ACTAS DE LA III JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A

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1 ACTAS DE LA III JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A Junio 2014, Vol. 2. ISSN Número dedicado a la III Jornada de Jóvenes Investigadores I3A

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3 PROGRAMA 2014 III Jornada de Jóvenes Investigadores del I3A 29 de mayo de 2014 PROGRAMA 09:00 Inauguración 09:15 Panorámica de la inves gación en el I3A 09:45 Charla inaugural 10:30 Pausa café 11:00 División de Ingeniería Biomédica 11:45 División de Procesos y Reciclado 12:30 División de TICs 13:30 Cierre de la Jornada y presentación del proyecto TAMA Sala de Conferencias Ed. I+D+i, Campus Río Ebro #jovenesi3a

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5 JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) Mariano Esquillor s/n Edif. I+D+i (Campus Río Ebro) Zaragoza Dirección editorial: Consejo editorial: Ignacio Garcés José Antonio Bea Mario Maza Carlos Orrite José Ángel Peña

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7 ÍNDICE Introducción/presentación 8 División de Ingeniería Biomédica Biomechanics of the Cornea Assessed by the CorVis ST Device: a Numerical Approach, Miguel Ángel Ariza, José F. Rodríguez, Begoña Calvo Comportamiento de índices no lineales de variabilidad del ritmo cardiaco al inhibir el sistema nervioso autónomo, Juan Bolea, Esther Pueyo, Pablo Laguna, Raquel Bailón QRS Detection Optimization in Stress Test Recordings Using Evolutionary Algorithms, David Hernando, Raquel Bailón, Rute Almeida, Alfredo Hernández Caracterización de la fatiga muscular en músculos con diferente metabolismo fibrilar. Un estudio experimental in vitro, Marta Sierra, Mª Jesús Muñoz, Jorge Grasa In-situ Mechanical Characterization of Abdominal Muscle Using Stereo Imaging, Raquel Simón-Allué, Antonio Agudo, J.M.M. Montiel, Begoña Calvo División de Procesos y Reciclado Influence of SO 2 on the Fuel Conversion Scheme. Implication for Soot Emissions, María Abián, Ángela Millera, Rafael Bilbao, Mª Ujué Alzueta Oxidación de 2,5-dimetilfurano en un reactor de flujo, Katiuska Alexandrino, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Mejora de las propiedades del lodo de EDAR mediante torrefacción en un reactor de tornillo sinfín, M. Atienza-Martínez, J.F. Mastral, J. Ábrego, J. Ceamanos, G. Gea Producción de hidrógeno usando la fracción cetónica de bio-oil en un reactor de lecho fijo, Paul Durán, Pilar Tarifa, Jorge Plou, Javier Herguido, José Ángel Peña Aplicación de las cenizas de lodos de depuradora para la eliminación de H2S de un gas a alta temperatura, Noemí Gil, José Luis Sánchez, Maria Benita Murillo, Gloria Gea Effect of the Tube Bundle Configuration on the Experimental Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor Hydrodynamics, Ignacio Julián, Fausto Gallucci, Martin van Sint Annaland, Javier Herguido, Miguel Menéndez Aromatización de metano sobre Mo/HZSM-5/bentonita: Reactor de lecho fluidizado convencional frente a reactor de lecho fluidizado de dos zonas, J. Lasobras, J. Soler, J. Herguido, M. Menéndez Methyl Formate: an Experimental and Kinetic Study of its Oxidation at High-Pressure, Lorena Marrodán, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Producción de hidrógeno a partir de bio-oil sintético mediante steam-iron en lecho fijo, Jorge Plou, Paúl Durán, Javier Herguido, José Ángel Peña Pirólisis de purines de cerdo utilizando TG-DSC, Violeta Quispe, Javier Ábrego, María Benita Murillo, Gloria Gea, María Atienza Análisis de la Formación de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH), sus derivados Oxigenados y Hollín en la Pirólisis de Compuestos Oxigenados usados como Aditivos a Combustibles, Fausto Viteri, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Valorización de glicerol para obtener hidrógeno en diferentes tipos de reactores, Míriam Yus, Jaime Soler, Javier Herguido, Miguel Menéndez 44-45

8 División de TICs Modulación duobinary en aplicaciones SI-POF, J. Aguirre, C. Sánchez-Azqueta, E. Guerrero, C. Gimeno, S. Celma Optimización de parámetros para modulación Nyquist óptica y comparación con OFDM óptica, José A. Altabás, Jose A. Lázaro, Félix Sotelo, Ignacio Garcés A Double Loop Continuous-Time Adaptive Equalizer, Cecilia Gimeno, Guillermo Royo, Erick Guerrero, Carlos Sánchez-Azqueta, Concepción Aldea, Santiago Celma Ecualizador adaptativo multi-rate en tiempo continuo para comunicaciones serie de alta velocidad, Erick Guerrero, Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez, Javier Aguirre, Santiago Celma Arquitectura de Transmisión con Sintetizador de Impedancias para la Mejora de la Eficiencia y de la Linealidad, José-Ramón Pérez Cisneros, Paloma García Dúcar, Pedro Carro, Jesús de Mingo Sanz D Real-Time Reconstruction using the Cloud, L. Riazuelo, J. Civera, J. M. M. Montiel Researching Context-Aware Recommendation Systems in Mobile Environments, María del Carmen Rodríguez-Hernández, Sergio Ilarri Distributed Data Processing in Vehicular Networks using Mobile Agents, Óscar Urra, Sergio Ilarri 61-62

9 Presentación El Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) celebró sus primeras Jornadas de Jóvenes Investigadores del I3A (J2I4A) en Mayo de Su objetivo era dar a conocer la investigación llevada a cabo por los jóvenes investigadores que desarrollan su trabajo dentro del marco del Instituto, y que son el presente y el futuro de nuestra investigación. La experiencia fue acogida con entusiasmo, lo que llevó a una segunda edición de las J2I4A el 16 de mayo de 2013 y posteriormente, el 29 de Mayo de 2014, en que tuvo lugar su tercera y última edición. Este libro recoge las principales aportaciones presentadas por los jóvenes investigadores del Instituto. Esta tercera jornada contó con la presencia del Vicerrector de Política Científica de la Universidad de Zaragoza, Dr. Luis Miguel García Vinuesa, quien manifestó su apoyo a este tipo de iniciativas, y la de la investigadora y emprendedora Dra. Mercedes Balcells, quien nos ofreció una interesantísima charla acerca de su dilatada experiencia como investigadora que compagina, tanto en el Instituto Químico de Sarriá (IQS), como en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), su experiencia en la generación y dirección del Programa MIT-Spain y su actividad emprendedora a través de la empresa Regenear. El formato de las jornadas fue similar al de la pasada edición: Se seleccionaron 4 charlas por división para su presentación oral. La falta de trabajos suficientes por parte de la División de Tecnologías Industriales originó que no hubiera sesión dedicada a la citada División. Así, se seleccionaron 12 trabajos del total de 29 presentados. Asimismo se decidió otorgar un reconocimiento especial para tres de los ponentes por la calidad tanto de sus trabajos como de sus exposiciones: Miguel Ángel Ariza (AMB) por la División de Ingeniería Biomédica, Luis Riazuelo (RoPERT) por la División de TICs, y Miriam Yus (CREG) por la División de Procesos y Reciclado. Por último, y al igual que hicimos en la pasada edición, todas las contribuciones recibidas (salvo dos de ellas por motivos de confidencialidad de los trabajos) se recogen en este libro que podrá ser consultado también a través de la web del Instituto ( Nuestra apuesta por dar a conocer la actividad investigadora de nuestros jóvenes investigadores no acaba aquí y será reiterada el año próximo. Desde aquí, quiero dar las gracias a los jóvenes investigadores de nuestro Instituto que han participado y contribuido con su entusiasmo al desarrollo de esta Jornada. Ignacio Garcés Director del I3A

10 DIVISIÓN DE INGENIERÍA BIOMÉDICA

11 Biomechanics of the Cornea Assessed by the CorVis ST Device: a Numerical Approach Miguel Ángel Ariza, José F. Rodríguez, Begoña Calvo Applied Mechanics and Bioingeneering (AMB) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , @unizar.es Abstract To evaluate by means of finite element modeling the influence of tissue properties of the cornea on its deformation response when an air jet is applied onto its surface and, according to this, to discuss the clinical interpretation of these measurements in terms of corneal biomechanical behaviour. Material and methods A patient-specific finite element model of the eye was developed for our simulations. Corneal geometry data obtained with the PENTACAM system from OCULUS in a healthy cornea were used. Specifically, anterior and posterior surface point clouds were used. The model has been built by scripting a fitting algorithm, which uses quadric surfaces for adjusting point clouds. The family of ocular collagen fibres were defined for applying three anisotropic hyperelastic materials 1 of different stiffness, which were simulated afterwards: high, intermediate and low (Figure 1). The material with the lowest stiffness simulated a keratoconus cornea. The influence of intraocular pressure (IOP) was studied by considering three pressure levels: 10, 19 and 28 mmhg. The value of 19 mmhg was the real patient's IOP measured with a Goldmann contact tonometer. Results The deformed configuration of the cornea subjected to an air flow pressure as well as stress and strain fields were computed for each material stiffness and IOP (Figure 2). The maximum displacement of apex, within the physiological range ( mm), showed a linear variation with IOP 2, with the largest apex displacements for the lowest IOP values. In contrast, maximum apex displacement showed a non-linear relation with tissue stiffness (Figure 3). In general, the cornea only affected by IOP is under traction stress (membrane tensional state), but when it is subjected to air-flow pressure, the anterior surface is under compression whereas the posterior surface is under tension, and therefore the cornea experiences bending. This implies that collagen fibres in the anterior surface do not contribute to load bearing. Conclusions Non-contact tonometry devices, such as CorVis ST or Ocular Response Analyzer, mainly evaluates the corneal deformation response (applanation and maximum displacement) as a consequence of the delivery of an air flow pressure over the corneal apex area 3. This deformation depends on the mechanical properties of corneal tissue, IOP and corneal thickness, and consequently the evaluation separately of the contribution of each factor is not possible. Thus, a cornea with high stiffness and low IOP may show the same deformation response as a cornea with low stiffness and high IOP. In addition, systems based on non-contact tonometry for characterizing corneal biomechanics evaluates the mechanical response of the cornea under bending and, therefore, the membrane behaviour of the cornea is only evaluated, as in a traction or inflation test. These results show that a complete corneal biomechanical characterization would require more than one test for analysing independently the membrane and bending behaviour of the cornea. Funding From the European Union s Seventh Framework Programme managed by REA Research Executive agency (FP7/ ) under Grant Agreement nº FP7-SME and the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (DPI C02-01). References [1]. HOLZAPFEL, G.A., GASSER, T.C. and OGDEN, R.W. A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. Journal of Elasticity and the Physical Science of Solids. 2000, 61(1-3), [2]. KLING, S. and MARCOS, S. Contributing factors to corenal deformation in air puff measurements. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 2013, 54(7), [3]. HONG, J., XU, J., WEI, A., DENG, S.X., CUI, X., YU, X. and SUN, X. A new tonometer--the CorVis ST tonometer: clinical comparison with noncontact and Goldmann applanation tonometers. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 2013, 54(1),

12 Figure 1. a) Family of collagen fibres definition (Green/Red Perpendicular cross-linked collagen net of cornea; Blue Circumferential collagen net of limbus). b) FEM model of eyeball formed by 20-node hexahedron elements (White - Sclera; Dark Blue - Limbus; Light Blue - Cornea) Figure 2. a) Maximum displacement of corneal apex [mm] at high concavity time. b) Maximum hoop stress [MPa] at High Concavity time. (Note: Both computed for intermediate material and IOP=19 mmhg) Figure 3. a) Apex Displacement Intra Ocular Pressure dependence varying material and IOP parameters. b) Stress-Strain material behaviour depending on tissue stiffness 11

13 Comportamiento de índices no lineales de variabilidad del ritmo cardiaco al inhibir el sistema nervioso autónomo Juan Bolea 1,2, Esther Pueyo 2,1, Pablo Laguna 1,2, Raquel Bailón 1,2 1 Grupo de Tecnologías de la Comunicación (GTC) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , jbolea@unizar.es 2 Centro de Investigación Biomédica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN) Abstract Indices no lineales, basados en la teoría del caos, vienen siendo aplicados al estudio de la variabilidad del ritmo cardiaco en las últimas décadas como alternativa a los índices lineales tradicionalmente empleados para la cuantificación de información clínica relevante. El presente estudio analiza la interpretación fisiológica de varios de estos índices no lineales a partir de registros electrocardiográficos en los que se bloquea alternativamente una de las ramas del sistema nervioso autónomo (simpática o parasimpática) mediante el uso de fármacos. Introducción El estudio de la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV, del inglés Heart Rate Variability) es una técnica no invasiva que permite evaluar la regulación de la actividad cardiaca por el sistema nervioso autónomo. En [1] se estandariza el uso e interpretación fisiológica de algunas técnicas de análisis de la HRV. Entre ellos se encuentran los métodos lineales, principalmente características temporales (como la media y la desviación estándar), y frecuenciales. Para el análisis espectral se definen dos bandas frecuenciales, LF (Low Frequency) ( Hz) relacionada con las modulaciones simpática y parasimpática y HF (High Frequency ( Hz) relacionada fundamentalmente con la actividad parasimpática. En las últimas décadas el uso de índices no lineales basados en la teoría del caos, como approximate entropy (ApEn) [2] y correlation dimension (D 2 ) [3], está siendo cada vez más extendido. Estudios previos [4] han demostrado que la combinación de estos índices con los clásicos proporciona un incremento en la capacidad estratificadora del análisis de HRV en el contexto de distintas patologías. Sin embargo, la relación de los índices no lineales y los mecanismos fisiologícos subyacentes no está bien establecida. En este trabajo, se estudian los índices no lineales ApEn y D 2 en sujetos a los que se les inhibe selectivamente una de las ramas del sistema nervioso autónomo. Los índices frecuenciales servirán como referencia para evaluar los cambios provocados por los bloqueos en los índices no lineales basados en caos. Asimismo, se proporcionará una interpretación fisiológica de dichos cambios. Base de datos La base de datos seleccionada está formada por 13 sujetos (19-38 años) sanos, sin histórico previo de enfermedad cardiopulmonar, a los que se les inhibió parcialmente el sistema nervioso autónomo mediante dos fármacos. A 7 de ellos se les administró atropina (0.03 mg/kg) como bloqueador del sistema parasimpático (G-A) mientras que al resto se les inhibió el sistema simpático con una dosis de propranolol (0.2 mg/kg) (G-P). Se les registró el electrocardiograma (ECG) durante 7 minutos (con una frecuencia de muestreo de 360 Hz), primero en condiciones de control y posteriormente trás 10 minutos de haber sido administrado el fármaco. Ambos registros se realizaron con el sujeto en posición supina. Una descripción más amplia acerca de esta base de datos puede encontrarse en [5]. Series y análisis de HRV Una baja frecuencia de muestreo en la señal ECG puede producir que la determinación de la posición de los latidos esté desplazada unas pocas muestras, añadiendo variabilidad espuria no deseada. Para reducir este problema se interpolaron las señales ECG a 1080 Hz, antes de la aplicación del detector de QRS. Los latidos se detectaron mediante una técnica basada en la transformada wavelet, obteniéndose las posiciones de los latidos, t i. Con éstas se computó el tacograma cardiaco, que se define como la serie de intervalos de tiempo entre 12

14 un latido, t i y el anterior, t i-1. Utilizando el modelo IPFM (del inglés, integrated pulse frequency modulation) sobre el tacograma se estimó la señal moduladora del ritmo, que se considera que representa la acción del sistema nervioso autónomo, y por tanto es de utilidad para el estudio de la HRV. Esta señal moduladora se interpoló a 4Hz y se utilizó para extraer las características frecuenciales de la HRV. Por otro lado, los índices no lineales, ApEn y D 2, usan la serie de RR para caracterizar al sistema que genera la serie en términos de regularidad y de complejidad, respectivamente. ApEn fue calculada siguiendo el trabajo de [2], con m = 2 y r = 0.15STD, siendo m la dimensión de los vectores reconstruidos, r la tolerancia y STD la desviación estándar. Para el cómputo de D 2, nos basamos en [3], que introduce el uso de sigmoides para ajustar las curvas de sumas de correlación. En este caso m max = 16 y r [0.01 3]STD en pasos de 0.01STD. El análisis de HRV se realiza en los 5 últimos minutos de cada registro de ECG. El test estadístico de Wilcoxon se aplica para ver cambios significativos comparando los índices en control y con el bloqueo autonómico correspondiente. Los resultados obtenidos mediante el análisis frecuencial y los métodos no lineales se muestran en la Tabla 1. Discusión y conclusiones La administración de propranolol produce una inhibición del sistema simpático. Las potencias en LF y HF no experimentan cambios pese al bloqueo. Por otro lado en los índices no lineales se observan tendencias de cambio. Sin embargo estos cambios no tienen significancia estadística. Estos resultados pueden deberse a que la actividad simpática en posición supina está inhibida siendo inapreciable el efecto del fármaco. Cuando el sistema parasimpático es el inhibido por la administración de la atropina, los cambios en todos los índices son significativos hacia una reducción de su valor. La casi ausencia de la alta frecuencia en la señal de variabilidad se traduce en una variabilidad más regular y menos compleja. Pese al reducido número de sujetos considerados en este trabajo, lo que supone una limitación en los análisis estadísticos, se observan tendencias de cambio en los índices no lineales por efecto de los cambios en el sistema nervioso autónomo. Un estudio más extenso sobre esta misma base de datos, considerando otras posiciones de los sujetos así como distintas combinaciones en la administración de fármacos, contribuirá a proporcionar una mejor interpretación de los índices no lineales estudiados. REFERENCIAS [1]. TASK FORCE OF ESC and NASPE. Heart rate variability, standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Circulation. 1996, 93(5), [2]. PINCUS, S. and SINGER, B.H. Randomness and degrees of irregularity. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1996, 93(5), [3]. BOLEA, J. et al. Methodological framework for estimating the correlation dimensión in HRV signals. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2014, [4]. ALETTI, F. et al. Heart rate variability in children with cyanotic and acyanotic congenital heart disease: Analysis by spectral and non-linear índices. In: Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Annual International Conference of the IEEE. New York: IEEE, 2012, pp [5]. SAUL, J.P. et al. Transfer function analysis of the circulation: unique insights into cardiovascular regulation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 1991, 261(4), H1231- H1245. Tabla 1. Resultados de los índices frecuenciales y no lineales evaluados en el estudio de HRV. Los valores están representados por mediana ± rango intercuartílico.* p < 0.05 mediante el test estadístico de Wilcoxon respecto de la condición de control. G-P (N = 6) G-A (N = 7) Control Propranolol Control Atropina PLF [adim] ( 10-5 ) 186 ± ± ± ± 18 * PHF [adim] ( 10-5 ) 129 ± ± ± ± 2.98 * ApEn(2,0.15) 0.85 ± ± ± ± 0.20 * D ± ± ± ± 0.63 * 13

