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En esta Tesis se presentan metodologías que incluyen análisis de sensibilidad global, modelado y optimización dinámica, para el estudio de procesos que se llevan a cabo en sistemas de reacción biológicos, tales como biorreactores para la obtención de etanol y lagunas de tratamiento biológico de aguas residuales. Para ello se utilizan modelos cinéticos fuertemente integrados y dinámicos, de creciente complejidad, representados por sistemas de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Los modelos cinéticos presentan un elevado número de parámetros que están involucrados en funciones altamente no lineales. Dichos parámetros tienen asociada incertidumbre que resulta, por ejemplo, de errores de medición y pueden influenciar los valores de las variables de estado. Por esta razón, es importante identificar los parámetros a los que las variables de estado son más sensibles, mediante análisis de sensibilidad. Se propone la implementación del análisis de sensibilidad global, basado en la descomposición de la varianza, aplicado a modelos dinámicos de biorreactores para la producción de bioetanol y del sistema de lagunas de estabilización. Este análisis se basa en la metodología propuesta por Sobol’ y permite obtener perfiles temporales de índices de sensibilidad de primer orden, total y de interacción entre parámetros, lo cual es útil para comprender complejas relaciones entre los parámetros y las variables del modelo. Además, se analizan diferentes estimadores de la varianza condicional, siendo el de Jansen el más adecuado para modelos más complejos proporcionando mejores resultados. La finalidad del estudio es determinar cuáles son los parámetros más importantes y que deben ser estimados con mayor precisión en forma experimental, para tener un modelo ajustado que pueda proveer predicciones confiables ante cambios en las condiciones de operación, tanto en sistemas de biorreactores de producción de etanol como de lagunas de estabilización. Posteriormente, se procede al diseño óptimo de un sistema de lagunas de estabilización para el tratamiento de aguas residuales. El desempeño de estos sistemas es comparable al de los barros activados, aunque el requerimiento de espacio es una condición limitante para su empleo. El diseño se realiza planteando un problema de programación mixto entera no lineal sobre una superestructura que considera tres tipos de lagunas (aeróbica, facultativa y anaeróbica) con la posibilidad de reciclo, lo que permite obtener la configuración óptima para cumplir con el objetivo de minimizar los costos del sistema con la restricción de que la carga orgánica del efluente sea inferior al valor establecido por las regulaciones ambientales. Finalmente, se implementan estrategias de manejo de las lagunas de tratamiento como problemas de optimización dinámica, donde se proponen como variables de control el agregado de nutrientes, esenciales para el desarrollo de los procesos biológicos, y la potencia que se debe proporcionar a los aireadores para asegurar una oxigenación dentro de las lagunas. In this Thesis, several methodologies that include global sensitivity analysis, modeling and dynamic optimization are presented to deepen the knowledge on processes which take place in biologic reaction systems, such as bioreactors for ethanol production and wastewater treatment ponds. These models are based on dynamic and highly integrated kinetic models based on first principles, which are represented by differential algebraic equations systems. Kinetic models have a large number of parameters embedded in nonlinear functions. These parameters may have a certain degree of uncertainty due, for example, to measurement errors, and can influence the values of the state variables. Sensitivity analysis provides a mean to detect and rank the importance of parameters in a model. In particular, global sensitivity analysis is applied to a dynamic model, based on the variance decomposition using Sobol's method. This allows the calculation of first order, total and interaction indices for each parameter, which are useful to understand complex relationships between parameters. Several variance estimators are considered, being Jansen's the most appropriate for complex models, yielding the best results. As a result of this study, parameters can be ranked by importance and then experiments can be designed to find with the best precision those parameters that produce the largest impact on the prediction of state variables of the model. Furthermore, the design of stabilization ponds systems for wastewater treatment is addressed through the formulation of a mixed integer nonlinear programming problem over a supestructure which considers three types of lagoons (aerobic, anaerobic and facultative), including recycle streams. The objective function is total cost minimization, subject to constraints on the maximum legally allowed organic load. Finally, several strategies are proposed for the management of stabilization pond systems within a dynamic optimization environment, where the control variables are nutrient addition rate along the time horizon and aerators power for a suitable oxygen concentration, where required. Fil: Ochoa, María Paz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina

Los puertos deben ser diseñados para asegurar un ambiente para el amarre de barcos, protegido de la agitación generada por las olas marinas, a los efectos de permitir la realización segura de tareas de carga y descarga de mercaderías. Dentro del espectro de oleaje incidente, las ondas largas tienen un período mayor a treinta segundos y son particularmente importantes ya que sus longitudes de onda son del orden de las dimensiones de la mayoría de los puertos, pudiendo dar lugar a oscilaciones resonantes. En este trabajo se propone un método de diseño óptimo de las obras de abrigo para evitar tales situaciones y simultáneamente cumplir restricciones geométricas relacionadas con aspectos de navegabilidad y/o economía. Fil: Cortínez, Víctor Hugo. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina. Universidad Nacional del Sur; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina Fil: Stoklas, Cecilia Inés. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina. Universidad Nacional del Sur; Argentina Fil: Dominguez, Patricia Neri. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina. Universidad Nacional del Sur; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

