Área Académica del Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo
https://hdl.handle.net/2238/11452
2024-03-28T12:08:54ZEvaluación de Bacillus cereus como mejorador del crecimiento de plantas de banano (Musa AAA) bajo condiciones de ambiente protegido
https://hdl.handle.net/2238/14638
Evaluación de Bacillus cereus como mejorador del crecimiento de plantas de banano (Musa AAA) bajo condiciones de ambiente protegido
Ortega-Bonilla, Rodya Mauricio
Se realizaron dos experimentos en forma simultánea con el objetivo de evaluar el efecto
de la inoculación de cuatro aislamientos de Bacillus cereus: BF-98, SER-23, B-71 y
SER-217, sobre el crecimiento y el contenido de nitrógeno (N) de plántulas de banano
en condiciones de invernadero. Se realizaron tres inoculaciones cada 21 días de los
aislamientos. Como planta indicadora se utilizó plántulas de banano (Musa AAA
variedad Gran Enano) a las cuales se les fertilizó con cuatro dosis de nitrógeno de
forma semanal. Se utilizó un diseño de parcela dividida, donde la parcela principal
estuvo conformada por cuatro niveles de N: 0, 33, 66 y 100% de la dosis; y la parcela
pequeña por los aislamientos bacterianos y el testigo. Se midieron las variables altura
de planta, contenido de clorofila, el área foliar de la tercera hoja, peso fresco y seco de
raíces, cormo, pseudotallo y hojas, así como el contenido de nitrógeno en cada órgano.
El experimento N°1 se realizó en un suelo proveniente de la zona ubicada al este del
río Reventazón. El experimento N°2 utilizó un suelo proveniente de la zona ubicada en
el oeste del río Reventazón. Para la zona este, el mayor peso seco total se alcanzó en
la aplicación de SER-23, mientras que para SER-23 y BF-98 se observó el incremento
del Zn en pseudotallos y hojas (P≤0,0313) y el incremento en el contenido de K y S en
los pseudotallos (P≤0,0126, P≤0,0386 respectivamente). En la zona oeste, con la cepa
BF-98 se presentó el aumento del peso seco total y se observó el aumento del
contenido de K (P≤0,0190) en los pseudotallos. En los aislamientos BF-98 y SER-23
para ambas zonas ocurrió un aumento significativo del contenido de nitrógeno en los
órganos evaluados. El uso de una dosis mayor al 33% de nitrógeno y el tipo de suelo,
afectó la capacidad de las bacterias de incrementar la concentración de los nutrientes
en los pseudotallos y hojas. Se concluye que la inoculación de los aislamientos SER 23 y BF-98 estimuló el aumento de la biomasa y contenido de N, K, Zn y S en las
plantas de banano, este incremento dependió de la disponibilidad de nitrógeno y el tipo
de suelo.; Two experiments were carried out simultaneously with the objective of evaluating the
effect of the inoculation of four isolates of Bacillus cereus: BF-98, SER-23, B-71 and
SER-217, on growth and nitrogen content (N) of banana seedlings under greenhouse
conditions. Three inoculations of the isolates were made every 21 days. Banana
seedlings (Musa AAA variety Gran Enano) were used as indicator plants, which were
fertilized with four doses of nitrogen weekly. A split plot design was used, where the
main plot was made up of four levels of N: 0, 33, 66, 100% of the dose; and the small
plot for the bacterial isolates and the control. The variables plant height, chlorophyll
content, leaf area of the third leaf and dry weight of roots, corm, pseudostem and leaves,
as well as the nitrogen content in each organ, were measured. Experiment No. 1 was
carried out on soil from the area located east of the Reventazón river. Experiment No.
2 used soil from the area located to the west of the Reventazón river. For the eastern
zone, the highest total dry weight was reached in the application of SER-23, while for
SER-23 and BF-98 the increase of Zn in pseudostems and leaves was observed
(P≤0.0313) and the increase in the content of K and S in the pseudostems (P≤0.0126,
P≤0.0386 respectively). In the western zone, in strain BF-98, the increase in total dry
weight was determined and the increase in K content (P≤0.0190) in the pseudostems
was observed. In isolates BF-98 and SER-23, for both zones, a significant increase in
nitrogen content occurred in the evaluated organs. A dose greater than 33% of nitrogen
and the type of soil affected the ability of the bacteria to increase the concentration of
nutrients in the pseudostems and leaves. It is concluded that the inoculation of the
isolates SER-23 and BF-98 stimulated the increase in biomass and content of N, K, Zn
and S in banana plants, this increase depended on the availability of nitrogen and the
type of soil.
