porcentaje de sólidos sin reaccionar, etc. La resolución numérica contempló un flujo másico de alimentación igual a de pellet de madera, con un tamaño de partícula promedio de ; un reactante gaseoso compuesto de vapor de agua enriquecido con oxígeno, cuyos flujos corresponden a y respectivamente. Además de una presión y temperatura inicial de y . Fue posible observar el régimen transiente y estacionario del sistema. El régimen estacionario permite describir el lecho a partir de sus principales características. Para largos de lecho entre o , el modelo muestra que se alcanzarían conversiones cercanas al , con un poder calorífico de la mezcla que fluctúa entre los y , alcanzando un de eficiencia térmica respecto al combustible sólido alimentado. El flujo de salida del reactor se estima en de gas de síntesis, con una composición de de hidrógeno, de monóxido de carbono, de dióxido de carbono y de metano. Asociado a ello un flujo de sólidos igual a , el que corresponden al sólido que no alcanzó a reaccionar, se estima un tamaño de partículas igual a .