ING 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 Behavioral Approach to Indoor Autonomous Navigation with an Affordance-based Plan execution
(2025) Sepulveda Villalobos, Gabriel Andres; Soto Arriaza, Álvaro Marcelo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La mayoría de los sistemas de navegación autónoma utilizados actualmente en robots móviles, basan su funcionamiento en la construcción de representaciones de tipo métrica o topológica del ambiente. Desafortunadamente, este tipo de información no es robusta a cambios estructurales del entorno, y su capacidad de generalización se ve limitada al requerir de la construcción de una representación particular para cada ambiente visitado. Para superar las limitaciones antes mencionadas, proponemos un modelo de navegación autónoma capaz de representar ambientes de interior a través de: i) los distintos espacios arquitectónicos que son significativos para los seres humanos, tales como oficinas, corredores y halls, y ii) los comportamientos necesarios para transitar entre dichos espacios, tales como “salir de oficina”, “seguir corredor” o “cruzar hall”. Con este modelobuscamos alcanzar un alto nivel de abstracción, que haga al sistema menos propenso a errores causados por discrepancias entre la representación interna y el entorno real.Las principales contribuciones de este trabajo son: i) un esquema de navegación enfocado en la selección de acciones de alto nivel que es menos propenso a errores de localización, ii) una representación compacta y semánticamente rica del ambiente que facilita el planeamiento de rutas e interacción con seres humanos, y iii) un método para ejecución de planes de navegación basada en la identificación de affordances relevantes para navegación, que permite prescindir de una representación explícita del ambiente. Al evaluar el rendimiento de nuestra solución en ambientes vistos en entrenamiento, obtenemos que nuestro modelo logra superar la tasa de éxito de modelos alternativos hasta en un 43%. Por otro lado, nuestro modelo presenta resultados prometedores para ambientes no vistos, superando hasta en un 26.3% el rendimiento de modelos alternativos.
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 deep learning approach for the identification of new exoplanet candidates
(2025) Salinas Mamani, Yesenia Helem; Pichara Baksai, Karim Elías; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El descubrimiento de nuevos exoplanetas—planetas fuera de nuestro Sistema Solar—es esencial para comprender la estructura actual del Universo y la formación del sistema solar, incluido nuestro propio planeta: la Tierra. Uno de los métodos más utilizados para la detección es el método de tránsito, en el que un planeta pasa frente a su estrella, causando una disminución en el brillo de la estrella. Telescopios espaciales como TESS están diseñados para buscar planetas utilizando este método, generando grandes conjuntos de datos a partir de curvas de luz—una serie temporal que mide la variación en el brillo de una estrella a lo largo del tiempo. Estos conjuntos de datos extensos presentan grandes oportunidades, pero también numerosos desafíos. Las técnicas tradicionales de análisis de curvas de luz, comúnmente utilizadas para la detección de exoplanetas, requieren curvas de luz que contengan múltiples eventos de tránsito periódicos del mismo objeto, y no siempre son eficaces para identificar señales de tránsito poco comunes, como los tránsitos únicos de planetas de período largo. Además, el gran volumen de datos aumenta el riesgo de errores humanos, lo que resalta la necesidad de sistemas automatizados para identificar y validar con precisión los candidatos a exoplanetas. Para abordar estos desafíos y la rápida expansión de los datos astronómicos, los sistemas automatizados se han vuelto cada vez más esenciales para analizar grandes cantidades de datos astronómicos. Los algoritmos de aprendizaje automático, especialmente las redes neuronales (NN), pueden procesar conjuntos de datos a gran escala y aprender patrones complejos de las