15 QRS Detection Optimization in Stress Test Recordings Using Evolutionary Algorithms David Hernando 1,2, Raquel Bailón 1,2, Rute Almeida 3,1,2, Alfredo Hernández 4 1 GTC (Grupo de Tecnologías de las Comunicaciones) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , dhernand@unizar.es 2 CIBER Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Spain. 3 Centro de Matemática da Universidade do Porto (CMUP), Univ. do Porto, Porto, Portugal. 4 INSERM, U642, Rennes, F-35000, France, and Université de Rennes 1, LTSI, Rennes, F-35000, France. Abstract QRS detection in exercise stress test recordings remains a challenging task because they are highly non-stationary and contaminated with noise. An algorithm to find the optimal set of parameters for QRS detection in these recordings is proposed. The performance improves up to % in noisy recordings. Introduction Analysis and interpretation of heart rate variability (HRV) during exercise remains today as one of the main open problems in the field of treatment of cardiovascular signals. The difficulty is mainly due to the highly non-stationary nature of the signals acquired during exercise and the very high levels of noise in this context. Detecting each beat and delineating the waves for each detected beat therefore become very complex. The main objective of this project is the development of a robust algorithm for QRS detection in noisy and nonstationary electrocardiogram (ECG) recordings, applicable to stress testing. Laboratories from Zaragoza (BSICoS) and from Rennes (LTSI) worked for several years on methods to address this problem [1, 2]. This project represents the first approach to integrate these different methods to produce a joint robust method. Materials and methods Databases A training database was created using the MIT-BIH Arrhythmia Database, which contains 48 half-hourlength ECG recordings with manually-annotated QRS complexes. Each ECG recording is artificially contaminated with 3 types of real noise recordings. These recordings of noise were made using physically active volunteers and standard ECG recorders, leads, and electrodes; the electrodes were placed on the limbs in positions in which the subjects' ECGs were not visible. The three noise records were assembled from the recordings by selecting intervals that contained predominantly baseline wander, muscle artifact, and electrode motion artifact. Electrode motion artifact is generally considered the most troublesome, since it can mimic the appearance of ectopic beats and cannot be removed easily by simple filters, as can noise of other types. The signal to noise ratio during the noisy segments of these records were as low as - 6 db. A second stress test database is used for evaluation. This database includes 54 real ECG signals, which were continuously recorded throughout baseline, exercise (ergocycle) and recovery phases. Also, the QRS complexes are manually-annotated to use as a reference. Parameter optimization Parameter optimization was addressed by an evolutionary algorithm. These optimization algorithms are particularly adapted to problems involving cost functions that are not differentiable and presenting multiple local minima. An initial population was created, consisting of 100 individuals. Each individual was represented as a different set of values for the parameters which are going to be optimized. A cost function combining the detection error probability, the mean detection jitter, and its standard deviation was defined, in order to obtain a quantitative performance evaluation of the detector using the training database. In each iteration of the algorithm, the best individuals are selected using a function based on the normalized geometric distribution. Then, a number of crossovers and mutations happen: a new 14

16 individual is created using information from two parents or only one parent, respectively. The algorithm was stopped after 15 iterations, and the optimal set of parameters is established as the individual wich present the best performance. Evaluation The evaluation database is used to compare the detector performance using both the default and optimal parameter values. Results and discussion The QRS detector with its optimized parameters showed a global improvement of 3.5% compared to its performance with the default parameters. Furthermore, the use of optimized parameters led to at least the same performance than the initial parameters for all records, and the improvement was higher (up to %) in noisy records. One of the most important parameter was the refractive period (refper), which prevents a detection within that period. In exercise stress testing, the heart rate varies from slow rate (resting phase) to fast rate (exercise phase). If the refractive period is too long, some QRS complexes will be lost, especially in the exercise phase, whereas if it is too short, the T waves could be wrongly detected as QRS complexes. This problem is more evident in exercise recordings, since the T waves morphology are more similar to QRS complexes than during resting environments. Two other parameters are included as thresholds in the detection to minimize this problem (thres1, thres2), and together with the refractive period, were the more sensitive parameters used in this optimization. The evolution of these parameters is shown in Table 1 (mean ± standard deviation). It shows the default and the optimized values in iterations 1,5,10 and 15. Besides refper, thres1 and thres2, nsamp is also shown, which represents the number of samples which are analyzed. Since the ECG signals are too long, it is divided into segments for detection, and several thresholds related to the signal to noise ratio in that interval are determined. Therefore, the length of these intervals is also introduced as an input parameter. Parameters nsamp and refper are measured in seconds. Table 1. Evolution of the most important parameters (mean ± standard deviation) refper thres1 thres2 nsamp Def It. 1 It. 5 It. 10 It ± ± ±5.8e ±3.0e ± ± ± ± ± ± ±9.3e ±7.7e ± ± ± ±1.9 Conclusion This study uses an evolutionary algorithm to optimize the input parameters for a QRS detector in exercise stress test recordings. Problems such as the ECG morphology and the high level of noise during these tests lead to wrong annotations, which prevent a good interpretation of future heart rate variavility analysis. After the parameter optimization, the detector performance shows a global improvement in the performance, being higher in the noisier recordings, demonstrating the advantages of the optimized parameters in noisy environments. BIBLIOGRAPHY [1]. MARTÍNEZ, J.P., ALMEIDA, R., OLMOS, S., ROCHA, A.P. and LAGUNA, P. A wavelet-based ECG delineator: Evaluation on standard databases. IEEE Transactionson Biomedical Engineering. 2004, 51(4), [2]. DUMONT, A., HERNÁNDEZ, A. and CARRAULT, G. Improving ECG beats delineation with an evolutionary optimization process. IEEE Transactionson Biomedical Engineering. 2010, 57(3),

17 Caracterización de la fatiga muscular en músculos con diferente metabolismo fibrilar. Un estudio experimental in vitro Marta Sierra 1, Mª Jesús Muñoz 2, Jorge Grasa 1 1 Applied Mechanics and Bioingeneering (AMB) 2 Laboratorio de Genética Bioquímica de la Universidad de Zaragoza (LAGENBIO) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , msierra@unizar.es Abstract Los objetivos de este trabajo son: la caracterización de las propiedades contráctiles de los músculos EDL y Sóleo de conejo y el estudio de la fatigabilidad del tejido. El estudio permitió obtener las propiedades contráctiles del tejido, la evolución de la fuerza y concentración de glucógeno durante el protocolo de desarrollado. Cuerpo El tejido muscular está compuesto por células o fibras musculares que presentan características diferentes según la función del músculo en el que se encuentran. Así, las fibras tipo II son fibras rápidas, que generan una gran fuerza en corto espacio de tiempo. En el caso de las fibras tipo I o fibras lentas, la respuesta está ralentizada y el nivel de fuerza es menor pero son capaces de mantener este nivel más tiempo, de forma que la aparición de la fatiga se ralentiza, al contrario que con las fibras tipo II. La fatiga muscular se describe como el estado en el que el músculo no puede mantener su capacidad de respuesta a un estímulo. Hoy en día, la aparición de la fatiga se considera un fenómeno multifactorial en el que actúan: la falta de oxígeno, la acumulación de iones o el agotamiento de la reserva de energía (glucógeno), entre otros. Con el objetivo de caracterizar los componentes mecánicos y bioquímicos de la fatiga en dos músculos con composición de fibras diferente, se escogieron el músculo Extensor Digitorum Longus (EDL), con un alto porcentaje de fibras rápidas y el músculo Sóleo, predominantemente lento, ambos de la extremidad inferior del conejo. Material y Métodos Este estudio fue realizado en 10 conejos White New Zealand machos y peso 2 ± 0,2 kg. Los animales se mantuvieron en una sala con temperatura controlada (22º), con ciclos luz-oscuridad de doce horas y libre acceso a agua y comida. Todos los experimentos fueron aprobados por el Comité Ético para el Uso de Animales de Experimentación de la Universidad de Zaragoza. Los animales se dividieron en dos grupos (n=5) para estudiar la fatiga del EDL y del Sóleo y en todos ellos se ensayó la extremidad inferior derecha.. Los animales se anestesiaron con Medetomidina (0,5mg/kg), Butorfanol (0,4mg/kg) y Ketamina (25mg/kg). Una vez que el EDL y el Sóleo de la extremidad posterior derecha fueron extraídos, los animales se eutanasiaron con una sobredosis de pentobarbital sódico. El baño de órganos fue diseñado por nuestro equipo con las características necesarias para llevar a cabo este estudio. Consta de una cubeta de metacrilato de 20x20x20cm con un sistema de anclaje en la base inferior que permite fijar el tendón distal del músculo. Así mismo, dispone de una estructura superior, también de metacrilato, en la que se insertan dos electrodos de platino que pueden ser colocados a la distancia óptima para conseguir el correcto estímulo de la muestra. Durante la realización de las pruebas experimentales, se colocó en el baño de órganos una solución glucosada que aportó los nutrientes necesarios a la muestra durante todo el ensayo y que se mantuvo a la temperatura óptima (25º) gracias al acoplamiento de una bomba con calentador. La cubeta se dispuso en una máquina universal de ensayos (Instron ), de manera que el tendón proximal del músculo se fijó a la máquina y el músculo quedó en disposición vertical, alineado con el eje de acción de la célula de carga. Previamente, se realizaron barridos para obtener los parámetros óptimos de voltaje, frecuencia y tiempo de pulso con los que se obtiene la máxima fuerza para cada tipo de músculo. En el caso del EDL, estos parámetros fueron: 100V, 100Hz y 200ms, con un intervalo de 10,2 segundos entre pulso y pulso. En el caso del Sóleo: 100V, 100Hz y 1,5 segundos con un intervalo de 11,5 segundos. Además, en cada músculo ensayado se relizó previamente un barrido 16

18 de longitud para determinar la longitud óptima a la que el músculo ejerce la máxima fuerza. A continuación, se procedió a la estimulación, el primer grupo, tanto de EDL como de Sóleo (n=5) durante 60 minutos, para alcanzar la fatiga total, y el segundo (n=5) durante 25 minutos, con el objetivo de determinar la cantidad de glucógeno del músculo a ese tiempo. Al finalizar cada experimento en ambos grupos, los músculos junto con sus contralaterales fueron congelados en nitrógeno líquido para determinar mediante la técnica de la Antrona[1] la concentración de glucógeno. Resultados En el caso del EDL (2,22 ± 0,12 g) (μ ± φ), la fuerza media observada fue de 16,85 ± 3,06 N Se observa una caída significativa de la fuerza al final de la estimulación (Fig.1), con un nivel de 0,803 ± 0,29N (4,76%). Esta caída no es uniforme, a los 25 minutos de estimulación, la fuerza cae hasta un nivel de 2,705 ± 1,28N (16%). Entre los valores de fuerza a los 25 y a los 60 minutos no se han observado diferencias significativas. En el caso del glucógeno, la cantidad media en los musculos control fue de 132,77 ± 37,13 mg/ g de músculo. Esta cantidad cayó hasta el 49,12 ± 18,92 mg/g de músculo (36,99%) a los 25 minuto de estimulación y hasta 26,12 ± 12,55 mg/g de músculo(19,67%) a los 60 minutos de ensayo. Al igual que en la fuerza, no se observa diferencias significativas entre las cantidades a 25 y a 60 minutos. Se realizó un test de regresión entre los niveles de fuerza y la cantidad de glucógeno a lo largo del tiempo y se obtuvo una correlación del 84%. En el caso del Sóleo (1,79 ± 0,18 g), (Fig. 2), la fuerza máxima fue de 7,8 ± 2,07N. Al final de los 60 minutos de estimulación, se observa una caída significativa de la fuerza, con un nivel de 1,28 ± 0,33N (29,74%). Esta caída, como en el EDL, no es uniforme, a los 25 minutos la fuerza cae hasta 2,32 ± 0,80N (16,41%). Entre los valores de fuerza a los 25 y los 60 minutos no se han observado diferencias significativas. En el caso del glucógeno, la cantidad media en los musculos Sóleos control fue de 45,73 ± 4,85 mg/g de músculo. Esta cantidad cayó hasta el 21,25 ± 3,25 mg/g de músculo (47,22%) a los 25 minuto de estimulación y hasta 21,96 ± 3,91 mg/g de músculo(48,02%) a los 60 minutos. No se observan diferencias significativas entre las cantidades a 25 y a 60 minutos. Se realizó un test de regresión entre los niveles de fuerza y la cantidad de glucógeno a lo largo del tiempo y se obtuvo una correlación del 86,6%. Conclusiones Los resultados experimentales obtenidos, evidencian la diferencia de comportamiento de los músculos con diferente composición de fibras. En el caso del EDL (fibras rápidas) el nivel de fuerza es mayor pero también la aparición de la fatiga se produce antes, mientras que en el Sóleo, el nivel de fuerza es más bajo pero es capaz de mantenerla durante más tiempo. Esta diferencia también queda reflejada en la caída del glucógeno, mucho más pronunciada en el EDL que en el Sóleo. Los resultados obtenidos permitirán el desarrollo y validación de un modelo computacional que simule el comportamiento de fatiga muscular en músculos con predominancia de fibras lentas y en aquellos con mayor porcentaje de fibras rápidas. De la misma forma, el dispositivo experimental desarrollado permitirá el estudio en profundidad de enfermedades neurodegenerativas que afectan al músculo, así como los posibles tratamientos desarrollados de manera experimental. REFERENCIAS [1]. CARROLL N.V., LONGLEY R.W., and ROE J.H. The determination of glycogen in liver and muscle by use of anthrone reagent. The journal of biological chemistry. 1956, 220(2), Fig. 1. Evolución de la fuerza ejercida por el músculo EDL. Fig. 2. Evolución de la fuerza ejercida por el músculo Sóleo. 17

19 In-situ Mechanical Characterization of Abdominal Muscle Using Stereo Imaging Raquel Simón-Allué 1, Antonio Agudo 2, J.M.M. Montiel 2, Begoña Calvo 1 1 Grupo de Mecánica Aplicada y Bioingeniería (AMB) 2 Grupo de Robótica, Percepción y tiempo real (ROPERT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , rsimon@unizar.es Abstract We present a method to characterize in vivo the mechanical behavior of abdominal muscle, using inverse finite element analysis and image processing algorithms to estimate the properties. The aim of this technique is to help surgeon to choose the hernia mesh that better reproduces the mechanical behavior of the healthy muscle. Material and methods Experimental data A total of six inflation tests were developed on New Zealand rabbits, half on healthy rabbits and other half on previous treated rabbits, with a defect inside of 7x5 cm. The inner pressure during the test varies from 0 to 8 mmhg. All experiments were recorded using a stereo imaging system and techniques multi-view stereo [1] to estimate the 3D reconstruction of the rabbit surface. The accuracy obtaining with this method was 1mm. As the surface is textureless, we paint artificial markers to set up correspondences. Taking the 3D coordinates of the points at the null pressure state, the geometry of the whole cavity was reconstructed in order to obtain an initial validate model for a FEM simulation (see Figure 1). Numerical analysis Once the geometry is defined, it was necessary to formulate a constitutive law that defines the mechanical behavior of the tissue. A common methodology for soft tissues is to postulate the existence of a Strain Energy Function (SEF) decoupled in volumetric and isochoric responses, which in turn can be divided in isotropic and anisotropic part [2]. Based on previous biaxial tests and according to the literature [3], three material models have been proposed to simulate the muscle behavior: Neo-Hookean model, dependent on one parameter, and Demiray and Mooney Rivlin models, dependent on two. To determine the value of the constants, inverse analysis method was used [4]. A total of 500 simulations for each model were performed with Abaqus varying the parameters combinations in a specific range. For each simulation displacements of the numerical analysis u num and experimental results u exp were compared. Mean Square Error (MSE) (1) was defined as an objective function to evaluate the success of the numerical data. where NP means the pressure levels here analysed, w i the weight given to each level and nº ptos the number of points studied on the abdomen surface. The whole process is described in the following diagram. Results and discussion A response surface of the MSE was plotted for each model. Results showed that all models present a zone in the response surface that minimizes the error made by the simulation. That zone corresponds to the parameters combination that better characterize the material behavior. The form 18

20 of the minimum depends on the material model chosen. While Demiray s model presented a specific point that minimizes the surface, Mooney-Rivlin s model showed a valley of combinations where all parameters sets minimize the MSE (see Figure 2). In the case of Neo-Hookean model, dependent on only one parameter, the solution was a line instead of a surface and presented a definitive minimum. The deformed shape of those combinations which minimize the solution, coincides and reproduces the deformed configuration of the experimental test. Conclusions The procedure works successfully as far as it is able to find the specific parameters that minimize the error surface, and therefore, better reproduce the muscle behavior. However, some aspects of the FEM reconstruction must be improved, such as the boundary conditions or load application, in order to fully guarantee the total reproduction of the experimental test. Acknowledgments This project has been possible thanks to the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, which supports this researching through the grant BES and the project DPI C REFERENCIAS [1]. HARTLEY, R. and ZISSERMAN, A. Multiple View Geometry in Computer Vision. 2nd edition, Cambridge: Cambridge University Press, [2]. HOLZAPFEL, G.A. Nonlinear Solid Mechanics. New York: Wiley, [3]. HERNANDEZ, B., PEÑA, E., PASCUAL, G., RODRÍGUEZ, M., CALVO, B., DOBLARÉ, M. and BELLÓN, J.M. Mechanical and histological characterization of the abdominal muscle. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2011, 4(3), [4]. KAUER, M., VUSKOVIC, V., DUAL, J., SZEKELY, G. and BAJKA, M. Inverse finite element characterization of soft tissues. Medical Image Analysis. 2002, 6(3), New material models and a more complex abdominal model must be evaluated before considering obtained paramenters as a solution. Figures Figure 1: Estimating abdominal cavity geometry. (a): Arrangement of the stereo system. (b) Scene acquired. (c): Shape at rest reconstruction. (d): Initial FE mesh. (a) (b) (c) (d) Figure 2: Results for one material model (Mooney-Rivlin) and comparison between models. (a) Response surface for Mooney-Rivlin model. (b) FEM simulation for Mooney-Rivlin, from 0 to 8 mmhg of inner pressure. (c) Comparison of curves σ λ for the proposed models. (a) (b) (c) 19

