https://hdl.handle.net/2238/11452 Tue, 09 Jun 2026 01:53:57 GMT 2026-06-09T01:53:57Z https://hdl.handle.net/2238/18899 Arquitecturas microelectrónicas para aplicaciones de procesamiento numérico local Lozano-Rivera, Ana Clevis Los resultados de la investigación científica en ingeniería deben medirse en termino de sus efectos sobre el entorno, pues promueve el desarrollo no solo sustentable, sino que además, generan mejoras en las condiciones sociales y económica de la población actual y futura. En el caso particular de la investigación ingeniería, los resultados conducen, muchas veces, al desarrollo de nuevas tecnologías que inducen cambios sustanciales en la historia de la humanidad. Un ejemplo es la invención de los minúsculos circuitos integrados (ICs) de silicio, que trajo consigo la integración de miles de millones de transistores en un solo componente y, consecuentemente, el vertiginoso avance de los microprocesadores. El avance tecnológico ha impulsado la creación de complejos sistemas más compactos, robustos y eficientes que mejoran la vida cotidiana. Estos demuestran que la generación de conocimiento científico a través del método ingenieril es un mecanismo crucial de estructuración y dinámica social y, por ende, un factor que transforma la productividad mundial. El aumento en la capacidad de computación numérica derivada de la integración de 1CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 2 circuitos integrados junto con el estudio de los fenómenos naturales cotidianos, ha llevado a la formulación científica de los procesos mediante modelos no lineales, de difícil sino imposible resolución simbólica. Un ejemplo clásico de esta integración es la dinámica de f luidos, donde en los años sesenta, Edward Lorenz estudió el problema de convección, derivando el sistema de tres ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales [8]. Dicho estudio demostró que no eran necesarios múltiples formas para obtener estados complejos en f luidos, y que a pesar de conocer las condiciones iniciales, los sistemas deterministas son en principio predecibles. En la práctica esta predictibilidad puede ser difícil de obtener, debido a la sensibilidad frente a las condiciones de reposo del sistema, lo que vuelve los cálculos extremadamente pesados [9]. Para la solución de las ecuaciones diferenciales determinísticas que describen el comportamiento de un sistema natural con características específicas, se ha creado gran variedad de robustas herramientas computacionales. Dichas herramientas permiten implementar complejos algoritmos y definir criterios para evaluar su rendimiento y comportamiento. Estos criterios se centran principalmente en el uso eficiente de los recursos computacionales, que suelen medirse en función de dos parámetros: el espacio, es decir, memoria que utiliza, y el tiempo, lo que tarda en ejecutarse [10]. Ambos criterios representan los costos que supone encontrar una solución al problema planteado mediante un algoritmo. No obstante, el uso de la computación digital tradicional basada en microprocesadores de proceso general para el estudio de estos fenómenos —construidos siguiendo las arquitecturas inspiradas por Von Neumann [11, 12]—, ha conllevado la limitante de que muchos de los mismos deban llevarse a cabo en laboratorios o instalaciones dotadas del costoso equipo computacional especializado, y no necesariamente en el campo mismo, donde pueden ser de más utilidad. Una potencial solución alternativa para implementar los modelos matemáticos que describen un sistema no lineal son los procesadores digitales de señales (DSPs, del inglés CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 3 Digital Signal Processing), como apoyo a sistemas embebidos con procesadores de propósito general. Pero a medida que aumenta la complejidad en los algoritmos de procesamiento se requieren sistemas con mejor desempeño y de menor tiempo de ejecución. Los DSPs son altamente flexibles debido a su programabilidad, pero por su esquema secuencial, se ven limitados en aplicaciones de muy alta frecuencia (aquellas donde las tasas de muestreo superan el millón de muestras por segundo) [4]. De ahí el creciente interés en arquitecturas de procesamiento numérico local dedicadas y a la medida, que permitan una aplicación indirecta y en línea sobre el estudio del problema, sin limitantes por portabilidad y flexibilidad. Estas soluciones pueden implementarse ya sea sobre circuitos integrados de aplicación especifica (ASICs, del inglés Aplication Specific Integrated Circuit) o en Arreglos Lógicos Programables en Campo (FPGAs, del inglés Field-programmable Gate Array), incluso dotados de su propias unidades de DSP y de procesamiento general en un SoC (del inglés System on Chip). No obstante, en tamaño y velocidad los FPGAs son equiparables, en ciertos casos, a los ASICs, pero los FPGAs por ser más flexibles, tener