curvas de luz, mejorando así la identificación de señales de tránsito de exoplanetas. En esta tesis, proponemos un enfoque novedoso para la identificación y detección de nuevos candidatos a exoplanetas sin la necesidad de realizar plegado de fases ni asumir periodicidad en las señales de tránsito, como las que se observan en las curvas de luz de múltiples tránsitos. Para lograr esto, primero implementamos una arquitectura diseñada para identificar las características más significativas de una señal de tránsito y parámetros estelares a través del mecanismo de auto-atención, con el fin de distinguir la señal de tránsito de un exoplaneta de los falsos positivos. Luego, extendimos este enfoque inspirado en Transformers para procesar directamente las curvas de luz y detectar nuevos candidatos a exoplanetas, en lugar de solo clasificar los tránsitos como planetas reales o falsos positivos. Las arquitecturas basadas en atención, como los Transformers, han demostrado recientemente un notable éxito en el procesamiento de datos secuenciales, capturando eficazmente dependencias a largo alcance en comparación con enfoques anteriores. Como resultado, nuestro enfoque identificó 214 nuevos candidatos a sistemas planetarios, incluyendo 122 curvas de luz de múltiples tránsitos, 88 de tránsito único y 4 sistemas multi-planetas de los sectores 1-26 de TESS con un radio >0.27 RJupiter. Este trabajo representa un avance significativo en la automatización del proceso de descubrimiento de exoplanetas. En resumen, esta tesis presenta una metodología para identificar señales de tránsito de exoplanetas utilizando redes neuronales basadas en atención. Una contribución clave es el desarrollo de una red neuronal capaz de detectar nuevos candidatos a exoplanetas sin depender de parámetros previos de los tránsitos, superando las limitaciones de los enfoques anteriores que requieren información de tránsito predefinida. Los resultados demuestran el poder de esta metodología para mejorar la automatización de los descubrimientos de exoplanetas.
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 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, Álvaro 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
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.
Algorithm aversion or appreciation?
(2022) Chacón Hiriart, Alvaro Marcelo; Reyes, Tomás H.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Investigaciones anteriores muestran que los algoritmos hacen mejores predicciones que los humanos en una amplia gama de circunstancias. Sin embargo, se ha demostrado que la aversión a los algoritmos aparece en variadas situaciones. Para comprender mejor el proceso de aceptación de los algoritmos, en tres estudios, analizamos este fenómeno de forma longitudinal, buscamos formas de superar la aversión a los algoritmos y analizamos las brechas en la literatura con una revisión sistemática. En el primer estudio, realizamos dos sub-estudios de evaluación ecológica momentánea con 401 participantes que predecían variables financieras. En los escenarios con recomendaciones imprecisas, descubrimos que las personas tendían a utilizar menos las recomendaciones de algoritmos que las de humanos a lo largo del periodo estudiado. En nuestro segundo estudio, realizamos cinco sub-estudios en los que se pidió a 1.167 participantes que escogieran o hicieran predicciones en una tarea financiera o médica. Los resultados de este estudio sugieren que las personas utilizan los algoritmos con una etiqueta de aprendizaje en mayor medida que los algoritmos sin etiqueta. Nuestro análisis en el tercer estudio de revisión sistemática muestra que la aversión a los algoritmos está presente en el 75% de las 122 tareas estudiadas. También destacamos algunas falencias por la escasa representación de las características individuales, de la tarea o de la metodología. Gracias a nuestros estudios, contribuimos a mejorar la comprensión y el uso de los algoritmos en nuestra sociedad, donde la disponibilidad de datos y el desarrollo tecnológico son cada vez más frecuentes.
