Tesis/Trabajos de Grado

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https://hdl.handle.net/1992/52342

Incluye documentos como: monografías, reportes, proyectos, prácticas, informes, entre otros; elaborados como requisito de grado para programas de pregrado y posgrado en la Universidad de los Andes.

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Restringido
Modeling of thermal runaway in lithium-ion batteries from a CFD approach using Fire Dynamics Simulator (FDS)
(Universidad de los Andes, 2025-12-05) Burgos Lafont, Daniel David; Ríos Ratkovich, Nicolás; Amaya Gómez, Rafael; Méndez Alvarez, Julián; Reyes Barrios, Luis Humberto
The increasing use of lithium-ion batteries in automotive and stationary energy-storage applications has raised safety concerns associated with thermal runaway scenarios. In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) models are developed and validated to predict the thermal behavior and the heat release rate (HRR) associated with the thermal runaway event in an NMC-type battery module composed of cylindrical cells. The CFD simulations are coupled with an analytical model based on the ejection of combustion gases in FDS and are contrasted with an empirical HRR model and with experimental data from another study. First, experimental and numerical approaches to estimate HRR in lithium-ion batteries are briefly reviewed, with emphasis on empirical models and on the challenges of representing thermal runaway, combustion and heat transfer with the surroundings. When directly implemented in CFD, the empirical model from the literature reproduces the global HRR trend but leads to a marked overprediction of local and outlet air temperatures in both ANSYS Fluent and FDS, with maximum thermocouple readings exceeding experimental values by more than 100–300°C. As an alternative, an analytical model based on gas ejection is formulated, linking the emitted mass, its composition and the yields of combustion products through global stoichiometric balances. This model is implemented in FDS through boundary conditions prescribed on the battery and is applied to three calorimeter configurations, a chamber-type calorimeter and two conical calorimeters with different extraction flow rates (1.8 and 2.0 m3/s). Validation is carried out against experimental data from the literature by comparing temperature profiles, HRR curves and flow fields. For the chamber-type configuration, the gas-ejection model yields a root-mean-square error (RMSE) of approximately 67°C and a normalized error close to 17% for the average outlet temperature, compared with values above 40% in the ANSYS Fluent simulation reported in the literature. In terms of HRR, the same case achieves an RMSE on the order of 70 kW and a normalized RMSE of 3.9%, whereas the conical configurations and the reference model exhibit errors between 10 and 12%. In the conical calorimeter, discrepancies in temperature and HRR (NRMSE of approximately 19% and 10–12%, respectively) are associated with uncertainties in boundary conditions and ventilation. Overall, the results show that the proposed gas-ejection-based approach provides a simplified yet physically grounded framework to predict the thermal response and HRR behavior during thermal runaway of lithium-ion batteries in FDS. Furthermore, this model represents a promising starting point for extension to real fire scenarios and to other battery configurations.
Restringido
Influencia en electrocatalizadores de óxido de manganeso (MnOₓ) modificados con óxido de rutenio (RuOₓ) para la reacción de evolución de oxígeno (OER) en medio alcalino
(Universidad de los Andes, 2026-01-20) Ortiz Martínez, Samuel Alejandro; Ortíz Herrera, Pablo; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Medina Perilla, Jorge Alberto
La búsqueda de electrocatalizadores activos y de bajo costo para la reacción de evolución de oxígeno (OER) ha impulsado el diseño de óxidos de manganeso (MnOx) modificados con óxido de rutenio (RuOx). En este trabajo se sintetizaron recubrimientos de óxido de manganeso modificados con bajas concentraciones de RuOx sobre sustratos FTO mediante electrodeposición, con el propósito de mejorar su actividad sin incrementar significativamente el uso de metal noble. Aunque la cantidad depositada es limitada y las señales del rutenio presentan baja intensidad en difracción y espectroscopía, la presencia de RuOx en el recubrimiento se evidenció indirectamente mediante un análisis comparativo con películas de óxido de rutenio sintetizadas a un mayor número de ciclos, donde los planos cristalinos característicos pudieron identificarse con claridad. El catalizador MnOₓ:RuOₓ (1:0.0250) presentó una mejora significativa, alcanzando un sobrepotencial de 481 mV a 10 mA·cm⁻², lo que representa una reducción del 45 % respecto al MnOₓ puro (698 mV). Además, su actividad se aproximó notablemente a la del RuOₓ puro, situándose solo un 17 % por encima de este (410 mV), pese al uso de bajas concentraciones del precursor cloruro de hexamino de rutenio(III) [Ru(NH₃)₆]Cl₃. También mostró menor resistencia a la transferencia de carga y pendientes de Tafel más favorables. Tras un ensayo continuo de 24 horas, la curva voltamétrica del material modificado con RuOx se sobrepuso prácticamente con la del RuOₓ, confirmando su estabilidad y una posible interacción sinérgica entre ambos materiales, lo que demuestra que bajas concentraciones del precursor son suficientes para potenciar significativamente la actividad y estabilidad del MnOₓ. Esto posiciona a los MnOx modificados con RuOx como una alternativa eficiente y de bajo costo para aplicaciones de electrólisis alcalina del agua.
