Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En lo que va del siglo XXI se ha generado una conciencia importante sobre los efectos, a corto y largo plazo, de las acciones del ser humano y sus repercusiones en el planeta. Con esto como base, se ha inculcado de a poco una tendencia a incentivar iniciativas amigables con el medio ambiente. En particular, este trabajo se motiva a partir de la necesidad de buscar métodos que reduzcan el impacto ambiental de los residuos domiciliarios, procurando generar recursos aprovechables por los mismos usuarios. El objetivo del presente documento es diseñar un biodigestor para la producción de biogás a nivel conceptual, técnicamente viable y con aplicaciones a nivel residencial. Esto incluye realizar una revisión bibliográfica de las tecnologías utilizadas para la producción de biogás, identificar el contexto en el cual se implementaría el equipo y desarrollar la ingeniería conceptual del biodigestor. Para el desarrollo de este trabajo se realizó un estudio detallado de los parámetros más influyentes en el proceso de digestión anaeróbica y de las principales experiencias exitosas que se han desarrollado a nivel mundial. Luego, se recopilaron antecedentes sobre el estado de los residuos sólidos municipales en su fuente de origen y se realizó una caracterización de la población nacional con el objetivo de ajustar el diseño del equipo a ella. Como resultado se obtuvo una serie de planos a nivel de perfil, inspirado en tecnología industrial existente, con detalles en los sistemas más importantes para su funcionamiento. Se definieron los componentes que lo conforman y se hizo una aproximación de los requerimiento que deben cumplir los elementos. Además se realizó una estimación de biogás generado en función de la producción de basura orgánica y la distribución de habitantes por casa y se hizo un presupuesto tentativo del costo de producción. El equipo es operable por un usuario no especializado y consta de 2 reactores unidos por mangueras para el transporte de gas y líquido, con una trituradora de comida incorporada en la entrada. Se considera también 1 calefactor de inmersión por cada reactor, y 1 sistema de agitación impulsado por un motoreductor, todo controlado por un controlados PID. El costo de producción es de $2.050.000 y el proyecto tiene un VAN de $-2.820.550. Dado que los resultados aquí expuestos corresponden a cálculos teóricos, es necesario que éstos sean validados mediante un experiencias empíricas para poder comprobar tanto la generación de biogás como los costos de operación en condiciones reales.

Tesis par optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Memoria para optar al título de Ingeniera Civil en Biotecnología / El aumento del consumo energético y la escasez de recursos de origen fósil, han impulsado proyectos de generación de biocombustibles de tercera y cuarta generación como el de producción de etanol a partir del alga chilena M. pyrifera mediante la bacteria E. coli BAL1611. En este estudio, se obtuvo rendimientos de producto y biomasa menores que los reportados con el alga original S. japonica. Hipotéticamente, habría un desbalance redox interno en la bacteria por lo que, para mejorar la producción de etanol, se decide estudiar in silico cómo afectan las fuentes de carbono en la distribución de flujos y concentración de metabolitos, y así proponer circuitos genéticos o metabólicos que regulen el sistema. Además, se decide proponer nuevos productos de interés comercial que se pueden generar desde M. pyrifera mediante E. coli BAL1611. Las simulaciones del modelo cinético construido para E. coli BAL1611 muestran que existe escasez de poder reductor intracelular, aunque la causa de la menor producción de etanol se debe a la saturación de la enzima KDG-6-fosfato aldolasa (EDA) de la ruta de Entner-Doudoroff. Los estudios para optimizar la producción de etanol a partir de M. pyrifera indican que la sobreexpresión de EDA y alcetaldehido deshidrogenasa (ALDH), junto con el knock-out de malato-quinona oxidorreductasa (MQO), es la combinación de mutaciones que genera el mayor rendimiento de producto/sustrato, correspondiente a 0,29, aproximadamente el doble que para el caso de la E. coli BAL1611 sin mutaciones. Por otra parte, analizando otros productos de interés como ácido láctico y succínico queda de manifiesto que, utilizando Macrocystis pyrifera como sustrato, E. coli BAL1611 es una inadecuada alternativa para generar ácido láctico debido a los bajos rendimientos alcanzados. En cuanto a ácido succínico, se propone como combinación de mutaciones la sobreexpresión de la enzima EDA y el transporte de succinato, junto con el knock-out de succinato deshidrogenasa (SDH) y ALDH, obteniendo un rendimiento de 2,37, cinco órdenes de magnitud mayor al caso de la E. coli BAL1611 original. Además, se observa una relación inversa entre el crecimiento y la producción para etanol y ácido succínico. Finalmente, se propone implementar las mutaciones respectivas para cada producto en un circuito genético que regule la producción mediante quorum sensing, disociando el crecimiento de la producción. Además, se sugiere realizar mejoras en el planteamiento de algunas ecuaciones del modelo, para luego construir una plataforma que permita determinar todos los bioproductos de interés comercial que puedan ser generados de forma eficaz a partir de Macrocystis pyrifera mediante la E. coli BAL1611.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Química y Biotecnología / Dada la necesidad de diversificar la matriz energética existe la necesidad de buscar nuevas fuentes de biomasa para las energías renovables no convencionales, entre las cuales las algas pardas son una fuente de carbono por su composición en carbohidratos fermentables, entre los que se destacan el polisacárido alginato. Para industrializar un proceso de sacarificación y fermentación de alginato es necesario contar con un organismo reconocido como seguro por la FDA (G.R.A.S.). El siguiente trabajo consiste en el establecimiento de una ruta degradativa de alginato en S. cerevisiae S288c, mediante la construcción de módulos de expresión de las enzimas del tipo alginato liasa, oligoalginato liasa, DEHU reductasa y KDG quinasa, KDGP aldolasa en el cromosoma XVII y el transportador GAT en vector episomal. Se obtuvo un transformante de S. cerevisiae S288c clon 47 resistente a higromicina B. La cepa recombinante posee un crecimiento de un 37,5% superior a la cepa nativa en condiciones de 5 y 10 g/L de glucosa y alginato, con una degradación de hasta 6 g/L de alginato a las 60 horas, correspondiente a un 63% del total de alginato. Los análisis enzimáticos revelan que no es posible encontrar la expresión de DEHU reductasa en el organismo. La expresión de las enzinas alginolíticas está presente en el medio intracelular, como también en la fracción extracelular mediante el uso de un péptido señal. Estudios de docking molecular muestran similitudes estructurales de los transportadores del tipo de la superfamilia del facilitador mayor de ácido D-galacturónico, ácido D-quínico con transportadores de xilosa y glucosa, y sugieren que pueden que ser utilizados para la asimilación de ácidos urónicos. Los resultados experimentales muestran que S. cerevisiae S288-47 posee mayor crecimiento utilizando el transportador heterólogo GAT-1, por sobre quTD. Se requieren estudios adicionales para incrementar la capacidad de degradación del alginato por parte de esta levadura, y la asimilación de los ácidos urónicos, además de ser complementado con otras rutas degradativas de azúcares provenientes de algas como manitol.

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Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Ingeniero en Biotecnología Molecular / La producción de biocombustibles como fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles busca presentar nuevas maneras de obtención que sean renovables y amigables con el ambiente. Dentro de estos biocombustibles surgen los alcoholes de fusel, como el butanol, el cual, al ser comparado con el etanol, presenta ventajas en su uso como combustible. Por otro lado, Saccharomyces cerevisiae es una levadura que puede producir isobutanol a partir del catabolismo de valina, posee resistencia a altas concentraciones de alcoholes y condiciones favorables para el escalamiento y producción, lo que la hacen un modelo para la obtención de butanol; Sin embargo, una de las limitantes de este proceso, es su baja producción, por lo que existe un gran interés en lograr un aumento de ésta. Este trabajo se enfocó en obtener, mediante ingeniería metabólica en S. cerevisiae, cepas sobre productoras de isobutanol. Para esto se utilizó la ruta de Ehrlich, la cual naturalmente se realiza dentro de la mitocondria, exceptuando las dos últimas reacciones. Se seleccionaron las enzimas que catalizan estas dos reacciones, alcohol deshidrogenasa (LlADHARE1) y α-cetoisovalerato deshidrogenasa (SkARO10), provenientes de Lactococcus lactis y Saccharomyces kudriavzevii respectivamente, y, mediante la fusión del péptido señal de citocromo C oxidasa se destinaron a la mitocondria. Utilizando Gibson Assembly se ensamblaron estos genes a promotores y terminadores nativos de S. cerevisiae. La transformación se realizó por recombinación homóloga in vivo mediante electroporación con el fin de obtener transformantes estables. La integración de la construcción de interés se realizó en el cromosoma V en el gen URA3. La medición de la producción de alcoholes se realizó mediante HPLC. De este trabajo se obtuvieron finalmente cepas transformadas con el gen SkARO10 de S. kudriavzevii con una producción de isobutanol de 19 mg/L, logrando de esta manera observar que la trasformación con el gen α-cetoisovalerato deshidrogenasa con expresión mitocondrial logra incrementar la producción de butanol al doble. Se propone que, para incrementar aún más la producción, es necesario integrar el gen de una enzima del tipo alcohol deshidrogenasa y utilizar una cepa industrial con producción basal de isobutanol mayor. / Production of biofuels as an alternative energy source to fossil fuels looks for renewable and environmentally friendly alternatives. Fusel alcohols, such as butanol, have advantages as a fuel compared to ethanol. Saccharomyces cerevisiae is a yeast that has the biosynthetic route for isobutanol, high alcohol-resistance and favourable conditions for scaling-up and production. These features make S. cerevisiae a promising cell-factory for the production of butanol; however, this yeast naturally produces low quantities of this alcohol, which is a limitation to the process. Thus, there is a great interest in developing strains that over-produce isobutanol. The aim of this work was to obtain over-producer strains of isobutanol, by means of metabolic engineering of S. cerevisiae using the Ehrlich pathway, which occurs inside the mitochondria except the last two reactions. The enzymes that catalyze these two reactions were selected, alcohol dehydrogenase (LlADHARE1) and α-ketoisovalerate dehydrogenase (SkARO10) from Lactococcus lactis and Saccharomyces kudriavzevii respectively, and fused to the cytochrome C oxidase signal peptide for sorting to mitochondria. The Gibson Assembly technique was used to assemble these genes to native promoters and terminators from S. cerevisiae. To obtain stable transformants, the transformation was carried out by in vivo homologous recombination by electroporation. The construct was integrated in the chromosome V in URA3 gene. Transformed strains with gene SkARO10 from S. kudriavzevii produced 19 mg/L of isobutanol, indicating that transformation with the gene α-ketoisovalerate dehydrogenase with mitochondrial sorting increases production of butanol two-fold. Additionally, to reach higher levels of butanol production, integration of alcohol dehydrogenase, is needed, in addition to use an industrial strain with a higher basal production of isobutanol.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero Forestal / Se identificaron las áreas potenciales para el establecimiento de plantaciones dendroenergéticas para la Comuna de Empedrado, Región del Maule, utilizando criterios ambientales y territoriales. Para ello se propusieron cinco especies forestales, Acacia dealbata, Acacia melanoxylon, Chamaecytisus proliferus ssp. palmensis, Eucalyptus camaldulensis y Robinia pseudoacacia. El primer paso para establecer este tipo de plantaciones fue encontrar áreas susceptibles de recibirlas. Para identificar áreas potenciales físicas para plantaciones dendroenergéticas se evaluó la aptitud del terreno integrando la opinión de expertos en plantaciones forestales y dendroenergía, más la información cartográfica y digital disponible de la Comuna de Empedrado, además de los requerimientos ambientales de las especies propuestas obtenidos mediante investigación documental. Se determinaron nueve variables climáticas, edáficas y orográficas que fueron jerarquizadas por los expertos a través del método delphi. Esta información fue incorporada en sistemas de información geográfica (SIG) a través de matrices de comparación de pares para determinar el peso de cada variable. Cada variable se representó espacialmente y fueron transformadas a una escala común a través de procesos fuzzy (lógica borrosa).

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero Forestal / Una de las fuentes energéticas más importantes en el desarrollo de tecnologías para la obtención de energía son los recursos naturales renovables, específicamente los materiales lignocelulósicos. Existen diferentes tipos de energías obtenibles a partir de éstos materiales, bien sea en forma de calor, de electricidad o bien para su uso en el transporte. De entre ellos, los cultivos energéticos, y en concreto, la obtención de biocombustibles constituye un medio eficaz para ayudar a superar un problema energético (el del transporte en este caso) y otro ambiental (el del dióxido de carbono) en un mismo paso. Los materiales lignocelulósicos presentan una estructura compleja, compuesta de varias fracciones que deben ser procesadas por separado para asegurar una conversión eficiente de estos materiales a etanol. La fracción mayoritaria de la biomasa es la celulosa, compuesta por largas cadenas de glucosa unidas por enlaces β (1-4) que, a su vez, se agrupan en estructuras superiores de gran cristalinidad, la lignina. Esta estructura cristalina es la que dificulta la hidrólisis de la celulosa para la obtención de azúcares fermentables y etanol.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniera de la Madera / Los bosques de lenga, Nothofagus pumilio (Poepp. et Endl.) Krasser, en general, son considerados sobremaduros, debido a la gran cantidad de árboles en fase de desmoronamiento y envejecimiento, obteniéndose rendimientos bajos en los procesos de industrialización. Los residuos representan una importante y posible fuente de biomasa para la generación de biocombustibles. Los residuos de lenga obtenidos de la empresa Forestal Rusffin, que corresponden a desechos provenientes del proceso de manufactura, fueron sometidos a un pretratamiento biológico con tres hongos de pudrición blanca (HPB), Stereum hirsutum, Ganoderma applanatum y Aurantioporus albidus y durante tres tiempos de ataque: 30, 45 y 60 días. Las partículas de madera se adecuaron a un tamaño denominado “pin-chips”, con dimensiones aproximadas de 1 mm de espesor, 1 a 3 mm de ancho y 5 mm de largo, posteriormente fueron sometidos a la acción fúngica. Las cepas se incubaron previamente en granos de trigo y luego fueron inoculadas en los “pin-chips” de lenga, permaneciendo en una cámara de incubación a 25º C según los tres tiempos de ataque.

Ingeniera Civil Química / La gestión de residuos y la crisis económica se han transformado en un desafío en la actualidad, debido al crecimiento económico, el incremento de la capacidad productiva y el aumento de la población. Chile está promoviendo una nueva gestión de residuos a través de la ley 20.920 que establece un marco para la gestión de residuos, la responsabilidad extendida del productor y fomento al reciclaje. Además, el país busca aumentar la matriz energética en Energías Renovables No Convencionales (ERNC) a un 70% para el 2050. La memoria se enmarca en el aprovechamiento de residuos sólidos domiciliarios segregados en la Región Metropolitana, pues es ahí donde se concentra el 40% de la población, por lo tanto, los residuos domiciliarios se encuentran concentrados en esta zona. Actualmente, parte de los residuos orgánicos son aprovechados en los rellenos sanitarios mediante pozos de captación de biogás, sin embargo, el proceso no es eficiente. El proceso sería más eficiente si los residuos fueran segregados desde su origen, por lo que, el presente trabajo pretende abordar esta situación que se podría dar en el futuro, a pesar de que hoy en día la mayor dificultad para proyectos en materia residuos es la capacidad de segregación de ellos. El caso base corresponde a las 19 comunas de la región que llevan sus residuos al relleno sanitario Santa Marta. Según proyecciones, en 10 años se alcanzaría un flujo de 101.544 [ton/mes] y con ello la planta de generación de energía tendría una potencia instalada de 107 MW. El proceso consiste en una línea principal, de recepción, molienda, transporte y digestión de residuos orgánicos, almacenamiento, enfriamiento, adsorción y cogeneración a partir de biogás, junto a la filtración de los gases de combustión. Como líneas secundarias se encuentran la filtración de digestato y recuperación de agua en el proceso, además de la recuperación de calor en el cogenerador para usarlo en la digestión a través de intercambiadores de calor. De la evaluación técnica y económica de la planta se obtiene que el proyecto es prefactible. Con un rendimiento de 211 [m3 biogás/ ton materia orgánica] junto a un VAN de 3.435.703 [USD], una TIR del 14% y un Payback de 5 años. Si bien, el proyecto podría ser rentable, del análisis de sensibilidad se rescata la variación en su rentabilidad principalmente frente a la capacidad de segregación de los residuos, el precio de la energía eléctrica y el precio del carbón activado. Además, para que el proyecto sea sostenible se debe considerar la normativa vigente, la comunidad afectada y el impacto ambiental del proyecto.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / Los combustibles fósiles son fuentes de energía que provienen de los restos de plantas y animales. Se necesitan millones de años para que se formen y según la Agencia Internacional de Energía, el 86% del consumo mundial de energía proviene del petróleo y a medida que los países se industrializan y sus poblaciones aumentan, también crece el consumo de energía. El agotamiento de las fuentes tradicionales de combustibles fósiles ha puesto a la mayoría de los países a encontrar soluciones en energías alternativas y sostenibles, que provengan de fuentes renovables, de bajo impacto ambiental y que reduzcan las emisiones de efecto invernadero. En las últimas décadas, la economía chilena ha tenido un significativo incremento del consumo de energía. El país es dependiente de las importaciones y el uso de la energía es menos eficiente que en el resto del mundo. Como consecuencia, el costo de la energía es alto en comparación internacional, por lo que es necesario buscar formas de diversificar la matriz energética, y reducir la dependencia de Chile de combustibles fósiles importados, para asegurar su estabilidad económica y reducir los impactos ambientales asociados al consumo de estos. El objetivo y propósito principal de esta investigación fue identificar áreas con potencial para el establecimiento de plantaciones de Diente de León común y de Diente de León Ruso con fines bioenergéticos en Chile. La propuesta se basa en la selección y categorización de variables climáticas y edáficas, la construcción del modelo cartográfico y la síntesis cartográfica. La identificación de las potenciales áreas de establecimiento fue analizada utilizando una metodología de algebra de mapas y combinatoria de las variables agroclimáticas. Los rangos y criterios de adaptabilidad identificados se evaluaron basados en una escala de clasificación que da cuenta de zonas con diferente grado de adaptabilidad y zonas con distintos niveles de restricción relacionadas a temperatura, disponibilidad hídrica y/o suelo. Se identificaron 15.539.813 ha con potencial para el establecimiento del Diente de León en Chile, las que se clasifican en: 6.392.014,2 ha Aptas, 4.540.562,5 ha Optimas y 4.607.236,4 ha Marginalmente Aptas. La zona costera de la V Región de Valparaíso, es la que muestra la mayor potencialidad para el establecimiento de esta especie, con aptitud térmica e hídrica óptima, y suelos ricos materia orgánica. Los resultados generados constituyen una aproximación para identificar sitios de interés para el desarrollo del Diente de León como especie energética. / Fossil fuels are an energy source that comes from the remains of plants and animals. It takes millions of years for them to form and according to the International Energy Agency, about 86% of global energy consumption comes from oil, and as countries industrialize and population increases, so does the power consumption. The depletion of traditional fossil fuels sources has made most countries to look for solutions in alternative and sustainable energy coming from renewable sources, with low environmental impact and minimal greenhouse emissions. In recent decades, Chile's economy has had a significant increase in power consumption. The country is heavily dependent on imports and the use of energy is less efficient compared to the rest of the world. As a result, the energy cost is high in contrast with other nations, so it is necessary to find ways to diversify energy sources and reduce dependence on imported fossil fuels of the country, to ensure economic stability and reduce the environmental impacts associated with this fuel consumption. The intents and main objective of this research was to identify potential areas for the establishment of plantation for common Dandelion and Russian Dandelion with bioenergy purposes in Chile. The proposal is based on the selection and categorization of climatic and soil variables, construction of a cartographic model and a cartographic synthesis. Identifying the potential areas of establishment was analyzed using a methodology of mapping algebra and combination of agroclimatic parameters. Ranges and adaptability criteria identified were evaluated based on a rating scale that show areas with different scales of adaptability and areas with different levels of restriction related to temperature, water availability and / or soil . 15.539.813 ha were identified with potential for the establishment of Dandelion in Chile, which are classified as suitable with 6.392.014,2 ha, optimal with 4.540.562,5 ha and marginally suitable 4.607.236,4 ha. The coastal area of the V Region of Valparaiso is showing the greatest potential for the establishment of this species, with optimal thermal and water suitability; and soil with rich organic matter. The results generated are an approach to identify sites of interest for the development of Dandelion as energetic species.