un ciclo de diseño más corto y con herramientas de diseño más asequibles, se han convertido en la primera opción para los ingenieros [4]. Actualmente, los fabricantes de FPGAs compiten para optimizar al máximo la implementación de ciertas operaciones, como sumas y productos, para conseguir un rendimiento elevado con un mínimo costo de recursos. Los complejos algoritmos implementados en estas unidades dedicadas, pueden hacer uso intensivo de estas operaciones aritméticas sin perjudicar su desempeño [10]. Existen ejemplos de uso en aceleración de simulaciones numéricas tan complejas, como el modelado de redes neuronales biológicamente realistas, tal como los presentados en [13] (desarrollado en el laboratorio de diseño de circuitos integrados DCILab, de la Escuela de Ingeniería Electrónica del ITCR, en el que se llevó a cabo la misma tesis), que muestra precisamente las ventajas de este tipo de tecnologías para obtener rápidos resultados de manera eficiente. CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 4 En el caso particular de la presente tesis, se ha considerado la necesidad de aplicar el método iterativo (por iteraciones) de diseño en ingeniería para resolver dos problemas complejos de procesamiento numérico, aplicados en sistemas robustos que deben trabajar en ambientes industriales y, de ser posible, estar implementados en una FPGA verificando la factibilidad de integrarse en un ASIC, de bajo consumo de potencia. Con esta premisa en mente la tesis se ha centrado en el análisis de dos problemas reales particulares: por un lado, a la problemática de la localización de un objeto móvil en un ambiente industrial altamente ruidoso, tal como el esperado en una instalación portuaria o industrial, con decenas de operarios y de máquinas automatizadas que deben mover o procesar gran cantidad de material con el mínimo riesgo para las personas involucradas. Cabe aquí anotar que este problema fue el que dio inicio a esta tesis, enmarcada dentro del proyecto internacional denominado “3D Gigascale Integrated Circuit for Nonlinear Computation, Filter and Fusion with applications in Industrial Field Robotics” [2], financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica de Argentina, en el cual participaban destacados investigadores de Argentina, Estados Unidos, Australia y Costa Rica, el cuál incluía los fondos necesarios para la fabricación de los prototipos ASIC. Este proyecto se nutría de la experiencia del DCILab no solo en desarrollo en FPGAs, tal como ya se vio en [13], así como en múltiples aplicaciones ya integradas en silicio, como las descritas en [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21], algunas de las cuales se retomarán más adelante como base para las soluciones que se propondrán en esta tesis. Sin embargo, dicho proyecto se vio afectado por la crisis económica Argentina, lo que impidió al final contar con los fondos esperados, y obligo a reorientar parcialmente la tesis. Por otro lado, a consecuencia de los buenos resultados obtenidos en la pasantía de investigación, realizada como parte de los requisitos del programa de doctorado, se determinó la importancia de desarrollar un sistema local para la estimación de parámetros eléctricos de un sistema fotovoltaico, que permite el monitoreo en tiempo real de la potencia suministrada, con miras a la administración automática de una red inteligente compuesta por decenas o centenas de paneles CAP´ ITULO 1. INTRODUCCI´ ON 5 solares. El reto al que se enfrentó ´esta tesis fue por tanto establecer una metodología para implementar los dos sistemas, que por estar descritos mediante ecuaciones diferenciales no lineales presentan un alto grado de complejidad algorítmica. Además, aprovechar las capacidades de procesamiento numérico de las arquitecturas a gran escala VLSI (del inglés, Very Large Scale Integration), ya sea implementadas en una FPGA o en un ASIC, para ofrecer soluciones que sirvan de base para la construcción de sistemas de producción y generación más eficientes, seguros y confiables–incluso en términos energéticos– brindando así un mejoramiento en las condiciones existenciales de la humanidad. Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis Tecnologías Electrónicas Aplicadas) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2019. Tue, 01 Jan 2019 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/2238/18899 2019-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/2238/18898 Diseño de un proceso para la obtención de compuestos bioactivos con capacidad antioxidante a partir de cultivos celulares de mora (Rubus adenotrichos Schltdl.) en biorreactor Schmidt-Durán, Alexander Los antioxidantes son compuestos que pueden neutralizar los radicales libres. El cuerpo humano produce antioxidantes de forma natural; sin embargo, en ciertas condiciones, estos no son suficientes para contrarrestar el efecto de los