Restringido
Estudio del diseño de liposomas sensibles a estimulo térmico a base de lecitina de soya, utilizando puntos cuánticos de carbono como nanopartículas marcadoras
(Universidad de los Andes, 2025-06-25) Acuña Rodríguez, Olga Lucia; Reyes Barrios, Luis Humberto; Cruz Jiménez, Juan Carlos; Rodríguez Ospino, Cristian Felipe; González Barrios, Andrés Fernando; Plazas Tuttle, Jaime Guillermo
El desarrollo de sistemas de liberación controlada con capacidad de respuesta a estímulos externos representa una estrategia prometedora para aplicaciones terapéuticas avanzadas. En este contexto, los liposomas termosensibles han ganado creciente interés debido a su capacidad para liberar el contenido encapsulado en función de cambios de temperatura. Esta tesis presenta una propuesta metodológica para la formulación, caracterización y evaluación de liposomas a base de lecitina de soya, orientados hacia la liberación controlada mediada por estímulo térmico, mediante la incorporación de puntos cuánticos de carbono (CQDs) como agentes marcadores fluorescentes. Se utilizaron dos técnicas de fabricación: hidratación de bicapa lipídica (HBL) y microfluídica (MF), evaluando sus diferencias en eficiencia de encapsulación (%EE) y características fisicoquímicas. La encapsulación de CQDs permitió cuantificar el %EE por espectrofluorimetría, obteniéndose valores del 36 % para la técnica de HBL y del 11 % para la MF. A través de técnicas como DLS (Dynamic Light Scattering) y microscopía electrónica de transmisión (STEM), se caracterizaron las propiedades de tamaño, distribución y morfología de los sistemas formulados, mostrando que la técnica influye significativamente en la estabilidad coloidal y la estructura final del liposoma. De forma complementaria, se diseñó e incorporó una funcionalidad termosensible mediante la síntesis de una cadena polimérica basada en NH₂–PEG₁₂–Propanoic Acid, glutaraldehído y el iniciador térmico V50. La caracterización estructural de la cadena se realizó mediante espectroscopía FTIR, evidenciando la formación de enlaces imina y la presencia de grupos funcionales relevantes para la termoactivación. Posteriormente, se evaluaron distintas rutas de incorporación de esta cadena en la fase acuosa de los liposomas, analizando su impacto sobre la encapsulación de CQDs y su respuesta térmica. Los resultados indican que la presencia de la cadena termosensible genera modificaciones estructurales en la bicapa lipídica que podrían favorecer una liberación dependiente de la temperatura. Estos hallazgos contribuyen al diseño racional de liposomas termosensibles con potencial aplicación en sistemas de liberación de fármacos o moléculas bioactivas, y ofrecen una base experimental sólida para futuras investigaciones enfocadas en el desarrollo de nanovehículos inteligentes.
Embargo
Valorization strategy of peach-palm fruit (Bactris gasipaes) from Guaviare through extraction and characterization of carotenoid-rich and starch-rich fractions
(Universidad de los Andes, 2025-06-25) Mercado Guerrero, Sebastian; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Ballesteros Vivas, Diego; Ortíz Herrera, Pablo; Giraldo Toro, Andrés; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
Peach-palm, known locally as chontaduro, is a key crop within the agricultural sector of Guaviare, valued for its high nutritional and functional properties. In 2023, Colombia produced a total of 71,917.85 tons of peach-palm, of which Guaviare contributed 13.35% (9,603.50 tons) cultivated over 2,281 hectares. This crop represents 6.81% of the department’s net agricultural production, ranking fifth after plantain, sugarcane, cassava, and pineapple. Its cultivation has gained importance as a sustainable economic alternative following the eradication of illicit crops, offering viable livelihood options to families previously dependent on coca farming. Traditional uses of the fruit include boiling the fruit for direct consumption or processing it into flour for animal feed and artisanal human consumption in baked goods, beverages, desserts, and ice cream. Peach-palm has been highly valued as a nutrient-dense food due to its rich content of health-promoting components, including unsaturated fatty acids, dietary fiber, certain essential amino acids, and especially its high levels of carotenoids. These attributes have motivated interest in obtaining carotenoid-rich extracts as value-added compounds, highlighting the importance of environmentally responsible extraction methods. Conventional solvents may compromise both safety and extract quality, particularly given the sensitivity of carotenoids to light, oxygen, and heat—factors that remain key challenges in developing stable functional ingredients from this fruit. Among alternative extraction techniques, ultrasound-assisted extraction (UAE) has been widely applied for the recovery of carotenoids from natural sources such as tomato peel, mango, and even peach-palm. This method relies on acoustic cavitation, where ultrasonic waves induce cell wall disruption, enhancing the release of intracellular compounds. The combination of UAE with GRAS solvents—including edible oils, ethanol, and ethyl acetate—improves extraction efficiency while minimizing environmental and health risks. Additionally, supercritical fluid extraction (SFE) using CO₂ at supercritical conditions (above 73.8 bar and 31.4 °C) has proven effective for extracting lipophilic compounds. SFE ensures high selectivity and compound stability, leaves no solvent residues, and reduces waste generation. Furthermore, given that peach-palm is a notable source of starch, a circular and zero-waste processing approach allows the valorization of the residual biomass remaining after carotenoid extraction. This byproduct contains a significant amount of starch—a natural polymer that can be extracted, modified, and utilized as a food additive offering an alternative to conventional commercial starches. Additionally, peach-palm starch can be thermoplasticized using environmentally friendly formulations to produce biodegradable films, with promising applications in sustainable food packaging. The circularity approach, previously mentioned in relation to the valorization of residual starch after peach-palm carotenoids extraction, aligns with the broader framework of biorefineries—integrated systems that apply clean and efficient technologies to fractionate biomass into multiple high-value products. Within this model, product-driven biorefineries prioritize the generation of bio-based food ingredients, biomaterials, and bioactive compounds over energy production. This perspective is especially relevant for the economic diversification in Guaviare, where peach-palm represents a promising yet underutilized crop. Thus, the objective of this research was to develop a product-oriented biorefinery strategy for peach palm (Bactris gasipaes) cultivated in the Guaviare region, focusing on the recovery and valorization of high-value fractions, specifically carotenoids and starch, within the framework of circular bioeconomy principles.