An in vitro model for photosynthetic cancer treatment: a study of photosynthetic and tumor cell co-culture
(2024) Holmes Videla, Christopher Edward; Egaña, José T.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La baja tensión de oxígeno (hipoxia) en tumores conlleva a la resistencia de una serie de tratamientos clínicos, por lo que el uso de microorganismos fotosintéticos se ha planteado recientemente como una alternativa segura para proveer de oxígeno al microambiente tumoral. En este trabajo se estudió la biocompatibilidad de la microalga Chlamydomonas reinhardtii con condiciones de crecimiento de células mamíferas. Se cultivó esta microalga junto con células de melanoma, con ambos tipos celulares resultando biocompatibles entre sí, pero con las microalgas afectando la organización del citoesqueleto de las células tumorales. Se observó que la oxigenación en co-cultivos era suficiente para eliminar condiciones de hipoxia y producir más oxigeno del requerido metabólicamente por las células tumorales. Se observó que esta producción de oxígeno era capaz de aumentar la muerte tumoral por radioterapia. Como último objetivo se estableció un modelo tumoral fotosintético en 3D por medio de una matriz de colágeno. Se estudiaron las interacciones entre ambos tipos celulares con la matriz junto con la oxigenación de células tumorales en un ambiente 3D hipóxico. Se demostró que ambos tipos celulares son biocompatibles por al menos 24 horas de contacto en condiciones de cultivo celular y que una razón de 10:1 microalgas a células, era capaz de cumplir con los requerimientos metabólicos de las células tumorales, produciendo un exceso de más del doble del oxígeno requerido, el cual puede ser usado a futuro para terapias antitumorales. Este trabajo muestra ue el uso de Chlamydomonas reinhardtii es una alternativa viable para la oxigenación de tumores para tratamiento clínicos, mientras que el modelo tumoral fotosintético in vitro presentado nos entregó un simple recurso para estudiar los efectos de la fotosíntesis en el microambiente tumoral y una herramienta para manipular esta aproximación para optimizar su uso en terapias clínicas.
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 metabolic interactions in a synthetic consortium between commensal species of the gut microbiota with a butyrogenic effect
(2024) Torres Miranda, Alexis Ignacio; Garrido Cortés, Daniel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las interacciones de cross-feeding, mediadas por metabolitos bacterianos, son esenciales para la diversidad y estabilidad de la microbiota intestinal, promoviendo la salud al fomentar el crecimiento de bacterias beneficiosas como las productoras de butirato. Muchas de estas bacterias, sin embargo, están poco caracterizadas, limitando la comprensión de cómo algunos metabolitos pueden mejorar su crecimiento. El objetivo general de este estudio fue diseñar consorcios microbianos butirogénicos utilizando modelos metabólicos a escala genómica para guiar y posteriormente caracterizar mediante ensayos bidireccionales, un cultivo en biorreactor, y transcriptómica las interacciones metabólicas entre fermentadores primarios y bacterias productoras de butirato en inulina como fuente de carbono. En primer lugar, se secuenciaron los genomas de las cepas chilenas Bifidobacterium animalis lactis PT33 y Lacticaseibacillus paracasei M38, y se construyeron modelos metabólicos incluyendo seis bacterias adicionales, cinco de ellas candidatas a productoras de butirato. Estos modelos se utilizaron para la simulación del crecimiento y la identificación de cross-feeding con la finalidad de guiar el proceso de selección de cepas que presentan interacción. Los consorcios se cultivaron en laboratorio, verificando la producción de butirato y seleccionando, mediante ensayos bidireccionales y análisis en bioreactor batch, el consorcio más efectivo. Un consorcio de dos bacterias se analizó detalladamente mediante transcriptómica para comparar el efecto del co-cultivo frente a monocultivos en dos tiempos de crecimiento distintos. Como resultados principales, se identificaron características probióticas en L. paracasei M38 mediante genómica comparativa y se demostró una interacción de cross-feeding bidireccional entre Clostridium sp. HGF2 y Bi. animalis lactis PT33 en inulina. En esta interacción, la degradación de inulina por HGF2 liberó azúcares simples que PT33 utilizó para producir acetato y lactato, sustancias que a su vez alimentaron a HGF2, facilitando su producción de butirato. Glutamato también fue sugerido como posible metabolito de crossfeeding. Este estudio revela el potencial de las cepas L. paracasei M38 y Bi. animalis lactis PT33 para futuras estrategias de mejora de la salud, ampliando la comprensión sobre el diseño de comunidades microbianas sintéticas y el análisis de sus interacciones metabólicas. Además, se amplió el conocimiento de bacterias productoras de butirato a partir de la caracterización de degradación de inulina y producción de butirato de la cepa Clostridium sp. HGF2.