Tesis (Maestría en Ciencia y Tecnología para la Sostenibilidad eje temático Sistemas de Producción Sostenible) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2023.
2023-01-01T00:00:00ZImplementation of a model for isolated microgrids with photovoltaic energy sources through emulation in an application-specific specific instruction-set processor (ASIP)
https://hdl.handle.net/2238/14635
Implementation of a model for isolated microgrids with photovoltaic energy sources through emulation in an application-specific specific instruction-set processor (ASIP)
Araya-Carrillo, Mario Alberto
The main objective of the present research was to develop a mathematical model for microgrid simulation and
implement it in an application-specific processor to measure the performance gains obtained with this
approach against the performance of a general use processor. Given that this project was a first approach the
topic of microgrid simulation, its scope was limited to stand-alone microgrids with photovoltaic generators as
the main source of energy.
A mathematical model was presented and implemented in the simulation program. An Intel Core i7-8750H
was utilized as the general-purpose processor. The model was programmed in Python 3.6 language with the
use of C optimized libraries: Numpy for arithmetic operations and Pandas for data handling tasks. Differential
equations were solved with Euler’s explicit integration method that was selected for its simplicity which could
be leveraged during the hardware implementation stage of the project. The validation of the simulation
program was done through the comparison of results against PowerSim which was selected as a benchmark
simulation software. A specific microgrid architecture was selected and simulated with open-loop control, for
which the approximate absolute error was 1% for the steady state regime.
The same simulation program was then ported to C and implemented in a Xilinx Zedboard FPGA development
board. High-Level Synthesis (HLS) was used to convert the program to its hardware counterpart. The previous
microgrid architecture was programmed in the board for comparison against the general-purpose CPU. The
performance gains were measured based on execution time. For the selected architecture, and with varying
number of elements in the microgrid, the FPGA based program was 14.2 to 87.1 times faster. Real-time
simulation was also achieved with up to 2.7 times greater magnitude of signal oscillations during the system
transient.
Tesis (Maestría en Ciencia y Tecnología para la Sostenibilidad eje curricular de Energía renovable) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2023.
2023-01-01T00:00:00ZA port-Hamiltonian system modelling approach and passivity-based nonlinear control design for photovoltaic energy harvesting
https://hdl.handle.net/2238/14632
A port-Hamiltonian system modelling approach and passivity-based nonlinear control design for photovoltaic energy harvesting
Phillips-Brenes, Hayden Anthony
En este trabajo se dise˜nan y evaluan nuevas leyes de control no lineal para el rastreo del
punto de m´axima potencia y la regulaci´on de voltaje, mediante el control de los estados de
conmutaci´on de una etapa de convertidor DC-DC, que interconecta un sistema de celdas
fotovoltaicas a una carga de consumo de energ´ıa.
El modelo matem´atico de los sistemas se dise˜na bajo el enfoque energ´etico del marco port Hamiltoniano, cuya simplicidad para las interpretaciones f´ısicas de la estructura matem´atica
es verificada a trav´es del dise˜no de un modelo no lineal de un sistema multif´ısico de almace namiento hidroel´ectrico por bombeo alimentado con energ´ıa solar, que consiste en una etapa
de celda fotovoltaica, un convertidor reductor DC-DC, una bomba el´ectrica y una tuber´ıa
de recuperaci´on para transportar el agua hacia un dep´osito de almacenamiento.
En este sistema se interconectan tres dominios f´ısicos: el el´ectrico, el mec´anico y el
hidr´aulico, siendo este es un caso id´oneo para demostrar como el marco port-Hamiltoniano ex hibe la interconexi´on entre las etapas de forma transparente, permitiendo identificar f´acilmente
los par´ametros f´ısicos del sistema, las variables de estado, y los elementos de disipaci´on y al macenamiento de energ´ıa. El modelo dise˜nado del sistema de almacenamiento hidroel´ectrico
por bombeo es validado mediante simulaci´on, reflejando los efectos de fluctuaciones de los
estados de conmutaci´on del convertidor DC-DC sobre otras variables del sistema.