Embargo
Development of a smart film based on polylactic acid and anthocyanins from Andean blackberries (rubus glaucus) as a Ph sensitive packaging for perishable foods of animal origin
(Universidad de los Andes, 2025-06-27) Álvarez Gómez, Daniel Alberto; Porras Holguin, Niyireth Alicia; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Reyes Barrios, Luis Humberto; García Mora, Ángela María; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
This study presents the development of a bio-based and intelligent food packaging system designed for perishable animal-origin foods. In response to the environmental concerns associated with conventional petroleum-based plastics, polylactic acid (PLA) was selected as a biodegradable alternative. However, to overcome its inherent brittleness and improve its mechanical and barrier properties, polyethylene glycol (PEG 400) was incorporated as a plasticizer. Additionally, anthocyanins extracted from Andean blackberry waste, a rich and underutilized source of natural pigments in Colombia, were integrated into the PLA matrix to serve as pH-sensitive freshness indicators. The films were characterized through various techniques, including SEM, FTIR, TGA-MS, DSC, tensile and rheological testing, OTR, WVTR, HPLC, migration analysis, and colorimetry. Finally, a packaging test using chicken breast was conducted to evaluate the films’ performance and colorimetric response. This research supports sustainable food packaging innovation by combining biodegradable materials with natural indicators for enhanced food safety and reduced environmental impact.
Restringido
Análisis del impacto de la integración de bioenergía en el sistema energético nacional como vía de descarbonización en Colombia mediante la aplicación de un modelo de optimización de libre acceso
(Universidad de los Andes, 2025-06-26) Pinto Cortés, Juan David; Sierra Ramírez, Rocio; Jimenez Estevez, Guillermo Andres; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Haas, Jannik; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
Este trabajo evalúa la viabilidad y el impacto de integrar la bioenergía como una ruta complementaria para la descarbonización del sistema energético colombiano. Para ello, se aplica un modelo de optimización de libre acceso (OSeMOSYS), implementando el enfoque CLEWs (Clima, Tierra, Energía y Agua). En el primer capítulo, se desarrolla la construcción del modelo energético nacional, partiendo de la caracterización de la matriz energética con base en el Balance de Energía Útil (BEU) y en proyecciones de demanda hasta 2054. Estas proyecciones se realizaron mediante métodos de series de tiempo ARIMA y ajuste polinómico. Además, en esta fase se lleva a cabo la caracterización de cultivos estratégicos y sus residuos, junto con la determinación de los recursos disponibles y requeridos para su aprovechamiento, evaluando específicamente la disponibilidad de agua y tierra necesaria para cada ruta bioenergética. El segundo capítulo profundiza en la metodología de regionalización e integración de rutas bioenergéticas, detallando la espacialización de los recursos y la identificación de zonas con potencial para el desarrollo de bioenergía, bajo estrictos criterios de sostenibilidad ambiental y factibilidad técnica. Esta integración se complementa con un caso de estudio de producción de metano sintético a partir de residuos sólidos urbanos (RSU). Este caso sirve como ejemplo de ruta emergente para aprovechar flujos residuales en entornos urbanos, mostrando tanto su potencial como los desafíos regulatorios y de infraestructura que enfrenta el país, como la necesidad de marcos legales claros para la gestión de residuos y la inversión en redes de distribución de gas. Los resultados demuestran que la bioenergía reduce significativamente las emisiones, especialmente con políticas activas como impuestos al carbono o mandatos de mezcla. Sin embargo, su implementación enfrenta limitaciones por la presión sobre el agua y la tierra, y exige fortalecer los encadenamientos productivos, mejorar la disponibilidad de datos y la planificación territorial. La generación de electricidad con biomasa y la producción de biocombustibles son viables, pero necesitan directrices claras e incentivos. Este trabajo, por lo tanto, valida el uso de enfoques CLEWs para robustecer el modelado energético nacional y aportar a la planeación multisectorial. A futuro, se requiere mejorar la información, regionalizar la estimación de residuos, integrar variables socioeconómicas y articular actores clave para consolidar la bioenergía como una vía sostenible en la transición energética colombiana.
Embargo
Estudio de recubrimientos a base de almidón como vehículos de compuestos orgánicos volátiles/bioactivos para el aumento de la calidad y prolongación de la vida útil de banano Cavendish
(Universidad de los Andes, 2024-12-12) Díaz Ochoa, Juan Diego; Salcedo Galán, Felipe; Ortíz Herrera, Pablo; Ossa Orozco, Claudia Patricia; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
Las frutas tropicales, como el banano, desempeñan un papel fundamental en la economía global, especialmente en países productores como Colombia, que aporta aproximadamente el 10 % de las exportaciones mundiales. No obstante, su alta perecibilidad representa un desafío importante para conservar su calidad y minimizar las pérdidas postcosecha. En este contexto, los recubrimientos comestibles han surgido como una tecnología prometedora, al funcionar como barreras físicas y vehículos para la liberación controlada de compuestos bioactivos. Este trabajo se centra en el desarrollo y evaluación de un recubrimiento multifuncional a base de almidón de yuca modificado como vehículo para la incorporación de compuestos bioactivos volátiles con propiedades antifúngicas y metabólicas. Se exploraron dos metodologías para la incorporación de agentes activos lipofílicos y se caracterizaron las formulaciones mediante técnicas como termogravimetría acoplada a espectrometría de masas, cromatografía de gases y microscopía. Los resultados demostraron la eficacia del recubrimiento en la incorporación y capacidad de liberación de compuestos bioactivos mediante la inclusión de fases lipídicas. Las pruebas in-vivo en bananos Cavendish mostraron una reducción en la acumulación de azúcares totales, mayor firmeza y menor cambio de color durante la maduración, confirmando la funcionalidad del agente bioactivo volátil hexanal y evidenciando un efecto sinérgico al implementar el recubrimiento como vehículo de este.
