3.01 Tesis doctorado

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1-G physical modeling of dynamic soil-structure interaction for semi-buried structures using continuous monitoring in space and time
(2022) Segaline Bustamante, Hugo Javier; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La interacción dinámica suelo-estructura (DSSI) ha sido un tema de gran interés durante las últimas décadas. Varias investigaciones han demostrado la importancia de considerar el suelo como parte del diseño estructural, ya que la respuesta de la estructura puede estar fuertemente influenciada por el suelo en función de sus características. Por el contrario, en la práctica común se suele despreciar los efectos del DSSI pues se asume que es una hipótesis invariablemente conservadora, sin embargo, varios estudios revelan que esta hipótesis no es necesariamente cierta ya que hay varios factores a considerar. Por ello, a lo largo del tiempo se han desarrollado diferentes estrategias, ya sea de modelización numérica, analítica o física, para estudiar distintos aspectos del fenómeno DSSI. Esta investigación se basa en el desarrollo de un nuevo dispositivo de caja laminar capaz de simular las condiciones de contorno lateral del suelo. La principal característica de este contenedor laminar es la transparencia de su parte frontal, lo que permite una visualización completa del suelo y su interacción con las estructuras semienterradas considerando un análisis 2D a través de la técnica de correlación de imágenes digitales (DIC). Además, la distribución de la presión dinámica se obtuvo mediante un sensor táctil, que permite correlacionar las imágenes de desplazamiento con el patrón de presión en las diferentes estructuras parcialmente enterradas. Para el caso de los pisos subterráneos de edificios de muros de corte, se verificaron los efectos de interacción cinemática y su relación con la fuerza ejercida sobre estos muros. Para el caso de muros de contención, se evaluó la variación en el tiempo de la forma de la cuña activa como función de la amplitud del movimiento dinámico. Finalmente, tanto para los muros subterráneos como para los muros de contención, se presenta la distribución de presiones para diferentes configuraciones de diseño en términos de profundidad de enterramiento y contenido frecuencial de la carga.
A cyber-physical systems approach to collaborative intersection management and control
(2023) Guzmán Gómez, José Antonio; Núñez Retamal, Felipe Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
A medida que la población urbana aumenta, la congestión vehicular se ha convertido en una fuente importante de molestias y pérdidas económicas en las zonas urbanas. En este contexto, el concepto de Sistemas Inteligentes de Transporte toma relevancia como opción para optimizar el control del tráfico con el uso de la tecnología. Este trabajo propone un enfoque de sistemas ciberfísicos para el control colaborativo del trafico urbano. En concreto, se propone una arquitectura de tres capas para abordar el problema de la gestión de intersecciones, con una capa física que alberga los detectores de tráfico y los actuadores de las señales de tráfico, una capa cibernética encargada de realizar el procesamiento de datos, la comunicación con los vecinos y la manipulación de las señales de tráfico, y una capa cloudlet capaz de implementar aplicaciones de alto nivel. Una primera implementación en un entorno pseudo-real, utilizando un controlador fuzzy-experto diseñado y un novedoso actuador basado en Petri-nets temporizadas, muestran que el sistema propuesto es capaz de manejar las cargas de comunicación y procesamiento, a la vez que mejora el rendimiento del tráfico con respecto a las soluciones clásicas de manejo de señales de tráfico, superando a los métodos de control temporizado, Webster y coordinado en las pruebas a escala piloto. Para validar la arquitectura en un entorno real, una aplicación de predicción de tráfico en tiempo real en el área urbana de Las Vegas es presentada, construida como una aplicación cloudlet con flujo de datos en tiempo real desde sensores de la infraestructura y predictores de tráfico basados en modelos de aprendizaje profundo. Los resultados de la implementación muestran la viabilidad de hacer predicciones de tráfico en tiempo real con la tecnología actual y la utilidad del reentrenamiento periódico para mantener la precisión de la predicción. Finalmente, este trabajo propone un esquema de control distribuido basado en el aprendizaje reforzado (RL) que aprovecha la naturaleza del problema basada en datos, la cooperación entre intersecciones y la modularidad de la arquitectura propuesta. En concreto, se sintetiza un controlador RL que manipula los semáforos utilizando la información de las intersecciones vecinas en forma de un embebido obtenido de una aplicación de predicción de tráfico. Los resultados de la simulación con SUMO muestran que el esquema propuesto supera a las técnicas clásicas en términos de tiempo de espera y otros índices clave de rendimiento.
A machine learning approach to predict gene expression signatures, local gene networks, and key genes for biological functions of interest.
(2015) Puelma Peters, Tomás Francisco; Gutiérrez Ilabaca, Rodrigo Antonio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Un objetivo importante en la investigación biológica es descubrir genes relevantes para funciones biológicas de interés. Estas funciones pueden tener distintos grados de complejidad, desde procesos biológicos específicos a características complejas como “enfermedades metabólicas” en humanos o “tiempo de floración” en plantas. Esta tesis presenta “Discriminative Local Subspaces” (DLS), un método computacional que combina técnicas de aprendizaje de máquina supervisado y coexpresión para predecir redes de genes capaces de exponer nuevos genes y señalar cuáles son importantes para una función biológica de interés. Además presenta GENIUS, un servidor web que permite a la comunidad científica aprovechar las capacidades de DLS a través de una interfaz amistosa. En contraste con las redes de coexpresión tradicionales, DLS usa el conocimiento disponible en GeneOntology (GO) para generar conjuntos de entrenamiento informativos y guiar la búsqueda de “firmas de expresión”: patrones de expresión distintivos para los genes que participan en una función biológica de interés. Luego, DLS une los genes que se coexpresan con estas firmas para formar una red génica que contiene tanto genes conocidos como nuevos, para la función biológica de interés. Nuestras evaluaciones sistemáticas demuestran que DLS puede predecir genes nuevos con precisiones comparables a los métodos altamente discriminativos “Support Vector Maquines” (SVM), pero manteniendo la representación intuitiva e informativa que proveenlas redes de coexpresión. Más aún, nuestras evaluaciones muestran que, en contraste con estos métodos, DLS mejora su precisión sistemáticamente al aumentar la cantidad de datos experimentales disponibles. Además, nuestras evaluaciones en escenarios reales muestran que GENIUS puede realizar nuevos descubrimientos de manera efectiva. En particular,GENIUS predijo un nuevo gen, clave para mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno en plantas, lo cual fue validado experimentalmente. Por lo tanto, creemos que GENIUS puede ayudar a generar hipótesis concretas a partir de conocimiento previo, realizar nuevos descubrimientos y, por lo tanto, mejorar nuestra comprensión molecular sobre los sistemas biológicos. GENIUS actualmente puede ser utilizado en ocho importantes organismos y es de libre acceso en http://networks.bio.puc.cl/genius.
A method to identify virtual design and construction implementation strategies from a lean construction perspective.