Analysis of the use of target value design in the generation of value in design
(2021) Giménez de Benavides, Zulay Mercedes; Alarcón Cárdenas, Luis Fernando; Mourgues Álvarez, Claudio Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El proceso tradicional de diseño en la industria AEC (Arquitectura, Ingeniería y Construcción) no logra generar el valor esperado por el cliente. El diseño requiere el establecimiento de requerimientos del cliente, usualmente mal formulados y ambiguos, para generar un diseño completo y posteriormente evaluar aspectos de costo, tiempo, constructabilidad y otros criterios que, al ser considerados tardíamente, no necesariamente cumplen con los requerimientos del cliente, e históricamente han tenido resultados de ineficiencia y falta de calidad. Dentro de la industria AEC se han desarrollado prácticas de gestión que mejoran la productividad y generación de valor, tales como Target Value Design (TVD). Se cree que, al desplazar los esfuerzos de diseño hacia actividades preliminares, y considerando tempranamente objetivos de costos y valor del cliente, aplicando TVD, se generará mayor valor que en el diseño tradicional. El presente proyecto tiene como objetivo entender cómo TVD contribuye a generar valor en el diseño. Por ende, se desarrolla un modelo de análisis de valor a través de indicadores cuantitativos de valor en el diseño, para ser aplicado en: (1) proyectos bajo el esquema de proceso de diseño tradicional y (2) en proyectos bajo la intervención de TVD, con el fin de evaluar las diferencias y visualizar la influencia del TVD sobre el valor logrado en el diseño. Los principales resultados de esta investigación son, (1) un modelo de análisis de valor en la etapa de diseño, que ofrece mecanismos de medición de generación de valor e identificación de pérdidas de valor, (2) una mayor comprensión de pérdidas de valor durante el proceso de diseño tradicional y (3) evidencia del impacto sobre la generación de valor del uso de TVD en proyectos inmobiliarios.
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.
Assessment of an integrated extraction-purification process for obtaining phlorotannin-rich extracts with antihypergly cemic potential from chilean brown seaweeds
(2022) Erpel Miranda, Fernanda Alejandra; Pérez C., José Ricardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Chile es el mayor productor de algas de Occidente. Sin embargo, éstas se comercializan secas, principalmente como commodities de bajo valor. En la última década, las algas se han descrito como una gran fuente de compuestos de alto valor beneficiosos para la salud. Entre ellos, destacan los florotaninos por su capacidad antioxidante superior y sus diversas actividades biológicas, como anticancerígena, antidiabética y antinflamatoria. Los florotaninos son compuestos fenólicos característicos de algas pardas, constituidos únicamente por unidades de floroglucinol (1,3,5-trihidroxibenceno). Su obtención ha suscitado gran interés investigativo e industrial. Sin embargo, las algas acumulan metales, y se han detectado niveles de metales pesados potencialmente tóxicos en algas comestibles y productos derivados. El objetivo de este trabajo fue diseñar un proceso de extracción/purificación eficiente para la obtención de extractos de florotaninos inocuos y grado alimentario con potencial antihiperglicémico desde las algas chilenas Durvillaea incurvata y Lessonia spicata. Se estudió la parte del talo —disco, estipe y fronda— y dos áreas de cosecha —Las Cruces y Niebla. Para la obtención de los extractos de florotaninos, se evaluó la eficiencia de un proceso de extracción con líquido caliente presurizado (ELCP) basado en glicerol (15% v/v en agua), solvente amigable con el medio ambiente y grado alimentario. Posteriormente, se diseñó un proceso de purificación en resina macroporosa para recuperar los florotaninos y eliminar contaminantes de los extractos (metales pesados y manitol). Para ello, se estudiaron las capacidades de adsorción/desorción de las resinas HP-20, XAD7HP y XAD16N. Se analizaron los efectos de la especie, la parte del talo y el área de cosecha, en el contenido de polifenoles y florotaninos de los extractos; la capacidad antioxidante y la actividad inhibitoria de las enzimas de la hidrólisis de carbohidratos — -glucosidasa y -amilasa. La estructura química de los florotaninos se determinó mediante HPLC-MSn para establecer relaciones estructura-función. ELCP con glicerol-agua al 15% v/v mostró una alta eficiencia en la extracción de los polifenoles de las algas, con recuperaciones entre 60% y 180% de la obtenida con extracción clásica con acetona. La parte del talo demostró un efecto significativo en el contenido de polifenoles (CPT) y