21 DIVISIÓN DE PROCESOS Y RECICLADO

22 Influence of SO 2 on the Fuel Conversion Scheme. Implication for Soot Emissions María Abián, Ángela Millera, Rafael Bilbao, Mª Ujué Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , mabian@unizar.es Abstract This work includes an experimental and modeling study of whether sulfur dioxide (SO 2 ), typically present in the recirculated flue gas, can inhibit or promote the overall fuel conversion process in a combustion system, with special attention on SO 2 implication for soot emissions and the possible reduction of this pollutant. Introduction Conventional combustion processes are typically considered as one of the main responsible of the emission to the atmosphere of different pollutants, with a variety of potential effects on environment and/or human health. Among other important pollutants include: sulfur oxides (SO 2 ), because of most fossil fuels, biofuels and household waste contain sulfur, and particulate matter (such as soot). Although technology development and the understanding of combustion and pollutant formation have increased considerably in the last decades, the concern about pollutant formation and emissions continues to be a driving force for the research in combustion chemistry [1]. Flue gas recirculation (FGR) is an interesting technology, both to control NO x emissions during combustion processes, such as internal combustion engines [2] or combustion systems that incorporate boilers [3], and to control temperature and make-up for the volume of the missing N 2 during oxy-fuel combustion processes [4]. When the FGR technique is applied, reactants are preheated and diluted by recirculated flue gases: mainly CO 2 and water, with minor concentrations of oxygen, CO and other pollutants, such as SO 2, producing thus different effects on combustion process and formation and emission of air pollutants. Thereby, it is of interest to analyze the role of SO 2 on the overall combustion scheme, as a first step towards the further development of flue gas recirculation strategies, and in particular on the emissions of pollutants, such as soot. The recognized potential hazardous impact of soot on human health has settled the soot chemistry as one of the major research areas in pollutant formation. In general, soot is believed to be formed under fuel-rich conditions at high temperatures [5], through a complex process involving several chemical and physical stages, which is still under research [6]. The presence in the combustion chamber of certain additives or trace species can reduce soot emissions through different ways: i) first, it can inhibit the formation of soot (e.g. by removing the precursor species, the nuclei, or the growth species, or by decelerating the rates of coalescence and coagulation of soot particles), and ii) alternatively, it can remove soot once it has been formed by accelerating its subsequent oxidation, either by stimulating the generation of oxidizing species, such as O or OH, or by direct reaction with the soot [1]. In such a way, SO 2, typically present in the recirculated flue gases, could reduce soot emissions by mutual interactions through any of the soot formation ways, and it could thus be used for soot emission control in a combustion process. Scope and objectives In this context, the objective of this study is to identify to what extent the presence of a given compound in the recirculated mixture, in this case SO 2, can affect emissions of a given pollutant, in this case soot, and be used for its control in a combustion process. This research work is considered essential to increase the knowledge on the reaction scheme involving the interactions between SO 2 and hydrocarbons participating in the soot formation process (specifically ethylene), in order to assess the possibility of using flue gas recirculation (FGR) techniques to minimize pollutants emissions, such as soot. 21

23 Methodology This work includes an experimental study on the effect of SO 2, that can be present when recirculating flue gases, on the overall combustion scheme. Experiments are carried out in a laboratory quartz flow reactor (Figure 1), under well controlled conditions of temperature and inlet reactants concentrations, at atmospheric pressure, in the K temperature range. The concentration of ethylene is kept constant in all the experiments (30000 ppm), whereas the concentration of SO 2 is varied (0-1 %) to address the influence of SO 2 inlet concentration on soot formation. The gases obtained are analyzed and the soot produced is quantified. Pressure transducer formation of sulfur compounds such as CS 2, on the one hand, decreases the amount of carbon available for soot growth and, on the other hand, gives evidence that interactions between sulfur radicals and unburnt hydrocarbons are indeed taking place. The developed model provides, in general, a good description of the gas-phase conversion processes of ethylene, and of the main gaseous products in the presence of SO 2. Acknowledgements This work has been financially supported by Aragón Government, the European Social Fund (ESF) and MINECO (Proyect CTQ ). M. Abián acknowledges the University of Zaragoza and GPT research group for the research grant awarded. Reactor REFERENCES Mass flow controllers Gas cylinders Cooling air Soot sampling system Electrically heated oven Temperature controller Gas chromatograph NO analyzer [1]. GLARBORG, P. Hidden interactions-trace species governing combustion and emissions. Proceedings of the Combustion Institute. 2007, 31(1), [2]. MUNCRIEF, R.L., ROOKS, C.W., CRUZ, M. and HAROLD, M.P. Combining biodiesel and exhaust gas recirculation for reduction in NO x and particulate emissions. Energy & Fuels. 2008, 22(2), Fig. 1. Scheme of the experimental set-up used for studying the formation of soot. Additionally, the development of a detailed gasphase chemical kinetic mechanism for examining the reaction scheme involved in the process is needed. This mechanism should be able to reproduce experimental data in a wide range of operating conditions and, thus, allow analyzing strategies for the minimization of soot precursors in the presence of the different flue gases recirculated, in this case SO 2. Conclusions Main results indicate that the presence of SO 2 in the initial reacting mixture has direct implications on soot formation, achieving different reduction levels as function of the inlet SO 2 concentration. The presence of CO and CO 2 at the reactor outlet points to the fact that oxidation reactions are taking place, and those reactions could come in competition with typical pathways leading to soot formation. The FTIR [3]. LITTLEJOHN, A.J., TONSE, S., CASTALDINI, C. and CHENG, R. Laboratory investigations of an ultra low NO x premixed combustion concept for industrial boilers. Proceedings of the Combustion Institute. 2002, 29(1), [4]. BUHRE, B.J.P., ELLIOTT, L.K., SHENG, C.D., GUPTA, R.P. and WALL, T.F. Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Progress in Energy and Combustion Science. 2005, 31(4), [5]. HAYNES, B.S. and WAGNER, H.Gg. Soot formation. Progress in Energy and Combustion Science. 1981, 7(4), [6]. WANG, H. Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames. Proceedings of the Combustion Institute. 2011, 33(1), [7]. D ANNA, A. Particle inception and growth: Experimental evidences and a modeling attempt. In: BOCKHORN, H., D ANNA, A., SAROFIM, A.F. and WANG, H. (eds.). Combustion Generated Fine Carbonaceous Particles. Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2009, pp

24 Oxidación de 2,5-dimetilfurano en un reactor de flujo Katiuska Alexandrino, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Resumen El presente trabajo se centra en el estudio experimental y de modelado cinético de la oxidación a presión atmosférica de 2,5- dimetilfurano. Los experimentos se llevan a cabo en un reactor de cuarzo de flujo pistón, bajo diferentes condiciones de operación, variando principalmente la temperatura, la concentración de oxígeno (estequiómetria) y de 2,5-dimetilfurano. Introducción Una de las técnicas utilizadas para reducir las emisiones provenientes del sector de transporte es la reformulación del combustible. En este campo, los compuestos oxígenados han sido propuestos para sustituir o ser usados como aditivo a los combustibles convencionales. Algunos compuestos oxígenados propuestos ya han sido estudiados de forma individual y/o como aditivos en motores a gasolina y diésel [Yalavartthi y cols., 2013; Magnusson y Nilsson, 2011]. Sin embargo, para conocer el comportamiento que tienen estos compuestos durante la combustión, se hace necesario realizar experimentos de oxidación bajo condiciones de laboratorio muy bien controladas. Del mismo modo, el desarrollo de un modelo cinético-químico detallado es necesario para conocer los mecanismos de reacción por los cuales se produce la oxidación del compuesto oxigenado considerado. El 2,5-dimetilfurano (2,5-DMF, C 6 H 8 O), que se puede obtener por procesos catalíticos donde la materia prima es la fructosa, es uno de los compuestos oxígenados propuestos. Algunas de las propiedades que lo hacen atractivo para ser usado como biocombustible o aditivo son su alto punto de ebullición, su insolubilidad en agua y su alta densidad energética. De este modo, el presente trabajo se centra en el estudio de la oxidación de 2,5-DMF a presión atmosférica variando la temperatura, la estequiometría y la concentración de 2,5-DMF. Experimental Los experimentos se llevan a cabo en una instalación en fase gas a presión atmosférica, que consta de tres secciones: alimentación de gases, reacción, y de acondicionamiento y análisis de gases. Se utiliza un flujo total de gas de 1000 mln/min, usándose N 2 para obtener el caudal total, lo que resulta en un tiempo de residencia función de la temperatura de operación, t r (s)=195/t(k). Para la detección y cuantificación de los productos de oxidación analizados (CO, CO 2 y H 2 ) se usa un micro-cromatógrafo de gases (Agilent 3000A) y un analizador en continuo de CO/CO 2 (Uras 14 IR de ABB). Los experimentos se realizan en el intervalo de temperatura de K, utilizando 100 y 300 ppm de 2,5-DMF. El parámetro empleado para describir la estequiometría es el índice de exceso de aire ( λ ), el cual está definido por la ecuación E.1, y se varia su valor desde condiciones de pirólisis hasta muy oxidantes. La Tabla 1 sumariza las condiones experimentales utilizadas. λ = ( Aire ) Combustible real aire O real 2, real = = ( Aire ) aireestq. O2, estq. Combustible estq. Donde: λ=0: Condiciones de pirólisis. λ<1: Condiciones reductoras. λ=1: Condiciones estequiómetricas. λ>1: Condiciones oxidantes. E. 1 Modelado Las simulaciones se realizan con el programa informático CHEMKIN-II [Kee y cols. 1991], en conjunto con el código SENKIN [Lutz y cols., 1990]. El modelo cinético-químico detallado completo incluye 255 especies y 1314 reacciones. Resultados y discusión Los resultados indican que la temperatura influye sobre la oxidación de 2,5-DMF, siendo mayor el 23

25 consumo de 2,5-DMF cuanto mayor es la temperatura. El estudio de la influencia de la concentración de oxígeno indica que para 0 λ 1 el perfil de concentración de 2,5-DMF no se modifica. Sin embargo, para λ 5 el perfil de concentración de 2,5- DMF se desplaza a temperaturas más bajas, siendo mayor el desplazamiento cuanto mayor es el valor de λ. Por otro lado, los resultados para diferentes concentraciones de 2,5-DMF, y para λ=0.3, 1 y 30, indican que la concentración de 2,5-DMF ejerce influencia sobre su perfil de concentración únicamente para λ=30 ya que en este caso, el perfil de concentración se desplaza a temperaturas más bajas al usar una concentración superior de 2,5- DMF. Es importante resaltar también que para la concentración de 2,5-DMF más elevada estudiada (300 ppm), y para λ=0.3 y 1, además de CO, CO 2 y H 2, se forman otros productos como son el etileno, etano y acetileno, siendo mayores sus concentraciones cuanto menor es el valor de λ, es decir, cuanto menor es la concentración de oxígeno. En general, el modelo cinético-químico desarrollado se ajusta bien a los datos experimentales. El análisis de velocidad de reacción realizado indica que el radical 5-metil-2-furanilmetilo (R1C 6 H 7 O), originado por la abstracción de un hidrógeno del grupo metilo, es el más importante en el consumo de 2,5-DMF. Conclusiones El estudio de la oxidación de 2,5-DMF que se ha llevado a cabo en un reactor de flujo y bajo diferentes condiciones de operación, permiten concluir que tanto la temperatura, así como también la concentración de oxígeno y de 2,5-DMF influyen sobre la conversión de este compuesto. Se observa que una mayor temperatura favorece la oxidación de 2,5-DMF. Además, condiciones oxidantes y muy oxidantes desplazan el inicio de consumo de 2,5- DMF a temperaturas más bajas. Por otro lado, bajo condiciones muy oxidantes, el aumento de la concentración de 2,5-DMF desplaza su perfil de concentración a temperaturas más bajas. Agradecimientos Los autores experesan su gratitud al Gobierno de Aragón, a MINECO y a FEDER (CTQ ) por la financiación concedida. K. Alexandrino agradece a MINECO por su beca pre-doctoral (BES ). Referencias [1]. YALAVARTTHI, S., CHINTALAPUDI, A.K. and DEV, S. Performance and emissions analysis of diesel engine using oxygenated Compounds. International Journal of Advanced Science and Technology. 2013, 61, [2]. MAGNUSSON, R. and NILSSON, C. The influence of oxygenated fuels on emissions of aldehydes and ketones from a two-stroke apark ignition engine. Fuel. 2011, 90(3), [3]. KEE, R.J., RUPLEY, F.M. and MILLER, J.A. Chemkin-II: A Fortran chemical kinetics package for the analysis of gas-phase chemical kinetics. Livermore: Sandia National Laboratories, Report SAND B. [4]. LUTZ, A., KEE R.J. and MILLER J.A. A Fortran program for predicting homogeneous gas phase chemical kinetics with sensitivity analysis. Livermore: Sandia National Laboratories, Report SAND Exp. λ 2,5-DMF (ppm) O 2 (ppm) Tabla 1. Condiciones experimentales. T= K. Q T =1000 mln/min. t r (s)=195/t(k). N 2 es usado para obtener el caudal total. 24

26 Mejora de las propiedades del lodo de EDAR mediante torrefacción en un reactor de tornillo sinfín M. Atienza-Martínez, J.F. Mastral, J. Ábrego, J. Ceamanos, G. Gea Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Resumen En el presente trabajo se estudia la torrefacción de lodo de EDAR como pretratamiento para su posterior uso como materia prima en otros procesos termoquímicos. Bajo determinadas condiciones, se ha conseguido disminuir el contenido en oxígeno y aumentar la densidad energética del lodo. Introducción En los últimos años ha aumentado la cantidad de lodo de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) generada debido a una legislación sobre tratamiento de aguas cada vez más restrictiva. En España se planteó que en el año 2015 el 18 % del lodo generado fuera valorizado de forma alternativa a su aplicación en suelos [1]. Procesos termoquímicos como la pirólisis y la gasificación supondrían la valorización energética de este residuo [2]. En general, la biomasa tiene una serie de propiedades, como por ejemplo su elevada humedad, su alto contenido en oxígeno y su baja densidad energética, que hacen necesario pretratarla antes de someterla a otros procesos de obtención de energía. Entre los posibles pretratamientos destaca la torrefacción, un proceso termoquímico llevado a cabo a temperaturas entre 200 ºC y 300 ºC en atmósfera inerte [3]. En la torrefacción se obtienen tres productos: sólido torrefactado, vapores condensables y gases no condensables. El objetivo de este pretratamiento es obtener un sólido con menor contenido en humedad, menores ratios molares O/C y H/C, y mayor densidad energética. Los estudios sobre torrefacción de lodo de EDAR son todavía escasos. Se ha llevado a cabo la torrefacción de este material en mufla [4], en reactor de lecho fijo [5] y de lecho fluidizado [5, 6], pero no en reactores de tornillo sinfín, como se plantea en el presente trabajo. El objetivo es estudiar el efecto de las condiciones de torrefacción de lodo de EDAR en un reactor de tonillo sinfín sobre el rendimiento a producto sólido y sobre sus propiedades. Materiales y métodos En la Tabla 1 se muestran las propiedades del lodo de EDAR digerido anaeróbicamente y secado térmicamente empleado en este estudio. Tabla 1. Propiedades del lodo de partida. Materia seca (%) 93.5 Carbono (%) 29.5 Cenizas (%) 39.0 Hidrógeno (%) 4.7 Volátiles (%) 50.1 Nitrógeno (%) 5.3 Carbono fijo (%) 4.4 Azufre (%) 1.3 PCS (MJ kg -1 ) 12.8 Oxígeno (%) Los experimentos de torrefacción se han llevado a cabo a diferentes temperaturas (250 ºC, 275 ºC y 300 ºC) y diferentes tiempos de residencia (13.3 min, 24.0 min y 34.7 min) en un reactor de tornillo sinfín a escala de laboratorio. Se han recogido, cuantificado y caracterizado los tres productos obtenidos en los diferentes experimentos, siendo el sólido el producto de interés. El rendimiento a lodo torrefactado (η LT ) se ha calculado según la Ecuación 1: η LT (% masa)= 100 masa LT (g) masa lodo alimentado (g) (Ec. 1) Se han determinado, entre otros, el poder calorífico superior (PCS LT ) y la densidad (ρ LT ) de los sólidos torrefactados para poder calcular el rendimiento energético (η energético ) según la Ecuación 2 y la densidad energética (ρ energética ) según la Ecuación 3: η energético (%)= η LT PCS LT (MJ kg -1 ) PCS lodo seco (MJ kg -1 ) (Ec. 2) ρ energética (MJ dm -3 )=ρ LT (kg dm -3 ) PCS LT (MJ kg -1 ) (Ec. 3) 25

27 Resultados El rendimiento a lodo torrefactado disminuye al aumentar tanto la temperatura de torrefacción como el tiempo de residencia y esto provoca un fuerte descenso del rendimiento energético con la severidad de la torrefacción (Figura 1). En la Figura 2 se observa que cuando la torrefacción se lleva a cabo a temperaturas altas (275 ºC o mayor) y tiempos de residencia largos (24.0 min o mayor) la densidad energética es menor que la del lodo de partida. Únicamente en las condiciones de torrefacción más suaves del presente trabajo (250 ºC y 13.3 min) se consigue mejorar la densidad energética del lodo. Estos resultados difieren de los obtenidos por otros autores en el caso de la biomasa lignocelulósica, ya que este lodo de EDAR tiene un alto contenido en cenizas que aumenta con la severidad de la torrefacción y hace que el PCS LT disminuya. Tanto el ratio molar O/C como el H/C disminuyen con la severidad de la torrefacción (Figura 3) ya que se pierde dióxido de carbono y agua (tanto la contenida inicialmente en el lodo como la generada mediante reacciones de deshidratación) durante este proceso. Conclusiones De los resultados del presente trabajo se desprende que bajo las condiciones de torrefacción más suaves es posible disminuir el contenido en oxígeno del lodo de EDAR mejorando a su vez su densidad energética y consiguiendo un rendimietno energético por encima del 90 %. La torrefacción muy severa provoca una notable reducción del contenido en oxígeno, pero a costa de una reducción en la densidad energética y un bajo rendimiento másico y energético. REFERENCIAS [1]. ESPAÑA, MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE Y MEDIO RURAL Y MARINO. Resolución de 20 de enero de 2009, de la Secretaría de Estado de Cambio Climático, por la que se [ ] aprueba el Plan Nacional Integrado de Residuos para el período Boletín Oficial del Estado, 26 de febrero de 2009, núm. 49, pp [2]. WERTHER, J. and OGADA, T. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science. 1999, 25(1), Available from: doi: /S (98) [3]. BASU, P. Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction. Practical Design and Theory. 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier, [4]. DHUNGANA, A., DUTTA, A. and BASU, P. Torrefaction of non -lignocellulose biomass waste. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2012, 90 (1), Available from: doi: /cjce [5]. ÁBREGO, J., SÁNCHEZ, J.L., ARAUZO, J., FONTS, I., GIL-LALAGUNA, N. and ATIENZA-MARTÍNEZ, M. Technical and energetic assessment of a three-stage thermochemical treatment for sewage sludge. Energy & Fuels, 2013, 27(2), Available from: doi: /ef [6]. ATIENZA-MARTÍNEZ, M., FONTS, I., ÁBREGO, J., CEAMANOS, J. and GEA, G. Sewage sludge torrefaction in a fluidized bed reactor. Chemical Engineering Journal, 2013, 222, Available from: doi: /j.cej η energético (%) η LT (% masa) Figura 1. Rendimiento energético en función del rendimiento másico a lodo torrefactado. ρ energética (MJ dm -3 ) Figura 2. Comparación de la densidad energética del lodo seco y el LT en distintas condiciones. 2.0 H/C Figura 3. Diagrama de Van Krevelen. 250 C min min min 275 C min min min 300 C min min min Lodo seco 250/ / / / / / / / / O/C Lodo seco 250 C min min min 275 C min min min 300 C min min min 26