(2016) Mandujano Rodríguez, María Guadalupe; Alarcón Cárdenas, Luis Fernando; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Existen importantes avances en las sinergias entre el modelado de información de construcción (BIM), como parte del diseño y construcción virtual (VDC), y la construcción lean. Sin embargo, la literatura no explora completamente la naturaleza o razones conceptuales detrás de estas sinergias. Una mejor comprensión de estas sinergias permitiría a la industria de la arquitectura, la ingeniería y la construcción (AEC) lograr una mejor implementación entre lean y VDC, y sería un peldaño para seguir diseñando nuevas sinergias.Además, en los últimos años, la industria AEC ha ampliado el uso de VDC; especialmente los métodos de construcción lean, para ofrecer un mayor valor a sus clientes. VDC incluye el uso de la gestión de producción utilizando métodos lean como parte integral de su método y teoría. Múltiples casos de estudio han concluido que se logran mejores resultados mediante la implementación de ambas iniciativas en conjunto.A pesar de la gran importancia de ambas metodologías, VDC sigue siendo un desafío ya que las empresas carecen de estrategias de implementación y su relación con la construcción Lean.El objetivo de esta investigación es diseñar una metodología sistemática que permita a las empresas AEC identificar las mejores estrategias de implementación de los modelos VDC y su impacto en el desempeño con la construcción lean como moderador.Para alcanzar el objetivo final d se llevaron a cabo los siguientes objetivos específicos:• Se llevó a cabo una revisión de la literatura para explorar las sinergias entre la construcción lean y VDC, incluyendo BIM (producto), modelado de procesos y organización;• Se creó un modelo de interacciones entre los elementos de VDC, incluyendo moderadores en relaciones específicas;• Se analizó la frecuencia de las referencias en la literatura utilizando un método estadístico (cuadrados mínimos parciales de PLS) para probar las hipótesis nulas y evaluar el significado de las relaciones y los moderadores. • Se informaron y discutieron los resultados.• Se dibujaron las conclusiones en base a los resultados.Este estudio tiene contribuciones académicas y prácticas. La principal contribución teórica al conocimiento en el campo de VDC y Lean es el diseño del modelo de influencia VDC/Lean, basado en evidencia estadísticamente significativa entre las relaciones de los elementos en la implementaciones de VDC con Lean como moderador. Los resultados indican que se alcanzan mejores resultados del proyecto cuando Lean es un elemento integral dentro de la implementación de VDC.Una contribución práctica es que los profesionales pueden usar las ideas y los hallazgos para apoyar las decisiones sobre la implementación de VDC y Lean dentro de la industria AEC.Como se mencionó, los modelos de VDC se implementan de acuerdo con anécdotas y creencias basadas en proyectos pasados, que han motivado a muchos proyectos y empresas en muchos países a usar métodos VDC, pero aún no han llevado a la adopción universal en todo el mundo.
A methodology to optimize the techno-economic design of solar power plants with storage systems
(2020) Zurita Villamizar, Adriana; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Este trabajo de investigación se centra en la optimización tecno-económica de plantas de energía solar y sistemas de almacenamiento bajo las condiciones meteorológicas y de mercado eléctrico de Chile. La investigación se presenta a lo largo de tres artículos de revistas científicas. El objetivo general es desarrollar una metodología que permita determinar el conjunto de configuraciones óptimas de plantas de generación solar y de sistemas de almacenamiento para una ubicación y una estrategia de despacho dadas en Chile. Los objetivos específicos planteados incluyen: desarrollar el modelo físico de una planta solar híbrida con almacenamiento, que presente una planta de receptor central de Concentración Solar de Potencia (CSP), una planta fotovoltaica (PV), un sistema de almacenamiento térmico (TES) y baterías (BESS) para obtener su producción anual; desarrollar un modelo tecno-económico para evaluar la factibilidad de las plantas en términos de Costo Nivelado de Electricidad (LCOE) y factor de planta; realizar una optimización multiobjetivo considerando minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia como funciones objetivos para diferentes estrategias de despacho y ubicaciones; y determinar los rangos de competitividad y viabilidad de la planta híbrida frente a otras combinaciones tecnológicas de tecnologías solares y sistemas de almacenamiento. La metodología de esta investigación comprende tres fases principales: modelación y simulación, análisis tecno-económico, y optimización multi-objetivo. La tesis está organizada en cinco capítulos. El Capítulo 1 presenta la introducción. Los Capítulos 2, 3 y 4 corresponden al primer, segundo y tercer paper de esta tesis respondiendo a los objetivos específicos. Finalmente, el Capítulo 5 presenta las conclusiones de esta investigación. De la etapa de modelación y simulación, se encontró que la resolución temporal tiene un impacto significativo en la simulación y estimación de producción de energía de la planta híbrida. Los resultados de esta tesis indican que utilizar una resolución temporal horaria en la simulación puede llevar a una sobreestimación de la producción anual de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS (y por tanto, a una subestimación del LCOE) entre un 2-6% con respecto a los resultados obtenidos con una resolución temporal de 1 minuto. El análisis también demostró que la operación de los sistemas térmicos como el receptor central de la planta CSP fueron los más afectados por la resolución temporal. De tal manera, una sobreestimación de la producción anual de la planta de CSP entre 14-15% se obtuvo al utilizar un paso de tiempo de 1h. Estos resultados enfatizan la importancia de elegir una resolución de tiempo apropiada al modelar plantas de energía solar con almacenamiento. Por otro lado, los resultados de la evaluación tecno-económica de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS para proporcionar generación base en Chile confirman que ambas tecnologías y ambos tipos de almacenamiento pueden operar de forma sinérgica para proporcionar factores de suficiencia superiores al 80%, sin embargo, la rentabilidad de las baterías depende en gran medida de los objetivos de optimización evaluados. Cuando el único objetivo es minimizar el LCOE, las configuraciones de diseño no incluyen baterías en la planta híbrida debido a que el alto costo de inversión de las baterías supera su beneficio técnico de incrementar el factor de suficiencia de la planta. Sobre este punto, se determinó que diseñar plantas de energía solar con almacenamiento para alcanzar el mínimo LCOE puede no ser el enfoque más adecuado cuando se quiere garantizar un cierto nivel de suministro. Por ejemplo, los resultados de esta tesis de investigación muestran que la combinación PV-BESS siempre ofrece los LCOE más bajos para todas las estrategias de despacho, pero estas soluciones con costo mínimo también proporcionan los factores de suficiencia más bajos entre 30 y 70%, dependiendo de la estrategia de despacho. Los resultados de esta tesis tienen como objetivo demostrar que, para cada ubicación y estrategia de despacho, se puede utilizar una optimización tecno-económica para obtener las soluciones de diseño óptimas que satisfagan funciones objetivo-conflictivas, como minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia. De la etapa de optimización multi-objetivo, este estudio revela que las soluciones más costo-efectivas para proporcionar energía en Chile incluyen la combinación PV-BESS cuando se requieren pocas horas de almacenamiento (4-5h), y centrales híbridas CSP-PV integradas con TES (y opcionalmente BESS) cuando se requieren largas horas de almacenamiento (>12h). Esto primero demuestra el valor que la energía solar puede tener en Chile para incrementar la diversidad de recursos en su futura matriz energética, y, en segundo lugar, destaca el valor de la hibridación como solución para complementar tecnologías, brindando flexibilidad al despacho y logrando costos de electricidad más competitivos.
A new type of tuned liquid damper and its effectiveness in enhancing seismic performance : numerical characterization, experimental validation, parametric analysis and life-cycle based design.
(2015) Ruiz, Rafael O.; Taflanidis, Alexandros; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
In the last decades the use of seismic protection devices in Chilean buildings has gained popularity for reducing earthquake losses. Mass dampers (also referenced as inertia dampers), with the most popular representative being the Tuned Mass Damper (TMD), are a potential device for facilitating these tasks; they consist of a secondary mass attached to the primary structure through an equivalent spring and dashpot. Through proper tuning of frequency/damping characteristics, the movement of this secondary mass counteracts the vibration of the primary mass (structure) providing the desired energy dissipation for this vibration. Among the general class of mass damper devices, Tuned Liquid Dampers (TLDs), which consist of a tank filled with some liquid (typically water) whose sloshing within the tank provides the mass damper effect, have some attractive characteristics such as low cost, easy installation and tuning, bidirectional control capabilities and alternative use of the secondary mass (liquid in this case). Their popularity, though, has been hindered by the facts that (i) their dynamic behavior is highly non-linear due to wave breaking and (ii) their inherent damping is usual lower than the optimal one, requiring the introduction of submerged elements (to increase this damping) that make the overall behavior even more complex. Other type of liquid dampers that share some of the TLD advantages, the liquid column dampers, offer a simpler modeling but their dynamic behavior is still non-linear since their damping ends up being amplitude dependent, whereas they are strictly restricted to one-directional applications. Additionally, the advantages of any such type of mass dampers particularly for seismic applications in the Chilean region have not been clearly demonstrated; this pertains to both their efficiency, acting as an inertia device, to allow significant energy dissipation for the ground motions common in the region but more importantly to an explicit discussion of the life-cycle cost improvement they can facilitate. The research presented here introduces a new type of liquid mass damper, called Tuned Liquid Damper with Floating Roof (TLD-FR) which combines the favorable characteristics of both TLDs and liquid column dampers, and further examines its efficiency for seismic applications for Chile. The TLD-FR consists of a traditional TLD (liquid tank filled with liquid) with the addition of a floating roof. The sloshing of the liquid within the tank is what still provides the inertia damper effect, but the roof prevents wave breaking phenomena and introduces a practically linear response and a dynamic behavior in a dominant only mode. This creates a vibratory behavior that resembles other types of a linear mass dampers and a framework is developed to characterize this behavior with a simple parametric description that can facilitate an easy comparison to such dampers. Within this framework, focus is given on a theoretical/computational characterization of the new device, coupled with an experimental validation of its capabilities and of the established numerical tools. To support these advances an efficient computational approach is formulated to describe the dynamic behavior of liquid tanks and is then extended to describe the behavior of the TLD-FR (address the inclusion of the roof). The aforementioned parametric formulation is then used to develop an approach that facilitates a direct design in the parametric space, as well as an efficient mapping back to the different tank geometries that correspond to each parametric configuration. During this process the efficiency of mass dampers for seismic applications in Chile is also examined by comparing the performance across different types of ground motions, representing different regions around the world. Finally, a versatile life-cycle assessment and design of the new device is established considering risk characterizations appropriate for the Chilean region, so that the cost-benefits from its adoption can be directly investigated. This involves the development of a multi-criteria design approach that considers the performance over the two desired goals: (i) reduction of the total life-cycle cost considering the upfront damper cost as well as seismic losses and (ii) reduction of the consequences, expressed through the repair cost, for low likelihood but high impact events. Through this approach the financial viability of the TLD-FR (competitiveness against TMDs) for enhancing seismic performance is demonstrated.
A transitional proposal for working fluids in csp from GEN2 to GEN3: Evaluating their thermophysical properties, corrosion behavior, and economic impact
(2024) Castro Quijada, Matias Daniel; Videla Leiva, Alvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
In the pursuit of reducing the levelized cost of electricity (LCOE) in concentrated solar power (CSP) plants, the search for working fluids (WF) capable of withstanding higher temperatures than current nitrate-based solar salt has emerged. This endeavor aims to enhance generation efficiency without increasing system costs. Despite consensus favoring chlorides for the new system, challenges such as high melting points and extreme corrosiveness of low-melting-point chlorides (e.g., NaCl-KCl-MgCl₂) have hindered the evolution of this technology. This research proposes a systematic transition from the current solar salt to an equimolar salt mixture of NaNO₃, KNO₃, NaCl, and KCl. The thermophysical properties of these salts were assessed using standard methods and methodology such as DSC for melting point and heat capacity, TGA for degradation temperature, Archimedean method for mass density, and rotational viscometry for viscosity. Results revealed improved properties with increased chloride content up to 50 mol% Cl, showcasing lower melting temperatures with less than 30 mol% Cl, and degradation temperatures reaching 642 °C with 50 mol% Cl, compared to 592 °C for the base case. The addition of chloride also enhances energy density, though concerns arise regarding viscosity at low temperatures and high chloride content.The corrosion rate (CR) and mechanisms associated with chloride-containing salts in 304L stainless steel were investigated at 500 °C for up to 21 days. CR was determined using gravimetry, while the morphology, chemical composition, and microstructure of the corrosion products were characterized using XRD, FESEM-EDS, and GD-OES. Exposure to molten salt with 0 mol% Cl (solar salt) resulted in negligible corrosion. The salt with 14 mol% Cl produced a stable corrosion product with a rate 30 times higher than the chloride free salt. All quaternary salts exhibited a multilayer structure with selective chromium (Cr) removal. Salts with more than 29 mol% Cl showed similar structures with Cr and iron (Fe) removal, leading to more brittle layers and higher corrosion rates (90 to 250 times). Cl diffusion into the oxide layer was confirmed, highlighting the roles of Cl₂(g) and O₂(g) in driving corrosivity. Using salts with 29 mol% Cl at 500 °C is discouraged, while using 304L with 14 mol% Cl in a cold tank may be viable. The salt with 14 mol% Cl content exhibited homogeneous corrosion at 100 µm/year. In contrast, salts with 29 and 50 mol% Cl content displayed localized corrosion, with rates of 280 and 755 µm/year, respectively, after 21 days at 500 °C in an open atmosphere.Potentiodynamic polarization sweep studies on 304L and 316L stainless steels, as well as on Haynes 230 and Hastelloy C-22, in the presence of three selected salts, revealed that superalloys Haynes 230 and Hastelloy C-22 demonstrated remarkable insensitivity to escalating chloride content. Furthermore, Hastelloy C-22 exhibited greater resilience, attributed to its higher molybdenum (Mo) content compared to the tungsten (W) content in Haynes 230, making it a promising material for CSP Gen3.Performance evaluations of the proposed CSP salts, utilizing a tailored TRNSYS library with SAM and DELSOL3 in a MATLAB framework, revealed increased generation efficiencywhen using these proposed quaternary salts. However, considering cost factors, incorporating chlorides and new materials reduced the LCOE to values similar to less thermally stable or more expensive nitrates. While the higher risk may not justify the limited benefits of quaternary salts, this transition path aligns with the stepwise methodology devised by NREL to encourage a gradual Gen3 transition and control investment risk. Therefore, further corrosion and material compatibility studies are necessary to determine the appropriate cost of replacing components and assess its impact on the LCOE through long trial assays
Un acercamiento a la innovación abierta en la Región de Antofagasta, Chile
(2018) Jamett Aranda, Ingrid; Maturana Valderrama, Sergio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta tesis se encuentra basada en la presentación de tres papers. El primero de ellos, que corresponde al capítulo II: “Análisis al estado del arte de la IA: implicaciones prácticas en la ingeniería”, se presenta en detalle el análisis al estado del arte del concepto de IA mediante la metodología de análisis bibliográfico. A continuación, en el capítulo III se presenta “Modelo de gestión estratégica basado en el desarrollo de la IA en pymes del sector metalmecánico de servicio a la minería”, donde principalmente se referencia la construcción de un modelo para la aplicación de la estrategia de IA, utilizando la metodología de DUBIM para la construcción del modelo y la metodología de Estudio de Casos para la prueba empírica del modelo planteado. En el IV capitulo que corresponde al tercer paper, “Análisis a la IA un acercamiento al sector metalmecánico”, se presenta una evaluación de indicadores significativos para el desarrollo con éxito del modelo de IA, entregando recomendaciones en el ámbito de políticas públicas. El capítulo I, presenta la Introducción, la que contiene datos en común a los diferentes estudios presentados en los papers indicando las metodologías utilizadas y el alcance de los casos planteados. Por último el capítulo V, se centralizan aquellos aportes arrojados en cada uno de los papers, se plantean situaciones comunes al aspecto de implementación de la IA visto desde el punto de vista del desarrollo de las naciones y se indican futuras investigaciones. La región de Antofagasta presenta un estancamiento industrial, con la consecuente baja en los niveles de competitividad. De acuerdo al Ranking Global de Competitividad 2016- 2017 del Foro Económico Mundial, Chile y la región de Antofagasta todavía presenta un escaso desarrollo en los requerimientos básicos para el desarrollo como es salud y educación lo que impide avanzar en los siguientes niveles tales como potenciadores de eficiencia y factores de sofisticación e innovación. Hasta el momento el sistema nacional de innovación de Chile, no considera la generación de redes vinculantes entre el sistema privado y público que potencie la capacidad de generar proyectos bajo el concepto de Innovación Abierta. Son las industrias manufactureras las que inicialmente dan paso a los procesos de industrialización, por lo que en esta tesis se analiza aquellos sectores con mayores avances tecnológicos en la región, siendo la industria de las empresas metalmecánicas una de ellas, para determinar esto, el estudio se basó en fuentes como la Encuesta Nacional Industrial Anual , para el periodo 1989 - 2009 (ENIA), durante el período de 1989-2009 donde se observa un crecimiento industrial anual promedio en 20 años, de 9,7%, cifra bastante superior al crecimiento del PIB de Chile. Explicado por el incremento de dos sectores: el de Industrias Básicas Metálicas no ferrosos (IBMNF) y el de Sustancias Químicas Industriales (SQI). Además se registra un cierto dinamismo el sector de Maquinaria y Equipo, mientras que el resto de los sectores manufactureros tuvo un crecimiento negativo, por lo que se propone auscultar el sector industrial metalmecánico y el de infraestructura, como muestras de sectores con un crecimiento demostrado en la región de Antofagasta. Se propone que la Innovación Abierta (IA) tendría efectos positivos para lograr una disminución en la brecha de productividad regional por lo que se estructuran 3 investigaciones centradas en la búsqueda de ejemplos de aplicación de IA en los sectores industriales de la construcción y metalmecánico. A partir de este análisis se plantea un objetivo general, el cual es compartido por las tres investigaciones, “Colaborar con los procesos de formulación de estrategias, considerando las variables de IA, potenciando una mejora en el crecimiento con valor agregado de la