El agua subterránea presente en zonas costeras puede contaminarse con agua de mar cuando el volumen bombeado es superior a la recarga natural del sistema. De esta forma es posible que se produzca una intrusión salina en dichos acuíferos. Este problema puede evitarse calculando de forma apropiada el máximo caudal de agua que puede ser extraído. En tal sentido, en el presente trabajo, se desarrolla una herramienta computacional de diseño óptimo integrada con un proceso de simulación a los efectos de determinar el mayor rendimiento posible que puede tener el sistema de extracción. Tal rendimiento se mide en términos de la maximización del volumen de agua a extraer. El procedimiento de optimización está basado en una técnica de recocido simulado en combinación con el método de los elementos finitos (MEF). El modelo fue implementado en el programa de simulación por elementos finitos FlexPDE. Fil: Stoklas, Cecilia I.. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina Fil: Cortinez, Victor Hugo. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

En este trabajo se formula una metodología para el diseño óptimo de vigas curvas de pared delgada construidas con material compuesto. El modelo de diseño propuesto hace uso de una formulación unidimensional que contempla en forma completa la flexibilidad por corte, implementada mediante un modelo tipo viga de elementos finitos. El problema de optimización se plantea de manera tal de contemplar restricciones estructurales y geométricas, con el objetivo de mejorar el comportamiento estructural. Para su resolución se emplea la técnica heurística simulated annealing. Se estudia la aplicación de un nuevo enfoque de optimización denominado simulated annealing caótico simulated annealing. Fil: Reguera, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina Fil: Cortínez, Víctor Hugo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina

En el presente trabajo se formula un modelo de diseño óptimo de vigas de pared delgada construidas con material compuesto que considera la incertidumbre de las cargas actuantes. Desde el punto de vista matemático, el problema de optimización se plantea en dos niveles, uno de ellos busca la situación de carga más desfavorable y el otro la mejor configuración para soportar dicha carga. El método de diseño propuesto hace uso de una formulación unidimensional con el correspondiente análisis de elementos finitos, incluye un análisis de pandeo local simplificado y es resuelto aplicando la técnica de optimización simulated annealing. Fil: Reguera, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina Fil: Cortínez, Víctor Hugo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería; Argentina

Uno de los problemas ambientales de gran importancia en la actualidad es la contaminación hídrica, generada básicamente por la descarga de efluentes urbanos. El deterioro ambiental que vienen sufriendo estos recursos naturales ha llegado a niveles tan altos que ha puesto de manifiesto la necesidad urgente de instalar plantas de tratamiento adecuadamente diseñadas. En tal sentido, se propone en este trabajo, un enfoque de diseño óptimo para la determinación de la localización de las tuberías de descargas de efluentes así como también del grado de tratamiento necesario para garantizar un nivel de contaminación tolerable en ciertas zonas de resguardo ambiental tales como playas, reservas naturales, toma de agua potable, etc., buscando simultáneamente minimizar el correspondiente costo económico. Para ello, se ha desarrollado una herramienta computacional de diseño óptimo integrada con un procedimiento de simulación, basado en el método de los elementos finitos (MEF). En particular se consideran como indicadores ambientales, adecuados para este tipo de problema, el oxígeno disuelto (OD), la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y los Coliformes fecales (CF). El problema de optimización es resuelto a partir del método de “Recocido Simulado”. Asimismo, a los efectos de minimizar los tiempos de cálculo, las restricciones del problema se determinan mediante el uso de funciones de influencia obtenidas convenientemente a partir del problema adjunto del modelo de transporte. Fil: Stoklas, Cecilia Inés. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina Fil: Cortínez, Víctor Hugo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina

En el presente trabajo se analiza el diseño de vigas de paredes delgadas construidas con materiales compuestos, utilizando un modelo estructural que contempla en forma completa la flexibilidad por corte en vigas rectas. El modelo teórico es implementado computacionalmente mediante el método de elementos finitos, permitiendo ponderar estudios estáticos, dinámicos y de estabilidad de la estructura. El problema de diseño es formulado en base a una optimización multiobjetivo, minimizando el peso de la viga y su desplazamiento en función de parámetros de peso definidos en forma arbitraria, y es resuelto mediante la aplicación de la técnica heurística de optimización Simulated Annealing, la cual admite el uso de variables discretas y asegura la convergencia global del problema. Fil: Reguera, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería; Argentina Fil: Cortínez, Víctor Hugo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina Fil: Piovan, Marcelo Tulio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina