Doctorado Académico en Ingeniería

Pre-silicon and post-silicon testing of SIWA, a low-power RISC-V microcontroller

2025-09-16T13:51:51Z

Pre-silicon and post-silicon testing of SIWA, a low-power RISC-V microcontroller Molina-Robles, Roberto Making chips is a complicated and costly process that requires specialized knowledge. A single product of the semiconductor industry often involves many teams of engineers who work to make the chip as flawless as possible. The VLSI design flow is usually the compass needed to navigate these tricky seas, as it provides a detailed description of what is required to successfully build a chip. With each passing year, chips have evolved ever more complex, drastically increasing research and development costs. A look into how the industry has changed is enough to understand the previous sentence. At the moment of this dissertation, there are far more companies in the semiconductor industry that specialize in specific aspects of the chip-making process than the decreasing number of Integrated-Device-Manufacturers (IDM) around the world. This trend is due to the increasing costs of chip manufacturing as designs and processes become more complex. Companies in this industry have learned to chain and intertwine their specialized business models to create chips at reduced costs. However, small design teams and academic groups still struggle to design and create their chips as the effort required and costs are still considerable for them. As part of a group of academic research in microelectronics, this doctoral dissertation was built from the experiences and challenges we faced while developing a low-power RISC-V microcontroller for implantable medical devices, SIWA. In particular, this thesis focuses on the validation of our microcontroller, and the strategies discussed in this document were developed considering a low-budget and the scarce human resources at our disposal. This thesis covers several aspects of the test process that SIWA went through over several years. In this document, the functional verification strategy to validate SIWA in the presilicon phases will be found. Then, a detailed description of the physical testing framework and how it was complemented with FPGA emulation is shown. Later, it is explained how software applications are built for SIWA and how I/O hardware emulation through software was achieved. Finally, this dissertation presents a benchmark proposal for classifying lowpower RISC-V microcontrollers used in implantable medical devices. It is worth mentioning that part of the results of this thesis were four scientific publications indexed in the Scopus database, demonstrating that the effort done in my PhD studies made a contribution to the knowledge in the field of microelectronics. Proyecto de Graduación (Doctorado Académico en Ingeniería) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Área académica de Doctorado en Ingeniería, Universidad de Costa Rica, Facultad de Ingeniería, 2025

Estrategias de integración de Centros de Almacenamiento en el Sistema Eléctrico Regional Centroamericano para el aseguramiento de las condiciones operativas con generación eléctrica intermitente y diversas cargas