región de Antofagasta”. En el primer capítulo, correspondiente a la introducción, se considera el análisis del concepto de IA, su evaluación y aplicación, se discuten las características de los sectores seleccionados para la realización de las investigaciones y se plantean las problemáticas, objetivos e hipótesis comunes a los tres trabajos a desarrollar. En el segundo capítulo de la tesis se presenta la primera investigación, denominada “Análisis al estado del arte de la IA: Implicaciones prácticas en la Ingeniería”. La que consiste en la descripción de las características básicas de la IA, junto con la evolución del concepto. Esto permite contrastar la teoría con la aplicación práctica mediante el análisis de un caso concreto del sector de construcción en la región de Antofagasta. El tercer capítulo, corresponde a la segunda investigación “Modelo de gestión estratégica basado en el desarrollo de la IA en pymes del sector metalmecánico de servicio a la minería” la cual apunta a potenciar el desarrollo de las pymes, como agentes claves para aumentar las posibilidades de generar industrialización en Chile. Se propone una aproximación a un modelo teórico para su implementación basado en teorías que se aplican en el campo de la innovación y la gestión estratégica. El cuarto capítulo presenta la tercera investigación que busca identificar los principales factores que determinan el éxito de una implementación de IA, en el sector metalmecánico. Para constatar los factores de éxito propuestos en la investigación, con la realidad del sector de metalmecánico, se identifican, clasifican y describen las herramientas de aplicación de IA. En el quinto capítulo se finaliza con las conclusiones, hallazgos teóricos y empíricos, las debilidades de los análisis realizados y propuestas para el futuro desarrollo de nuevas investigaciones. La hipótesis planteada consiste en determinar si “un adecuado reconocimiento y manejo de las variables de IA contribuyen eficazmente a que las empresas puedan obtener ventajas competitivas sostenibles en su mercado”, para verificar esta hipótesis mediante un análisis bibliográfico y dos estudios de caso, planteando como objetivo la construcción de un modelo de formulación de estrategias de IA, detectando las variables de éxito para las prácticas de esta. En este trabajo ha sido posible expresar proposiciones que anuncian un desarrollo positivo en las empresas que apliquen estrategias de IA, aunque la realidad de la región indica que primero deben entregarse mayores posibilidades a nivel de políticas públicas, para que las pymes enfrenten el desafío de implementar estrategias y prácticas de IA. Las empresas no realizarán esfuerzos en este ámbito, que les signifique reorientar sus estrategias particulares, ya que primero deben solucionar problemas básicos de organización y gestión.
Advanced monitoring of construction safety using UAS and positioning technologies
(2020) Martínez Ribón, Jhonattan Guillermo Tercero; Alarcón Cárdenas, Luis Fernando; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La alta tasa de fatalidad en la industria de la construcción es una de las principales preocupaciones entre los profesionales y los investigadores. La naturaleza dinámica de la construcción, el número limitado de gerentes de seguridad y la dificultad de visitar lugares inaccesibles, de difícil acceso o inseguros son algunos de los factores que afectan negativamente la capacidad de monitorear los sitios de construcción de manera frecuente y, por lo tanto, identificar riesgos. Sistemas aéreos no tripulados (UAS) y las tecnologías de posicionamiento han surgido como herramientas potenciales para mejorar las tareas relacionadas con la seguridad en los sitios de construcción. Este estudio tiene como objetivo el desarrollo, la evaluación y la implementación in situ de UASs personalizados y sensores de posicionamiento para mejorar el monitoreo de seguridad y el proceso de identificación de riesgos en los sitios de trabajo de construcción. Para lograr este objetivo, se realizó un estudio de caso exploratorio para evaluar la percepción de riesgo de los gerentes de seguridad mediante el uso de contenido visual generado por UASs y contenido visual tradicional. Más tarde, se desarrolló y probó un sistema de posicionamiento basado en ultrasonido en un sitio de construcción real. El objetivo principal del sistema fué determinar la posición de los trabajadores y calcular su tiempo de exposición al peligro en un ambiente interior, especialmente donde los UAS no pueden operar para recopilar datos visuales. Finalmente, se diseñaron, desarrollaron y probaron dos UASs utilizando software y hardware de código abierto disponibles comercialmente. El primer UAS fue equipado con un GNSS de doble frecuencia (L1/L2) y tecnología de post procesamiento cinemático (PPK), cuyo objetivo fue aumentar la calidad y precisión de la representación visual en 3D de los sitios de construcción. Un segundo UAS conocido como iSafeUAS fue diseñado y probado para minimizar los riesgos potenciales de seguridad asociados con el despliegue de UASs para aplicaciones relacionadas con la seguridad de la construcción. El resultado de esta investigación mostró que el uso sistemático de UASs y tecnologías de posicionamiento en los sitios de construcción permite mejorar la percepción de riesgo de los gerentes de seguridad, reduce el tiempo y los esfuerzos durante el proceso de recopilación de datos, aumenta la cantidad y calidad de la información recuperada y minimiza el riesgo asociado con el proceso de recolección de datos.
Advanced Power Control System For Enhancing Second-Life Battery Energy Storage Systems Integration and Reliability
(2025) Poblete Durruty, Pablo Martín; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las redes eléctricas se están transformando rápidamente debido a la creciente integración de fuentes de energía renovable variables (ERV), generación distribuida y a nuevos consumos asociados a estaciones de carga de vehículos eléctricos (VE). Estos cambios plantean varios retos técnicos relacionados con la estabilidad e integridad de la red, aumentando la complejidad operativa de las redes eléctricas del futuro. Una de las soluciones más prometedoras para mitigar algunos de los problemas asociados a las ERV es el uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS por sus siglas en inglés). Los BESS pueden absorber potencia activa cuando existe un excedente de generación renovable y suministrar esta potencia cuando resulte más conveniente. Además, pueden funcionar como respaldo energético y proporcionar servicios complementarios a la red, incrementando la flexibilidad del sistema eléctrico. Sin embargo, los elevados costes de inversión de las baterías de ion-Litio implican una barrera económica relevante para la adopción generalizada de esta tecnología. Con el objetivo de ofrecer una nueva alternativa de almacenamiento que acelere la transición hacia las ERV, esta tesis presenta una nueva estrategia de control y modulación para convertidores en cascada de H-Bridge (CHB) destinada a la integración efectiva de sistemas de almacenamiento de energía con baterías de segunda vida (SL-BESS por sus siglas en inglés) a la red eléctrica. Estos sistemas emplean baterías que han alcanzado el final de su primera vida operacional pero que aún conservan suficiente capacidad para un uso secundario en aplicaciones de menor exigencia. En particular, este trabajo presta especial atención a técnicas de modulación óptima y a estrategias de control óptimo de corriente y estado de carga para el convertidor CHB, en el cual con los bancos de baterías son conectados directamente a cada submódulo H-Bridge. Se presentan resultados de simulación y experimentales para evaluar el desempeño de las estrategias de modulación y control propuestas en un prototipo de SL-BESS basado en un convertidor CHB conectado a red. Este montaje experimental consta de un convertidor CHBde 9 sub-módulos y bancos de baterías de ion-Litio de segunda vida ensamblados con celdas retiradas de bicicletas eléctricas, sirviendo como prueba de concepto de la eficacia del convertidor CHB en aplicaciones de SL-BESS.