Adem´as, se proponen y eval´uan estrategias de control no lineal que se basan en la trans parencia del modelo del marco port-Hamiltoniano. Primeramente, se dise˜na y controla el
rastreo del punto de m´axima potencia de una etapa de una celda fotovoltaica conectada a
un convertidor elevador DC-DC que alimenta una carga resistiva. Se propone una estrategia
de control basado en pasividad por transferencia de interconexi´on y amortiguamiento, sobre
una topolog´ıa sin sensores de corriente el´ectrica, convirti´endose en una soluci´on de control no
invasiva. Su rendimiento es evaluado al compararlo mediante simulaci´on con una estrategia
de control de modo deslizante. Adem´as, el sistema es implementado en un prototipo f´ısico
con una plataforma sencilla.
Finalmente, se dise˜na una ley de control de doble conmutaci´on altamente no lineal,
tanto para el rastreo del punto de m´axima potencia como para la regulaci´on de voltaje de
un sistema que interconecta una celda fotovoltaica a una bater´ıa de carga, a trav´es de un
convertidor reductor-elevador DC-DC de dise˜no propio.
Nuevamente, se utiliza el marco port-Hamiltoniano y la estrategia de control basado en
pasividad por transferencia de interconexi´on y amortiguamiento, para dise˜nar el modelo del
sistema y la etapa de control. El dise˜no se implementa en un prototipo y se valida en cuanto
a eficiencia energ´etica, comparando su desempe˜no con un dispositivo comercial.
La estrategia de control basado en pasividad por transferencia de interconexi´on y amor tiguamiento es seleccionada, porque modifica la funci´on de energ´ıa potencial y cin´etica sin
depender de las funciones de Casimir ni de superar obst´aculos de disipaci´on, preservando al
mismo tiempo los atributos port-Hamiltonianos. Por consiguiente, esta estrategia es conve niente para asegurar la estabilidad global en los sistemas de celdas fotovoltaicas.; This work involves designing and evaluating novel nonlinear control laws to solve the maxi mum power point tracking and voltage regulation problems by governing a DC-DC converter
stage’s switching states that connect a photovoltaic cell system to a consumption load.
To design the mathematical model of the systems, we utilize the port-Hamiltonian frame work energy-based approach. To verify the capabilities of the port-Hamiltonian framework in
terms of its simplicity, reflected in the physical interpretations of the mathematical structure,
we propose the design of a nonlinear model of a multi-physical solar-powered pumped-hydro
storage system that consists of a photovoltaic cell stage, a DC-DC buck converter, an elec trical pump, and a recovery pipe that impulses water into a storage reservoir.
This system interconnects three different physical domains: electrical, mechanical, and
hydraulic; hence, it becomes a suitable case to demonstrate that the port-Hamiltonian frame work can display the interconnection between the physical stages transparently, allowing to
identify quick the equivalent physical parameters, the state variables, and the energy dissi pation and storage elements. The designed pumped-hydro storage system model is validated
by simulation under several DC-DC converter switching state fluctuations.
Moreover, nonlinear control strategies are proposed and evaluated based on the trans parency of the port-Hamiltonian framework modeling. Firstly, a photovoltaic cell stage
connected to a DC-DC boost converter to feed a resistive load is designed and controlled to
solve the maximum power point racking issue. We propose an interconnection and damping
assignment passivity-based control strategy in electrical current monitoring sensorless topol ogy to give a non-invasive control solution. We evaluate its performance against a Sliding
Mode Control strategy via simulation. Furthermore, the system is implemented in a simple
controlled physical prototype.
Finally, we design a double-switching, highly nonlinear control law to solve the maxi mum power point tracking and voltage regulation issues of a system that interconnects a
photovoltaic cell stage to a battery load across the DC-DC buck-boost own design converter.
Once more, we utilize the port-Hamiltonian framework and the interconnection and
damping assignment passivity-based control strategies to design the system model and the
control stage. The design is implemented in a prototype and validated in terms of power
consumption efficiency by comparing its performance against a commercial device.
The interconnection and damping assignment passivity-based control strategy was se lected as it can shape the potential and kinetic energy function without relying on Casimir
functions or overcoming the dissipation obstacle while preserving the port-Hamiltonian at tributes. Hence, this strategy is suitable for reaching global stability in photovoltaic cell
systems.
Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis en Tecnologías Electronicas Aplicadas) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2023.