2025-09-23T15:48:04Z

Estrategias de integración de Centros de Almacenamiento en el Sistema Eléctrico Regional Centroamericano para el aseguramiento de las condiciones operativas con generación eléctrica intermitente y diversas cargas Gómez-Ramírez, Gustavo Adolfo En la actualidad, la atención hacia la preservación del medio ambiente ha adquirido una mayor predominancia e importancia. Existe un creciente interés en lograr una producción más eficiente que, ante todo, sea respetuosa con el entorno natural. Sin embargo, todavía hay una parte significativa del sistema productivo que se muestra renuente a adoptar las nuevas tendencias, principalmente debido a consideraciones económicas. Durante muchos años, la generación de energía eléctrica se ha basado en gran medida en fuentes no renovables, principalmente debido a la disponibilidad de recursos renovables y limitaciones económicas. Sin embargo, día tras día, están surgiendo nuevas alternativas que están transformando este panorama. En la región centroamericana, que cuenta con una abundancia de recursos para la generación de electricidad, aproximadamente un tercio de la generación actual sigue dependiendo de fuentes de energía no renovables. Esto sugiere que existen amplias oportunidades para contribuir al cuidado del medio ambiente adoptando prácticas más sostenibles en el sector energético. La investigación doctoral plantea una estrategia de gestión y control de la generación con el fin de garantizar las condiciones operativas del sistema eléctrico regional, haciendo uso del almacenamiento electroquímico. Para ello, fue necesario modelar de la red de transmisión, la cual consiste en un sistema compuesto por 2,189 nodos, evaluados en 6 escenarios correspondientes tanto al verano como al invierno, abarcando diferentes niveles de demanda (baja, media y alta). Posteriormente, se llevaron a cabo análisis donde se evaluó el potencial del almacenamiento para mejorar los perfiles de tensión, gestionar la respuesta de la demanda, sustituir recursos no renovables por generación eléctrica renovable, así como mejorar la estabilidad transitoria, de tensión y de frecuencia. Por último, se proponen estrategias para la integración del almacenamiento electroquímico, con el objetivo de prevenir colapsos ante contingencias extremas en el sistema de potencia. La estrategia propuesta se centra en mejorar las capacidades de flexibilidad en la red eléctrica de transmisión, con el objetivo de aumentar la transferencia de energía entre distintas áreas (países o sistemas de potencia). Se busca específicamente incrementar la flexibilidad en las capacidades de transferencia para evitar desequilibrios entre la generación y la demanda, los cuales pueden ocasionar inestabilidades en sistemas de potencia débiles y vulnerables. Para lograrlo, se plantea una metodología que incluya la determinación óptima del tamaño, la ubicación y la gestión del almacenamiento electroquímico en varios puntos del sistema eléctrico. El análisis de esta metodología se basará en el empleo de métodos no lineales para la optimización, así como la determinación de estudios de estabilidad transitoria en la red de transmisión. Los resultados obtenidos indican que frente a una contingencia extrema en el sistema de potencia regional, como el ocurrido el 9 de junio de 2021, caracterizado por un apagón total en Nicaragua y la desconexión del sistema de México, es factible la integración de almacenamiento. Durante este evento, se registró una pérdida de aproximadamente 169 MW en la generación fotovoltaica, lo que ocasionó problemas de inestabilidad de frecuencia en el sistema de potencia debido al desequilibrio entre la generación y la demanda. La aplicación de la metodología propuesta en la investigación doctoral demostró que la selección, dimensionamiento y despacho adecuado del almacenamiento permitieron mantener el balance entre la generación y demanda así como las condiciones de estabilidad del sistema. Es importante destacar que la metodología realiza un análisis basado en minimizar costos, y los resultados indican un costo marginal de 140.91 USD/MWh para la generación mediante uso del almacenamiento.; Currently, there is increased focus and significance on environmental conservation. There is an increasing focus on producing more efficient production that prioritizes respect for the natural environment. Despite attempts, a major portion of the production system remains hesitant to embrace new trends, primarily due to economic factors. Traditional electric power generation has long depended on non-renewable technologies mostly because of resource accessibility and economic limitations. Nevertheless, fresh possibilities are continuously developing and reshaping the current situation. Approximately one third of electricity generation in the Central American region relies on non-renewable energy resources despite the richness of them for electricity generation. This indicates that there are many opportunities to help to protect the environment by implementing more sustainable practices in the electric industry. The doctoral research suggests implementing a method for managing and controlling power generation to ensure the operational stability of the regional electrical system by utilizing electrochemical storage. In order to accomplish this, it was essential to simulate the transmission network, comprising 2,189 nodes, across 6 scenarios representing both summer and winter seasons, encompassing various demand levels (low, medium, and high). Analyses were conducted to assess the potential of storage for enhancing voltage profiles, managing demand response, substituting non-renewable resources with ecofriendly power generation, and enhancing transient, voltage and frequency stability. Strategies are suggested for integrating electrochemical storage to prevent power system failures under extreme situations. The plan aims to enhance the the electrical transmission grid exibility to boost energy transfer between various regions or power systems. The goal is to provide flexibility in transfer capacity to prevent imbalances between power generation and demand, which may lead to instabilities in weak and vulnerable power systems. An approach is suggested to determine the size, allocation, and optimal dispatch of electrochemical storage within different nodes of the power grid. This methodology will be analyzed using non-linear optimization methods and calculated the transient stability in the power transmission grid. The results show that integrating electrochemical storage is possible in response to a severe event in the regional power system, as the blackout in Nicaragua and disconnection of the Mexico Power System on June 9th, 2021. Approximately 169 MW of photovoltaic generation was lost during this event, leading to frequency instability issues in the power system due to the imbalance between generation and demand. The proposed methodology shows the sitting, sizing, and dispatching the storage appropriately helped to preserve the power balance as well as the system's stability conditions. The methodology's marginal cost results are 140.91 USD/MWh for dispatch through storage. Proyecto de Graduación (Doctorado Académico en Ingeniería) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Área académica de Doctorado en Ingeniería, Universidad de Costa Rica, Facultad de Ingeniería, 2024; Esta tesis cumple con el objetivo ODS 7: garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todas las personas. Meta b: ampliar la infraestructura y mejorar la tecnología para prestar servicios energéticos modernos y sostenibles para todos en los países en desarrollo, en particular los países menos adelantados, los pequeños Estados insulares en desarrollo y los países en desarrollo sin litoral, en consonancia con sus respectivos programas de apoyo.