Advancing knowledge of design-build and best-value in highway projects
(2020) Calahorra Jiménez, María Inmaculada; Alarcón Cárdenas, Luis Fernando; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En Chile, 74% de los proyectos viales experimentan sobrecostos. En EEUU, 80% de estos proyectos se adjudican a la empresa más barata. Lo anterior, en última instancia, repercute negativamente en la gestión de recursos públicos. El objetivo de esta investigación fue desarrollar conocimiento para mitigar sobrecostos en proyectos viales de Chile; y hacer más influyentes los criterios técnicos en la selección de los equipos en EEUU. En Chile, se entrevistaron 41 profesionales y se analizaron formas colaborativas de gestión de proyectos. En base a ello, se propusieron, como principales medidas de mitigación, la integración temprana del constructor y el uso de licitaciones basadas en el “mejor valor”. En EEUU, se utilizó teoría de análisis de decisiones y se estudiaron 540 criterios de evaluación para proponer un enfoque estructurado que guie la creación de criterios más influyentes. Además, el análisis de 1.970 puntuaciones técnicas y económicas y el uso de simulación, determinó que ponderaciones del costo mayores de 57%, implican selecciones que no considera criterios técnicos. Esta investigación permitirá que los gestores públicos minimicen sobrecostos y elijan a los mejores equipos. Futura investigación mejorará las formas de contratación y desarrollo de proyectos como medio para mejorar el desempeño de proyectos viales.En Chile, 74% de los proyectos viales experimentan sobrecostos. En EEUU, 80% de estos proyectos se adjudican a la empresa más barata. Lo anterior, en última instancia, repercute negativamente en la gestión de recursos públicos. El objetivo de esta investigación fue desarrollar conocimiento para mitigar sobrecostos en proyectos viales de Chile; y hacer más influyentes los criterios técnicos en la selección de los equipos en EEUU. En Chile, se entrevistaron 41 profesionales y se analizaron formas colaborativas de gestión de proyectos. En base a ello, se propusieron, como principales medidas de mitigación, la integración temprana del constructor y el uso de licitaciones basadas en el “mejor valor”. En EEUU, se utilizó teoría de análisis de decisiones y se estudiaron 540 criterios de evaluación para proponer un enfoque estructurado que guie la creación de criterios más influyentes. Además, el análisis de 1.970 puntuaciones técnicas y económicas y el uso de simulación, determinó que ponderaciones del costo mayores de 57%, implican selecciones que no considera criterios técnicos. Esta investigación permitirá que los gestores públicos minimicen sobrecostos y elijan a los mejores equipos. Futura investigación mejorará las formas de contratación y desarrollo de proyectos como medio para mejorar el desempeño de proyectos viales.En Chile, 74% de los proyectos viales experimentan sobrecostos. En EEUU, 80% de estos proyectos se adjudican a la empresa más barata. Lo anterior, en última instancia, repercute negativamente en la gestión de recursos públicos. El objetivo de esta investigación fue desarrollar conocimiento para mitigar sobrecostos en proyectos viales de Chile; y hacer más influyentes los criterios técnicos en la selección de los equipos en EEUU. En Chile, se entrevistaron 41 profesionales y se analizaron formas colaborativas de gestión de proyectos. En base a ello, se propusieron, como principales medidas de mitigación, la integración temprana del constructor y el uso de licitaciones basadas en el “mejor valor”. En EEUU, se utilizó teoría de análisis de decisiones y se estudiaron 540 criterios de evaluación para proponer un enfoque estructurado que guie la creación de criterios más influyentes. Además, el análisis de 1.970 puntuaciones técnicas y económicas y el uso de simulación, determinó que ponderaciones del costo mayores de 57%, implican selecciones que no considera criterios técnicos. 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An accurate numerical-analytical method for computing stresses in rock mass around mining excavations
(2017) Boccardo Salvo, Valeria; Durán Toro, Mario; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La corteza terrestre se encuentra sometida a un estado de esfuerzos o tensiones debido a fuerzas de origen gravitacional y tectónico, entre otros. Al extraer material desde un macizo rocoso, los esfuerzos se redistribuyen, lo cual es especialmente importante en minería, debido a que pueden aparecer áreas de alta concentración de esfuerzos en excavaciones mineras,produciendo eventos no deseados como caídas de roca o deslizamientos. Por lo tanto, hay una necesidad por determinar, de manera fehaciente, el estado de esfuerzos inducido en un macizo rocoso por la actividad minera, lo cual constituye un problema complejo. El objetivo de este trabajo es entonces proponer una metodología matemática certera para calcular estos esfuerzos y mostrar su desempeño en un caso simplificado. La principal fortaleza de esta metodología es el tratamiento numérico eficiente y eficaz del medio no acotado que rodea la excavación, comparado con el enfoque habitual usado por software comercial estándar para el mismo propósito, lo que conlleva una considerable reducción del recurso computacional requerido. El desarrollo de la metodología se divide en dos etapas. En la primera etapa se considera un problema simplificado donde se asume que la excavación es un pit semiesférico situado sobre la superficie de un dominio elástico semi-infinito y sometido a gravedad. Este problema es resuelto usando dos métodos semianalíticos, donde el segundo método es una mejora del primero. En la segunda etapa, se trata el caso de una excavación de geometría axisimétrica arbitraria mediante una técnica de acoplamiento, la cual emplea el segundo método semi-analítico para calcular una aproximación del operador Dirichlet-to-Neumann (DtN) sobre una frontera artificial semi-esférica. El operador DtNprovee las condiciones de borde exactas que completan el problema matemático planteado en el dominio computacional existente entre la excavación y la frontera artificial, el cual es entonces resuelto mediante el método de los elementos finitos (FEM). Se presentan resultados numéricos para demostrar la eficiencia y precisión de la metodología propuesta.
Análisis de fragilidad sísmica de edificaciones de albañilería armada de bloques de hormigón parcialmente rellenos
(2021) Ramírez Bolaños, Pablo Andrés; Almazán Campillay, José Luis; Sandoval Mandujano, Cristián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La albañilería armada es uno de los sistemas estructurales más utilizados a nivel mundial para la construcción de edificaciones de baja y mediana altura, en zonas de alta y moderada actividad sísmica. En el caso de Chile, cerca del 32% de todo el inventario de construcciones residenciales lo constituyen edificaciones de albañilería armada. Según los últimos antecedentes sísmicos reportados en el país, un número importante de estas estructuras han presentado un desempeño sísmico desfavorable ante terremotos de moderada y severa intensidad. Esto refleja que deficiencias en el diseño sismo-resistente y/o defectos constructivos pueden haber sido las causas de este mal comportamiento. Con base en esta situación y considerando el contexto del riesgo sísmico en Chile, una evaluación del desempeño sísmico para estas edificaciones se hace necesario realizar, particularmente para aquellas construcciones que se encuentran localizadas en áreas densamente pobladas y en zonas, donde el silencio sísmico ha prevalecido por largo tiempo. Con este enfoque, la presente investigación desarrolla un análisis de fragilidad para estimar la probabilidad de daño esperada en una edificación-tipo de albañilería armada, considerando la variabilidad del movimiento del terreno como la principal fuente de influencia en la incertidumbre de la respuesta sísmica. El prototipo de edificación estudiado corresponde a una vivienda social típica de dos pisos representativa de albañilerías chilenas y estructurada en base a muros de albañilería armada de bloques huecos de hormigón parcialmente rellenos (PG-RCMSW, por sus siglas en inglés). Como apoyo para el desarrollo del análisis de fragilidad, un estudio experimental y numérico es también abordado. En el estudio experimental, las propiedades mecánicas de la albañilería son caracterizadas y la respuesta cíclica de diez muros PG-RCMSW sometidos a cargas laterales reversibles en su propio plano, es analizada para tres variables de diseño: relación de aspecto, cuantía de acero de refuerzo horizontal y nivel precompresión axial. En el estudio numérico, un modelo histerético simple es implementado para reproducir el comportamiento inelástico de los muros ensayados, y un modelo numérico de elementos finitos es propuesto para simular la relación constitutiva fuerza–deformación para una condición de carga monotónica. Con base en los resultados obtenidos de estos estudios, un modelo dinámico simplificado es formulado y funciones de fragilidad, para tres estados límites distintos son derivadas utilizando el enfoque del análisis dinámico incremental (IDA) y el método de análisis de múltiples bandas (MSA). Finalmente, como ejemplo de aplicación, la fragilidad sísmica de la edificación-tipo es estimada para un escenario sísmico determinístico localizado en el norte de Chile, donde la albañilería conformada por muros de bloques de hormigón prevalece como sistema estructural. Como conclusión del análisis de fragilidad, se encuentra que la severidad de los daños esperados para este tipo de construcciones depende principalmente de la configuración geométrica y estructural de los machones que se originan entre las aberturas de los muros resistentes. Un diseño o reforzamiento apropiado para estos elementos, conduciría en alguna medida, a reducir la vulnerabilidad sísmica de estas estructuras ante movimientos sísmicos fuertes.