2023-01-01T00:00:00ZPotencial de los extractos vegetales de Lippia alba (Mill.) N.E.Br. ex Britton & P. Wilson (1925) y Lippia graveolens Kunth (1818) en la prevención de infecciones por bacterias patógenas Gram-negativa en los cultivos de tilapia en Guatemala
https://hdl.handle.net/2238/14629
Potencial de los extractos vegetales de Lippia alba (Mill.) N.E.Br. ex Britton & P. Wilson (1925) y Lippia graveolens Kunth (1818) en la prevención de infecciones por bacterias patógenas Gram-negativa en los cultivos de tilapia en Guatemala
García-Pérez, Josué Rodolfo
La industria acuícola de tilapia en Guatemala ha experimentado un crecimiento significativo
en los últimos años, alcanzando una producción de alrededor de 16,000 toneladas métricas
(TM) en 2021. Sin embargo, este crecimiento ha venido acompañado de desafíos,
especialmente en relación con enfermedades bacterianas que afectan a los organismos
acuáticos. La alta densidad de siembra, el manejo deficiente de los sistemas de cultivo, las
condiciones ambientales cambiantes, la calidad del agua y la nutrición deficiente pueden
debilitar el sistema inmunológico de los organismos acuáticos, volviéndolos más
susceptibles a infecciones bacterianas. Los antibióticos han sido la terapia convencional
para controlar estas enfermedades, pero su uso excesivo ha generado resistencia
bacteriana y plantea riesgos ambientales y de salud.
La etnobotánica se ha propuesto como una alternativa para controlar patógenos en la
acuicultura de manera más sostenible. Las plantas de la familia Verbenaceae, como Lippia
spp., son conocidas por sus propiedades antibacterianas. Por lo tanto, el siguiente trabajo
doctoral se dividió en tres capítulos, con el fin de evaluar la efectividad de L. graveolens y
L. alba, a nivel in vitro e in vivo.
En el primer capítulo, se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de los patógenos
bacterianos y su resistencia a los antimicrobianos en los cultivos de tilapia en Guatemala.
Se realizaron muestreos en los principales centros de producción de tilapia, se evaluaron
los signos clínicos más comunes que afectan a los peces en cultivo, se aislaron los
patógenos primarios y se realizaron pruebas de sensibilidad frente a los antibióticos más
utilizados en la acuicultura guatemalteca. Los resultados revelaron que las especies de
mayor frecuencia son Aeromonas hydrophila y A. sobria, se detectó que estas cepas
bacterianas presentaron una preocupante resistencia a los antibióticos oxitetraciclina y
fosfomicina, lo que evidenció el uso indiscriminado de estos medicamentos en Guatemala.
El segundo capítulo evaluó la capacidad antimicrobiana que poseen los extractos y aceites
esenciales de las plantas: L. alba y L. graveolens obtenidos, por medio de diversas
metodologías y diferentes solventes de extracción. La actividad antimicrobiana se evaluó
utilizando A. hydrophila y A. sobria como modelos biológicos, dado que fueron las bacterias
más prevalentes en los sistemas acuícolas de Guatemala durante el período de 2018-2019. Los resultados revelaron que el aceite esencial de L. graveolens demostró ser altamente
efectivo en la inhibición del crecimiento bacteriano, evidenciado por la formación de halos
de inhibición significativos. Los extractos obtenidos a través de diversas técnicas también
mostraron actividad antibacteriana, aunque en menor medida en comparación con el aceite
esencial. En contraste, L. alba mostró una actividad antibacteriana limitada, siendo el aceite
esencial la única forma de extracto que generó un efecto significativo. Además, se evaluó
la actividad antimicrobiana de los aceites esenciales de L. graveolens de diferentes
quimiotipos en Guatemala, encontrando que el quimiotipo con mayor contenido de timol fue
el más efectivo contra A. hydrophila, no se evidencia efectos sinérgicos, aditivos o
antagónicos por la combinación de los destinos quimiotipos.
Finalmente, en el capítulo tres se realizó un estudio en el que se incorporó el aceite esencial
de L. graveolens quimiotipo timol en la dieta de juveniles de tilapia, con el fin de evaluar los
efectos sobre el crecimiento, utilización del alimento, parámetros hematobioquímicos,
histomorfometría del intestino y el hígado, enzimas digestivas y desafío bacteriano con la
bacteria A. hydrophila. Los resultados mostraron que la incorporación del aceite esencial
de L. graveolens quimiotipo timol mejoró el crecimiento, la utilización del alimento y la salud
de los peces, sin efectos adversos en la histología hepática e intestinal. Además, se observó
un aumento en la actividad de las enzimas digestivas y una mayor resistencia a la infección
por A. hydrophila.