28 Producción de hidrógeno usando la fracción cetónica de bio-oil en un reactor de lecho fijo Pilar Tarifa, Jorge Plou, Paul Durán, Javier Herguido, José Ángel Peña Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería del Reactor (CREG) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , pauduran@unizar.es Abstract Para la obtención y purificación de hidrógeno se han simultáneado los procesos de descomposición catalítica y steam-iron en un mismo reactor. En este trabajo se ha ensayado el comportamiento de la fracción cetónica de un bio-oil para la obtención de hidrógeno de alta pureza. Los compuestos utilizados han sido la acetona y la hidroxiacetona. Introducción El hidrógeno en un fuerte candidato para reemplazar la dependencia energética de los combustibles fósiles porque es una fuente limpia y renovable. El uso de biomasa y en particular bio-oils, puede ser una interesante alternativa. Estos son los productos líquidos que provienen de la pirolisis rápida de biomasa. Son materiales de bajo coste constituidos por materiales orgánicos oxigenados y cuya composición depende de la materia prima utilizada y de las condiciones del proceso de producción. Este trábajo analiza el comportamiento de la fracción cetónica de un bio-oil en la producción de hidrógeno mediante el proceso steam-iron (Messerschmidt 1910). Esta fracción puede llegar a constituir un 17% (base seca) del total del combustible (Bertero et al. 2012). Como compuestos modelo se han elegido la hidroxiacetona y la acetona. En estudios previos, se examinó el comportamiento de las fracciones ácidas (ácido acético) y las alcoholicas (metanol y etanol) (Campo et al. 2013; Hormilleja et al. 2014). En la primera etapa del proceso, el óxido de hierro es reducido por los productos generados en la descomposición catalítica del bio-oil, constituyendo una corriente rica en hidrógeno y monóxido de carbono (altamente reductora). En la siguiente etapa, el sólido previamente reducido, es reoxidado con vapor de agua generando hidrógeno de alta pureza con calidad suficiente para ser introducido en una pila de combustible PEMFC. Los experimentos se han llevado a cabo en un reactor de lecho fijo de cuarzo (diámetro interno 13mm, 2,5 g de sólido). En la etapa de reducción se han alimentado hidroxiacetona y/o acetona (presiones parciales de 0.05 a 0.15 bar) diluidas con helio. La temperatura de trabajo ha variado de 600 a 800 C. Las oxidaciones se llevaron a cabo siempre a 500 C, temperatura óptima para la generación de hidrógeno libre de CO y CO 2. El sólido, sintetizado en laboratorio, consta de una mezcla mecánica de dos componentes: por un lado óxido de hierro dopado con cerio y aluminio y por otro lado un aluminato de níquel no estequiométrico con exceso de níquel. Los gases se analizaron mediante un cromatógrafo de gases y un espectrómetro de masas operando en paralelo. Resultados En la etapa de reducción, se ha observado la descomposición total de las cetonas en todas las condiciones de operación (catalítica). La corriente de gases está compuesta principalmente por H 2 y CO, que actúan sobre el sólido reduciéndolo y generando CO 2 y H 2 O (Figura 1). Cuando la hidroxiacetona es el único reactivo, se observan pequeñas cantidades de metano. No se han observado otro tipo de compuestos. La deposición de coque es mayor a las temperaturas bajas en el rango estudiado (600 C), aunque éste permanece inerte durante la etapa de oxidación en la que se obtiene hidrógeno puro. El sólido fue oxidado completamente hasta magnetita (Fe 3 O 4 ) y no muestra fatiga térmica incluso a altas temperaturas (800 C). REFERENCIAS [1]. BERTERO, M., PUENTE, G. de la and SEDRAN, U. Fuels from bio-oils: Bio-oil production from different residual sources, characterization and thermal conditioning. Fuel. 2012, 95, Available from: doi: /j.fuel [2]. CAMPO, R., DURÁN, P. PLOU, J., HERGUIDO, J. and PEÑA, J.A. Combined production and 27

29 purification of hydrogen from methanol using steam iron process in fixed bed reactor. Journal of Power Sources. 2013, 242, Available from: doi: /j.jpowsour [3]. HORMILLEJA, E., DURÁN, P., PLOU, J., HERGUIDO, J. and PEÑA, J.A. Hydrogen from ethanol by steam iron process in fixed bed reactor. International Journal of Hydrogen Energy. 2014, 39(10), Available from: doi: /j.ijhydene [4]. MESSERSCHMITT, A. Process of producing hydrogen. U.S., Patent No. 465,686 ed Flujo molar (mmol/min) H 2 CO H 2 O CO 2 CH Tiempo (min) Figura 1. Productos de la reducción con hidroxiacetona a 700 C 28

30 Aplicación de las cenizas de lodos de depuradora para la eliminación de H 2 S de un gas a alta temperatura Noemí Gil, José Luis Sánchez, Maria Benita Murillo, Gloria Gea Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , noemigil@unizar.es Abstract Debido a su contenido metálico, las cenizas de los lodos de depuradora son un material potencialmente activo para la eliminación de H 2 S a alta temperatura por medio de su reacción química. La presencia de vapor de agua en el medio gaseoso disminuye drásticamente la eficacia del proceso. Introducción El continuo aumento en la producción de lodos de depuradora ha dado lugar a una importante problemática en torno a la gestión de los mismos. Por ello, el estudio de su aprovechamiento energético mediante procesos como la combustión, la gasificación o la pirólisis ha cobrado especial relevancia en el ámbito científico [1]. En este trabajo se plantea el aprovechamiento de las cenizas resultantes de estos procesos (más concretamente de la combustión) para la eliminación de H 2 S de una corriente gaseosa. El H 2 S es un compuesto que habitualmente se forma tanto en la pirólisis como en la gasificación de materias primas que contienen azufre, como es el caso de los lodos de depuradora. Las emisiones de H 2 S (o de SO 2 en el caso de quemar un gas que contenga H 2 S) conllevan problemas medioambientales relacionados con la lluvia ácida, así como problemas de corrosión en las tuberías, motores o turbinas donde quiera aprovecharse el producto gaseoso de estos procesos. Materiales y métodos Las cenizas utilizadas en los experimentos de eliminación de H 2 S provienen de la combustión (a 900 ºC) de un lodo de depuradora digerido anaeróbicamente y secado térmicamente. Su tamaño de partícula se encuentra entre 250 y 500 μm. La Tabla 1 muestra el contenido de algunos metales en dichas cenizas determinado por espectroscopía de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente. La reacción de los óxidos de estos metales con el H 2 S está más favorecida termodinámicamente en el caso del hierro y el calcio [2]. Tabla 1. Contenido de metales en las cenizas del lodo (mg/g ceniza) Al Ca Fe K P Mg Na Si Ti El gas alimentado fue una mezcla sintética de H 2 S y N 2 con un 0,5% vol. de H 2 S. Los experimentos se llevaron a cabo a presión atmosférica en un reactor de cuarzo de lecho fijo calentado por medio de un horno eléctrico. La temperatura del lecho fue objeto de estudio, variando entre 600 y 800 ºC. Se utilizó 1 g de ceniza en cada ensayo y la alimentación de gas fue de 50 mln/min. Con el objetivo de evaluar el efecto de la humedad del gas en el proceso de desulfuración, en algunos experimentos se alimentó además un flujo de vapor de agua, dando lugar a un gas con un 30% vol. de humedad. El agua se alimentó mediante una bomba HPLC y se evaporó antes de ser mezclada con el gas a la entrada del reactor. La composición del gas a la salida del reactor se analizó con un micro-cromatógrafo de gases, teniendo un análisis del gas cada cuatro minutos aproximadamente. Utilizando el N 2 como estándar interno puede calcularse el caudal de H 2 S a la salida. El contenido de azufre en las muestras de ceniza se analizó después de los experimentos con un analizador elemental Leco TruSpec Micro. Además de los experimentos con lecho de ceniza, se realizaron experimentos en blanco (sin lecho de sólido) bajo las distintas condiciones de operación evaluadas para comprobar si existían efectos secundarios del propio sistema experimental. Resultados En la Figuras 1 y 2 se muestran las curvas de ruptura del H 2 S, es decir, la evolución con el tiempo del flujo de H 2 S a la salida del reactor, tanto para la alimentación del gas seco como húmedo, y para ambas temperaturas (600 y 800 ºC) Como puede observarse, la presencia de vapor de agua en el medio afecta negativamente a la eliminación del 29

31 H 2 S del gas. El tiempo de ruptura (tiempo a partir del cual la concentración de H 2 S en el gas supera el 0,01% vol.) se reduce de 300 a 50 min (a 800 ºC) y de 240 a 40 min (a 600 ºC) cuando se alimenta vapor de agua junto con la mezcla H 2 S/N 2. La termodinámica de la reacción general de los óxidos metálicos con H 2 S (1) predice dicho efecto negativo. Me x O y (s) + y H 2 S (g) Me x S y (s) + y H 2 O (g) (1) Considerando la diferencia entre la cantidad de H 2 S que sale del reactor en los blancos y en los correspondientes experimentos (determinadas por integración del área bajo las curvas de ruptura), en la Tabla 2 se presenta la cantidad de azufre que cabría encontrar en cada muestra de ceniza hasta el punto de ruptura y tras cada experimento completo. En la misma tabla se incluyen también los datos reales de contenido de azufre en las muestras determinados con el analizador elemental tras finalizar los experimentos. Tabla 2. Contenido de azufre en las muestras de ceniza (mg S/g ceniza). mg S/g hasta ruptura (esperado) mg S/g en total (esperado) mg S/g en total (real) Gas seco 600 ºC Gas seco 800ºC Gas húmedo 600 ºC Gas húmedo 800 ºC Los resultados de retención de azufre esperados hasta el punto de ruptura muestran un claro efecto negativo de la presencia de vapor de agua, mientras que el efecto de la temperatura es mucho menos significativo. Los datos de retención total no son directamente comparables entre sí debido a la Experimento 800 o C Experimento 600 o C Blanco 800 o C Blanco 600 o C 0,25 distinta duración de los experimentos, pero si se comparan los resultados esperados con los reales se observa una importante diferencia, siendo los primeros bastante mayores que los segundos. Esto significa que no todo el azufre alimentado con el H 2 S se ha retenido en forma de sulfuro metálico, sino que se ha convertido en otros compuestos gaseosos no detectados por el micro-cromatógrafo. Realizando simulaciones del equilibrio químico (con el software HSC Chemistry 6.1) que se establece entre el CaCO 3 y el Fe 3 O 4 (especies detectadas en las cenizas de los lodos por difracción de rayos X) y la mezcla H 2 S/N 2 (tanto seca como húmeda) se ha observado una importante formación de SO 2 debido a la reducción de las especies metálicas. La mayor formación teórica de SO 2 se encontró para el caso del gas húmedo a 800 ºC, lo que explicaría la escasa presencia de azufre detectada en el sólido experimentalmente. Conclusiones Las cenizas procedentes de la combustión de lodos de depuradora pueden ser un material adecuado para la eliminación de H 2 S de un gas seco a alta temperatura ( ºC), pudiendo alcanzar una retención de azufre superior a 50 mg S/g ceniza hasta el tiempo de ruptura (% vol. de H 2 S < 0,01%). Referencias [1]. RULKENS, W. Sewage sludge as a biomass resource for the production of energy: Overview and assessment of the various options. Energy & Fuels. 2008, 22 (1), [2]. WESTMORELAND, P.R. and HARRISON, D.P. Evaluation of candidate solids for high-temperature desulfurization of low-btu gases. Environmental Science & Technology. 1976, 10 (7), Experimento 800 o C Experimento 600 o C Blanco 800 o C Blanco 600 o C 0,25 mln H 2 S / min a la salida 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tiempo (min) mln H 2 S / min a la salida 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tiempo (min) Fig. 1. Curva de ruptura del H 2 S para el gas seco. Fig. 2. Curva de ruptura del H 2 S para el gas húmedo. 30

32 Effect of the Tube Bundle Configuration on the Experimental Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor Hydrodynamics Ignacio Julián 1, Fausto Gallucci 2, Martin van Sint Annaland 2, Javier Herguido 1, Miguel Menéndez 1 1 Catálisis, Separaciones moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , ijulian@unizar.es 2 Eindhoven University of Technology (The Netherlands) Abstract Particle Image Velocimetry (PIV) and Digital Image Analysis (DIA) techniques have been used to study the effect of different tube bundle configurations on the hydrodynamic behaviour of a novel gas-solid catalytic reactor concept, the so called: Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor. Introduction The Two Zone Fluidized Bed Reactor (TZFBR) has been proposed as an attractive solution to perform gas-solid catalytic reactions where the catalyst suffers a rapid loss of activity due to coke deposition [1]. The singular configuration of the TZFBR provides in situ catalyst regeneration. The use of two separated gaseous feeds (reactive and regenerative), fed at two different locations within a single fluidized bed reactor, generates two different atmospheres or reaction zones. The circulation of the catalyst particles between the two reactor zones as a result of the fluidization process allows the simultaneous catalytic reactions and catalyst regeneration. A recent modification to the TZFBR configuration provides different cross-sectional areas in each zone in order to achieve better fluid dynamic control. This allows low regenerative-toreactive flow rates when required [2]. The so-called Two-Section TZFBR (TS-TZFBR) includes a tapered bed region that connects the upper and lower reactor zones. Under certain fluidization conditions, the use of this novel reactor configuration may lead to slugging regimes within the narrower bed zone [3]. The eventual formation of slugs by bubble coalescence may hamper the axial solids recirculation and the gas-solid mass transfer, affecting the reactor performance. The use of internal elements, e.g. immersed tube bundle, in that bed region may help to overcome this limitation. In this study, six different horizontal tube bank configurations have been tested to evaluate the effect of the immersed tubes on the average bubble size and axial solids mass flow rates. Moreover, three gas velocity conditions and two different immersed distributor locations have been tested for each tube bundle configuration. Experimental Set up Experiments were performed in cold pseudo-2d TS- TZFBR facilities with a tapered section angle α = 80º with respect to the horizontal position. Noninvasive optical techniques, viz. Digital Image Analysis (DIA) and Particle Image Velocimetry (PIV), were used to determine bubble characteristics and solids circulation patterns. Fluidization recordings were performed with a LaVision Imager Pro high speed camera and analyzed in DaVis 8.0.3, commercial software for image processing. The recording frequency was adjusted to 750 Hz to avoid image blurriness related to the fast solids movement and a time delay, Δt, of 0.3 ms between two consecutive frames was selected for PIV processing. For each experimental condition, results have been averaged out from 2700 pairs of frames and 36 seconds of fluidization. In addition, two dimmable led lamps have been used to get homogeneous illumination on the front reactor wall and pressurized air was used as fluidization gas. Bed particles were non-spherical SrAl 2 O 4 based phosphorescent solids, used as optical tracers in previous studies. Their size distribution, d p, was in the range µm with a bulk density, ρ b = 1.43 g/cm 3 and a fixed bed porosity, ε packed, of The minimum fluidization velocity of these particles, u mf = 10.1 cm/s, was determined by measuring the bed pressure drop at decreasing gas velocities in a straight vessel. Reactor dimensions are 65 x 8 x 0.8 cm (height x max. width x depth). The maximum width corresponds to the upper bed zone width. The straight lower zone is 4 cm wide and 12 cm high. The tapered region between bed zones has an angle, α = 80º with respect to the horizontal position and connects the two straight bed zones. Experimental setup is shown in Figure 1. 31

33 Results A comparison of the PIV results obtained for different fluidization regimes and tube bank configurations (Figure 2) allowed the selection of a range of conditions, in which the solids circulation and the gas-solid mass transfer rates could be improved with respect to these in a conventional TS-TZFBR without internals. The use of staggered configurations is more effective to break gas bubbles (size reduction > 30%) than the use of aligned tube banks. Hybrid configurations did not enhance the bubble shrinkage with respect to staggered ones but they resulted in sharper axial solid mass flow profiles, i.e. improved axial solids mixing within the region in which the tube bundle was located. It was concluded that the use of internal elements in the lower zone of a TS-TZFBR has a positive effect on the reactor performance, since it enhances breakage of big bubbles that could eventually lead to a short-circuit in the axial solids recirculation. In addition, the use of internal tubes did not increase solids circulation time dramatically and enhanced circulation paths (Figure 3). Conclusions Coupled PIV/DIA techniques allowed the hydrodynamic study of a pseudo-2d Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor using internals in its lower zone. The effect of different tube bank configurations on the reactor dynamics has been determined for a range of fluidization conditions. A staggered configuration of 5 staggered-internals was able to reduce the average bubble size around 30% within the upper region of the lower reactor zone, avoiding slugging regimes at usual TS-TZFBR fluidization flow rates. The use of internals slightly increased the solids circulation time. A DIA procedure was developed to quantify solid fluxes in upward and downward directions, respectively. This allowed the determination of average wake and emulsion solids fluxes along the bed. The axial profile of the upwards solids fluxes was compared to DIA bubbling size and velocity profiles resulting in high agreement. REFERENCES [1]. HERGUIDO, J., MENÉNDEZ, M. and SANTAMARÍA, J. On the use of fluidized bed catalytic reactors where reduction and oxidation zones are present simultaneously. Catalysis Today. 2005, 100(1-2), Available from: doi: /j.cattod [2]. JULIÁN, I., HERGUIDO, J., and MENÉNDEZ, M. A non-parametric bubble size correlation for a Two- Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor (TS- TZFBR). Powder Technology. 2014, 256(1), Available from: doi: /j.powtec [3]. JULIÁN, I., HERGUIDO, J., and MENÉNDEZ, M. Particle mixing in a Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor (TS-TZFBR). Experimental technique and Counter-Current Back-Mixing model validation. Industrial&Engineering Chemistry Research, 2013, 52(38), Available from: doi: /ie401334x. Figure 1. Experimental set-up scheme Figure 2. Examples of tested tube bundle configurations Figure 3. PIV result for a 3-staggered internals configuration 32