Manganese removal from groundwater in non-bioaugmented pumice biofilters under tropical conditions

2025-09-09T20:31:31Z

Manganese removal from groundwater in non-bioaugmented pumice biofilters under tropical conditions Araya-Obando, José Andrés La presencia de manganeso (Mn) en los sistemas de distribución de agua potable puede causar problemas operativos, de aceptabilidad y riesgos a la salud. La biofiltración es una tecnología costo-efectiva, fácil de operar y no requiere del uso de reactivos químicos. Sin embargo, su principal limitación es el tiempo de maduración requerido por el medio virgen para alcanzar una remoción efectiva de Mn. Además, la remoción biológica de Mn aún no ha sido implementada en el trópico y poco se sabe de la ocurrencia de las bacterias oxidantes de Mn (BOM) en estas zonas. Tampoco hay estudios previos que hayan evaluado el uso de la piedra pómez como medio filtrante en biofiltros de Mn. La piedra pómez tiene un gran potencial para la biofiltración ya que es un medio filtrante de bajo costo, poroso y de baja densidad. En este contexto, esta tesis tuvo como objetivo obtener nuevo conocimiento en la eficacia de la puesta en marcha de biofiltros de piedra pómez no-bioaumentados para la remoción de Mn utilizando aguas subterráneas tropicales. Para ello, se realizó un estudio exploratorio para investigar la presencia de BOM en pozos de agua subterránea con concentraciones elevadas de Mn (> 0,3 mg/L). Se realizó un estudio comparativo a escala de laboratorio utilizando piedra pómez virgen, arena sílice y antracita para evaluar el uso de piedra pómez virgen como medio filtrante alternativo para la remoción de Mn. Además, se realizaron experimentos a escala piloto para evaluar el efecto del régimen de flujo (flujo continuo y recirculación) en la puesta en marcha de columnas de filtración utilizando piedra pómez. Se encontró que las BOM aisladas en el agua cruda son filogenéticamente diversas, no obstante, se detectó un claro dominio del filo Proteobacteria (alfa y gamma) en los medios filtrantes. A nivel de género, la comunidad bacteriana no se vio significativamente influenciada por el medio filtrante; sin embargo, distintas especies colonizaron selectivamente el medio filtrante. Pseudoxanthomonas sp., no reportada anteriormente en biofiltración de Mn, mostró una alta capacidad de oxidación de Mn y se encontró de forma abundante en todos los medios filtrantes evaluados, siendo así una buena candidata como inóculo. Los óxidos de Mn identificados en los filtros maduros mostraron características típicas de la birnessita de origen biológico, mostrando así que las BOM desempeñaron un rol importante en la puesta en marcha de los biofiltros no-bioaumentados. El periodo de maduración de las columnas de filtración a escala de laboratorio se completó en aproximadamente 80 días. La piedra pómez mostró un desempeño similar a la arena y la antracita. Posteriormente, el periodo de maduración de las columnas de filtración a escala piloto se logró reducir a 8 y 23 días en flujo continuo y recirculado, respectivamente. Estos tiempos de maduración excepcionales se pudieron conseguir debido a las características favorables en la calidad de agua de entrada a los filtros (temperaturas 22-24 °C, pH > 7.5, oxígeno disuelto > 6 mg/L y un potencial redox 300- 400 mV). Además, se aplicaron las siguientes estrategias operativas: se adoptó una velocidad de filtración inicial de 2 m/h con un tiempo de contacto de 21 min; una vez la eficiencia de remoción de Mn alcanzó el 90%, se aplicaron incrementos de velocidad de aproximadamente 1 m/h hasta alcanzar una velocidad de filtración final de 5 m/h (tiempo de contacto de 8.4 min). La carga de hierro (Fe) se evitó mediante un prefiltro (concentraciones de Fe en el afluente < 0.10 mg/L). La estrategia de recirculación se consideró adecuada ya que consumió un 