Analysis of the microstructure and electrochemical properties of Cu-NiAl used for molten carbonate fuel cell
(2024) Arcos Segura, Camila Fernanda; Sancy, Mamié; Martínez, Carola; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Global population growth has influenced further technological and scientific challenges, where the exponential increase in electricity demand stands out. In this context, it is necessary to continue researching alternatives to conventional energy generation to reduce greenhouse emissions. Fuel Cell technology is promising for lowering and storing carbon dioxide emissions in this context. It is a backup system to avoid intermittent problems with wind, solar, or other technologies. Fuel cells correspond to an electrochemical device that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Their main components are the electrodes (anode and cathode), electronically conductive, and electrolyte. In particular, molten carbonate fuel cells use hydrogen as fuel, highlighting their excellent power. However, the high working temperature, close to 650 °C, is a disadvantage due to the reduction of the component’s lifetime. Therefore, for a long-term operation, electrode corrosion behavior must be considered. This thesis aims to study Cu-Ni-Al alloys' microstructure and electrochemical behavior for molten carbonate fuel cells. The metal samples were manufactured using powder metallurgical techniques, such as hot pressing and additive manufacturing. The porosity was analyzed using the Archimedes method. The micro-macrostructure of the samples will be studied before and after exposure to Li2CO3-K2CO3 at 550 °C using surface analysis, such as optical microscopy, field emission scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. Moreover, gravimetric measurements before and after exposure and electrochemical impedance spectroscopy at open circuit potential were used to analyze the corrosion of the anodes in an aerated and controlled environment.
Applications of boundary integral equations and homogenization for the numerical simulation of living tissues
(2023) Martínez Ávila, Isabel Alejandra; Jerez Hanckes, Carlos F.; Sing-Long C., Carlos A.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Durante las ultimas décadas se ha logrado un enorme progreso en las aplicaciones biomédicas gracias a la capacidad de modelar y simular computacionalmente fenómenos complejos. De hecho, la derivación y análisis de modelos fisiológicos cada vez más realistas, así como métodos numéricos adecuados para resolverlos, ha permitido la identificación de variables relevantes y patrones de comportamiento con uso inmediato para médicos y especialistas biomédicos. La presente tesis propone modelos matemáticos y computacionales para estudiar fenómenos electrofisiológicos complejos a escala celular utilizando técnicas de ecuaciones integrales de frontera y homogeneización. Las aplicaciones específicas consideradas son la estimulación neural periférica y la electropermeabilización celular. Los métodos de homogeneización y análisis multiescala se utilizarán para obtener dos modelos de orden reducido: (a) una ecuación de cable no lineal para un axón mielinizado que considera la microestructura del mismo en tres dimensiones; y, (b) un modelo de bidominio no lineal en tres dimensiones, que describe el comportamiento macroscopico del potencial eléctrico en un manojo de axones mielinados. Para el proceso de electropermeabilización, aplicamos y desarrollamos un marco teórico para la resolución del fenómeno a escala celular en tres dimensiones usando la formulación integral de múltiples trazas junto a un esquema temporal semi-implícito. También presentamos un algoritmo numérico para simular el proceso.
Assessing environmental and economic performance of Municipal Waste Services: an empirical application for Chile
(2024) Llanquileo Melgarejo, Paula Iris; Molinos Senante, María; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La recolección y manejo de los residuos sólidos urbanos (RSU) es un servicio público que impacta en el medio ambiente y la salud pública. A pesar de los esfuerzos realizados desde la política pública, a nivel global, el volumen de RSU generado ha aumentado notablemente en la última década. Es por ello que, en el contexto de economía circular, instituciones internacionales como las Naciones Unidas y la Unión Europea están impulsando la recogida selectiva y el reciclaje de residuos. Por otro lado, el aumento del volumen de RSU tiene marcadas consecuencias no solo desde el punto de vista ambiental sino también económico. Teniendo en cuenta las restricciones presupuestarias que afectan a los sectores públicos, mejorar el desempeño en la prestación de servicios de RSU ha sido identificado por los municipios como una excelente opción para mejorar la sustentabilidad en la gestión de RSU. La evaluación del desempeño de las municipalidades en la recolección y disposición de residuos es un tópico que comenzó a estudiarse en la última década, pero aún es incipiente. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en evaluar el desempeño económico de los municipios en la gestión de RSU sin diferenciar entre residuos reciclados y no reciclados. La revisión de la literatura sobre este tema muestra que existen tres vacíos de conocimiento: i) evaluación del impacto de la recolección separativa y reciclaje de RSU en el desempeño a través de la comparación de los indicadores de eficiencia y eco-eficiencia; ii) evaluación del cambio en el desempeño de municipios en la gestión de RSU lo largo del tiempo; iii) evaluación del desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos en la prestación de servicios de RSU. El objetivo principal de esta tesis es, evaluar el desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos en la prestación de servicios de RSU. Para lograr este objetivo, se definieron los siguientes objetivos específicos: i) evaluar el impacto de la recolección selectiva y el reciclaje de RSU en el desempeño de los servicios de residuos municipales mediante la comparación de índices de eficiencia y ecoeficiencia; ii) evaluar si los cambios en las tasas de recolección selectiva y reciclaje de RSU han impactado en el desempeño ambiental y económico de los municipios a lo largo del tiempo comparando los índices de cambio de productividad y cambio de eco-productividad y; iii) identificar los factores externos a la gestión que realizan los municipios que inciden en su desempeño medido como eficiencia, ecoeficiencia, productividad y eco-productividad. Para lograr estos objetivos, se han aplicado varios modelos de análisis envolvente de datos (DEA). DEA es una técnica no paramétrica basada en programación lineal que mide el rendimiento relativo de las unidades en función del uso de inputs para producir outputs. Permite integrar outputs deseados, que en este caso son residuos reciclados, y outputs no deseados, residuos no clasificados. Por lo tanto, este enfoque metodológico permite la evaluación conjunta del desempeño económico y ambiental de los municipios en la prestación de servicios de RSU. De acuerdo con los objetivos planteados, esta tesis doctoral abarca 4 publicaciones científicas enfocadas en evaluar el desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos utilizando una base de datos robusta de 2015 a 2019 cuyos principales resultados son los siguientes: i) El 40,4% de los municipios chilenos evaluados presentaron economías de escala negativas en la prestación de servicios de RSU. Este hallazgo evidencia que el tamaño actual de la operación de los municipios no es óptimo; por lo tanto, se debe promover la organización conjunta de sistemas de gestión de RSU; ii) la ecoeficiencia promedio de los municipios chilenos fue de 0,58 y el 92,3% de ellos no eran ecoeficientes; iii) la recolección selectiva y el reciclaje de RSU impactaron el desempeño de los municipios desde el punto de vista estadístico. El porcentaje de municipios ineficientes fue de 95,30% y 96,64%, según los scores de eficiencia y ecoeficiencia, respectivamente; iv) las estimaciones de cambio de productividad promedio son mayores que las asociadas a cambios en la eco-productividad para todos los años evaluados; v) los puntajes promedio agregados de cambio de productividad y cambio de ecoproductividad para 2015/19 fueron 2,73 y 1,33, respectivamente, lo que revela que el desempeño de los municipios chilenos también ha mejorado desde una perspectiva ambiental; vi) Se evidenció una divergencia considerable en los puntajes de cambio de eco-productividad entre los municipios chilenos y, por lo tanto, se recomienda desarrollar e implementar políticas a escala metropolitana o regional para aprovechar las economías de escala potenciales en la recolección y el tratamiento de RSU.
Aumento de la termoestabilidad de una xilanasa activa en frío mediante ingeniería de proteínas.
(2020) Pinuer Pinuer, Luis Andrés; Parra, Loreto; Asenjo, Juan A.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las enzimas son biocatalizadores biodegradables, no tóxicos, eficientes y selectivos, lo que le permite posicionarse como una alternativa más ecológica y sustentable a la catálisis química tradicional. Existe un grupo de enzimas denominadas enzimas activas a bajas temperaturas, las cuales son particularmente atractivas industrialmente, dado que pueden disminuir los requerimientos energéticos en los procesos industriales, reducir los riesgos de contaminación y la generación de reacciones químicas indeseables que ocurren a temperaturas más elevadas. No obstante, este tipo de enzimas generalmente presentan una baja termoestabilidad, reduciendo sus posibles usos a nivel industrial. Esto ha motivado el desarrollo de diversas técnicas de ingeniería de proteínas con el fin de estabilizar su estructura proteica. Un grupo particular de enzimas que son ampliamente utilizadas en la industria corresponden a las xilanasas, las cuales catalizan la hidrólisis de xilano, uno de los componentes principales de las paredes celulares de las plantas y, por lo tanto, poseen aplicaciones en diferentes sectores incluyendo la alimentación animal y la producción de azúcares bioactivos conocidos como xilo-oligosacáridos (XOS). El objetivo de este estudio fue aumentar la termoestabilidad de la xilanasa XyL-L, aislada desde la bacteria antártica Psychrobacter sp, mediante el uso de técnicas de ingeniería de proteínas sin sacrificar su actividad a bajas temperaturas. Primero se implementaron distintas estrategias para aumentar los niveles de expresión de XyL-L, dado a su escasa producción en los sistemas convencionales. La combinación de estrategias permitió obtener niveles de expresión adecuados para la posterior caracterización enzimática de XyL-L y las variantes generadas. Se utilizaron 2 estrategias de ingeniería de proteínas en búsqueda de mejorar la termoestabilidad de XyL-L, las cuales corresponden a la ingeniería de dominios y la ingeniería de loops. Para la ingeniería de dominios se diseñaron 3 variantes de XyL-L truncadas de sus dominios accesorios, denominados módulos de unión a carbohidratos o CBM. Dos de éstas variantes presentaron mayor termoestabilidad, la variante ΔCBM4, a la que se le ha delecionado el dominio CBM4 y su linker (L1), y la variante ΔCBM22 a la que se le quitó el dominio CBM22 y su linker (L2). No obstante, la variante ΔCBM22 mostró la mayor mejora en la termoestabilidad, con un aumento de 10 veces en la vida media a 40°C. Los parámetros termodinámicos indicaron que la mayor fuerza que condujo a la estabilización de ΔCBM22 fue una reducción de 7 veces en la diferencia entrópica (ΔS#IN). Los resultados de análisis de secuencia revelaron una alta proporción de residuos promotores del desorden en el linker L2. Además, se predijo una región intrínsecamente desordenada (IDR) que abarca el linker L2 y los primeros residuos del dominio CBM22. A raíz de estos hallazgos se analizaron otras enzimas multi-dominios a las cuales se les cortó al menos un dominio CBM, encontrándose que en aquellas enzimas que presentaron una región IDR en el linker o en el dominio cortado evidenciaron un aumento de termoestabilidad luego de la deleción. A raíz de estos resultados se postula que la presencia o ausencia de regiones IDR puede explicar el efecto variable observado luego de la deleción de un dominio accesorio. También es posible concluir que en el caso específico de XyL-L, fue posible obtener una variante con una mejora significativa en la termoestabilidad, la cual corresponde a la variante ΔCBM22. En tanto, en la ingeniería de loops se buscó rigidizar 2 loops del dominio catalítico mediante el acortamiento secuencial de las regiones más expuestas al solvente. Se generaron 3 variantes por cada loop con una deleción de 3, 5 y 7 residuos, no obstante, todas las variantes generadas presentaron una menor termoestabilidad que XyL-L. Se concluye, que la estrategia de ingeniería de loops no fue efectiva en la búsqueda de mejorar la termoestabilidad de XyL-L, lo cual puede deberse a un limitado conocimiento de la estructura del dominio catalítico que pudo haber influido en la selección de los sitios a cortar. El siguiente paso fue evaluar los efectos en la actividad en la variante que presentó la mayor termoestabilidad (ΔCBM22). Los resultados indicaron que ΔCBM22 no presentó cambios en la temperatura óptima (35°C) y mantuvo su actividad a bajas temperaturas, además ΔCBM22 mostró mejoras en la eficiencia catalítica. A raíz de estos resultados se concluye que la variante ΔCBM22, junto con generar una mejora en la termoestabilidad también generó una mejora en la eficiencia catalítica sobre sustratos solubles, manteniendo su actividad a bajas temperaturas. El último paso fue comparar el perfil de XOS producidos por XyL-L con las variantes de dominio, encontrándose diferencias en los XOS producidos a partir de xilano soluble. Los resultados sugieren que la presencia de los dominios CBMs favorecen la actividad sobre XOS de bajo tamaño molecular en XyL-L y que la diferencia del perfil de XOS generados entre las variantes están relacionados a las distintas afinidades por estos XOS. Además, fue posible evidenciar actividad transglicosilasa en XyL-L y las variantes de dominio. De acuerdo a los resultados obtenidos concluimos que fue posible obtener variantes de XyL-L con termoestabilidad mejorada, mediante el uso herramientas de la ingeniería de proteínas sin afectar su eficiencia catalítica y manteniendo su actividad a bajas temperaturas. Se proyecta en el futuro generar nuevas variantes a partir de la información obtenida de la ingeniería de dominios y obtener información estructural que permita realizar técnicas de diseño racional.
Bioprocess engineering and metabolic modeling as a roadmap for enhanced recombinant protein production in Pichia pastoris
(2019) Torres Plaza, Paulina Macarena; Agosin T., Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Pichia pastoris es reconocida como un workhorse biotecnológico para la expresión de proteínas recombinantes. Basándose en sus logros pasados y novedosos desarrollos, la biotecnología de sistemas de P. pastoris ha progresado significativamente en las últimas dos décadas. En esta tesis doctoral, el análisis sistemático de las condiciones operativas en conjunto con el desarrollo de herramientas computacionales y la selección de configuraciones mecánicas óptimas de bioreactores se llevaron a cabo como una hoja de ruta para mejorar la producción de proteínas recombinantes a través de la ingeniería de bioprocesos y el modelamiento metabólico. A pesar de que nosotros utilizamos una cepa de P. pastoris que expresaba constitutivamente la proteína endulzante taumatina, como caso de estudio, los desarrollos logrados también son aplicables para la expresión de otras proteínas recombinantes de interés. Primero, presentamos un marco integrado para revelar los efectos metabólicos de dos parámetros operacionales – la tasa específica de crecimiento y la concentración de oxígeno disuelto - en cultivos continuos limitados en glucosa. Más específicamente, empleamos un diseño experimental racional para calcular los efectos estadísticos significativos de los datos de múltiples quimiostatos, que luego fueron contextualizados utilizando un modelo metabólico a escala del genoma manualmente curado. Nuestros resultados revelaron un efecto negativo de la oxigenación en la tasa especifica de producción del producto y un efecto positivo en el rendimiento de la biomasa. En particular, identificamos un efecto sinérgico de ambos parámetros en la tasa específica de producción del producto. Finalmente, las predicciones del modelo indicaron una relación opuesta entre el nivel de oxigenación y el requerimiento de ATP asociado al crecimiento, sugiriendo un mayor gasto metabólico de crecimiento a bajo nivel de oxigenación. En segundo lugar, construimos un modelo metabólico a escala genómica dinámico para cultivos aeróbicos de Pichia pastoris limitados en glucosa. El modelo se empleó para analizar la distribución del flujo metabólicos de un cultivo alimentado por lotes y para diseñar estrategias genéticas y de ingeniería de procesos para mejorar la producción de albúmina sérica humana recombinante. Simulaciones de knock-outs individuales indicaron que la desviación del carbono hacia la formación de cisteína y triptófano podría mejorar en 63 veces la producción de HSA. Además, el modelo sugirió que la implementación de una tasa de crecimiento específica decreciente durante la fase de alimentación de un cultivo alimentado por lotes produce un aumento del 25% de la productividad volumétrica de la proteína. Finalmente, se llevó a cabo una optimización de la tasa de transferencia de oxígeno en reactores de 1 L. Para este propósito, primero discutimos la formulación de un algoritmo automático para la estimación de kLa bajo diferentes condiciones hidrodinámicas. Luego, presentamos una hoja de ruta para optimizar la tasa de transferencia de oxígeno en bioreactor de 1-L, utilizando diferentes configuraciones de aspas-difusor. La importancia relativa de la aireación y agitación bajo las diferentes configuraciones y condiciones hidrodinámicas fueron llevadas a cabo. Finalmente, propusimos un árbol de decisión para la selección de la mejor configuración con el fin de mejorar la transferencia de oxígeno en bioreactores según el rango de los parámetros operacionales y la viscosidad. En general, esta tesis es un intento exitoso de analizar y comprender los efectos metabólicos utilizando un diseño racional de experimentos y modelos metabólicos. Además, este análisis sistemático en cooperación con una optimización de la transferencia de oxígeno en bioreactores permitirá mejorar la producción de proteínas recombinantes en Pichia pastoris.
Capacidad sísmica de muros de hormigón armado dañados y rehabilitados
(2022) Moscoso Fernández Salvador, Jorge Fernando; Hube Ginestar, Matías Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Después del terremoto de 2010 en Chile y los terremotos de Canterbury de 2010/2011 en Nueva Zelanda, se demolió o rehabilitó un número significativo de edificios de muros de hormigón armado (HA) con diferentes niveles de daño. La toma de decisiones acerca de demoler o rehabilitar edificaciones después de un sismo dependen de los niveles de daño observados en los componentes estructurales. Las rehabilitaciones en componentes estructurales están delimitadas por técnicas que no cuentan con suficiente evidencia experimental. Los objetivos principales de esta tesis son: (1) Determinar la capacidad sísmica residual en muros de HA con daño sísmico inicial y (2) Determinar la capacidad sísmica en muros de HA rehabilitados. Para cumplir el primer objetivo se evaluó experimentalmente la capacidad sísmica residual de seis muros de HA con bordes no confinados. Tres muros se ensayaron bajo un protocolo de carga lateral cíclica, y los otros tres muros se ensayaron bajo dos protocolos de carga lateral cíclica para inducir daño inicial. Las variables de los ensayos fueron la relación de los muros y la relación de deriva objetivo de los protocolos de carga. Los resultados de los ensayos indican que los seis muros mostraron un comportamiento dominado por flexión. Los anchos de grietas residuales medidos en los tres muros ensayados con daño inicial fueron solo el 6 % del ancho de grieta sugerido por FEMA 306 para los niveles de daño identificados. Los resultados experimentales mostraron que la rigidez efectiva de los muros disminuyó significativamente debido al daño previo. Sin embargo, la resistencia máxima de los muros no se vio afectada considerablemente y la capacidad de deriva lateral no se redujo por los daños previos. Por lo tanto, se concluye que muros de HA similares a los de este estudio que se someten a derivas previas de entre 1.5% y 2.0% no requieren ser rehabilitados para recuperar resistencia ni capacidad de deformación. Estos muros podrían ser rehabilitados con el objetivo de recuperar su rigidez solo si se estima necesario este objetivo. Para cumplir el segundo objetivo se evaluó experimentalmente la capacidad sísmica de los seis muros de HA ensayados en la primera parte de este estudio, rehabilitados con dos técnicas diferentes. Cuatro muros se rehabilitaron con adición de elementos de borde y dos muros se rehabilitaron con un aumento en el espesor del muro. Estas rehabilitaciones fueron observadas en edificios chilenos luego del terremoto del Maule de 2010. El objetivo de las rehabilitaciones fueron incrementar la resistencia y la capacidad de deformación de los muros. Los muros rehabilitados se ensayaron bajo un protocolo de carga lateral cíclica hasta la falla. Los resultados de los ensayos mostraron que las técnicas de rehabilitación utilizadas cambiaron el modo de falla de los seis muros y que el objetivo de incrementar la resistencia lateral máxima se alcanzó satisfactoriamente en los seis muros rehabilitados. Sin embargo, el objetivo de incrementar la capacidad de deformación y la ductilidad no se alcanzó satisfactoriamente en los seis muros rehabilitados. Por lo tanto, se concluye que muros de HA rehabilitados con técnicas similares a las de este estudio, pueden generar modos de fallo distintos y no incrementan la capacidad de deformación, lo cual puede derivar en fallas en otras zonas de los edificios. Adicionalmente, es posible que edificios rehabilitados con estas técnicas puedan mostrar modos de falla similares a los observados en esta investigación frente a solicitaciones sísmicas futuras. Los resultados de este estudio se espera que sirvan como evidencia experimental de la capacidad sísmica residual en muros de HA y de la capacidad sísmica en muros de HA rehabilitados. Finalmente, los resultados obtenidos es este estudio se espera que sirvan para calibrar modelos analíticos de muros de HA con daño previo y de muros de HA rehabilitados.
Captura de CO2 en cenizas de combustión de biomasa.
(2017) Lira Zúñiga, Sebastián Andrés; Sáez Navarrete, César; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La captura y secuestro de carbono CSC se ha convertido en una alternativa para enfrentar el calentamiento global del planeta causado por la dependencia mundial de combustibles fósiles. Dentro de los fundamentos aplicables a la separación de CO2, la adsorción requerirá de la búsqueda de materiales adecuados y de bajo costo, no sólo para la fijación de CO2 en formas más estables para su confinamiento, sino también para su concentración en fase gas que factibilice aplicaciones de CSC con diversos principios de operación. En este trabajo se estudiaron tres tipos de cenizas, dos de combustión de biomasa agrícola (fly ash y bottom ash) y un tipo de cenizas de biomasa de turba (peat ash). Para las cenizas de biomasa agrícola se estudió la capacidad de adsorción de CO2 a distintas temperaturas en forma de polvos y pelletizados, permitiendo de esta forma identificar el mecanismo de adsorción. La identificación del mecanismo de adsorción para peat ash, se realizó estudiando la capacidad de adsorción a distintas presiones y temperatura ambiente. Basado en Ideal Adsorbed Solution Theory, se determinó la selectividad de CO2 sobre N2 en los tres tipos de cenizas ensayadas, manteniendo la humedad ambiental de tal forma de estudiar su efecto en la adsorción competitiva. A una temperatura de 25°C, bottom ash y su pellet lograron una capacidad de adsorción de CO2 de 0,06 mmol/g y 0,07 mmol/g respectivamente. Peat ash alcanzó una capacidad de adsorción de 0,15 mmol/g demostrándose que en conjunto con sus características físico químicas pueden ser una alternativa eficiente y de bajo costo en la captura de CO2. Fly ash y su pellet mostró una capacidad significativamente menor. Las capacidades de adsorción a 25°C de las bottom ash y peat ash, son valores cercanos a las capacidades de adsorción de CO2 de carbón en bruto que es de 0,09 mmol de CO2/g y a sílica mesoporosa (MCM-41) cuya capacidad es de 0,04 mmol de CO2/g. Se identificó un mecanismo de adsorción física de CO2 predominante en bottom ash, mientras que fly ash predominó un mecanismo de adsorción química. En una mezcla de gases tipo de combustión de combustibles fósiles (85% N2 y 15% CO2) bottom ash presentó una selectividad de CO2 de 0,06, sin embargo, esta decayó al aumentar la fracción molar de N2. Peat ash y fly ash presentaron valores menores de selectividad 0,025 y 0,016; respectivamente. No obstante, la selectividad de peat ash no sería afectada significativamente al aumentar la fracción molar de N2.

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