la capacidad antioxidante de los extractos crudos, mostrando el disco los valores más altos (CPT: 95 ± 24 mg equivalentes de floroglucinol/g de extracto seco; DPPH: 400 ± 140 mol equivalentes de Trolox/g extracto seco; ORAC: 560 ± 130 mol ET/g extracto seco). Adicionalmente, los extractos crudos de disco presentaron las actividades inhibitorias de -glucosidasa más altas, y los extractos de D. incurvata de Niebla mostraron una actividad equivalente a quince veces la de la acarbosa. La fronda de D. incurvata de Niebla también mostró resultados prometedores, ya que los extractos presentaron una actividad inhibitoria 2,5 veces mayor a la de la acarbosa. No se detectó actividad inhibitoria de -amilasa en ningún extracto. Se encontraron niveles de cadmio potencialmente peligrosos (por encima de la norma francesa) y concentraciones de manitol de hasta un 50% del peso seco en la mayoría de las algas y extractos crudos. Entre las resinas macroporosas estudiadas y las concentraciones de etanol en el eluyente, HP-20 y etanol al 80% v/v mostraron el mejor rendimiento de adsorción/desorción de florotaninos. Los extractos purificados evidenciaron recuperaciones de polifenoles de hasta un 66% y 29 veces de enriquecimiento. En la mayoría de los purificados las concentraciones de cadmio se redujeron a niveles por debajo del límite de cuantificación. No se detectó manitol en ningún purificado. Los isómeros de fucoles/floretoles/fucofloretoles de bajo peso molecular (hasta 4 unidades de floroglucinol) fueron los florotaninos más representativos en todos los extractos. Algunos fenoles vegetales, principalmente ácidos hidroxicinámicos, ácidos hidroxibenzoicos y flavonoles, se detectaron en bajas concentraciones o en trazas. Las altas abundancias de florotaninos —especialmente fucoles/floretoles/fucofloretoles— y la presencia de especies con alto grado de polimerización (hasta 21 unidades de floroglucinol) explicarían mayoritariamente la alta actividad inhibitoria de -glucosidasa de los extractos de discos y de fronda de D. incurvata de Niebla. En conclusión, el proceso integrado de ELCP y purificación en resina macroporosa demostró ser eficiente para la obtención de extractos seguros y grado alimentario ricos en florotaninos, y con actividad antihiperglicémica in vitro, de D. incurvata y L. spicata. Adicionalmente, se demostró que D. incurvata tiene un gran potencial para la obtención de productos antihiperglicémicos en base a florotaninos. Este estudio ayuda a revalorizar las algas chilenas como fuente de productos de alto valor agregado.
Biomechanical analysis and inelastic deformable image registration of lung CT images
(2022) Andrade de Bonadona, Carlos Ignacio; Hurtado Sepúlveda, Daniel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los modelos de registro deformable de imágenes permiten estudiar la mecáanica asociada a los pulmones de forma no-invasiva. Tienen la capacidad de medir la deformación que se desarrollan a nivel regional del tejido, proporcionar información en cuanto al correcto funcionamiento respiratorio y el potencial de mejorar el diagnostico de enfermedades. Esta tesis se enfoca en estudiar los mecanismos de deformación regional que se desarrollan en pulmones humanos sanos usando un modelo de registro deformable de código abierto. La deformación pulmonar es descrita mediante las tres invariantes del tensor de estiramiento derecho, las cuales se asocian a deformación longitudinal, superficial y volumétrica, respectivamente. Mapas normalizados muestran un patrón espacial de deformación que es común entre todos los sujetos analizados. Los mapas de deformación asociado a las tres invariantes muestran un notorio gradiente en la dirección ventral-dorsal, destacando el rol de la gravedad durante el proceso de respiración espontánea. Sin embargo, el estudio dejó en evidencia la incapacidad del modelo de registro en capturar deslizamiento de tejido, generando errores de medición cerca de discontinuidades. La segunda parte de este trabajo presenta un modelo de registro inelástico (i-DIR) cuya característica principal es la capacidad de capturar automáticamente superficies deslizantes sin ningún conocimiento sobre la ubicación espacial de las zonas discontinuas. El modelo es validado mediante imagenes sintéticas y luego utilizado en imágenes de tomografía de tórax para demostrar su aplicabilidad clínica. El modelo inelástico detecta regiones de alta deformación inducida por cizalla, las cuales se asocian a deslizamiento, y modifica localmente propiedades mecánicas. Como resultado, el modelo permite altos niveles de deformación por cizallamiento sin agregar altos niveles de estrés en regiones localizadas, tales como las fronteras y fisuras del pulmón.