radicales libres, por lo que se hace necesario suplementarlos a través de la alimentación. La mora ha sido catalogada como una fruta con alta capacidad antioxidante, debido principalmente a su contenido de elagitaninos. Los elagitaninos son polifenoles que, al ser metabolizados por la microbiota intestinal se transforman en urolitinas, las cuales presentan una alta biodisponibilidad y funcionan como potentes agentes antioxidantes. Sin embargo, los estudios de los compuestos bioactivos en la mora se han centrado en la fruta o el jugo, pero hay poca investigación científica usando herramientas biotecnológicas. Por esta razón, el objetivo de este proyecto doctoral fue diseñar un proceso para la obtención de compuestos bioactivos con capacidad antioxidante a partir de cultivos celulares de mora obtenidos en biorreactor. Primeramente, se realizó una búsqueda y análisis de todos los trabajos disponibles sobre la mora (Rubus adenotrichos Schltdl.). En el documento de revisión, se evidenció la alta concentración de elagitaninos que posee la fruta de mora; las diferencias existentes entre diferentes especies y variedades de mora; así como la influencia que tienen las condiciones ambientales en la acumulación de los metabolitos de interés. Además, se documentó cómo los elagitaninos sufren degradación en el procesamiento para la obtención de jugo, especialmente por fenómenos relacionados con el aumento de la temperatura, por lo que diferentes investigadores generaron estrategias de concentración de los metabolitos de interés sin la intervención de calor. No obstante, a pesar de que existe degradación de los compuestos de la mora, éstos mantuvieron su actividad biológica in vitro, mostrando efectos antioxidantes y antiinflamatorios, así como generando apoptosis celular en líneas celulares cancerígenas. Además, en las pruebas in vivo que se han realizado, el jugo de mora evidenció potencial para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares. Los trabajos realizados hasta la fecha demuestran el alto potencial que esta fruta tiene como agente antioxidante, pero a su vez, también evidenció la poca investigación en esta especie utilizando herramientas biotecnológicas. Seguidamente, se estableció el cultivo de las células de mora en matraz Erlenmeyer, determinando el tipo de tapón y le medio de cultivo donde se obtuvieron las mayores concentraciones de ácido elágico y vanillina. Para esto, se estandarizó las metodologías de extracción y cuantificación de los compuestos de interés. Se trabajó con la técnica de polifenoles totales por Folin-Ciocalteu, la capacidad antioxidante mediante el radical libre DPPH y la cuantificación de compuestos específicos de interés mediante el uso del UHPLC. Se determinó que tres extracciones a las células de mora liofilizadas con metanol al 100% como solvente, era el método donde se obtenía las concentraciones más altas de los metabolitos estudiados. Se eligió el tapón de algodón para los cultivos en los matraces Erlenmeyer, debido a que resultó el más adecuado para el crecimiento de los cultivos. Además, se evaluaron seis medios de cultivo distintos, obteniendo que el medio Gamborg, suplementado con 6-benciladenina, ácido indol-3-butírico y fuentes de nitrógeno orgánicas como la L-glutamina y la caseína hidrolizada fue el que más favoreció la producción de ácido elágico y vanillina. Por último, se establecieron las condiciones para los cultivos celulares de la mora en biorreactor de tanque agitado. Se observó que el estrés hidrodinámico es un factor que afecta significativamente a las células de mora, ya que al utilizar un impulsor turbina Rushton, el cual provoca un mayor estrés hidrodinámico, ocasionó una disminución de la biomasa obtenida, principalmente por los daños letales que se produjeron. Sin embargo, también se producen daños subletales, los cuales activan metabolismos de defensa en la célula, especialmente los relacionados con el estrés oxidativo, lo cual pudo haber sido la causa de que en este tipo de impulsor se obtuviera una mayor síntesis de ácido gálico, ácido elágico y vanillina, en comparación con el impulsor de propela marina. Adicionalmente, se pudo comprobar que los polifenoles estudiados también son degradados por procesos de concentración térmica como el rotavapor. Se logró demostrar que es factible producir compuestos bioactivos con capacidad antioxidante a partir de cultivos celulares de mora (Rubus adenotrichos Schltdl.) aceptando la hipótesis propuesta con el proyecto doctoral. Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis en Sistemas de Producción Agrícola) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2023. Sun, 01 Jan 2023 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/2238/18898 2023-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/2238/18897 Diseño de un alimento funcional enfocado en la reducción de índice glicémico elaborado con maíz y fríjol Mejía-Terán, Adriana Luzely La prevalencia actual de enfermedades crónicas no transmisibles exige la promoción de dietas equilibradas. En consecuencia, materias primas de alto consumo, como el maíz, que tiene un valor cultural, y el frijol, con un alto valor nutricional, juegan un papel fundamental en la seguridad alimentaria y la nutrición, siendo clave en el diseño de nuevos alimentos. Esta investigación tuvo como objetivo desarrollar un alimento funcional a base de maíz y frijol, centrado en la reducción del índice glicémico, fundamentado en las interacciones entre almidón y proteína, así como sus propiedades tecnológicas, fisicoquímicas y sensoriales. Este estudio se dividió en dos fases, la primera, se enfocó en estudiar las harinas de maíz y frijol. Y la segunda, en el diseño de un alimento funcional enfocado en la reducción del índice glicémico, a partir de las harinas de estos productos. En la harina de frijol se evaluó el impacto del tamaño de partícula y de tres pretratamientos sobre el índice glicémico: deshidratado (D), remojo seguido de cocción y deshidratación durante 3 horas (RCD3), remojo seguido de cocción y deshidratación durante 24 horas (RCD24), y harina cruda (C). En el caso de la harina de maíz, se evaluaron las propiedades funcionales con diferentes tamaños de partícula en tres cultivares de importancia productiva en Colombia: Advanta, Leptra y Porva. La metodología de la primera fase abarcó la determinación del índice de absorción de agua (IAA), índice de solubilidad en agua (ISA), el contenido de amilosa, la digestibilidad del almidón, la estimación del índice glicémico (eIG) y propiedades reológicas de las harinas. Complementariamente, se cuantificó la composición fenólica del frijol y se determinaron la capacidad de retención de agua (CRA), el índice de actividad de emulsificación (IAE) y la concentración mínima de gelificación (CMG) del maíz. Los resultados mostraron que, para la harina de frijol, el IAA se correlaciona negativamente con ISA y amilosa, presentando diferencias estadísticamente significativas entre pretratamientos y tamaños. La liberación de glucosa difirió entre las fracciones finas (125 µm) y gruesas (242 µm), mientras que la fracción gruesa de RCD24, presento el eIG más bajo (22.8). RCD3 presentó la mayor concentración de flavonoides. RCD24 mostró módulos elásticos/viscosos más altos que C. Las harinas de todos los pre-tratamientos tuvieron un IG bajo con contenidos de polifenoles bioactivos tales como catequina, epicatequina, ácido ferúlico, quercetina. El tratamiento óptimo fue RCD24, particularmente en la fracción gruesa, que mostró potencial para el diseño de alimentos funcionales. En cuanto a la harina de maíz, los resultados revelaron diferencias en IAA y el ISA, entre los tamaños de partículas de las harinas de Advanta y Leptra, principalmente. Así mismo, se observaron diferencias en el contenido de amilosa entre los cultivares, sin diferencias entre los tamaños de partícula. En particular, no mostraron diferencias en el eIG entre sus fracciones. el cultivar Advanta (174.4 µm) presentó el eIG más bajo (32,21). Otros hallazgos incluyeron CRA de 1.93 g/g, IAE de 40.55 m2/g y CMG de 12%. La caracterización reológica indicó un comportamiento no newtoniano y pseudoplástico. Este estudio presentó una harina de maíz con alto contenido de almidón resistente-AR y bajo índice glicémico con propiedades funcionales. A partir de los resultados de la primera fase, se seleccionó la fracción gruesa de RCD24 y la harina de maíz Advanta para el diseño del alimento funcional, debido a que presentaron el menor eIG. A partir del análisis de las características tecno-funcionales, se seleccionó la matriz alimentaria y se determinó la formulación para la preparación de una galleta con diferentes proporciones de incorporación de harina (maíz:frijol): 85:15 (C:B15), 70:30 (C:B30), 55:45 (C:B45) y 40:60 (C:B60), tomando como control, la preparación de galletas usando harinas en un 100% de maíz (C) y trigo (W). Las galletas fueron evaluadas en términos de propiedades funcionales (eIG), nutricionales (cuantificación de aminoácidos y compuestos fenólicos) y sensoriales (perfil sensorial y análisis de textura instrumental). En esta fase, los resultados mostraron que la incorporación de harina de frijol redujo la hidrólisis del almidón, resultando en galletas clasificadas como alimentos de bajo IG (27.58-40.72). En las muestras C:B45 y C:B60 se destacaron los aminoácidos lisina y arginina, así como compuestos fenólicos como catequina, epicatequina, quercetina y ácidos fenólicos, que resistieron el proceso de horneado. La adición de harina de frijol aumentó la dureza de las galletas en comparación con C, mientras que la resistencia a la rotura de C:B45 fue similar a la de W. Los resultados de la perfilación sensorial indicaron que las muestras C:B45 y C:B60 no mostraron diferencias significativas en los descriptores en comparación con los controles (C-W). Según los parámetros analizados, la adición de hasta un 60% de harina de frijol logró un equilibrio entre las propiedades nutricionales, bioactivas y sensoriales de las galletas. Este estudio ofrece una guía para el desarrollo de una opción alimentaria sin gluten, con bajo índice glicémico y valor nutricional agregado. Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis en Sistemas de Producción Agrícola) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2024. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/2238/18897 2024-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/2238/18896 Determinación de la eficiencia del uso del agua a diferentes ámbitos de succión en el suelo para el cultivo de cebolla (Allium cepa) c.v. Álvara establecido en invernadero Chavarría-Vidal, Adrián Enrique El cambio climático afecta de manera directa la disponibilidad del recurso hídrico, el cual es finito y según la región geográfica también es escaso. Por lo anterior se hace necesario entender y cuantificar el impacto sobre los diferentes sistemas de producción agrícola. Una herramienta para ello es la estimación del uso del agua y sus efectos sobre la producción de biomasa, la producción comercial, la absorción de nutrientes minerales, la absorción de CO2 y la respectiva producción de glucosa y la rentabilidad del sistema productivo. El objetivo general consistió en valorar el comportamiento del cultivo de cebolla en invernadero ante el déficit hídrico establecido por medio de ámbitos crecientes de succión del agua en el suelo en un intervalo de -5 a -45 kPa. El sistema de riego utilizado fue por goteo que se aprovechó para aplicar los fertilizantes (fertirriego) . Se emplearon macetas de 44 litros de capacidad y rellenos con un suelo derivado de cenizas volcánicas (Vitrands). Se instalaron en las macetas tensiómetros mecánicos y electrónicos para mantener durante el ciclo productivo los ámbitos de succión de agua en el suelo evaluados. Para el análisis estadístico se aplicó un diseño experimental totalmente aleatorio, además se calcularon los índices de rentabilidad. En el ámbito de succión de agua en el suelo de -5 a -15 kPa (el menor de los ámbitos evaluados) se hallaron las mayores absorciones de macroelementos, la mayor eficiencia agrícola del agua (21,41 kg bf m-3 agua) y la mayor producción de glucosa gruesa (20,95 ton m-3 agua haefectiva -1 ). El uso consuntivo del agua total para el ciclo productivo de la cebolla en invernadero fue de 452,5 mm. Los coeficientes de cultivo (kc) según las formulaciones de Ivanov y de Camargo fueron los que mejor estimaron la evapotranspiración real, con kc de 0,92 y 0,90 respectivamente.; Climate change directly affects the availability of water resources, which are finite and, depending on the geographic region, also scarce. Therefore, it is necessary to understand and quantify the impact on the different agricultural production systems. One tool for this is the estimation of water use and its effects on biomass production, commercial production, the absorption of mineral nutrients, the absorption of CO2 and the respective production of glucose and the profitability of the production system. The general objective was to assess the behavior of onion cultivation in a greenhouse in the face of water deficit established through increasing levels of water suction in the soil in an interval of - 5 to -45 kPa. The irrigation system used was drip, which was used to apply fertilizers (fertigation). Pots with a capacity of 44 liters and filled with a soil derived from volcanic ash (Vitrands) were used. Mechanical and electronic tensiometers were installed in the pots to maintain the evaluated soil water suction areas during the production cycle. For the statistical analysis, a completely randomized experimental design was applied, and profitability indices were also calculated. In the range of water suction in the soil from -5 to -15 kPa (the lowest of the ranges evaluated) the highest absorptions of macro elements were found, the highest agricultural efficiency of water (21.41 kg bf m-3 water) and the greatest production of gross glucose (20.95-ton m-3 water haeffective -1 ). The consumptive use of total water for the onion production cycle in the greenhouse was 452.5 mm. The crop coefficients (kc) according to the Ivanov and Camargo formulations were the ones that best estimated the real evapotranspiration, with kc of 0.92 and 0.90 respectively. Tesis (Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo con énfasis en Sistemas de Producción) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia, Universidad Nacional, Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo, 2024. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/2238/18896 2024-01-01T00:00:00Z