Acceso abierto
Influencia potencial de fermentación de cervezas “ALE” de baja floculación por encapsulación de levaduras mielíferas endémicas colombianas
(Universidad de los Andes, 2025-07-11) Silgado Mejía, Weinner David; Reyes Barrios, Luis Humberto; Cruz Jiménez, Juan Carlos; Osma Cruz, Johann Faccelo; Ríos Ratkovich, Nicolás
La cerveza es un producto de alto consumo en Colombia, lo que ha motivado estudios para optimizar su producción y percepción. Este trabajo examina la sinergia entre la encapsulación con alginato de sodio y la fermentación de levaduras mielíferas endémicas de baja floculación colectadas de panales. La metodología abarcó tres fases: bioprospección e identificación de levaduras, formulación de encapsulación, y fermentación con análisis sensorial y organoléptico. Se identificaron cuatro cepas con potencial cervecero capaces de expresar entre 4.5% y 8% de alcohol en sus fermentos, destacando las cepas UQN1 y UQN2 con tasas de crecimiento superiores en 1.5% y 14% respecto a la cepa control Saccharomyces cerevisiae CW01. La encapsulación óptima empleó alginato de sodio al 2.3% p/v, permitiendo diferencias organolépticas sin afectar la producción de alcohol. Estos hallazgos confirman la viabilidad de la miel como fuente de levaduras cerveceras y el impacto que la encapsulación puede generar en fermentaciones de distinta floculación, favoreciendo su diferenciación en la industria. Asimismo, estas levaduras representan una alternativa viable frente a muchas cepas importadas, optimizando el uso de microorganismos autóctonos en producción cervecera.
Acceso abierto
Prediction of cocoa liquors sensory profiles using e-tongue and e-nose data by the implementation of Machine Learning to enhance the cocoa production for various associations across multiple municipalities in Colombia
(Universidad de los Andes, 2025-06-04) Quintana Rojas, Juliana; González Barrios, Andrés Fernando; Torres, Carlos Enrique; Manrique Piramanrique, Rubén Francisco; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
Cocoa production in Colombia holds substantial significance, as the cultivation and processing of this crop have had a considerable social impact, serving as a mechanism for peace transition and the eradication of illicit crop cultivation. However, cocoa liquor encounters a challenge in its production chain, as 90% of the producers are smallholders. To assess quality, human sensory panels are utilized as the primary resource. However, due to insufficient knowledge, inadequate training, or economic inaccessibility, many producers are unable to accurately assess and maintain the quality of their products. This research proposes a hybrid machine learning framework that integrates electronic tongue and nose data to predict sensory profiles comparable to those generated by human evaluators, thereby addressing the challenges associated with human sensory evaluation of cocoa liquor in various municipalities in Colombia. The framework integrates six unsupervised learning methods, including k-means, kernel and classical Principal Component Analysis (kPCA, PCA), Gaussian Mixture Model (GMM), among others, alongside five data augmentation techniques, such as Gaussian Mixture Density Augmentation (GMDA), Generative Adversarial Networks (GANs), and Sliding Window Augmentation (SWA), to address limitations in dataset quantity and variability. Combinations of DA and UL were examined and subsequently paired with three supervised learning models: XGBoost, Support Vector Machines (SVM), and Multilayer Perceptron (MLP), implemented within a two-stage hybrid classification framework for predicting attribute presence and intensity. The findings indicated that the integration of VBGMM (UL), GMDA (DA), and XGBoost (SL) consistently yielded the highest accuracy and interpretability, achieving a test accuracy of 0.86. The model exhibited robust generalization for both fundamental sensory attributes (e.g., co-coa, bitterness) and intricate secondary descriptors (e.g., floral, nutty), attaining superior performance despite data imbalance conditions. This method provides an economical and scalable instrument for evaluating sensory quality, equipping smallholder cocoa associations with rapid, understandable feedback for decisions concerning fermentation, drying, and roasting procedures. The model enhances traceability, standardizes quality, and differentiates the market, supporting Colombia's fine-flavor cocoa sector through innovation and inclusive technology.