50% menos de agua comparada con el sistema continuo. Ambos regímenes requirieron una carga de Mn similar de aproximadamente 0.11 kgꞏMnꞏm-2, considerada como un factor limitante. Aparentemente, la carga intermitente de Mn durante la recirculación influenció las concentraciones de BOM que colonizaron la parte superior de los filtros (106 CFUg-1 vs 103 CFUg-1 en flujo continuo y recirculado, respectivamente). Además, se investigó el desempeño en un largo periodo de tiempo, de filtros biológicos a escala real para la remoción de Mn en una planta ubicada en Argentina, la cual, antiguamente operó con procesos fisicoquímicos y fue convertida a proceso biológico. Durante 10 años de operación, el sistema registró eficiencias de remoción total de Mn cercanas al 88%; además, el 95% de las concentraciones de Mn en el agua tratada estuvieron por debajo del límite máximo permitido por la regulación local (Mn<0.10 mg/L), sin utilizar productos químicos. Por lo tanto, la conversión a biofiltración es una estrategia adecuada y se demostró que puede resultar en un esquema de tratamiento estable y eficiente a lo largo de los años. Los resultados presentados en esta tesis muestran que los biofiltros no-bioaumentados de piedra pómez constituyen una solución de tratamiento adecuada y eficaz para la eliminación de Mn de agua subterránea en condiciones tropicales. La temperatura del agua subterránea, la etapa de aceleración de la velocidad, el pretratamiento de Fe y el régimen de flujo recirculante parecen ser apropiados para reducir el tiempo de maduración de la piedra pómez virgen, con un menor consumo de agua durante el proceso. Esta conclusión resalta la contribución potencial de la biofiltración de Mn a los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) para la adopción de una gestión sostenible del agua. Además, esta investigación puede ayudar a desarrollar el interés de las empresas de suministro de agua en países tropicales y en desarrollo que trabajan principalmente con tratamientos químicos para la eliminación de Mn.; The presence of manganese (Mn) in drinking water systems causes aesthetic, operational, and health problems. Biofiltration is a cost-effective technology, that does not require the use of chemical reagents and is easy to operate. However, an important drawback is the long ripening time required for virgin media to reach effective Mn removal. Besides, Mnbiofiltration has not been proven in the tropics and little is known about the occurrence of Mn-oxidizing bacteria (MOB) in these zones. No previous studies have also evaluated the use of pumice for Mn removal in biofilters. Pumice has great potential for Mn-biofiltration because it is a low-cost, porous and low-density medium. In this context, this thesis aimed to obtain new insight into the efficacy of the start-up of non-bioaugmented pumice biofilters for Mn removal using tropical groundwater. For this purpose, an exploratory study was conducted to investigate the presence of MOB in groundwater wells with elevated concentrations of Mn (> 0.3 mg/L). A comparative study using virgin pumice, silica sand, and anthracite filter media was performed at the bench scale to evaluate the use of virgin pumice as an alternative filter medium for Mn removal. In addition, pilot-scale experiments were performed to assess the effect of the regimen flow (flow-through and recirculating) on the start-up of pumice filter columns. It was found that culturable MOB isolated from raw water samples belong to several bacterial phyla, but a clear domain of Proteobacteria phylum (Alpha- and Gammaproteobacteria) was detected in the biofilter media. At the genus level, the bacterial community was not significantly influenced by the filter material; however, different closest related species colonized selectively the filter media. Pseudoxanthomonas sp., not reported in Mn