34 Aromatización de metano sobre Mo/HZSM-5/bentonita: Reactor de lecho fluidizado convencional frente a reactor de lecho fluidizado de dos zonas J. Lasobras, J. Soler, J. Herguido, M. Menéndez Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , jlasobra@unizar.es Resumen Se ha realizado la transformación de metano a productos aromáticos utilizando un catalizador de Mo/HZSM-5/bentonita. Este proceso tiene el inconveniente de la desactivación del catalizador por la deposición de coque. En este trabajo se propone la configuración de reactor de lecho fluidizado de dos zonas (RLFDZ) para eliminar este inconveniente y permitir la operación en continuo. Introducción La aromatización de metano se presenta como una alternativa al aprovechamiento del gas natural mediante la transformación del CH 4 en un producto de mayor valor añadido y más fácil manejo como es el benceno, líquido a temperatura ambiente [1]. Se encuadraría por tanto dentro de las técnicas GTL (gas to liquid). La reacción consta de varias etapas, cada una dependiente de un componente del catalizador. Además, se obtienen productos secundarios como H 2 o coque, este último responsable directo de la desactivación del catalizador [2]. Para evitar esta desactivación se introduce el concepto de reactor de dos zonas que permite regenerar in situ el catalizador por la adición de un oxidante [3]. La reacción ha sido ampliamente estudiada, tanto desde el punto de vista del catalizador, como variaciones en el sistema experimental [4]. De entre los catalizadores, el compuesto por ZSM-5, molibdeno y bentonita es el óptimo para el uso en sistemas de reactores fluidizados. Experimental Los ensayos se realizaron con catalizador preparado con HZSM-5 como función ácida, molibdeno como función metálica y bentonita como aglomerante y encargado de aportar resistencia mecánica. Se realizaron experimentos en Reactor de Lecho Fluidizado Convencional (RLFC) y Reactor de lecho fluidizado de dos Zonas (RLFDZ), con una velocidad espacial similar. Existen dos diferencias entre las dos configuraciones: la forma de alimentar los reactivos al sistema y la incorporación de un agente oxidante en el caso del RLFDZ. En la Figura 1 se muestran las dos configuraciones y se observa como en el RLFDZ se distinguen dos zonas diferentes. Las dos zonas se diferencian por la atmósfera en la que se encuentra el catalizador: reductora en la zona superior y oxidante en la inferior. La corriente resultante de la reacción se analizó por cromatografía de gases. La reacción se llevó a cabo con una corriente de gas de CH 4 /N 2 para el RLF y CH 4 /N 2 +O 2 en RLFDZ a 700 ºC en reactores de cuarzo. Resultados y discusión Los resultados de ambos experimentos a lo largo del tiempo se muestran en las Figuras 2-4. La conversión es superior para el caso del RLFC, sin embargo, se observa una marcada desactivación debida a la formación de coque que se deposita sobre el catalizador. Para el caso del RLFDZ no se ve esta desactivación, sino que se observa una conversión constante con el tiempo. Este hecho no se debe a que no exista deposición de coque, sino que al añadir un agente oxidante, este coque es eliminado y el catalizador permanece activo. La selectividad a hidrocarburos aromáticos (BTX) en relación a los hidrocarburos producidos, es igual para ambos reactores. Sin embargo, el producto principal (benceno) presenta una selectividad algo inferior para el RLFDZ. Esta diferencia se debe a la aparición de un nuevo producto, el CO proveniente de la reacción del coque con el O 2, lo que regenera del catalizador. Otro modo de ver la desactivación del catalizador es en los productos intermedios de la reacción: los C 2. El hecho de que aumente la selectividad a C 2 con el tiempo es el resultado del bloqueo de los sitios de ciclación por los depósitos carbonosos situados sobre ellos. 33

35 Conclusiones La reacción de aromatización de metano puede llevarse a cabo de modo continuo en un RLFDZ. La menor selectividad al producto principal, benceno, se ve compensada por la existencia de una zona de regeneración en el reactor, que facilita el mantenimiento de un catalizador activo, ya que se elimina en la zona oxidante el coque generado en la zona de reacción. Se evita la parada del sistema y el cambio o regeneración del catalizador lo que implicaría un trabajo en ciclos. REFERENCIAS [1]. WANG, L.S., TAO, L.X., XIE, M.S., XU, G.F., HUANG, J.S. and XU, Y.D. Dehydrogenation and Aromatization of Methane Under Nonoxidizing Conditions. Catalysis Letters. 1993, 21(1-2), [2]. WONG, K. S., THYBAUT, J. W., TANGSTAD, E., STÖCKER, M. W. and MARIN, G. B. Methane aromatisation based upon elementary steps: Kinetic and catalyst descriptors. Microporous and Mesoporous Materials. 2012, 164, [3]. GIMENO, M., SOLER, J., HERGUIDO, J. and MENENDEZ, M. Counteracting Catalyst Deactivation in Methane Aromatization with a Two Zone Fluidized Bed Reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2010, 49(3), [4]. MAJHI, S., MOHANTY, P., WANG, H. and PANT, K.K. Direct conversion of natural gas to higher hydrocarbons: A review. Journal Of Energy Chemistry. 2013, 22(4), a) b) CH 4 Selectividad a benceno (%) RLFC RLFDZ Tiempo (min) N 2 +CH 4 N 2 +O 2 Figura 1: Configuración de reactores a) RLFC y b) RLFDZ Conversión (%) RLFC 10 RLFDZ Tiempo (min) Figura 2: Comparativa entre RLF y RLFDZ de la evolucion temporal de la conversión en la aromatización de metano sobre Mo/HZSM-5/bentonita a 700 ºC Figura 3: Comparativa entre RLF y RLFDZ de la evolucion temporal de la selectividad a benceno en la aromatización de metano sobre Mo/HZSM-5/bentonita a 700 ºC Selectividad a C Tiempo (min) RLFC RLFDZ Figura 4: Comparativa entre RLF y RLFDZ de la evolucion temporal de los C 2 en la aromatización de metano sobre Mo/HZSM-5/bentonita a 700 ºC 34

36 Methyl Formate: an Experimental and Kinetic Study of its Oxidation at High-Pressure Lorena Marrodán, Ángela Millera, Rafael Bilbao, Mª Ujué Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract An experimental and kinetic modeling study of the influence of pressure on the oxidation of methyl formate (MF) has been performed in the 1-60 bar pressure range. The influence of stoichiometry, temperature, pressure and presence of NO on the conversion of MF, and on the formation of the main products, has been analyzed. Introduction Nowadays, transport is one of the main responsible of the emission to the atmosphere of different pollutants (nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon dioxide and particulate matter, mainly), with a variety of potential effects on environment and/or human health. Despite of their high fuel efficiency and lower emissions of hydrocarbons and CO, diesel engines suffer from high emissions of particulate matter and NO x. Reduction of both emissions at the same time still remains as one of the major tasks in these engines development due to the increasing concern on environmental protection. A prospective solution to this problem is to use oxygenated alternative fuels or to add the oxygenated compounds to the diesel fuels to provide more oxygen during the oxidation, without significant changes in the combustion chamber. One of these compounds is methyl formate, MF (CH 3 OCHO). Furthermore, MF is an important intermediate or final product during the oxidation of other promising diesel fuel additives, such as dimethoxymethane (DMM) or dimethylether (DME) in the presence of NO x [1]. MF is the simplest member of the ester family, the fundamental constituent of biodiesel. Due to the volatile nature of the esters, the presence of MF in the atmosphere is a reality. Therefore, many studies about the MF decomposition in the atmosphere have been reported in the literature (e.g. [2]). However, from both experimental and kinetic modeling points of view, only a few studies at high temperatures and, even less, at pressure can be mentioned. Scope and objectives In this context, the present work aims to extend the experimental data from flow reactor results on MF oxidation at pressures higher than atmospheric, since those results will be helpful for engine applications. Furthermore, the interaction between MF and NO is also analyzed by adding a given amount of NO to the reacting system. Specifically, the oxidation of MF has been investigated under flow reactor conditions, at different pressures (atmospheric, 20, 40 and 60 bar), in the K temperature interval, from reducing to very fuellean conditions, both in the absence and in the presence of NO. Additionally, the experimental data will be interpreted in terms of a detailed kinetic modeling study based on the MF mechanism subset by Dooley et al. [3], updated by Alzueta et al. [4] and revised and completed in the present work. Model calculations have been performed using Senkin which runs in conjunction with Chemkin-II library, considering pressure and temperature constant in the reaction zone, which has been tested to be a fairly good assumption. Experimental This work includes an experimental study on MF oxidation in the presence and in the absence of NO. Figure 1 shows the experimental installation used to perform the different oxidation experiments. The installation basically consists of a feeding system (gas/liquid), a reaction system and a gas analysis system. MF liquid is supplied using a CEM (Controlled Evaporation Mixer), which evaporates the liquid 35

37 and then it is mixed with N 2 as carrier gas. All gases are supplied from cylinders through mass flow controllers. atmospheric conditions to 20 bar and higher ones. The formation of CO 2 is clearly favored at high pressures, whereas other products (such as CH 4 or H 2 ) are hardly formed. Moreover, at high pressures, the reaction pathways are slightly more complex compared to atmospheric conditions due to the formation of some radicals, such as CH 2 OCHO and CH 3 OCO. In the presence of NO, results indicate no net reduction of NO x, although under high pressure conditions the interconversion NO-NO 2 becomes very important. Acknowledgements Fig. 1. Diagram of the high-pressure gas-phase installation. The reaction system consists of a quartz reactor enclosed in a stainless steel tube that acts as a pressure shell. A pressure control system, consisting of two thermal mass flow pressure controllers, automatically delivers N 2 to the shell-side of the reactor to obtain a pressure similar to that inside the reactor, avoiding the reactor breaking. The outlet gas composition is measured using a micro gas chromatograph equipped with TCD detectors, able to detect MF, CO, CO 2, H 2, CH 3 OH, CH 2 O, and hydrocarbons (CH 4, C 2 H 2, C 2 H 4, C 2 H 6 ); a continuos IR analyzer to measure the NO concentration; and a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer to check the formation of some nitrogen compounds such as NO 2, HCN or NH 3. Conclusions Results indicate an important influence of pressure, with the MF conversion shifted to lower temperatures when pressure is raised from The authors express their gratitude to the Aragón Government (GPT group) and to MINECO and FEDER (Project CTQ ), for financial support. REFERENCES [1]. DOOLEY, S., BURKE, M.P., CHAOS, M., STEIN, Y., DRYER, F.L., ZHUKOV, V.P., FINCH, O., SIMMIE, J.M., and CURRAN, H.J. Methyl formate oxidation: Speciation data, laminar burning velocities, ignition delay times, and a validated chemical kinetic model. International Journal of Chemical Kinetics. 2010, 42(9), [2]. GOOD, D.A, and FRANCISCO, J.S. Tropospheric oxidation mechanism of dimethyl ether and methyl formate. Journal of Physical Chemistry A. 2000, 104(6), [3]. DOOLEY, S., DRYER, F.L., YANG, B., WANG, J., COOL, T.A., KASPER, T., and HANSEN, N. An experimental and kinetic modelin study of methyl formate low-pressure flames. Combustion and Flame. 2011, 158(4), [4]. ALZUETA, M.U., ARANDA, V., MONGE, F., MILLERA, A., and BILBAO, R. Oxidation of methyl formate and its interaction with nitric oxide. Combustion and Flame. 2013, 160(5),

38 Producción de hidrógeno a partir de bio-oil sintético mediante steam-iron en lecho fijo Jorge Plou, Paúl Durán, Javier Herguido, José Ángel Peña Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , jplou@unizar.es Abstract Intensificación de los métodos de producción y purificación de hidrógeno a partir de bio-oil sintético utilizando el proceso steam-iron. El tradicional óxido metálico sometido a ciclos redox se complementa con un catalizador que favorece la descomposición de los compuestos orgánicos que constituyen el bio-oil. Introducción Hoy en día han aparecido nuevos retos en el sector de la energía debido al agotamiento de los combustibles fósiles. Uno de ellos es la búsqueda de una alternativa a esos combustibles fósiles que sea capaz de disminuir su actual explotación, o suponer su completa substitución a largo plazo. La más prometedora es el hidrógeno como vector de energía, que junto con la tecnología de las pilas de combustible, constituye una alternativa muy eficiente y que no emite ningún tipo de contaminante. No obstante, el hidrógeno sólo puede ser considerado como una buena opción si la materia prima de la que procede y la fuente de energía con la que se produce son renovables. Un buen ejemplo lo constituye la producción a partir de biocombustibles, biomasa, bio-oil o biogás mediante procesos termoquímicos. El trabajo está enfocado en el uso de bio-oil para la producción de hidrógeno a partir de un proceso llamado steam-iron (SIP) (Messerschmidt 1910). Aunque en el proceso SIP original sólo se utiliza óxido de hierro como reactivo principal, en este estudio se ha incluido el uso de catalizador para favorecer la descomposición del bio-oil. Se ha utilizado una mezcla sintética de tres compuestos orgánicos emulando la composición de un bio-oil real (producto líquido de la pirolisis rápida de biomasa). El procedo SIP se compone de dos etapas REDOX. En primer lugar, la reducción de un óxido de hierro hasta su estado de oxidación mínimo mediante el paso de una corriente de combustible, como puede ser el hidrógeno, biogás o bio-oil vaporizado. En segundo lugar la oxidación con vapor de agua del hierro previamente reducido, generando hidrógeno de altísima pureza. Los experimentos que han demostrado que es posible llevar a cabo este proceso se han realizado entre 600 y 800 C en un reactor de lecho fijo. El sólido es una mezcla mecánica de óxido de hierro dopado con otros componentes minoritarios (Plou et al. 2014) y aluminato de níquel con exceso de níquel como catalizador. El bio-oil sintético es una mezcla de metanol, ácido acético e hidroxiacetona en proporciones análogas a aquellas encontradas en un bio-oil tipo (Bertero et al. 2012; Oasmaa and Meier 2005). Resultados Los resultados muestran que es posible reducir el sólido con la mezcla sintética propuesta a las temperaturas de trabajo utilizadas. El catalizador es también capaz de convertir completamente los reactivos en una mezcla de gases que tienen la suficiente capacidad reductora como para transformar el óxido de hierro en hierro metálico. Como se observa en la Figura 1, el hecho de que en los primeros 20 min haya una cantidad menor de hidrógeno que en el resto del experimento es debido a su consumo en la reducción del sólido. A su vez, el flujo de CO 2 sigue una trayectoria vinculada a la producción y oxidación del CO a lo largo del tiempo y su interacción con los distintos grados de oxidación del óxido de hierro. En la siguiente etapa de oxidación con vapor de agua (~500 ºC), el hidrógeno es producido con una concentración de CO 2 muy baja (~3%), debido a la gasificación del carbono que se ha acumulado en la etapa previa de reducción. No se ha detectado CO en las condiciones de operación utilizadas. Como las pilas de combustible se envenenan con el monóxido de carbono pero no con el dióxido de 37

39 carbono, la corriente de salida está ya totalmente adecuada para conectarse sin necesidad de una purificación extra. Tras 10 ciclos de reducciónoxidación se ha observado que el sólido ha perdido el 30% de su capacidad para generar hidrógeno y parece estar muy próximo a su comportamiento estable (Figura 2). REFERENCIAS [1]. BERTERO, M., PUENTE, G. de la and SEDRAN, U. Fuels from bio-oils: Bio-oil production from different residual sources, characterization and thermal conditioning. Fuel. 2012, 95, Available from: doi: /j.fuel [2]. MESSERSCHMITT, A. Process of producing hydrogen. U.S., Patent No. 465,686 ed [3]. OASMAA, A. and MEIER, D. Norms and standards for fast pyrolysis liquids: 1. Round robin test. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2005, 73(2), Available from: doi: /j.jaap [4]. PLOU, J., DURÁN, P., HERGUIDO, J. and PEÑA, J.A. Purified hydrogen from synthetic biogas by joint methane dry reforming and steam-iron process: Behaviour of metallic oxides and coke formation. Fuel. 2014, 118, Available from: doi: Reducción 700 C 2.5 Flujo molar (mmol/min) nº ciclo Flujo (H 2 ) nº ciclo Flujo (CO 2 ) Ciclo 1 Ciclo 3 Ciclo 5 Ciclo 7 Ciclo Tiempo (min) Figura 1. Etapa de reducción de los ciclos 1, 3, 5, 7 y 9 a 700 C de una mezcla 47.5% de ácido acético, 37.5% de hidroxiacetona y 15% de metanol. moles H 2 generados en Oxidación / moles H 2 teórico máximo Nº Ciclo Figura 2. Cantidad de hidrógeno producido en la etapa de oxidación respecto al teórico máximo 38

40 Pirólisis de purines de cerdo utilizando TG-DSC Violeta Quispe, Javier Ábrego, María Benita Murillo, Gloria Gea, María Atienza Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract El uso de técnicas instrumentales como la termogravimetria (TG) y la calorimetría (DSC) ha sido propuesto en el proceso de pirólisis de purines de cerdo bajo diferentes condiciones experimentales permitiendo obtener información fundamental para su aplicación en la adecuada valorización energética y posible nueva via de tratamiento sostenible. Introducción España es el segundo productor de porcino de la Unión Europea y su producción anual de purines oscila entre los 35 y 50 millones de toneladas. La mayor parte se aplica al suelo pero dada la elevada producción de los mismos y la contaminación que causa al suelo y en el agua, es preciso buscar otras formas de tratamiento. Entre ellas aparece la pirólisis como una posible opción de valorización energética dado el poder calorífico de este residuo. La viabilidad técnica y económica depende fundamentalmente del balance energético del proceso (energía consumida y energía almacenada de los productos obtenidos) y generalmente de las posibilidades de aprovechamiento energético y material de los productos. Esto a su vez se viene influenciado por las condiciones de operación [1]. La Termogravimetría (TG) y la calorimetría (DSC) son técnicas instrumentales que suministran información significativa sobre el comportamiento pirolítico de la biomasa, asi como la cinética de descomposición, su mecanismo de reacción e identificar procesos exotérmicos o endotérmicos [2]. El análisis termogravimétrico (TG) proporciona información con respecto a la curva de pérdida de peso en función de la temperatura y tiempo. Mientras que la calorimetría calcula la energía absorbida o liberada por una muestra, a partir del flujo calorífico diferencial (DSC). Con la combinación de ambos métodos, se podría proporcionar información valiosa para poder empezar a plantear estudios a mayor escala del proceso aplicado a este material [3]. Aun así existe escasa información a nivel nacional e internacional, sobre el procesado termoquímico del purín por lo cual este grupo de investigación se centra en la investigación sobre este campo. En este estudio se presentan los resultados de experimentos realizados en una Termobalanza empleando purines de cerdo que provienen digeridos anaeróbicamente y en base seca. Los resultados obtenidos fueron evaluados y comparados con otro residuo que se estudia en el mismo grupo de investigación desde hace más tiempo. Metodo Experimental Se utilizó una termobalanza de horno tipo Std SiC S y crisol de Platino-Rodio. Antes de introducir las muestras, se molieron en un mortero de ágata. En la Tabla 1 se muestran las características y análisis inmediato del purín. Tabla 1. Características del purín Análisis inmediatos de ADPC Valores Poder calorífico Superior (MJ/Kg) 12,4 Humedad (% en masa) 5,0 Cenizas (% en masa) 29,4 Volátiles (% en masa) 54,7 Composición elemental % en masa N C H S 6,1 26,3 4,6 5,8 Tabla 2. Condiciones experimentales de operación Experimento Masa de purín (mg) Tamañ o de Partícu la (µm) Velocidad de calentamie nto C/min