Restringido
Análisis multiescala de la eficiencia de un sistema de captura de carbono dentro de un ciclo de carbonato de calcio usando roca caliza para captura directa de aire
(Universidad de los Andes, 2025-06-06) Fajardo Guio, Luis Felipe; Pradilla Ragua, Diego Camilo; Álvarez Solano, Oscar Alberto; Salcedo Galán, Felipe; Calvo Silva, Fernando Javier; Valdés, Juan Pablo; Pico, Paula
Este trabajo presenta una evaluación multiescala del desempeño cíclico de una caliza natural colombiana utilizada como sorbente en procesos de captura directa de CO₂ del aire (DAC), mediante el ciclo reversible CaCO₃ ↔ CaO. El estudio se diseñó para cuantificar la eficiencia térmica, textural y funcional del material a lo largo de 15 ciclos consecutivos de calcinación–carbonatación, bajo condiciones contrastantes: un entorno controlado tipo reactor con atmósfera enriquecida (4 % CO₂, HR 90–100 %) y un entorno ambiental tipo DAC (900 ppm CO₂, HR 70–80 %). Se analizaron 16 configuraciones experimentales combinando tamaños de partícula (75, 106, 125 y 180 µm), espesores de lecho (5 y 12 mm) y entorno de captura. La caracterización multiescala incluyó técnicas térmicas (TGA–DSC–MS), texturales y morfológicas (BET, BJH, SEM), estructurales (XRD), funcionales (FT-IR) y composicionales (XRF), permitiendo rastrear los mecanismos de degradación asociados a cada condición. Se identificaron tres fenómenos clave que explican la pérdida progresiva de eficiencia: (i) sinterización superficial;(ii) pérdida de grupos funcionales OH⁻; y (iii) formación de fases densas y pasivantes. Las eficiencias de calcinación y carbonatación cayeron entre 30–35 % en todos los casos, con mayor impacto en fracciones finas bajo condiciones de reactor. El análisis estadístico (ANOVA) confirmó que la granulometría es la variable con mayor influencia sobre la eficiencia inicial, mientras que el entorno de captura determina la estabilidad funcional a largo plazo. Las pruebas en aire exterior mostraron una degradación cíclica más lenta, atribuible a efectos de rehidratación superficial inducidos por la humedad, los cuales permitieron conservar bandas OH y hasta un 25 % más de eficiencia al final del experimento. Los resultados demuestran que la eficiencia del ciclo CaO–CaCO₃ no depende exclusivamente de la reactividad intrínseca del sorbente, sino de su capacidad para mantener textura porosa y funcionalidad superficial frente a condiciones operativas cíclicas. Se concluye que la caliza colombiana evaluada posee potencial para aplicaciones DAC en contextos climáticos templados y húmedos, y que su desempeño puede mejorarse mediante estrategias operativas que mitiguen la sinterización y estabilicen los grupos funcionales activos.
Restringido
Enhancing non-centrifugal cane sugar's clarification process to obtain a low-sugar sweetener
(Universidad de los Andes, 2024-12-10) Camelo Rangel, Juan David; Hernandez Carrion, Maria; Rodríguez Cortina, Jader; González Barrios, Andrés Fernando; Mendieta Menjura, Oscar Andrés
Considering the negative health consequences of sugar consumption, the polyols have emerged as promising alternative sweeteners due to their negligible caloric contribution and considerably sweetening capacity. The Stirred-tank (STBR) and shaken flask (SFB) fermentation processes have been proposed in recent researches, as well as, cheaper alternative carbon sources, such as Non-centrifugal Sugar Cane (NCS). This study investigated the use of Non-centrifugal Cane Sugar (NCS), a traditional Colombian product, as a low-cost substrate for producing an alternative sweetener with functional properties and suitable physical quality standards. The research was conducted in two stages. In the first stage, the sugar cane juice clarification process was improved by using three natural flocculants ("Cadillo Blanco," "Balso," "Guásimo") and three pH levels (5,5; 6,0; 6,5). Statistical analysis identified "Cadillo Blanco" and a pH of 5,5 as the best treatment, enhancing polyphenol content (2,11 ± 0,18 mg GAE/g NCS), antioxidant properties (DPPH IC50: 707,79 ± 6.27 mg/L; FRAP: 10,2 ± 0.06 mg Trolox eq./g NCS), and reducing acrylamide (29 µg/kg) and glucose levels (0,051 ± 0.004 g glucose/g NCS), while maintaining acceptable color parameters. In the second stage, the biotechnological production of a low-sugar sweetener enriched with polyols was evaluated. A factorial design assessed the effects of two substrates (the improved NCS treatment from first stage and commercial NCS) and two fermentation methods (STBR and SFB). Manufactured NCS in STBR fermentation resulted in the highest concentrations of polyols (L-arabitol: 159,07 ± 0,002 mg/g; erythritol: 17,45 ± 0,001 mg/g), remnant polyphenols (0,96 ± 0,075 mg GAE/g), and antioxidant capacity (DPPH IC50: 860,8 ± 21,4 mg of sample/L; FRAP: 7,78 ± 0,071 mg Trolox eq./g of sample), with suitable physical properties (hygroscopicity: 18,09 ± 1,10g/100g; solubility: 86,1 ± 2,8%). This study highlights NCS as a promising raw material for functional sweetener production, aligning with global trends for healthier food systems.
Acceso abierto
Efecto del tratamiento superficial de NH4F sobre NiOx electrodepositado en el desempeño de celdas solares de perovskita invertida
(Universidad de los Andes, 2025-01-16) Reyes Henao, Sergio Esteban; Ortíz Herrera, Pablo; Cortés Montañez, María Teresa; Ramírez Zora, Daniel Estiben; González Barrios, Andrés Fernando; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
Las celdas solares de perovskita invertida (IPSC) son una opción atractiva para la tecnología fotovoltaica debido a su alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) y su fabricación costo-efectiva. El óxido de níquel (NiOx) ha sido ampliamente estudiado como material de transporte de huecos en estas celdas por su alta conductividad y su influencia en la estabilidad de la PCE. Sin embargo, la interfaz NiOx/Perovskita aún presenta áreas de mejora en el rendimiento del dispositivo. Este estudio evaluó el efecto de un tratamiento con fluoruro sobre NiOx depositado electroquímicamente (ECD) utilizando NH4F en dos concentraciones mediante aplicación por Spin-coating y como etapa previa a la deposición de la perovskita CH3NH3PbI3 (MAPI). La mejor eficiencia, con una PCE del 19.12%, se obtuvo con NiOx-F a 1 mg·mL-1 de NH4F, superando al NiOx de referencia que logró 17.32%. Los análisis físico-electroquímicos sugieren que la mejora se debe a una mayor conducción de carga y mayor resistencia a la recombinación en la interfaz. Además, los tamaños de grano de la perovskita sobre NiOx-ECD fueron superiores a los reportados en la literatura con NiOx coloidal, lo que contribuyó a una mayor estabilidad del dispositivo.
