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- ItemAn 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 IngenieríaLa 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.
- ItemDesign of urban distribution systems using public transport services(2024) Azcuy Fuentes, Irecis Lazara; Giesen Encina, Ricardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaEl crecimiento de las ventas con entrega a domicilio ocasiona mayores retos para las operaciones de la última milla. Las consecuencias de no consolidar las entregas en un solo lugar implican (i) mayores costos de distancia debido a la dispersión geográfica de los clientes, (ii) menor eficiencia debido a que los clientes requieren recibir sus entregas lo más rápido posible, ocasionando mayor flota y viajes de vehículo de última milla. Como resultado, aumentan los niveles de congestión y contaminación en las ciudades. Mundialmente, la tasa de crecimiento del comercio electrónico ha sido de un 23 por ciento en los últimos cinco años anteriores a 2021 (Statista, 2023b). En Chile, dicha tasa es del 31 por ciento (Statista, 2023a), siendo alrededor del 87 por ciento entregas con destino a domicilio (Statista, 2022). A su vez, la operación en la última milla es muy difícil con el aumento de la congestión, en especial cuando las entregas son sensibles al tiempo. En Santiago de Chile, producto a la congestión, los tiempos de viaje han sido en promedio entre 38 y 48 por ciento más largos en comparación con condiciones sin tráfico (Galetovic, 2006). Los tiempos de viaje no parecen mejorar por el incremento de vehículos en la ciudad (Zegras, 2010). Otro fenómeno que impacta en la eficiencia de la última milla, es la tendencia mundial a reubicar los centros logísticos cada vez más lejos de los centros de consumo urbano. Este efecto ocasiona un aumento de la distancia y por ende los tiempo de viaje hacia los consumidores, ocasionando mayores costos de transporte y tráfico en zonas residenciales (Dablanc & Rakotonarivo, 2010). En esta tesis doctoral, analizamos un sistema de distribución a dos niveles en colaboración con los servicios de transporte público como alternativa para mejorar la eficiencia y reducir los costos asociados a las entregas a domicilio. El uso de servicios de transporte público en el primer nivel hasta determinadas paradas designadas puede ayudar a evitar el tráfico urbano por el acceso que tienen muchos de estos servicios a vias prioritarias, al mismo tiempo que se aprovechan eficientemente una red de transporte público existente. Posteriormente, una vez dentro de las áreas urbanas, se pueden utilizar vehículos de última milla más pequeños para cubrir la distancia restante desde las paradas de servicio de transporte público hasta los clientes finales. El objetivo general de esta tesis doctoral es evaluar bajo qué escenarios de demanda en cuanto a densidad de entregas, oferta de transporte público y servicios de entrega, la integración del transporte público en la logística urbana permite reducir los costos de distribución frente a enfoques tradicionales como los sistemas de envío directo. Esta tesis doctoral presenta una metodología para evaluar los beneficios de este esquema integrado desde la perspectiva del proveedor logístico, y desde un enfoque de planificación estratégica. Desarrollamos modelos matemáticos de programación lineal entera mixta que representan el problema de ubicar las estaciones de transferencias en paraderos, con el objetivo de minimizar los costos operativos de última milla. La tesis doctoral aporta ideas sobre como diseñar la red de estaciones de transferencia, a partir de modelos analíticos y matemáticos. Curiosamente, nuestros modelos analíticos se alinean con nuestro modelo matemático de programación lineal entera y ofrecen valiosas aportes sobre las decisiones estratégicas de localización para el uso de una ruta de transporte público y eligiendo una estación de transferencia. Realizamos un amplio análisis de sensibilidad para una topología de red de transporte público de una sola ruta de servicio y una ruta de servicio bifurcada. Para esta última topología, aprovechamos métodos de aproximación continua para estimar los costos de ruteo con el fin de centrarnos en un análisis a mayor escala. En base al modelo matemático y el enfoque de solución, realizamos un caso de estudio experimental que considera información precisa sobre los servicios de transporte público y los tiempos de viaje dentro de la ciudad de Santiago de Chile. Estimamos el funcionamiento de las entregas de comercio electrónico basándonos en datos de la ciudad. En todos nuestro análisis, evaluamos los ahorros de este sistema integrado en comparación con el caso de distribuir sin usar los servicios de transporte público. Tras un exhaustivo análisis de sensibilidad, la tesis doctoral destaca las condiciones más aconsejables para involucrar al transporte público en las entregas de última milla. Verificamos que planificar eficientemente la ubicación de estaciones posibilita lograr ahorros con respecto a entregar directo desde el centro de distribución, de alrededor de un 7 por ciento en condiciones de flexibilidad de los tiempos de entrega. Dichos ahorros están directamente relacionados a la operación del transporte público en condiciones de plazos ajustados. En general, los resultados sugieren que el uso de una red de tránsito segregada del tráfico urbano congestionado en parte del trayecto podría permitir contrarestar los elevados costos de los pequeños envíos que requieren entregas rápidas a domicilio. Sin embargo, antes de emprender este nuevo esquema de colaboración, es esencial evaluar en profundidad los costos por uso del transporte público. En nuestros análisis hemos ignorado estos costos, ya que éstos dependen de una negociación y de un análisis costobeneficio por parte de ambos operadores. No obstante, analizamos una cota inferior de los costos de operar estos sistemas que sirve como punto de partida para orientar el proceso de implementación de un sistema de colaboración con el transporte público en las ciudades.