41 Los experimentos dinámicos se llevaron a cabo en condiciones de atmósfera inerte, con un intervalo de temperatura entre 25 C hasta 800 C y flujo de gas de 70 ml (STP)/min. En la tabla 2 se muestra los experimentos realizados a las diferentes condiciones de operación. Resultados En la Figura a) se muestra la variación de la pérdida de peso del material frente a la temperatura para los dos residuos analizados, purines y lodos de depuradora. La perdida de peso total obtenida hasta 800 ºC es un 60 % y 55 % en masa, respectivamente. Estas diferencias podrían ser debido en parte a un menor contenido de cenizas y un mayor contenido en volátiles de los purines. Las máximas pérdidas de peso se producen a temperaturas inferiores en el purín que en el lodo, en el purín se produce aproximadamente entre 200 y 300 C y en el lodo entre ºC. Solo en el caso del purín hay una perdida de peso a temperaturas altas (en torno a 700ºC) que podría ser debido en parte a la descomposicióntérmica de algún compuestoinorgánico. En la Figura b) se presentan la curva de DSC y DTG del Experimento n 3 del purín. Se observa que, los picos de perdida de peso coinciden con los picos de cambio de energía, mostrando que los procesos de descomposición que ocurren durante la pirólisis de purines son mayoritariamente endotérmicos. Para llevar a cabo la pirólisis de purines hasta 550 C la curva de DSC nos indica que se requiere un aporte energético entorno a 0.8 MJ/kg. La Figura c) representa las curvas TG y DTG obtenidas para los purines bajo las diferentes condiciones de operación analizadas (Tabla 2). Se observa mayores velocidades de descomposición para la mayor velocidad de calentamiento analizada. Sin embargo, apenas se aprecian diferencias entre los experimentos realizados con distinta cantidad de masa lo que indica que 20 mg es una cantidad adecuada para reducir problemas difusionales. Conclusiones Los resultados nos indican que, mediante la pirólisis, se puede lograr reducir estos residuos hasta un 60 y un 55% en masa, respectivamente. Aunque los lodos y los purines son materiales que podríamos considerar similares, ya que ambos proceden de un proceso de digestión anaerobia de la materia orgánica de un residuo con elevado contenido en agua (superior al 95 % en masa), se puede observar que su comportamiento en la termogravimetría es distinto, especialmente a altas temperaturas, lo que nos indica que probablemente su composición inorgánica sea diferente. El proceso de pirólisis de los purines hasta una temperatura de 550 C es un proceso endotérmico con necesidades energéticas entorno a 0.8 MJ/kg. Agradecimientos Los autores agradecen al Proyecto JIUZ-2013-TEC- 01 financiado por la Universidad de Zaragoza. Violeta Quispe agradece al grupo de investigación del GPT y al Banco Santander por el financiamiento predoctoral otorgado. Referencias [1]. FANG, H., WEIMING, Y. and XUEYUAN, B. Investigation on caloric requirement of biomass pyrolysis using TG DSC analyzer. Energy Conversion and Management. 2006, 47(15), [2]. SHADANGI, K. P. and MOHANTY, K. Kinetic study and thermal analysis of the pyrolysis of nonedible oilseed powders by thermogravimetric and differential scanning calorimetric analysis. Renewable Energy. 2014, 63, [3]. CONESA J.A., URUENA, A. and DIEZ, D. Corn stover thermal decomposition in pyrolytic andoxidant atmosphere. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2014, 106,

42 Figura 1: a) Comparación TG y DTG entre resultados de purín y lodo; b) Relación entre DSC y DTG del experimento 3 de los purines y c) Resultados de TG y DTG de los purines a diferentes condiciones. 41

43 Análisis de la Formación de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH), sus derivados Oxigenados y Hollín en la Pirólisis de Compuestos Oxigenados usados como Aditivos a Combustibles Fausto Viteri, Ángela Millera, Rafael Bilbao, Uxue Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , fviteri@unizar.es Abstract Diferentes compuestos oxigenados se han propuesto como combustibles alternativos o aditivos a combustibles, debido a su capacidad de disminuir la emisión de algunos contaminantes atmosféricos y por su carácter renovable. La presente investigación se centra en el estudio de PAH, Oxy-PAH y hollín formados en la pirólisis de estos compuestos oxigenados. Introducción El constante uso de combustibles fósiles, para movilizar múltiples vehículos de transporte, hace que exista una mayor contaminación proveniente de este tipo de fuente. Existen varios compuestos responsables de la contaminación atmosférica que proceden de la quema de combustibles, entre los más importantes se encuentran el material particulado, formado principalmente por hollín, gases ligeros y otro grupo de gases complejos, los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH). El hollín se forma dentro de las cámaras de combustión, en condiciones que incluyen altas temperaturas y bajas concentraciones de oxígeno. Los PAH son compuestos formados dentro de la cámara de combustión en zonas ricas de combustible, y se cree que este conjunto de compuestos constituye el primer paso para la formación de hollín. La United States Environmental Protection Agency (USEPA) ha clasificado 16 PAH, conocidos como 16 USEPA- PAH, como peligrosos para la salud por su carácter cancerígeno. Además, se ha observado que los derivados oxigenados de los PAH, los Oxy-PAH, tienen incluso mayores características tóxicas y mutagénicas [1]. Debido a la formación de distintos compuestos contaminantes en el proceso de combustión en motores, se han propuesto como biocombustibles algunos compuestos oxigenados o aditivos para combustibles de automoción. Diversas investigaciones han demostrado que varios compuestos oxigenados reducen la cantidad de contaminantes durante el proceso de combustión [2], como es el caso de las emisiones de material particulado, a un nivel muy bajo [3]. En la actualidad, se han utilizado ya varios compuestos oxigenados como biocombustibles o como aditivos a combustibles, como es el caso del etanol, el cual está siendo producido por varios países como Brasil [4]. El presente estudio busca investigar la formación de PAH, Oxy-PAH y hollín a partir de la pirólisis de compuestos oxigenados propuestos como biocombustibles o aditivos para combustibles. Objetivos y Metodología La investigación tiene como objetivos: i) Desarrollar un método de identificación y cuantificación de hidrocarburos aromáticos policíclicos oxigenados Oxy-PAH, ii) Conocer el proceso de formación de PAH, Oxy-PAH y hollín durante la pirólisis de compuestos oxigenados de diferente grupo funcional, iii) Realizar análisis comparativos de la influencia de los compuestos estudiados sobre los productos formados. El estudio se realiza utilizando instalaciones experimentales que constan de un sistema de alimentación de gases, un sistema de reacción y recolección de hollín, PAH y Oxy-PAH y un sistema de detección de gases ligeros. El análisis de cuantificación de PAH utiliza el método desarrollado por nuestro grupo de investigación, utilizando cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas [5]. El procedimiento consiste en atrapar los PAH en dos 42

44 fases: i) fase sólida, encontrada sobre la superficie del hollín y sobre las paredes del reactor, ii) fase gas, retenida por la resina XAD-2, la cual está empaquetada en un tubo delgado colocado detrás del sistema de recolección de hollín. Los PAH retenidos se someten a extracción Soxhlet y, luego, las muestras son concentradas utilizando un rotavapor y analizadas mediante el cromatógrafo de gases acoplado al espectrómetro de masas. Todos los experimentos son llevados a cabo en un reactor de flujo de cuarzo, bajo condiciones de laboratorio bien controladas, en el intervalo de temperatura de K, usando diferentes concentraciones de entrada de los compuestos oxigenados considerados, entre ppmv, y a presión atmosférica. Agradecimientos Los autores agradecen a MINECO y FEDER (Proyecto CTQ ) y al Gobierno de Aragón por la financiación recibida. Fausto Viteri agradece a la Universidad de Zaragoza y a la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de Ecuador, por la beca predoctoral otorgada. Referencias [1]. KARAVALAKIS, G., DEVES, G., FONTARAS, G., STOURNAS, S., SAMARAS, Z. and BAKEAS, E. The impact of soy-based biodiesel on PAH, nitro- PAH and oxy-pah emissions from a passenger car operated over regulated and nonregulated driving cycles. Fuel. 2010, 89(12), [2]. PEPIOT-DESJARDINS, P., PITSCH, H., MALHOTRA, R., KIRBY, S. and BOEHMAN, A. Structural group analysis for soot reduction tendency of oxygenated fuels. Combustion and Flame. 2008, 154(1-2), [3]. WANG, J., WU, F., XIAO, J. and SHUAI, S. Oxygenated blend design and its effects on reducing diesel particulate emissions. Fuel. 2009, 88(10), [4]. CERQUEIRA LEITE, R., VERDE LEAL, M., BARBOSA CORTEZ, L., GRIFFIN, M. and GAYA SCANDIFFIO, M. Can Brazil replace 5% of the 2025 gasoline world demand with ethanol? Energy. 2009, 34(5), [5]. SÁNCHEZ, N., SALAFRANCA, J., CALLEJAS, A., MILLERA, A., BILBAO, R. and ALZUETA, M. U. Quantification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) found in gas and particle phases from pyrolytic processes using gas chromatography mass spectrometry (GC MS). Fuel. 2013, 107,

45 Valorización de glicerol para obtener hidrógeno en diferentes tipos de reactores Míriam Yus, Jaime Soler, Javier Herguido, Miguel Menéndez Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , miryusm@unizar.es Resumen Se ha llevado a cabo la valorización de glicerol mediante reformado con vapor de agua para obtener hidrógeno utilizando un catalizador de Ni/Al 2 O 3. Se ha conseguido operar en continuo de forma estable, superando las limitaciones de los reactores convencionales de lecho fijo y fluidizado, mediante el uso de un reactor de lecho fluidizado de dos zonas. Introducción Durante la obtención de biodiésel, se produce aproximadamente un 10 % en peso de glicerol. Debido al reciente incremento en la producción de biodiésel, se genera un excedente de glicerol, lo que hace necesario buscarle nuevas aplicaciones, como la producción de hidrógeno [1-3]. Procedimiento experimental Para llevar a cabo los experimentos de reformado de glicerol con vapor de agua se ha diseñado una planta a escala de laboratorio dónde se puede operar indistintamente con un reactor de lecho fijo (RLF), lecho fluidizado convencional (RLFC) o lecho fluidizado de dos zonas (RLFDZ) [4]. Los catalizadores ensayados se han preparado mediante impregnación incipiente con 1 % y 5 % en peso de Ni, a partir de Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O (Sigma Aldrich 99,999 %), sobre un soporte comercial de γ- Al 2 O 3 (Sasol, Puralox SCCa-150/200). Las cantidades de catalizador empleadas han sido: 1 g, 10 g y 34,5 g para RLF, RLFC y RLFDZ, respectivamente. El glicerol (Panreac 99,5 %) y el agua destilada se han alimentado mediante dos bombas HPLC Shimadzu LC-10AT. Las relaciones molares H 2 O:C 3 H 8 O 3 :N 2 ensayadas han variado desde 3:1:1 hasta 1:1:1, a una temperatura de 650 ºC. Además, se han empleado tres agentes regenerantes distintos: H 2 O, O 2 y CO 2. Los gases a la salida se analizan en línea mediante un cromatógrafo de gases Varian CP-3800, mientras que los líquidos producidos se recogen cada 20 minutos, para analizarlos posteriormente con un CG-GM QP 2010 Ultra Shimadzu. Resultados y discusión En la Figura 1 se muestra el aumento de rendimiento a hidrógeno por efecto del catalizador y por un incremento en la carga del metal activo del mismo. Por ello se ha seleccionado el catalizador 5 % Ni/Al 2 O 3 para desarrollar el estudio de otras variables. En RLF, al aumentar el caudal o bajar la relación molar agua:glicerol, se genera una elevada cantidad de coque, el cuál va bloqueando el sistema y generando sobrepresión, lo que obliga a detener el proceso en tiempos cortos de reacción. En el RLFDZ se introduce un agente regenerante y se crea una zona de reacción y una de regeneración. El regenerante consume el coque generado durante el proceso. En la Figura 2 se muestra cómo la cantidad de coque va aumentando al incrementar el caudal y disminuir la relación molar agua:glicerol aun en el caso de un RLFDZ. De ahí que trabajar con estos valores suponga un reto. En RLFDZ se introducen diferentes agentes regenerantes: H 2 O, O 2 y CO 2. Así se logra trabajar con caudales altos, bajas relaciones molares agua:glicerol, sin sobrepresión y durante un mayor periodo de operación. En RLFC, se consigue alargar el tiempo de reacción con respecto al RLF. Sin embargo, no se logra un sistema estable debido a la generación de coque. El coque va desactivando el catalizador y generando sobrepresión en el sistema, lo que acaba forzando la parada de la operación. En la Figura 3, se aprecia una comparativa para RLFC y RLFDZ para unas mismas condiciones de trabajo. En RLFC, el catalizador va perdiendo su actividad, lo que se refleja en una disminución en la 44

46 producción de hidrógeno y un aumento del CO y CH 4. Por el contrario, en el RLFDZ se observa que el proceso es estable y se obtienen valores de concentración de hidrógeno próximos a los calculados para el equilibrio termodinámico mediante el simulador Hysys. En la Figura 4 se muestra el rendimiento a hidrógeno con diferentes agentes regenerantes durante el proceso (RLFDZ): CO 2 y O 2. El CO 2 ofrece valores más próximos a los descritos para el equilibrio y más estables, ya que el O 2 posee tal carácter oxidante que desactiva el catalizador. Conclusiones Se han superado las limitaciones de un reactor de lecho fijo y un lecho fluidizado, mediante la utilización de un reactor de lecho fluidizado de dos zonas. Se obtiene un elevado rendimiento a hidrógeno. Se ha logrado operar con bajas relaciones molares agua:glicerol. Finalmente, se ha conseguido emplear diferentes agentes regenerantes y así operar en continuo de forma estable. Referencias [1]. CHEN, H., DING, Y., CONG, N. T., DOU, B., DUPONT, V., GHADIRI, M. and WILLIAMS, P. T. A comparative study on hydrogen production from steam-glycerol reforming: thermodynamics and experimental. Renewable Energy. 2011, 36(2), [2]. ADHIKARI, S., FERNANDO, S., GWALTNEY, S. R., TO, S. D. F., BRICKA, R. M., STEELE, P. H. and HARYANTO, A. A thermodynamic analysis of hydrogen production by steam reforming of glycerol. International Journal of Hydrogen Energy. 2007, 32(14), [3]. CHOI, Y., KIM, N. D., BAEK, J., KIM, W., LEE, H. J. and YI, J. Effect of N2O-mediated calcination on nickel species and the catalytic activity of nickel catalysts supported on γ-al2o3 in the steam reforming of glycerol. International Journal of Hydrogen Energy. 2011, 36(6), [4]. HERGUIDO, J., MENÉNDEZ, M. and SANTAMARÍA, J. On the use of fluidized bed catalytic reactors where reduction and oxidation zones are present simultaneously. Catalysis Today. 2005, 100(1-2), Rendimiento H2 (%) Sin catalizador 1 % Catalizador Ni/Al 2 O 3 5 % Ni/Al 2 O g cat. 10 g cat. 72 ml N /min 72 ml N /min 112 ml N /min % moles Tiempo (min) Huecos: RLFC Rellenos: RLFDZ H2 H 2 Equilibrio Hidrógeno CO Equilibrio CO CH4 4 Equilibrio CH4 4 Figura 1. Rendimiento a H 2 a T = 650 ºC y relación molar 3:1:1. Figura 3. Porcentaje molar de productos más representativos. RLFC vs RLFDZ, 5 % Ni/Al 2 O 3, T = 650 ºC, relación molar 1,25:1:1,75, caudal 182 ml N /min. Coque (%) :1:4 1,74:1:3,25 1,59:1:2,81 1,49:1:2,50 1,42:1:2,28 1,37:1:2,13 1,33:1:2 Relación molar (H 2O:C 3H 8O 3:N 2) Figura 2. Variación del porcentaje de coque depositado sobre el catalizador, con la relación molar de reactivos en un RLFDZ a 650 ºC, variando el caudal de 80 a 182 ml N /min, 4 horas de reacción. 1,3:1:1,9 1,27:1:1,82 1,25:1:1,75 Rendimiento H2 (%) Tiempo (min) 1:1:0,8 (CO2):1,2 Teórico 1,25:1:0,4 Hysys (O2) 1,25:1:0,4 :1,35 Teórico (O2):1,35 1,25:1:0,6 Teórico Hysys (O2) 1,25:1:0,6 :1,15 Teórico (O2):1,15 Teórico 1:1:0,8 Hysys (CO2) 1:1:0,8 :1,2 Teórico (CO2):1,2 1,25:1:0,4 (O2):1,35 :1,35 1,25:1:0,6 (O2):1,15 :1,15 Figura 4. Rendimiento a H 2. CO 2 como regenerante vs O 2. RLFDZ, 5 % Ni/Al 2 O 3, T = 650 ºC, caudal 182 ml N /min. 45