Restringido
Development and characterization of a biocomposite material reinforced with a novel cañaflecha fiber in a matrix of green banana flour and PLA
(Universidad de los Andes, 2025-01-09) Barajas López, Laura Gabriela; Porras Holguin, Niyireth Alicia; Arias Tapias, Mary Judith; Zuleta Gil, Alejandro Alberto; Ríos Ratkovich, Nicolás
This work focused on the study of the chemical, physical, thermal and morphological properties of 5 native fibers from the Caribbean region and the study of their potential use as reinforcement in green composite materials. The cañaflecha (Gynerium sagittatum), iraca (Carludovica palmata), enea (Typha latifolia), junco (Juncus ramboi) and majagua colorá (Pseudobombax septenatum) fibers, were selected because their use in mechanical applications by the communities of the region is widely evidenced, such as in the construction of houses and in the construction of loading tools. However, there are really few studies or none on the actual mechanical properties of these materials and their characterization. In addition, based on the fiber that exhibits the best mechanical properties a composite material is developed from thermoplastic starch obtained from green banana flour (Musa paradisiaca), the TPS is mixed with PLA in a 60:40 ratio and the morphological, physicochemical, mechanical and thermal properties of the mixture are evaluated by varying the type of organic compatibilizer, citric acid (AC) or tartaric acid (AT) and the percentage of fiber reinforcement (15 or 30%).
Restringido
Machine learning-based flavor profiling of global Rum samples using E-nose, E-tongue, and HS-SPME-GC-MS
(Universidad de los Andes, 2024-11-27) Valencia Velasco, Sebastián Felipe; Ríos Ratkovich, Nicolás; Pérez Bernal, Juan Fernando; Sánchez Camargo, Andrea del Pilar; Spedding, Gary
This study investigates the sensory profiling of rum by integrating advanced analytical tools and machine learning techniques. Different rum samples were analyzed from diverse regions using a combination of analytical tools, including Headspace Solid-Phase Microextraction coupled with Gas Chromatography-Mass Spectrometry (HS-SPME-GC-MS), electronic noses (E-noses), and electronic tongues (E-tongues). These tools allowed us to identify patterns in chemical compositions and sensory characteristics. Machine learning, particularly unsupervised methods like clustering and Principal Component Analysis (PCA), was crucial in revealing clear groupings of rums based on their molecular behavior. , raw material classification (e.g., molasses vs. sugarcane juice), and regional origin. Significant flavor differences were identified, and critical aromatic descriptors were linked to potential chemical molecules. A Random Forest predictive model achieved an accuracy of over 80%, outperforming other algorithms like SVM and neural networks. These findings demonstrate the potential of combining chemical analysis with machine learning to improve rum classification, enhance sensory profiling, and support producers in creating consistent, high-quality products that align with consumer preferences.
Acceso abierto
Predicting the microalgae lipid profile obtained by supercritical fluid extraction using a machine learning model
(Universidad de los Andes, 2024-07-30) Rangel Pinto, Juan David; González Barrios, Andrés Fernando; Hernandez Carrion, Maria; Achenie, Luke E. K; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
In this study a Machine Learning model was employed to predict the lipid profile from supercritical fluid extraction (SFE) of microalgae Galdieria sp. USBA-GBX-832 under different temperature (40, 50, 60 °C), pressure (150, 250 bar), and ethanol flow (0.6, 0.9 mLmin-1) conditions. Six machine learning regression models were trained using 33 independent variables: 29 from RD-Kit molecular descriptors, 3 from the extraction conditions, and IDAC. The lipidomic characterization analysis identified 139 features, annotating 89 lipids used as the entries of the model, primarily glycerophospholipids and glycerolipids. It was proposed a methodology for selecting the representative lipids from the lipidomic analysis using an unsupervised learning method, these results were compared with Tanimoto scores and infinite dilution activity coefficient (IDAC) calculations using COSMO-SAC-HB2 model. The models based on decision trees, particularly XGBoost, outperformed others (RMSE: 0.035, 0.095, 0.065 and R2: 0.971, 0.933, 0.946 for train, test and experimental validation, respectively), accurately predicting lipid profiles for unseen conditions. Machine Learning methods provide a cost-effective way to optimize SFE conditions and are applicable to other biological samples.