- ItemModeling, optimization and automatic control for sustainable spirit production in a batch packed column(2024) Díaz Quezada, Simón; Pérez C., José Ricardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaEsta tesis doctoral presenta un estudio integral sobre el modelado, la optimización y el control de los procesos de destilación de vino de frutas. El trabajo se basa en el desarrollo de cuatro Artículos, siguiendo una narrativa coherente, comenzando con una exploración experimental en el Artículo 1 para entender la respuesta dinámica de un destilador, investigar estrategias de control y calibrar un modelo fenomenológico. Los resultados experimentales proporcionan valiosas perspectivas sobre el comportamiento del proceso de destilación y sirven como base para el desarrollo de un riguroso modelo fenomenológico presentado en el Artículo 2. Este modelo captura el comportamiento intrincado del proceso de destilación, incorporando análisis de sensibilidad paramétrica y modificaciones del modelo de perdidas de calor para mejorar su precisión y confiabilidad. Además, es importante destacar que un resultado relevante indicado en el Artículo 2, es que el método para resolver el sistema de ecuaciones fue muy eficiente, permitiendo utilizar el modelo para los fines de los Artículos 3 y 4.En el Artículo 3 se comparan diversas estrategias de diseño de controladores con el modelo de destilador de vino, estableciendo una base para seleccionar un enfoque de control efectivo. El estudio revela un mejor rendimiento y la simplicidad del controlador PI-IMC para lograr el rendimiento de control deseado, sentando las bases para una investigación mas profunda. Finalmente, el Artículo 4 integra los hallazgos de los artículos anteriores, enfocándose en el modelado de perturbaciones, la optimización de las trayectorias operativas y una comparación entre los controladores PI-IMC y MPC. Los escenarios de perturbación modelados capturan efectivamente la variabilidad experimental observada en el Artículo 1, permitiendo la exploración de trayectorias operativas óptimas para manipular la potencia de calentamiento utilizando técnicas de optimización multiobjetivo. Estas trayectorias incluyen consideraciones de sostenibilidad y calidad del producto. El rendimiento de los controladores PI-IMC y MPC se evalúa rigurosamente, destacando las capacidades avanzadas de MPC en el manejo de la dinámica compleja de la destilación de vino de frutas. Al reunir los resultados de estos cuatro artículos, esta tesis presenta una comprensión integral de los procesos de destilación de vino de frutas. El modelo fenomenológico desarrollado, las estrategias de control y las técnicas de optimización contribuyen a una mayor sostenibilidad, mejora de la calidad del producto y estrategias operativas eficientes. La investigación ofrece valiosas perspectivas para el diseño de sistemas de control confiables y el avance de las practicas de destilación de vino de frutas. Estudios futuros podrán basarse en este trabajo para explorar mas a fondo la optimización basada en simulaciones, el control robusto y la implementación práctica de estrategias de control avanzadas, promoviendo la sostenibilidad y la excelencia de los procesos de destilación de vino de frutas y las industrias relacionadas.