biofiltration before, showed high Mn oxidation activities and was abundant in all the filter media evaluated, being good candidates for inoculums. The Mn oxides (MnOx(s)) coated in the ripened media exhibited characteristics typical for birnessite of biological origin, confirming that MOB played an important role in the start-up of nonbioaugmented biofilters. The start-up in bench-scale columns was completed in approximately 80 days. Pumice stone exhibited a similar performance compared to sand and anthracite. Afterward, the start-up in non-bioaugmented pilot-scale pumice biofilters was reduced to only 8 and 23 days in the flow-through and recirculating regime,respectively. These exceptional rapid start-up were reached due to favorable feed water characteristics (temperatures 22-24 °C, pH > 7.5, dissolved oxygen (DO) > 6 mg/L and redox potential (Eh) 300- 400 mV). Moreover, the following appropriate operational strategies were applied: initial filtration velocity of 2 m/h and an empty bed contact time (EBCT) of 21 min; once the Mn removal reached 90% the velocity was increased in steps of about 1 m/h until reaching a final filtration velocity of 5 m/h ( EBCT of 8.4 min). Feloading was prevented using a prefilter (Fe concentrations in the influent <0.10 mg/L). Recirculating regime consumed less feed water during the start-up (50%) than using a flow-through regime, making it a suitable strategy. Besides, both the flow-through and the recirculating flow regime, required a similar total Mn-loading of 0.11 kgꞏMnꞏm-2 which was considered a limiting factor. It seems that the intermittent Mn-loading in the recirculation regime influenced the MOB population established at the top of biofilters during the startup (106 CFUg-1 vs 103 CFUg-1 in the flow-through and recirculating regime, respectively). In addition, the long-term performance of full-scale biofilters for Mn removal was investigated in a converted physicochemical plant located in Argentina. The system effectively removed up to 88% of Mn; besides, 95% of Mn concentrations in treated water reached compliance with the local drinking water criterion (Mn<0.10 mg/L) during 10 years of operation without the use of chemical reagents. Hence, conversion to biofiltration is a suitable strategy, and was proven that it can result in a stable and efficient treatment through the years. The results presented in this thesis show that non-bioaugmented pumice biofilters are a suitable and effective treatment solution for Mn removal from groundwater under tropical conditions. Groundwater temperature, a speed-up stage, Fe-pretreatment, and a recirculating flow regime, seem to be appropriate to shorten the ripening time of virgin pumice with less consumption of feed water. This conclusion underlines the potential contribution of Mn-biofiltration to the sustainable development goals (SDG) for the adoption of sustainable water management. Furthermore, this research can help to develop the interest of water supply companies in tropical and developing countries that mainly work with chemical treatments for Mn removal. Proyecto de Graduación (Doctorado Académico en Ingeniería) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Área académica de Doctorado en Ingeniería, Universidad de Costa Rica, Facultad de Ingeniería, 2022; Esta tesis cumple con el objetivo ODS 6: garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todas las personas. Meta 4: aumentar considerablemente el uso eficiente de los recursos hídricos en todos los sectores y asegurar la sostenibilidad de la extracción y el abastecimiento de agua dulce para hacer frente a la escasez de agua y reducir considerablemente el número de personas que sufren falta de agua y Objetivo ODS 12: garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles. Meta 2: lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales.