Acceso abierto
Study of alternatives for the valorization of coffee pulp
(Universidad de los Andes, 2024-06-06) Rojas Orduña, Elkin Fabian; Hernandez Carrion, Maria; Sanchez Camargo, Andrea Del Pilar; Narváez Cuenca, Carlos Eduardo; González Barrios, Andrés Fernando; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
This comprehensive study delves into the valorization of a coffee by-product, focusing on coffee pulp carotenoids and antioxidant activity and their application in food products. In first place, using microwave-assisted extraction (MAE), optimized conditions were established to maximize yield and carotenoid concentration. The optimal parameters were determined to be 364 W for 105 seconds using a solvent ratio of 20% ethanol and ethyl acetate, resulting in an extraction yield of 6.54 ± 0.48%, a carotenoid concentration of 5.72 ± 0.51 mg β-carotene/g extract, and a carotenoid recovery of 54.52 ± 1.69%. The extracted carotenoids were then encapsulated by freeze-drying, producing particles with an average size of 1.249 ± 0.210 µm. These encapsulated carotenoids were incorporated into gummies, which showed altered color but unaltered textural properties. In a parallel study, the potential of coffee pulp as a raw material for kombucha fermentation was explored. The research compared the fermentation kinetics, phenolic content, and antioxidant activity of kombucha brewed from dried and fresh coffee pulp with that brewed from black tea. Dried pulp kombucha produced more ethanol (1.53 ± 0.10%) and consumed more sugar (3.80 g/100mL) than fresh pulp kombucha (0.64 ± 0.04% ethanol and 0.61 g/100mL sugar). Fresh pulp kombucha showed higher total phenols (71.24 ± 2.27 mg eq GAE/330 mL) and antioxidant activity (4.03 ± 0.08 mmol Trolox eq/mL) compared to dried pulp kombucha (67.14 ± 3.18 mg eq GAE/330 mL and 2.16 ± 0.09 mmol Trolox eq/mL, respectively). The phenolic profile showed higher concentrations in fresh pulp kombucha, except for rutin and, the alkaloid, caffeine, which were higher in dry pulp kombucha. The pH levels ranged from 2.67 ± 0.02 in fresh pulp kombucha to 3.21 ± 0.08 in dried pulp kombucha, with black tea kombucha at 2.98 ± 0.01. Soluble solids were highest in fresh pulp kombucha (11.33 ± 0.32 °Brix), followed by dry pulp (7.10 ± 0.36 °Brix) and black tea (5.30 ± 0.10 °Brix). A market analysis shows that the global kombucha market is expected to grow to US$11 billion by the end of the decade, with a shift in consumer preferences towards small businesses and flavored, health-promoting kombuchas. This study clears the way for using coffee processing residues in the formulation of final products, offering a novel avenue of resource generation for coffee producers in Colombia and around the world.
Restringido
Studying parallel and sequential fermentation for ethanol production with two Colombian potato varieties
(Universidad de los Andes, 2024-06-04) Caicedo Narváez, Santiago; Ríos Ratkovich, Nicolás; Bettenhausen, Harmonie; Ortíz Herrera, Pablo
This study aimed to develop a distilled product from S. phureja cv. Criolla Colombia, and S. phureja cv. Criolla Colombia, and S. phureja cv. Criolla Colombia, and S. phureja cv. Morada 50, two potato varieties native to the Latin American Andean region. The study's findings are significant, as they provide a comprehensive comparison of the processes and outcomes of sequential and parallel fermentation. Sequential fermentation procedures were conducted using commercial enzymes (alpha-amylase and glucoamylase) and compared with parallel fermentation by inoculating fungal strain A. oryzae ATCC 10124. In both cases, specialized commercial yeast was used for musts with high solid contents. High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) was employed to obtain glucose and ethanol profiles to study fermentation. The resulting distilled beverage concentrates the aromas and flavors inherent in the raw material. Subsequently, an accelerated aging treatment was applied using ultrasound technology and Colombian oak chips (Quercus humboldtii). This method was previously studied in distilled beverages from sugarcane honey, yielding significant changes in their organoleptic profile (color, aroma, and flavor). The aged beverage was analyzed through electronic sensing analysis, electronic sensors to mimic human senses (nose and tongue), and chromatic characteristic analysis. The fermentation and distillation efficiencies of the beverage were evaluated. The overall ethanol yield, a key finding of this study, presented a range of 69.72 - 74.67%. The total color change in the aged beverage's organoleptic profile was studied, exhibiting distinct color changes for the aged samples. The electronic tongue provided the flavor profile of the distilled spirit. Furthermore, during the parallel fermentation processes, attenuated differences in flavor profiles were exhibited when compared to their respective reference samples. The aromatic profile of the product in terms of reference descriptors was obtained through electronic nose analysis, showing the enhancement of aromas such as tobacco, smoke, and pine, which may be related to the influence of aroma in the aging process.
Restringido
Spatial variability analysis of corroded pipelines to support risk assessments
(Universidad de los Andes, 2024-05-31) Meneses Gelves, Jairo Andrés; Amaya Gómez, Rafael; Gómez Ramírez, Jorge Mario; Sánchez Silva, Edgar Mauricio
The corrosion phenomena in pipelines is uncertain by nature. This infrastructure crosses extensive and varied areas, which makes it necessary to analyze its spatial variability to support decisions regarding pipeline risk management. Estimating and predicting the corrosion process in pipelines is essential for maintaining structural integrity and operational safety. Corrosion can lead to pipeline failures and impact reliability. Appropriate prediction of corrosion behavior is essential for ensuring high reliability in pipelines. Traditional methods have limitations in capturing the variability nature of corrosion. This study introduces a probabilistic degradation model using Gaussian random fields to account for corrosion's spatial and temporal variability. This model provides a more robust representation than traditional methods. The proposed approach was applied in a real case study assessing the degradation and reliability. The pipeline reliability was evaluated by considering the limit states functions and Monte Carlo simulations to estimate the pipeline probability of failure. Two failure models were contemplated: leak and burst. The first is associated with the corrosion depth, and the second is with the burst pressure. For the burst pressure, different models were compared and evaluated, and it was determined that the better model was Mod LPC and Zhu-Leis. This model was chosen after applying different literature case studies, evaluating the probability of failure, and Mean Time to Failure. Also, the model results were compared with the experimental values and Finite Element Method simulations. This work seeks to support informed decision-making regarding maintenance and monitoring processes. This approach provides a framework for planning maintenance activities and strategies to enhance pipeline reliability and safety.