- ItemEffect of the heat transfer on supercritical CO2 extraction of solid substrates: Modeling and quantification of the impact at industrial level(2024) Toledo Cayuleo, Felipe Rodrigo; Valle Lladser, José Manuel del; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaLa modelación y simulación de la extracción de sustratos sólidos con CO2 supercrítico es una herramienta útil para optimizar extracciones, escalar resultados y diseñar plantas industriales. Sin embargo, los modelos de transferencia de masa para este proceso incluyen suposiciones que pueden ajustarse en extracciones de laboratorio, pero que es difícil controlar a grandes escalas. El objetivo de esta tesis fue evaluar el efecto de relajar la suposición de temperatura constante durante el proceso y cuantificar su impacto en extracciones en plantas industriales. Esta tesis presenta un programa de simulación de plantas con múltiples extractores y un modelo de transferencia de masa y calor que estima perfiles de temperaturas durante las etapas de despresurización, presurización y extracción, los cuales son considerados en el cálculo de las curvas de rendimiento de extracción. El simulador de plantas industriales mostró la importancia del número de extractores y el tiempo de ciclo para evaluar la productividad de estas plantas. Un modelo unidimensional para la transferencia de calor en estado estacionario fue ajustado con datos de extracciones (en un extractor de 1 litro) con gradientes de temperaturas impuestos (a 48 MPa, con CO2 a 40 °C con la pared del extractor a 60 °C y viceversa). Al aplicar los perfiles de temperatura calculados en el modelo de transferencia de masa, las curvas de extracción simuladas coinciden con los datos experimentales de la extracción con gradientes impuestos. El modelo de transferencia de calor fue expandido para considerar un sistema transiente y variaciones axiales y radiales de temperatura, junto con las etapas de despresurización y presurización. Una nueva correlación para estimar la transferencia de calor por convección pared-fluido fue ajustada con datos experimentales de despresurización, y su uso fue validado en el modelo por medio de la simulación y comparación con datos experimentales de las etapas de presurización y extracción. Finalmente, este modelo general de transferencia de calor y masa fue aplicado en la simulación de una planta industrial con dos extractores (volumen de 1 m3) para evaluar el efecto de los gradientes de temperatura formados durante las etapas de reacondicionamiento en las curvas de extracción. Para una extracción a 48 MPa, con el CO2 y el fluido de servicio en contacto con la cara externa del extractor a 60 °C, las diferencias entre el caso no isotérmico y el isotérmico no superan un 9%, incluso variando velocidad superficial del CO2 y el tamaño de partícula. Estas diferencias aumentan significativamente hasta un 36% cuando las condiciones del proceso aumentan a 70 MPa y 80 °C, cuando el tiempo de extracción es de 10 minutos.
- ItemEstimación de la irradiación solar en superficies verticales en entornos urbanos para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV)(2024) García Rojas, Redlich Javier; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaLa evaluación del recurso solar para el financiamiento y ejecución de proyectos de energía solar es fundamental, debido a que permite tener una estimación del desempeño del proyecto en cuanto a producción de energía y retorno de inversión. Esta evaluación del recurso en sitios despejados se encuentra en un gran estado de madurez gracias a las estimaciones satelitales y las campañas de medición. Sin embargo, la evaluación del recurso solar en entornos urbanos, donde existen factores como la compacidad, densidad de población, y diversas superficies de reflexión, no ha alcanzado todavía el mismo nivel de madurez. De ahí la importancia de desarrollar una metodología para la estimación de la irradiancia solar en superficies verticales en ciudades. Esta disertación se centra en la estimación de irradiancia solar en superficies verticales de entornos urbanos de baja densidad para aplicaciones de BiPV (Building Integrated Photovoltaic), con el fin de crear una base de conocimiento científico para el desarrollo sustentable de ciudades que tengan alto índice de compacidad, características topográficas heterogéneas y diversidad en la arquitectura urbana. El objetivo general de esta investigación es desarrollar una metodología para la estimación de las distintas componentes de la radiación solar en ambientes urbanos, utilizando herramientas de acceso abierto, en la ciudad de Santiago de Chile como caso de estudio, incluyendo la radiación en superficies verticales para aplicaciones BiPV. Los objetivos específicos son: i) Ajustar los predictores del modelo de descomposición BRL, mediante la incorporación de la climatología local y la aplicación de una metodología rigurosa de control de calidad de datos, a partir de la radiación obtenida mediante series de mediciones a largo