47 DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y LAS COMUNICACIONES

48 Modulación duobinary en aplicaciones SI-POF J. Aguirre, C. Sánchez-Azqueta, E. Guerrero, C. Gimeno, S. Celma Grupo de Diseño Electrónico (GDE) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract En comunicaciones serie de alta velocidad NRZ es la técnica de modulación más extendida. Sin embargo, la modulación denominada duobinary ofrece buenos resultados en canales con un roll-off pronunciado, aumentando la velocidad de transmisión con arquitecturas simples. Este trabajo demuestra que esta técnica puede resultar ventajosa para transmisión serie multigigabit por fibra ópica de plástico. Introducción La creciente demanda de sistemas de comunicaciones con tasas de bits cada vez más elevadas en entornos domésticos ha potenciado el desarrollo de sistemas eficaces de bajo coste y bajo consumo. Uno de los frentes que más posibilidades nos abren a la hora de conseguir tasas de bits elevadas es el uso de diferentes técnicas a la hora de modular las señales. Modulación duobinary Tradicionalmente, la modulación non-return to zero (NRZ) es la técnica de modulación más extendida por ser la más sencilla de procesar tanto en el emisor como en el receptor, lo que redunda en niveles de consumo mínimos. Uno de los principales factores que producen errores en la transmisión digital es la llamada interferencia intersímbolo (ISI). Esto es, el solapamiento que se produce entre símbolos consecutivos como consecuencia de la distorsión de la señal producida por la limitación en banda de los canales. La técnica duobinary, propuesta por primera vez en los años 60 [1], es una opción interesante en estos casos, ya que deliberadamente introduce ISI de manera controlada, con el objetivo de poder eliminarlo en el receptor, y recuperar así la señal limpia [2]. Para introducir de manera correcta el ISI en nuestra señal, es necesario implementar en el emisor un precodificador, cuya estructura más sencilla puede verse en la Fig. 1, y que únicamente requiere de una puerta AND y un divisor de frecuencia. A la salida de este precodificador, obtenemos otra señal de dos niveles (señal PRECOD de la Fig. 2) Cuando esta señal atraviesa un canal real (cuyo módulo de la respuesta frecuencial tienen siempre forma de filtro pasa baja), la distorsión lineal provoca una visible deformación en la señal. Lo que aparentemente puede parecer una señal degradada es en realidad una señal de tres niveles perfectamente diferenciados. Con ayuda únicamente de dos comparadores y una puerta XOR puede decodificarse la señal DUO para volver a recuperar la señal NRZ que teníamos a la entrada del sistema. Si la secuencia de bits puede considerarse aleatoria, la densidad espectral de la señal DUO es conocida, y coincide en forma funcional con la densidad espectral de la señal NRZ (sinc 2 ), pero compactada en la mitad de intervalo frecuencial [2]. Esto implica que, con modulación duobinary puede conseguirse el doble de velocidad de bits que con NRZ, sin aumentar la complejidad de la arquitectura del transceptor. Sin embargo, la relación señal-ruido se reduce, por lo que serán necesarios receptores más sensitivos. Aplicación a POFs En la literatura hay varias comparativas entre diferentes tipos de modulación, pero no se aporta un criterio definitivo. La modulación óptima depende en cada caso de la forma de la función de transferencia del canal y de la velocidad de transmisión deseada [2]. Por nuestra experiencia estamos en condiciones de afirmar que la modulación duobinary es preferible a NRZ en canales con un roll-off superior a los 60 db/dec. La Fig. 3 muestra la respuesta de una fibra óptica de plástico (SI-POF) de 50 m así como la unión 47

49 entre este canal y un receptor con ecualización analógica [3]. Como puede verse, el roll-off de la POF es bajo (~40 db/dec), pero aumenta considerablemente al añadir el ecualizador, haciéndolo adecuado para trabajar con modulación duobinary. Las Fig. 4(a) y 4(b) muestran los diagramas de ojo de una señal a 3 Gbps a través del sistema completo POF+ecualizador descrito en [3]. En la Fig. 4(b), lo que aparentemente es un ojo cerrado (si considerásemos que la señal fuese de dos niveles) es en realidad un ojo abierto si tenemos en cuenta que se trata de una señal duobinary de tres niveles. La Fig. 4(c) muestra la señal decodificada. Es decir, se ha conseguido aumentar la velocidad de transmisión del canal con respecto a [3]. Conclusión Se ha demostrado que para canales POF, la modulación duobinary consigue duplicar la velocidad de transmisión respecto a la modulación NRZ, manteniendo la misma tasa de error. Esto se consigue introduciendo ISI en la señal de manera controlada, de modo que pueda eliminarse en el receptor, recuperando así la secuencia de bits original. El empleo de esta técnica de modulación puede ayudar a superar las restrictivas limitaciones de banda ancha en sistemas de comunicaciones con fibra óptica de plástico. REFERENCIAS [1]. LENDER, A. The Duobinary Technique for High- Speed Data Transmission. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 1963, 82(2), [2]. LEE, J., CHEN, M. and WANG, H. Design and Comparison of Three 20-Gb/s Backplane Transceivers for Duobinary, PAM4 and NRZ Data. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2008, 43(9), [3]. GIMENO, C., ALDEA, C., CELMA, S. and AZNAR, F. Cost-Effective 1.25-Gb/s CMOS Receiver for 50-m Large-Core SI-POF Links. IEEE Photonics Technology Letters. 2012, 24(6), Fig. 1. Precodificador y decodificador duobinary. Fig. 2. Formas de onda de un sistema con modulación duobinary POF + Ecualizador 40 G (db) 20 0 POF Frequency (Hz) Fig. 3. Respuesta frecuencial (suavizada) de SI-POF de 50 m sin y con ecualización. (a) (b) (c) Fig. 4. Diagrama de ojo para 3 Gbps DUO sobre: (a) POF 50 m (b) POF 50m + ecualizador, (c) Salida del decodificador. 48

50 Optimización de parámetros para modulación Nyquist óptica y comparación con OFDM óptica José A. Altabás 1, José A. Lázaro 2, Félix Sotelo 1, Ignacio Garcés 1 1 Grupo de Tecnologías Fotónicas, Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , jaltabas@unizar.es 2 Universidad Politécnica de Cataluña Abstract En este artículo se presenta un análisis y optimización de parámetros de modulación Nyquist óptica y su comparación con Orthogonal Frequency- Division Multiplexing (OFDM) óptica. Este análisis se ha centrado en un esquema de modulación en intensidad y detección directa para su extensión en sistemas de mayor rentabilidad. Introducción En los últimos años, se ha producido un crecimiento exponencial del tráfico de datos en Internet. Este crecimiento ha motivado el desarrollo de nuevas redes ópticas que permitan afrontar esta demanda, haciendo un uso eficiente de los recursos de las redes ópticas mediante Elastic Optical Networks (EON) [1], [2]. Estas redes realizan una asignación adaptativa del espectro óptico en función de la demanda de tráfico, la disponibilidad dinámica de los recursos, etc. En este artículo presentamos el análisis y optimización de la modulación Nyquist digital, en función de los requerimientos de ancho de banda eléctrico del receptor, relación señal a ruido óptica (OSNR) y de la longitud del pulso conformador. Además, se realiza un análisis comparativo de la modulación Nyquist digital con OFDM como referencia. Esta comparativa se centra en modulación en intensidad y detección directa para su potencial extensión a sistemas mas rentbles tales como RSOAs o láseres modulados directamente [3]. Setup La simulación presentada en este artículo se realiza mediante el esquemático mostrado en la Figura 1 utilizando Matlab TM y VPItransmissionMaker TM El bloque Generador de Símbolos/DAC se generan los datos mediante Matlab TM y realiza la modulación deseada. En la modulación Nyquist, los datos son filtrados mediante un conformador de pulso (función sinc), el cual tiene una longitud infinita por lo que debe ser truncado. OFDM se obtiene mediante la IFFT de un grupo de 128 subportadoras, que debe tener simetría hermítica, es decir, debe tener la siguiente forma: [0 a 1 a 63 0 a 63 a 1 ] donde a i representa el dato transmitido en cada subportadora, para evitar producir señales complejas. En este bloque se selecciona la tasa de muestreo del DAC, que será la misma que la del ADC en Muestreador/ADC. Bias-Tee y Driver amplifican la señal y añaden el nivel de continua necesario para que la señal sea puramente positiva y pueda modular en intensidad, mediante Modulador Mach-Zehnder, a la luz emitida por el bloque Laser. La señal óptica generada pasa a través del bloque Set OSNR que añade ruido ASE para obtener una OSNR contralada y después es demodulada con un fotodiodo ( PIN ). En Adquisición y postprocesado, la señal de modulación Nyquist es demodulada mediante un decisor de umbral, mientras que la señal de OFDM es procesada mediante FFT para recuperar los datos. Resultados Longitud del pulso conformador de Nyquist El truncado en el pulso conformador de Nyquist tiene un efecto minimo sobre la evolucón de la tasa de error en función del ancho de banda del receptor, tal y como se puede observar en la Figura 2. El principal efecto de estas variaciones aparece en el espectro óptico de la señal. En la Figura 3, se observa como se produce un ensanchamiento progresivo del espectro conforme se reduce el numero de simbolos de longitud del pulso conformador. Además, cuando esta longitud es pequeña aparecen unas replicas de la portadora que no son filtradas correctamente por la modificación de la respuesta espectral del filtro conformador. 49

51 Comparativa entre Nyquist y OFDM Observando la Figura 4 se observa que la modulación Nyquist se comporta mejor que la OFDM en casi un orden de magnitud. Esto se debe a los efectos de propagación de errores al recuperar los datos mediante la FFT en OFDM. La modulación Nyquist permite una reducción del 20% de ancho de banda eléctrico del receptor respecto a OFDM para obtener la misma tasa de error. Los espectros de ambas modulación son muy similares, tal y como se ve en la Figura 5. El espectro de Nyquist con un pulso conformado de 128 símbolos de longitud tiene una caída en el espectro mucho más abrupta entre la banda de interés y la adyacente que en el caso de OFDM Conclusiones En este artículo, se ha analizado la modulación Nyquist comparándola con la modulación OFDM. La longitud del pulso conformador de la modulación Nyquist afecta a principalmente a la forma del espectro dejando prácticamente igual la tasa de error. El compromiso entre el coste computacional y la forma espectral es la utilización de un pulso conformador de longitud 12 símbolos. Además, se ha observado que el uso de una modulación Nyquist Log(BER) 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 FEC limit 25% FEC limit 7% BW (GHz) Figura 2. BER vs. Ancho de banda eléctrico del receptor (BW) para conformador de pulso Nyquist con 6 muestras por símbolo a 10Gb/s, OSNR=15dB y pulso conformador truncado a: (a) 128, (b) 32, (c) 12 y (d) 4 símbolos. (a) (b) (c) (d) permite utilizar receptores con un ancho de banda eléctrico del 80% de ancho de banda de la señal obteniendo la misma tasa de error que en OFDM. REFERENCIAS [1]. GERSTEL, O., JINNO, M., LORD, A. and YOO, S.J.B. Elastic Optical Networking: A New Draw for the Optical Layer? IEEE Communications Magazine. 2012, 50(2), [2]. JINNO, M., KOZICKI, B., TAKARA, H., WATANABE, A., SONE, Y., TAKANA, T., and HIRAN, A. Distance-Adaptative Spectrum Resource Allocation In Spectrum-sliced Elastic Optical Path Network. IEEE Communications Magazine. 2010, 48(8), [3]. LAZARO, J.A., KNORR, S., SCHRENK, B., CANO, I., POLO, V., PRAT, J. CARENA, A. and BOSCO, G. Digital Nyquist WDM for Access Networks using Limited Bandwidth Reflective Semiconductor Optical Amplifiers. In: Proc. Of OFC/NFOEC [Los Angeles]: IEEE, 2012, pp Figura 1. Setup de simulación (VPItransmissionMaker TM ) Log(BER) FEC limit 25% FEC limit 7% BW (GHz) Figura 4. BER vs. Ancho de banda eléctrico del receptor (BW) para conformador de pulso Nyquist truncado a 12 símbolos y OFDM ideal, ambos con 6 muestras por símbolo a 10Gb/s. (a) y (b) modulación Nyquist,, (c) y (d) OFDM. (a) y (c) OSNR=20dB, (b) y (d) OSNR=15dB. (a) (b) (c) (d) Figura 3. Espectro óptico de Nyquist digital a 10Gb/s con 6 muestras por símbolo y pulso conformador truncado a: (a) 4, (b) 12, (c) 32, (d) 128 símbolos de longitud. Los espectros (b-d) sean reescalado 25dB para mejorar su visibilidad. Figura 5. Espectros ópticos de Nyquist digital y OFDM a 10Gb/s con 6 muestras por símbolo. (a) OFDM, (b) y (c) Nyquist con 12 y 128 símbolos de longitud de pulso conformador. (b) ha sido reescalado 50dB y (c) 30dB mas. 50

52 A Double Loop Continuous-Time Adaptive Equalizer Cecilia Gimeno, Guillermo Royo, Erick Guerrero, Carlos Sánchez-Azqueta, Concepción Aldea, Santiago Celma Grupo de Diseño Electrónico (GDE) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract This paper presents an adaptive equalizer for shorthaul gigabit optical communications. It includes two adaptation loops to compensate the changes in level and spectrum of the input signal. It consumes 29.3 mw for a 1.25 Gb/s signal, transmitted through a 50-m length 1-mm core SI-POF. Introduction An obvious growing interest exists today in lowcost optical communication systems for consumer applications. Step-index plastic optical fibers (SI- POFs) are here preferred better than coaxial cable or glass optical fibers because they reduce the global cost and provide better immunity to noisy electromagnetic interference and better security [1]. Even though POF is already commercially used at speeds up to 100 Mb/s [2, 3], its main disadvantage is the low bandwidth-length product approximately 45 MHz x 100 m [4]. Continuous-time equalization has been proposed as a good trade-off for low-power high-speed low-cost applications. This equalizer must be able to adapt its response to changes in the fiber due to temperature, material properties, length, and other kinds of effects. The characteristics of the fiber can affect the BW of the signal but also to its amplitude (fiber losses are 0.14 db/m at 650 nm). In this work we propose a low-voltage, low-power, fully-balanced continuous-time equalizer which includes two completely independent adaptation loops: one for the gain, and another for the boosting of the equalizer. First we describe the main blocks that make it up as well as the most important performances and finally, conclusions are drawn. Equalizer Architecture Fig. 1 shows the architecture of the adaptive equalizer. In the first place a line equalizer is able to compensate the response of the POF. An enhanced gain control method is combined with a highfrequency boosting control loop to adjust the response of the equalizer to fiber changes. The proposed line equalizer is a fully balanced splitpath topology with a partial positive feedback loop to increase the ratio between differential and common-mode gain [5]. Contrary to the degenerated differential pair, it provides completely decoupled controls of the gain and the zero with an even higher common-mode regection ratio (CMRR). Equalizer must automatically detect and compensate for the channel high frequency losses. A feedback loop [6] based on the spectrum balancing technique has been implemented, as shown in Fig. 1. It is formed by two low-pass filters and a power comparator. The power spectrum of the signal at the output of the equalizer is compared with the ideal one defined by a sinc 2 function for NRZ random sequence. The error signal, V C, increases or decreases the boosting in the equalizer. A feedback topology, similar to that of the equalizer, is used to implement the first-order low-pass filters (LPFs) to achieve a high CMRR to perform the comparison of powers properly. The proposed power comparator [6] is based on the flipped-voltage follower differential pair. It avoids the use of high frequency rectifiers and precision error amplifiers, which are more difficult to design and power hungry; it also achieves a bigger input voltage swing than the standard power comparator based on the currentsteering technique, overcoming the low-voltage limitation with lower power consumption. As losses of the fiber can also affect the amplitude of the signal, it is necessary to include a gain adaptation loop. Two LPFs extract the lowfrequency part of the slicer input and output signals. Then, a power comparator obtains the difference between the powers of the two quantities and generates a control signal to modify the gain of the line equalizer. The LPFs and the power comparator have been implemented using the same architectures as in the boosting adaptation loop. Also, the high CMRR of the LPFs ensure the same common-mode 51

53 for both comparator input signals, to properly perform the power comparison. Preliminary Results The proposed continuous-time adaptive equalizer has been designed in a standard 0.18-μm CMOS technology fed with only 1 V. The whole equalizer power consumption is approximately 29.3 mw, where 9.4 mw corresponds to the line equalizer, 4.9 mw to the boosting adaptation loop and 15 mw to the gain adaptation loop and the slicer. The system can adjust its response to changes in the BW of the input signal from 100 MHz up to 400 MHz, (50-m down to 10-m POF). It can also adjust its response to changes in the level of the signal of up to 12 db. These important results validate the effectiveness of the proposed architecture. Fig. 2 compares how the output of the equalizer evolves when the amplitude of the input signal changes for our two adaptation loops equalizer and the same one but without gain adaptation loop. Fig. 3 shows the eye diagrams at the input and output of the circuit for two different channel lengths: 10 m and 50 m. We use a PRBS of maximum length NRZ data stream at 1.25 Gb/s. Conclusions This paper presents a new low-voltage, highfrequency adaptive equalizer designed in a standard 0.18-μm CMOS technology. It compensates the low bandwidth of 1-mm SI-POF and adapts its boosting in answer to the variations of the characteristics of the fiber. It virtually compensates the PVT variations on the circuit due to the two independent adaptation loops included in the design: gain and boosting. Moreover, the whole adaptive equalizer consumes less than 29.3 mw with a single supply voltage of only 1 V. These values are compatible with most modern low-cost standard digital nano-cmos technologies, which impose 1-V operation in mixed analog-digital front-ends. The prototype achieves 1.25 Gb/s up to 50-m length of 1-mm SI-POF, making this approach attractive to implement gigabit transmission demanded by in-house networks. REFERENCIAS [1]. DONG, Y., and MARTIN, K. Analog front-end for a 3 Gb/s POF receiver. In: Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 2010, pp [2]. KIBLER, T., POFERL, S., BOCK, G., HUBER, H.P. and ZEEB, E. Optical data buses for automotive applications. Journal of Lightwave Technology. 2004, 22(9), [3]. ZIEMANN, O. and WHITE, W.R. 100 Mbit/s-Gbit/s- 10 Gbit/s and beyond, the use of POF in home networking and interconnection. 33rd European Conference and Exhibition of Optical Communication. [Berlin]: IEEE, 2007, pp [4]. ZIEMANN, O., KRAUSER, J., ZAMZOW, P.E. and DAUM, W. POF handbook: optical short range transmission systems. Berlin: Springer, [5]. GIMENO, C., GUERRERO, E., SANCHEZ- AZQUETA, C., ALDEA, C. and CELMA, S.. A Double Loop Continuous-Time Adaptive Equalizer. In: Proceedings of 2014 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 2014, accepted. [6]. GIMENO, C. GUERRERO, E., CELMA, S. and ALDEA, C. Reliable CMOS adaptive equalizer for short-haul optical networks. Microelectronics Reliability. 2014, 54(1), Fig. 1. Block diagram of the proposed adaptive equalizer. (a) (b) (a) (b) Fig. 2. Equalizer output signal when changes of 12 db in the amplitude are produced (a) for the proposed equalizer, and (b) for an equalizer without gain loop. (c) (d) Fig. 3. Eye diagrams at 1.25 Gb/s for (a) 10-m POF and (b) 50-m POF at the input of the circuit and for (c) 10-m POF and (d) 50-m POF at the output of the circuit. 52