Acceso abierto
Elaboración y estudio de películas de polipropileno absorbentes de oxígeno con nanocápsulas de óxido de silicio rellenas de aceite de linaza para empaques activos por extrusión
(Universidad de los Andes, 2024-04-25) Chaparro Hernández, Luis Miguel; Salcedo Galán, Felipe; Medina Perilla, Jorge Alberto; Porras Holguin, Niyireth Alicia; Marín Castillo, Rodrigo Alberto; Facultad de Ingeniería
En los últimos años se ha incrementado el interés por desarrollar empaques activos que permitan prolongar la vida útil de los productos de la industria alimentaria pues la oxidación de sus componentes es la causante principal de su deterioro. Por ello se ha venido trabajando dentro del grupo de investigación para lograr elaborar una película polimérica con capacidad absorbente de oxígeno que pueda hacerle frente a dicha situación a partir de nanocápsulas de sílice rellenas de aceite de linaza mediante la técnica sol-gel de emulsión por plantilla, usando tetraetil ortosilicato TEOS como precursor y diversas matrices poliméricas. Para contribuir a su logro, el presente trabajo se ha planteado dos frentes de investigación. El primero tiene que ver con el escalado de la síntesis de nanocápsulas que luego serán incorporadas dentro de una matriz polimérica, concretamente polipropileno isotáctico. El segundo está relacionado con la extrusión en forma de película del nanocompuesto polimérico que sirva como empaque activo absorbente de oxígeno y la posterior evaluación de sus propiedades mecánicas de tensión. Para el escalado se propusieron tres enfoques: similitud, empírico y heurístico. Con el fin de evaluar el desempeño de estos escalados se planteó el índice de similitud que como su nombre lo dice es un indicador que mide qué tan similar es el proceso escalado al proceso estándar en cuanto a la conservación o mejora de las propiedades finales del producto. Se establecieron 6 propiedades de vital importancia: el rendimiento de producción, la cantidad de aceite encapsulado, el área superficial BET, el volumen total de poro BJH, la absorción de oxígeno de cabeza y el diámetro medio de partícula. Los resultados obtenidos mostraron que el escalado por reglas heurísticas fue el que mejor logró la transferencia de propiedades al pasar de 2.3 gramos de producción de nanocápsulas a 25 gramos por lote consiguiendo una mayor cantidad de aceite encapsulado, una mayor área superficial y una mayor capacidad de absorción de oxígeno. Para la extrusión de la película se evaluaron diferentes condiciones de operación como la velocidad de rotación y el perfil de temperatura de operación. Tras haber extruido las películas estas se sometieron a ensayos mecánicos de tensión para determinar el módulo de Young, el esfuerzo último y el porcentaje máximo de elongación, además de pruebas de calorimetría diferencial de barrido DSC para el grado de cristalinidad y pruebas de absorción de cabeza. Se encontró que la configuración de operación del proceso de extrusión que más favorece a las propiedades mecánicas de la película se da a velocidades de tornillo de 20 RPM y un perfil de temperatura de 190/190/190/200/200/210°C desde la zona de alimentación hasta el dado. Por último, para las pruebas de oxigeno se encontró que la película con una concentración de 3% de nanocápsulas tiene una capacidad de absorción de oxígeno de 0.32 mL/g de película en 35 días.
Embargo
Desarrollo y evaluación experimental de un recubrimiento polimérico a base de almidón con incorporación de principios bioactivos de síntesis química
(Universidad de los Andes, 2023-12-13) Bejarano Molina, José Felipe; Salcedo Galán, Felipe; Cárdenas Toquica, Martha Emiliana; Vaca Bohórquez, Ariel Mauricio; 1010028186; Ortiz Herrera, Pablo; Sandoval Aldana, Angélica Piedad; Facultad de Ingeniería::Grupo de Diseño de Productos y Procesos
La pudrición de corona es una de las enfermedades postcosecha más destructivas que afecta a algunas frutas tropicales y subtropicales como el mango, aguacate, papaya y plátano. Es causada por un patógeno fúngico que se propaga en la fruta, reduciendo la pulpa a una masa húmeda y provocando un madurado prematuro. Entre los hongos que causan esta enfermedad se encuentran Colletotricum musae y Fusarium spp. Para controlar los hongos que causan la enfermedad de la corona se han utilizado fungicidas sistémicos que afectan diversas etapas del desarrollo fúngico. Por lo general, estos fungicidas se rocían sobre semillas, hojas o frutas para prevenir la propagación de enfermedades, sin embargo, los fungicidas tradicionales pueden ser tóxicos para el medio ambiente y la salud humana. Una alternativa para el reemplazo de estos fungicidas sintéticos son los aceites de origen vegetal que se encuentran en las plantas y se caracterizan por su capacidad antifúngica. Si bien estos aceites son menos tóxicos para el medio ambiente y la salud humana, son más costosos y menos eficientes que los fungicidas tradicionales. En este estudio se investigó el almidón modificado como vehículo para la incorporación de timol (agente antifúngico activo en el aceite de tomillo) mediante cuatro métodos distintos: solución de etanol, emulsión, impregnación por difusión y impregnación por goteo. Paralelo a cada método se prepararon soluciones de almidón modificado de yuca secadas por aspersión, con el fin de obtener un polvo soluble en agua con incorporación de timol, esto, para producir tratamientos evaluados en pruebas in vitro sobre hongos y en pruebas in vivo sobre bananos. El método más efectivo para la incorporación de timol produjo una retención del 4% aproximadamente en la matriz de almidón según el análisis termogravimétrico. Los resultados in vitro indicaron que el timol incorporado en la matriz tuvo efectos antifúngicos contra hongos responsables de la pudrición de corona en bananos. Esto fue posible con una concentración del 12% en peso de timol agregado a la matriz de almidón. Las pruebas in vivo donde los bananos fueron previamente inoculados con hongos de los géneros Colletotricum y Fusarium, mostraron interacciones en los parámetros de firmeza, color y grados Brix° entre los recubrimientos con incorporación de timol y los bananos. La aplicación de estos tratamientos afectó de manera significativa la tasa de maduración de los bananos en el tiempo con respecto a los controles.

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