Caracterización y modelización del recubrimiento de tabletas farmacéuticas, para el desarrollo de soluciones de reconocimiento óptico visible

2025-07-22T16:31:17Z

Caracterización y modelización del recubrimiento de tabletas farmacéuticas, para el desarrollo de soluciones de reconocimiento óptico visible Murillo-Fernández, Mac Arturo El trabajo de investigación, desarrollado bajo el título “Caracterización y modelización de tabletas farmacéuticas, para el desarrollo de soluciones de reconocimiento óptico-visible”, tiene el propósito de contribuir a desarrollar, las bases teóricas y experimentales que, resuelven uno de los muchos retos de ingeniería, más relevantes del milenio. Estos retos fueron planteados en su momento por la FDA para la industria farmacéutica, que busca, durante el proceso productivo, reducir drásticamente la vulnerabilidad e intervención directa y dependencia subjetiva en ambientes sépticos, eliminar las paradas y pruebas destructivas bajo un enfoque cualitativo integral desde el diseño y gestión del riesgo. El proyecto está enfocado en el proceso de recubrimiento de tabletas farmacéuticas, cuya complejidad, además del bajo nivel de automatización, alto volumen de variables y dependencia de criterios expertos, multiplicidad de sustancias involucradas, distintos tipos de morfologías, dimensiones y propósitos de los productos, alto volumen de variables y delicadísima dependencia de aspectos regulatorios y sobre todo por su alto impacto en la salud de las personas, requiere, del desarrollo de soluciones para el control de la aplicación a lo largo del proceso del recubrimiento, en ambientes confinados, mediante aspersión aleatoria, hasta alcanzar el espesor uniforme para los propósitos del medicamento. En el proyecto, se sentaron las bases experimentales, acordes con los retos mencionados, cuyo primer paso ha sido la caracterización de tabletas farmacéuticas, y la identificación del comportamiento de las variables clave, durante el proceso de recubrimiento, que, principalmente contribuyan en el desarrollo de soluciones de reconocimiento óptico-visible, que ha sido la ruta seleccionada para la solución de este importante reto. Como parte de los resultados, se propuso, con base en los hallazgos de la caracterización, un modelo de simulación de la evolución de las principales variables identificadas. Los resultados obtenidos en la investigación permitieron establecer un modelo prometedor, cuyos efectos trascendentes permiten, no solo vislumbrar el cumplimiento de los objetivos de la FDA, sino que también sientan las bases para innovar en los procesos de recubrimiento en el marco de la industria de cuarta generación, de las cuales, la industria farmacéutica en Costa Rica, se verá altamente beneficiada, pues justamente esta ha sido, una de las grandes limitaciones competitivas externadas por el sector, frente a otras industrias.; The research work developed under the title "Characterization and modeling of pharmaceutical tablets, for the development of optical-visible recognition solutions", aims to contribute to the development, of the theoretical and experimental bases that solve one of the many relevant engineering challenges of the millennium. These challenges, raised at the time by the FDA for the pharmaceutical industry, which seeks, during the production process, to drastically reduce vulnerability and direct intervention and subjective dependence in septic environments, to eliminate stoppages and destructive tests under a comprehensive qualitative approach from the design and risk management. The project is focused on the process of coating pharmaceutical tablets, whose complexity, in addition to the low level of automation, high volume of variables and dependence on expert criteria, multiplicity of substances involved, different types of morphologies, dimensions and purposes of the products, high volume of variables and very delicate dependence on regulatory aspects and especially for its high impact on people's health, requires the development of solutions to control the application throughout the coating process, in confined environments, by spraying randomly, until uniform thickness is reached for the purposes of the medication. In the project, the experimental foundations were laid, in accordance with the aforementioned challenges, the first step of which is the characterization of pharmaceutical tablets, and the identification of the behavior of key variables during the coating process, which mainly contribute to the development of optical-visible recognition solutions, which has been the chosen route for solving this important challenge. As part of the results, based on the characterization findings, a simulation model of the evolution of the main variables identified was proposed. The results obtained in the research allowed establishing a promising model, whose transcendental effects allow not only a glimpse of the fulfillment of the FDA's objectives, but also lay the foundations to innovate in the coating processes in the framework of fourth generation industries. The pharmaceutical industry in Costa Rica will be highly benefited, because this has been precisely one of the great competitive limitations externalized by the sector, compared to other industries. Tesis de Graduación (Doctorado Académico en Ingeniería) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Área académica de Doctorado en Ingeniería; Universidad de Costa Rica, Facultad de Ingeniería, 2020