54 Ecualizador adaptativo multi-rate en tiempo continuo para comunicaciones serie de alta velocidad Erick Guerrero, Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez, Javier Aguirre, Santiago Celma Grupo de Diseño Electrónico (GDE) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract Se presenta un nuevo concepto de ecualización adaptiva multi-rate para comunicaciones serie de alta velocidad. Ha sido comprobado su correcto funcionamiento en transmisión por fibra óptica plástica (POF) de hasta 50 m para datos de entrada desde 400 Mbps hasta 1.25 Gbps. El circuito puede operar con una tensión de alimentación de sólo 1 V y un consumo menor a 39 mw. Introducción La demanda de mayores tasas de transmisión para aplicaciones en el hogar ha incrementado los esfuerzos para desarrollar sistemas de comunicación de bajo coste, confiables y fáciles de instalar. La fibra óptica plástica (POF) es una buena opción como medio de transmisión para lograr este objetivo debido su ligereza, robustez y fácil instalación. Sin embargo, debido a que su ancho de banda es muy limitado, fenómenos no deseados tales como la interferencia inter-símbolo (ISI), pueden causar errores en los datos recibidos. Para corregir los errores en el proceso de comunicación a tasas de transmisión superiores al gigabit por segundo, es preferible la ecualización de la señal en tiempo continuo sobre otras técnicas de ecualización más complejas basadas en criterios de adaptación digitales. Adicionalmente, debido a las variaciones en las características del canal por temperatura, longitud, curvatura, etc., el ecualizador debe ser capaz de adaptar su respuesta para compensar dichas variaciones. La técnica de balanceo espectral, cuyo esquema conceptual se muestra en la Figura 1, es la mejor opción para lograr un sistema de baja complejidad y bajo consumo de potencia, sobre otras propuestas en la literatura. Su principio de operación se basa en la forma sinc 2 que tiene la densidad espectral de potencia (PSD) de las señales NRZ idealmente aleatorias. Si podemos comparar la razón de potencias entre dos rangos de frecuencia distintos, se puede determinar si la señal está idealmente, sub o sobre-compensada. Diseño del circuito Para la función sinc 2, la razón de dos potencias de señales, P 1 y P 2, para 2 rangos de frecuencia cualesquiera, f 1 y f 2, es constante y se puede expresar como P 2 P 1 = c (1) donde las potencias P 1 y P 2 se pueden obtener mediante dos filtros pasa-bajas LPF1 y LPF2, respectivamente. Por lo tanto, la señal de control se puede generar a partir de la desviación de la condición (1) V C P 1 c P 2 (2) Sin embargo, si las frecuencias de corte se mantienen constantes para cambios en la tasa de transferencia de la señal, el valor de c será desplazado provocando errores en la comparación de potencias. Este problema se ilustra en la Figura 2; cuando la tasa de bit cambia de 1.25 Gbps a 400 Mbps, el lóbulo principal contiene ahora todo el ancho de banda del filtro LPF2. Esto incrementa la potencia P 2, y ahora V C se hace más pequeña. Por lo tanto, es preciso desplazar la frecuencia desde f 2a hasta f 2b, para la nueva tasa de bits. La Figura 3 muestra la arquitectura del ecualizador adaptativo multi-rate propuesto; estructura mejorada de [1]. El lazo de adaptación de la izquierda realiza una comparación de las potencias P 1 y P 2, y genera un voltaje de control, V C, para ajustar la ganancia [2]. La frecuencia de corte del LPF2 es digitalmente programable mediante una palabra digital, D, la cual selecciona una combinación de condensadores en paralelo. La Tabla 1 presenta las diferentes frecuencias de corte disponibles, las cuales han sido elegidas de tal forma que se obtenga un error cero para una señal NRZ ideal, para cuatro tasas de transmisión desde 400 Mbps hasta 1.25 Gbps. Las 53

55 ganancias de ambos filtros, LPF1 y LPF2, son de 6 Input data rate D 2 D 1 D 0 BW LPF2 BW LPF Gbps MHz 970 Mbps MHz 680 Mbps MHz 30 MHz 400 Mbps MHz Tabla 1. Frecuencias de corte para LPF1 y LPF2 db y 3.5 db, respectivamente. El comparador o slicer en la salida del ecualizador restaura la señal a una secuencia binaria con una PSD con forma sinc 2 bien definida. Los cambios en la tasa de transmisión causarán un desplazamiento del primer cero, 1/T B, lo que incrementa o disminuye la potencia de alta frecuencia. Estos cambios son detectados por el comparador de potencia en el segundo lazo, y se genera la señal digital de control para ajustar la frecuencia de corte del LPF2. Resultados de simulación La trama de test es una secuencia pseudo aleatoria de longitud modulada NRZ y afectada por la respuesta frecuencial de una SI-POF Mitsubishi HG. El ecualizador propuesto ha sido diseñado en una tecnología estándar CMOS de 0.18 µm y está alimentado con una tensión de 1 V. Las Figuras 4 y 5 muestran los diagramas de ojos (a) antes y (b) después de la ecualización de la señal transmitida sobre una fibra de 50 m de longitud, para tasas de bit de 400 Mbps y 1.25 Gbps, respectivamente. Conclusión Se ha presentado un nuevo concepto de un ecualizador adaptativo multi-rate para comunicaciones serie de alta velocidad. Se ha simulado un prototipo en tecnología estándar CMOS, capaz de adaptar su respuesta a tasas de transmisión desde 400 Mbps hasta 1.25 Gbps. El circuito opera con una tensión de alimentación de 1 V, lo que demuestra su escalabilidad a tecnologías CMOS nanométrica. Referencias [1]. HYE-YOON, J., HA, K.S., and KIM, L.S.. A datapattern-tolerant adaptive equalizer using the spectrum balancing method. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2010, 57(3), [2]. GIMENO, C. GUERRERO, E., CELMA, S. and ALDEA, C. Reliable CMOS adaptive equalizer for short-haul optical networks. Microelectronics Reliability. 2014, 54(1), Figura 1. Esquema conceptual de ecualización basada en la técnica de balanceo espectral Figura 2. PSD para distintas tasas de transmisión NRZ Figura 4. Diagrama de ojos para 400 Mbps sobre POF de 50 m (a) antes y (b) después de la ecualización Figura 3. Diagrama de bloques del ecualizador adaptativo multi-rate propuesto Figura 5. Diagrama de ojos para 1.25 Gbps sobre POF de 50 m (a) antes y (b) después de la ecualización 54

56 Arquitectura de Transmisión con Sintetizador de Impedancias para la Mejora de la Eficiencia y de la Linealidad José-Ramón Pérez Cisneros, Paloma García Dúcar, Pedro Carro, Jesús de Mingo Sanz Afiliación: Grupo de Tecnologías de las Comunicaciones (GTC) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , jpcisneros@unizar.es Abstract Se presenta una arquitectura de transmisión, optimizada para linealidad y eficiencia, para amplificadores de potencia (AP) de banda ancha empleando un sintetizador de impedancias. Se proporciona una solución que permite el desarrollo de RF front-ends para la Cognitive Radio Introducción El compromiso linealidad-eficiencia, así como la reconfigurabilidad, son aspectos clave en el diseño de RF front-ends. Se necesitan arquitecturas muy eficientes dado que el amplificador de potencia (AP) representa el mayor consumo de energía. Además, dichas arquitecturas deben ser altamente lineales debido a los estrictos requisitos que imponen los estándares de comunicaciones inalámbricos. Se han propuesto varias técnicas para aumentar la eficiencia del AP. Entre ellas, la modulación dinámica de carga (DLM), basada en la teoría de máxima transferencia a la carga, ha demostrado ser la técnica más prometedora [1]. En este trabajo se propone una arquitectura, basada en la DLM, que utiliza un sintetizador de impedancias (RMN) para encontrar un esquema óptimo que maximice la eficiencia del AP y reduzca al mínimo el recrecimiento espectral en las señales transmitidas debido a los efectos no lineales. Arquitectura propuesta. Análisis La arquitectura de transmisión propuesta, mostrada en la Fig.1, se basa en un AP de banda ancha y una RMN discreta de elementos concentrados. La RMN modifica la red de banda ancha de adaptación a la salida del AP para conseguir el rendimiento de un diseño de banda estrecha donde el AP se carga con la impedancia óptima de un análisis Load-Pull. La optimización de la arquitectura se lleva a cabo con la ayuda de un simulador de circuitos (Microwave Office, MWO). Para verificar el proceso se emplean señales reales, tales como OFDM en un contexto móvil como es Long-Term Evolution (LTE). Para llevar a cabo un cálculo de balance armónico empleando MWO se seleccionan adecuadamente las características de las señales, el AP y la RMN para obtener modelos precisos. Cálculo del Balance Harmónico Se simulan dos sistemas con MWO. En primer lugar, únicamente el AP (ref-pa). Y en segundo lugar, el mismo AP incluyendo la RMN (RMN-PA). 1) Modelo del AP: Basado en un transistor GaN HEMT de Cree, se utiliza el modelo banda ancha no lineal del AP CGH40006P polarizado en clase AB. 2) Modelo de la RMN: La topología de la RMN 1, cuya descripción se encuentra en [2], tiene 8 elementos de conmutación y 256 estados posibles. 3) Señal Multisine en Banda Base: La señal LTE ETM1 se modela como señal multisine [3] para poder completar el balance harmónico. La Fig. 2 compara las funciones de densidad, de probabilidad y espectral de potencia, para ambas señales. Evaluación del Rendimiento Con el objetivo de evaluar eficiencia y linealidad se calculan la PAE y el ACPR, respectivamente, que para el RMN-PA dependen del estado de la RMN. Para comparar el rendimiento de ambos sistemas se definen las mejoras en eficiencia y linealidad como diferencia de PAEs y ACPRs en ambos sistemas: PAE = PAE PAE RMN PA ref PA ACPR = ACPR ACPR ref PA RMN PA RL / RL / RL / 1 En el modelo de la RMN se tienen en cuenta los parásitos asociados a los elementos concentrados y a los de conmutación. 55

57 Resultados Moviéndonos por la envolvente superior de la trayectoria de máxima PAE de las 256 curvas que se muestran en la Fig. 3, para todos los niveles de potencia de entrada se selecciona el estado de la RMN que maximiza la PAE, obteniendo la curva de máxima PAE y mejora de la eficiencia. Además, tal como se muestra en la Fig. 4, el ACPR que se obtiene con la RMN es más alto que el obtenido con el ref-pa. En la Fig. 5 se muestra la cobertura en Carta de Smith de la RMN, y los estados seleccionados que maximizan la PAE, a 819 MHz. A 2 db de back-off, la eficiencia se mejora en un 10% y la linealidad en un 5%, referido al comportamiento original del AP. Conclusiones La arquitectura de transmisión presentada basada en un sintetizador de impedancias, una vez optimizada, mejora el rendimiento de eficiencia y de linealidad de un AP de banda ancha. Fig. 2. Funciones de Densidad de Probabilidad y de Densidad Espectral de Potencia, para las señales ETM1.1 y multisine Fig. 3. Curvas de PAE para todos los estados de la RMN, para el ref-pa y máxima alcanzable. Test Multisine ETM, 819 MHz. REFERENCIAS [1]. RAAB, F.H. High-efficiency linear amplification by dynamic load modulation. In: IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. [Philadelphia]: IEEE, 2003, vol. 3, pp [2]. SANCHEZ-PEREZ, C., DE MINGO, J., GARCIA- DUCAR, P., and CARRO, P. L. Performance improvement of mobile DVB-H terminals using a reconfigurable impedance tuning network. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2009, 55(4), [3]. PEDRO, J.C., and CARVALHO, N.B. Designing multisine excitations for nonlinear model testing. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005, 53(1), FIGURAS Fig. 4. ACPR R para el ref-pa, ACPR R para el RMN-PA para los estados óptimos de la RMN que maximizan la PAE, y estado de la RMN seleccionado. Test Multisine ETM, 819 MHz. Fig. 1. Arquitectura de Transmisión propuesta Fig. 5. Cobertura en Carta de Smith para la RMN (rojo) cuando el puerto 1 se carga con Z_outPA= j 41.95, a 819 MHz. Estados de la RMN que maximizan la PAE (ampliados). 56

58 3D Real-Time Reconstruction using the Cloud L. Riazuelo, J. Civera, J. M. M. Montiel RoPeRT (Robotics, Perception and Real Time Group). Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidadde Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel , Fax , Abstract This work presents a 3D real-time reconstruction based on a visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) approach using a RGBD camera. The proposed system aims to create a 3D model of an environment using a low-power computer and Amazon EC2 (Elastic Compute Cloud) server for computation offloading. Introduction Cloud computing is an emerging technology in the last years. The ability to use this technology in robotics opens a new line of reseach called Cloud Robotics [1]. This approach to robotics allows robots to benefit from the massively computational and storage resources of cloud data centers. In addition, the increment of network bandwidth will reduce the transport delays and hence make possible the computation offloading. During the last years some robotic frameworks had addressed the cloud computing paradigm. Rapyuta [2] presents an open source platforms-as-a-service (PaaS) cloud framework for robotics applications that enables to offload heavy computation in the cloud. The DAvinCi project [3] proposes a frameworks based on Hadoop cluster with ROS (Robotic Operating System) that provides the scalability and parallelism advantages of cloud computing. Regarding the 3D reconstruction field, the incipient development of new low-cost sensors, such as Microsoft Kinect or Asus Xtion, has led to the development of new tools to build 3D models of the environment. These sensors are capable of adding the depth information of a scene together with the RGB image that the camera provides. Thus, the sensor provides complete information of the environment. Several approaches like Kinect Fusion, RGBDSlam, C 2 TAM [4] have been developed in the last years. The goal of theses applications is to provide a continuous localization of the camera sensor while a 3D map of the environment is built. In particular, C 2 TAM provides a distributed framework for cooperative tracking and mapping. System overview The presented work in based on an open source technology developed under the European project Roboearth [5]. Figure 1 shows a scheme of the 3D reconstruction method presented. The system is mainly composed by 3 pieces: a tracking client, a map builder server and a 3D visualizer. For the visual slam implementation we have used the C 2 TAM framework, developed by the author of this contribution. As we mention before this framework has been developed for a distributed execution an fits very well with the cloud approach. For the execution of a component in a cloud server we use the Rapyutaframework that enables the execution of a software component in a cloud server. In this work, we use Amazon EC2 [6] servers for computing offloading. Client-side The tracking component provides a continuously localization of the camera position estimating its position using local descriptors based on salient FAST features on the camera image and the map provided by the server after the optimization in the cloud. Tracking component works at 30 fps and itis placed on the local computer (see figure 1) where the camera is pluged. The tracking is a light-power process that can be run on a low-power computer, in our case a laptop.it is in charge of select the keyframes of the video stream that will be sent to the server in order to build the map. It is essential to correctly choose the frequency in which these frames are sended to the server because the system must to take into account the network bandwidth and deal with the network delay to avoid a bad performance of the system. Server-side The mapping component creates a 3D model of the environment using the data provided by the tracking client (a collection of several keyframes composed 57

59 by a RGB image and depth information). As we can see on figure 1, the mapping component runs on an Amazon EC2 server. Rapyuta Cloud Engine provides the execution ofthis component in a cloud server. The estimation of the 3D map is the most demanding computation of this approach because it requires an optimization process. Due to this process does not require a strong real-time constraints it can be executed in the cloud. 3D model visualizer The visualizerprovides a real-time representation of the 3D model of the environment that is being built and the location of the camera (see figure 2 for a real experiment visualization). The main advantage of this component is that is able to run both the server side and the client, minimizing data traffic in the network to reduce the bandwidth consumed. Experimental results On this section we present a 3D reconstruction of a real environment using the proposed system. We use a Microsoft Kinect camera that provides RGBD images with a resolution of 640x480 at a frequency of 30Hz, a low-power laptop (AMD Fusion, Asus EeePC MHz) and a Amazon EC2 instance (m1.medium, Intel Xeon). According to the schema proposed on the figure 1, the tracking process is allocated on the laptop and the map builder runs in the cloud server. For communication issues we use a standard wireless network. We perform a real time map of a hospital room (see figure 2 left). The tracking estimates continuously the position of the camera during the experiment and the mapping process builds a map using the keyframes. As a result, figure 3 right shows the 3D model of this environment generated. A video of the full experiment, and the 3D model generated can be found at [7]. Conclusions This contribution presents a 3D reconstruction of an environment using a low-power computer. We believe that this result opens a new research line in the field of low-cost devices and computation offloading. Using a cloud server for allocating the most expensive tasks, enables the execution 3D reconstruction in real time. References [1]. GOLDBERG, K. and KEHOE, B. Cloud robotics and automation: A survey of related work. Berkeley: EECS Department, University of California Berkeley, Technical Report. [2]. HUNZIKER, D., GAJAMOHAN, M., WAIBEL, M. and D'ANDREA, R. Rapyuta: The RoboEarth cloud engine. In: Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. [Karlsruhe]: IEEE, 2013, pp [3]. ARUMUGAM, R., ENTI, V.R., LIU, B., WU, X., BASKARAN, K., FOONG, F.K., KUMAR, A.S., KANG, D.M. and GOH, W.K. DAvinCi: A cloud computing framework for service robots. In: Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. [Anchorage]: IEEE, 2010, pp [4]. RIAZUELO, L., CIVERA, J. & MONTIEL, J. M. M. C2TAM: A Cloud framework for Cooperative Tracking And Mapping. Robotics and Autonomous Systems. 2013, 62(4), [5]. WAIBEL, M., BEETZ, M., CIVERA, J., D'ANDREA, R., ELFRING, J., GALVEZ-LOPEZ, D., HAUSSERMANN, K., JANSSEN, R., MONTIEL, J.M.M., PERZYLO, A., SCHIESSLE, B., TENORTH, M., ZWEIGLE, O. and VAN DE MOLENGRAFT, R. Roboearth. Robotics & Automation Magazine, IEEE. 2011, 18(2), [6]. Amazon Inc. Amazon elastic compute cloud. [Online] [Accessed 9 May 2014]. Available: [7]. Multimedia extension. [Online][Accessed 11 May 2014]. Avalaible:: /videos/3dhospitalroommap.mp4 Figure 1: System overview of the proposed method. Figure 2: Experimental environment and 3D reconstruction. 58