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.
Caracterización experimental y numérica de flujos electro cinéticos para el mezclado de flujo por inestabilidad electrocinética (EKI) y detección de partículas por isotacoforesis (ITP)
(2022) Chen, Daming; Ramos Grez, Jorge; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La tecnología de los procesos de análisis y detección químicos y bioquímicos se está impulsando diariamente hacia la micro y nano escala, motivada principalmente para obtener resultados más rápidos y con el menor costo posible, para un proceso de diagnóstico más eficiente. El flujo electro - osmótico con efectos electrocinéticos es el método principal de manipulación de fluidos en dispositivos de análisis a microescala (laboratorio en un chip). Estos dispositivos microelectrocinéticos logran una funcionalidad innovadora mediante la aplicación de campos eléctricos externos en diversas aplicaciones de microfluidos, como inyección, separación, mezcla, análisis químico y bioquímico y detección de muestras. Este proyecto de tesis se centra en el estudio y caracterización de dos fenómenos electrocinéticos, la inestabilidad del flujo electrocinético (EKI) y el flujo de isotacoforesis (ITP), con aplicación a microescala. En el estudio se resolvió un conjunto de ecuaciones de leyes de conservación que incluyen: especies, momento y conservación de la corriente eléctrica. Debido a la naturaleza altamente no lineal de los problemas de ITP y EKI, el conjunto de ecuaciones completamente acopladas se resolvió bajo el esquema de discretización de elementos finitos de alto orden en un dominio computacional bidimensional para comprender mejor el mecanismo primario y el comportamiento de la electrocinética. Adicionalmente, se estudiaron y caracterizaron experimentalmente los fenómenos electrocinéticos para validar el modelo numérico y describir las propiedades fundamentales del fenómeno, como la viscosidad, el potencial zeta y la movilidad electroforética de la especie. Los resultados y aportes más destacados de este estudio son: se ha podido desarrollar y validar empleando resultados experimentales y numéricos el número gamma (γ), como parámetro para predecir la ocurrencia del EKI. Y en base a este número, fue posible diseñar un micro – mezclador, optimizando el proceso de mezclado obteniendo una mezcla que alcanza el 76% de homogeneidad en tan solo 5 segundos. Por otro lado, fue posible diseñar y simular un método para separar y detectar nanopartículas de TiO2 utilizando un microcanal. Cuyo tiempo de respuesta es cercano a los 3 minutos, lo que significa una reducción del 20% en los procesos de separación capilar. Finalmente, como propuesta de investigación futura, se pretende ampliar una nueva línea de investigación basada en los resultados de la investigación actual para desarrollar un micro dispositivo para la detección de otro tipo de partículas metálicas o no metálicas.