plazo, ii) generar diversos modelos digitales de superficie a través de la técnica de fotogrametría utilizando datos de herramientas de acceso abierto, iii) desarrollar una metodología para estimar la radiación solar en un plano vertical que incluya el albedo, la compacidad, el factor de cielo visible mediante una corrección de elevación, la descomposición de la irradiancia global y difusa y una topografía de terreno, usando datos de Google Earth y MODIS LSA y iv) evaluar la producción de energía fotovoltaica en plano vertical a partir de los datos de radiación estimados en el plano vertical. El enfoque metodológico en esta investigación se divide en 7 procesos: i) Selección de área urbana, ii) análisis y estimación en plano vertical de la radiación solar, iii) desarrollo de un modelo digital de superficie (DSM) urbano, iv) generación del albedo del DSM, v) análisis de sombras y factor de cielo visible, vi) integración de la reflexión por albedo urbano y vii) validación de la metodología con un sistema de producción fotovoltaica con tecnología BiPV. Con respecto a la descomposición de la radiación solar, a través del ajuste de los predictores del BRL para diversas ubicaciones demostró que dichos coeficientes fueron diferentes entre sí, lo que sugiere un carácter local para el modelo. Además, el resultado de aplicar esta metodología a los casos de estudio en Chile fue que el valor estimado de radiación para la pared Norte es de aproximadamente 1000 kWh/m2 /año en toda la superficie, lo cual es de suma utilidad para los proyectos de BiPV, ya que estos son los valores de radiación que utilizan para la instalación este tipo de sistemas solares. En cuanto a los valores de radiación a lo largo de las paredes, se analizaron tres puntos de alturas respecto al suelo: 5 m, 20 m y 32 m. De forma general, se observó que la radiación a 5 m es menor que a 20 m y 32 m, con una diferencia del orden de 2.4% debido a los obstáculos cercanos. La validación de la metodología se realizó de dos formas: la primera con mediciones en el plano vertical en las fachadas Este y Oeste para los edificios de Santiago de Chile, y para el edificio de Madrid, en las fachadas Este, Oeste y Sur, arrojando errores en base diaria de 12%, para la base mensual de 13%, y para la base anual 8% en promedio. Y la otra validación se realizó en el edificio 42 del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), ubicado en la ciudad de Madrid – España, ya que cuenta con una instalación de BiPV. Se aplicaron todos los procedimientos descritos para obtener la radiación en superficies verticales y se validaron con las respectivas mediciones de radiación en plano vertical que están instaladas en el mismo centro de investigación. Acto seguido, se comparó la generación de producción eléctrica, utilizando tanto los datos medidos por el Centro de Investigación como los estimados a través de la metodología propuesta en este trabajo. Considerando principalmente la fachada Sur que es la más importante en el hemisferio Norte y obteniendo errores anuales de producción en la fachada Sur y Oeste de 7% y 19%, respectivamente. Finalmente, esta metodología se comparó con otros trabajos que utilizan metodologías diferentes para estimar la radiación en planos verticales, encontrándose que los errores están dentro de la media de dichos trabajos. Por lo tanto, con esta validación también se confirma la replicabilidad de la metodología, ya que fue aplicada en Santiago – Chile, y en Madrid – España, evaluándose tres edificios distintos con condiciones urbanas, climáticas y hemisferios diferentes, y encontrándose errores que son aceptables dentro del resto de trabajos de esta misma naturaleza. En consecuencia, esta investigación demuestra que la metodología desarrollada utilizando series de medición de largo plazo y herramientas de acceso abierto es una opción válida para estimar la radiación solar de superficies verticales en entornos urbanos de baja densidad y sirve de base para la implantación de tecnologías solares como BiPV. No obstante, los responsables de la formulación de políticas energéticas, y los encargados de tomar decisiones, como los ministerios y entidades gubernamentales, deberían promover la autosustentabilidad de ciudades como actuación prioritaria. Esto se puede lograr reconociendo el potencial energético que tienen las ciudades. En esta línea, esta tesis de investigación manifiesta el valor que puede tener la energía solar en entornos urbanos de baja densidad en Chile para aumentar la diversidad en la futura matriz energética. Proporciona métodos y pautas innovadores de libre acceso para estimar la radiación solar en superficies verticales de edificios. También resalta el valor de calcular la producción fotovoltaica integrada en edificios a partir de la radiación estimada. De esta manera, se necesita más investigación aplicada, como la presentada en esta tesis, para seguir estudiando la radiación en entornos urbanos y agregar más valor a los futuros sistemas de generación solar dentro de los mismos.