El presente trabajo doctoral se centró en abordar los desafíos de las enfermedades
bacterianas en la acuicultura de tilapia en Guatemala. Demostró que el aceite esencial de
L. graveolens, rico en timol, puede ser una alternativa efectiva y sostenible para reducir el
uso de antibióticos, mejorar el crecimiento y la salud de los peces, y aumentar la resistencia
a las infecciones. Sin embargo, es importante la necesidad de regulaciones
gubernamentales para controlar el uso indiscriminado de antibióticos en la acuicultura y
promover alternativas más seguras y sostenibles.; The Guatemala tilapia aquaculture industry has significant growth in recent years, reaching
a production of around 16,000 MT in 2021. However, this growth has been accompanied by
challenges, especially concerning bacterial diseases affecting aquatic organisms. High
stocking density, poor management, fluctuation of environmental conditions, water quality,
and inadequate nutrition can weaken the immune system of aquatic organisms, making
them more susceptible to bacterial infections. Antibiotics have been the conventional
therapy for controlling these diseases, but their excessive use has led to bacterial resistance
and poses environmental and health risks.
Ethnobotany has been proposed as an alternative to more sustainable pathogen control in
aquaculture. Plants in the Verbenaceae family, such as Lippia spp., are known for their
antibacterial properties. Therefore, the following doctoral work was divided into three
chapters to evaluate the in vitro and in vivo effectiveness of L. graveolens and L. alba.
In the first chapter, a comprehensive assessment of bacterial pathogens and their
antimicrobial resistance in tilapia farming in Guatemala was carried out. Sampling was
carried out on the major tilapia production farms, common clinical signs affecting cultured
fish were evaluated, primary pathogens were isolated, and sensitivity tests were performed
against the most used antibiotics in Guatemalan aquaculture. The results revealed that the
most frequent species were Aeromonas hydrophila and A. sobria, and these bacterial strains
exhibited resistance to oxytetracycline and fosfomycin antibiotics, indicating the
indiscriminate use of these medications in Guatemala.
The second chapter evaluated the antimicrobial capacity of extracts and essential oils of L.
alba and L. graveolens, using different extraction methodologies and different solvents.
Antimicrobial activity was assessed using A. hydrophila and A. sobria as biological models,
as they were the most prevalent bacteria in Guatemalan aquaculture systems during the
2018-2019 period. The results showed the essential oil of L. graveolens was highly effective
in inhibiting bacterial growth, as evidenced by the formation of significant inhibition zones.
Extracts obtained through various techniques also showed antibacterial activity, although
less than essential oil. In contrast, L. alba exhibited limited antibacterial activity, with
essential oil being the only extract form that generated a significant effect. Furthermore, the antimicrobial activity of L. graveolens essential oils of different chemotypes
was evaluated in Guatemala, revealing that the chemotype with the highest thymol content
was the most effective against A. hydrophila, with no synergistic, additive, or antagonistic
effects observed through the combination of different chemotypes.
Finally, in the third chapter, a study was conducted in which the essential oil of the L.
graveolens chemotype thymol was incorporated into the diet of juvenile tilapia to assess the
effects on growth, feed utilization, hematobiochemical parameters, intestinal and liver
histomorphometry, digestive enzymes, and bacterial challenge with A. hydrophila. The
results showed that the incorporation of the essential oil of L. graveolens thymol chemotype
improved growth, feed utilization, and fish health, without adverse effects on liver and
intestinal histology. Additionally, an increase in digestive enzyme activity and greater
resistance to A. hydrophila infection were observed.
This doctoral work focused on the challenges of bacterial diseases in the aquaculture of
tilapia in Guatemala. It showed that the essential oil of L. graveolens, with a high amount of
thymol, can be an effective and sustainable alternative to reduce antibiotic use, improve fish
growth and health, and improve resistance to infections. However, there is a need for
government regulations to control the indiscriminate use of antibiotics in aquaculture and
promote safer and more sustainable alternatives.
Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis en Gestión de Recursos Naturales) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2023.
2023-01-01T00:00:00Z