Characterization and modelling of hydrological processes in peri-urban catchments located in the Piedmont of Santiago (Chile)
(2018) Sanzana Cuevas, Pedro Pablo; Gironás León, Jorge Alfredo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Actualmente, más de la mitad de la población vive en áreas urbanas y dentro de los próximos 30 años se espera que aumente al 66% para el mundo entero, y al 93% para Chile (UN, 2014). Los objetivos de este trabajo son caracterizar la geomorfología y evaluar el efecto del crecimiento urbano en la hidrología de cuencas peri-urbanas. A pequeñas escalas, el drenaje es modificado por el cambio de uso de suelo y nuevos elementos artificiales. Es por ello que desarrollamos Geo-PUMMA, una herramienta SIG que genera mallas de representación del terreno para modelos hidrológicos, y permite extraer la red de drenaje. Geo-PUMMA genera Unidades de Respuesta Hidrológica (URHs) y Elementos Hidrológicos Urbanos (EHUs) bien formados. GeoPUMMA fue aplicado a dos cuencas en Santiago (Chile) y Lyon (Francia), en las que además se aplicaron modelos hidrológicos. En general, Geo-PUMMA aumenta la representatividad de la conectividad e influye en la respuesta hidrológica a escalas pequeñas. Por otro lado, a escala media, la urbanización normalmente aumenta la impermeabilidad y reduce la percolación, pero en zonas semiáridas la introducción de altas tasas de riego urbano actúa como una “recarga artificial”. En este trabajo cuantificamos el impacto de este fenómeno en una cuenca ubicada en el piedemonte andino aportante al acuífero llamado La Dehesa. Construimos un modelo hidrológico/hidrogeológico acoplado (calibrado-validado entre 1990-2016). Frente a un escenario de mejoras del 90% de la eficiencia de riego produce un máximo decrecimiento de 1.5 m en el nivel freático en el acuífero. Además los flujos asociados a Q50% y Q95% se reducen desde 408 l/s y 43 l/s a 389 l/s y 22 l/s, respectivamente. Finalmente, nuestros resultados muestran que un uso sustentable del agua podría reducir de manera inesperada los flujos bases y los niveles de agua subterránea.
Characterization of metabolic interactions mediated by human milk oligosaccharides for the identification of key species in the infant gut microbiome
(2023) Díaz Guerra, Romina Giselle; Garrido Cortés, Daniel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los infantes alimentados con leche materna poseen un microbioma intestinal generalmente dominado por especies de Bifidobacterium, con contribuciones de enterobacterias, cepas de Bacteroides y bacterias lácticas. Esta dominancia se explica en gran parte por los oligosacáridos de leche materna (HMO). Las interacciones metabólicas de las especies de Bifidobacterium con otros microorganismos intestinales son esenciales para el ensamblaje del microbioma, ya que estimulan el desarrollo inmunitario y previenen la colonización de patógenos. Sin embargo, no se ha prestado suficiente atención a cómo microorganismos de esta comunidad son capaces de cooperar o competir durante la utilización de carbohidratos complejos como lo son los HMO. El objetivo general de este trabajo será determinar interacciones metabólicas entre microorganismos representativos del microbioma intestinal infantil, mediadas por oligosacáridos de leche materna, para identificar microorganismos clave en la función metabólica de la comunidad. Como objetivos específicos se plantean 1) definir y caracterizar mediante genómica comparativa un consorcio de microorganismos aislados del microbioma intestinal humano; 2) determinar interacciones metabólicas unidireccionales y bidireccionales de microorganismos del microbioma intestinal infantil, durante la utilización de oligosacáridos de leche materna; 3) identificar especies clave en un consorcio de microorganismos para el consumo de HMO, mediante un estudio de deleción de especies en un biorreactor batch. Para alcanzar estos objetivos, contaremos con un set de microorganismos obtenidos de colección o aislados de recién nacidos, incluyendo los géneros Bifidobacterium, Streptococcus, Enterococcus, Lachnoclostridium y Bacteroides. Mediante estudios de cultivo en condiciones anaeróbicas in vitro, se estudiará cómo estas especies interactúan metabólicamente durante el consumo de HMO. Además, se realizará un estudio de deleción de especies para identificar microorganismos clave en el consumo de HMO. Esto permitirá identificar cuáles de ellos son críticos para la abundancia de especies, la utilización de HMO y la producción de metabolitos. Este trabajo aportará conocimiento en la identificación de interacciones metabólicas entre microorganismos del microbioma intestinal infantil. Además, podremos identificar especies clave de un consorcio en el consumo de HMO con el fin de desarrollar consorcios microbianos con propiedades terapéuticas en los recién nacidos.

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