Ingeniera Civil Química / El presente proyecto de título tiene como finalidad evaluar técnica y económicamente, a nivel de prefactibilidad, la instalación de una planta de producción de un combustible sólido maderero en la Región de Los Lagos. El objetivo principal de la planta es la reutilización de los residuos de aserrado de la madera, ampliamente generados en la zona y disminuir, mediante el uso del combustible producido, las emisiones de material particulado causantes principales de la contaminación atmosférica en la región. Para ello, se analizó comparativamente los combustibles aserrín, leña, briquetas y pellets, considerando como objetivos bases: (i) la utilización del producto en el mercado industrial de generación de energía térmica; y (ii) su conversión energética mediante procesos de combustión, cuya elección fue previamente realizada a partir de la revisión del estado del arte de las tecnologías de obtención de energía a partir de la biomasa. Los criterios considerados para la evaluación comprenden aspectos típicos relevantes para la caracterización de un combustible biomásico, como poder calorífico, humedad, porcentaje de cenizas y emisión de contaminantes, además de aspectos cualitativos asociados a su manipulación y uso, proceso productivo e impacto de producción y consumo. El resultado de este análisis entregó como la alternativa más adecuada los pellets de aserrín, realizándose posteriormente el dimensionado de su planta productiva. La estimación de las etapas y equipos requeridos en el proceso de elaboración de pellets se realizó considerando como caso base, la utilización de los volúmenes de residuos madereros de pino radiata generados por el aserradero de Madexpo, los cuales ascienden a los 2.100 [m3/mes] de aserrín y viruta, además de la oferta de mercado de equipos para el proceso en desarrollo. La planta dimensionada es de escala pequeña, con una capacidad productiva de 4.190 [t/año]. En relación a la evaluación económica del proyecto, se analizaron tres escenarios de financiamiento, obteniendo un valor actual neto de -23.350.204 [$CL] para el proyecto puro; 3.536.302 [$CL], para el proyecto con financiamiento parcial del 50%; y 30.215.463 [$CL], con deuda total. Se destaca el proyecto es rentable sólo en los escenarios financiados, mostrando mayor sensibilidad a la tasa de interés del crédito, el volumen productivo y su precio de venta. Como recomendación se plantea la realización del proyecto bajo los escenarios financiados y utilizar la capacidad ociosa de la planta inyectando más materia prima, para de esta forma reducir los costos productivos y utilizar los recursos locales disponibles. Cabe mencionar que esto último implicaría la utilización de nuevas etapas de pre-tratamiento no incluidas en el estudio.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Ingeniero Civil en Biotecnología / El creciente consumo de energía a nivel mundial y la escasez de combustibles fósiles han dado espacio a nuevas fuentes de energía de carácter renovable y con un impacto ambiental menor. Entre estas fuentes de energía aparece el material lignocelulósico, que puede ser utilizado para producir bioetanol de segunda generación, el cual es un sustituyente o complemento de la gasolina utilizada para el transporte terrestre. La producción de bioetanol a partir de material lignocelulósico consta principalmente de tres etapas: pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación. En el presente trabajo se realizó una comparación entre tres pretratamientos: explosión a vapor, organosolv y líquidos iónicos (utilizándose emimCl en este caso) y dos residuos de distintos tamaños: eucalipto: 1 2 mm; álamo: 1 30 mm. Estas técnicas se compararon por medio de una caracterización física y química, con lo que se estableció el principal efecto que tienen sobre el material y la propiedad más relevante para comprender la conversión de glucosa obtenida en la hidrólisis enzimática. En cuanto al análisis químico se obtuvo que el organosolv generó el material con mayor contenido porcentual de glucosa (eucalipto: 90,12%; álamo: 77,82%), removiendo casi la totalidad de la lignina y parte de la hemicelulosa. La explosión a vapor fue el método que más hemicelulosa removió, pasando de un 17,5% a solo un 4,5% para el eucalipto y de un 17,2% a un 7,2% para el álamo. El material pretratado con emimCl no presentó cambios significativos en su composición química. Por otro lado, la caracterización física del material consistió en medir su área superficial, cristalinidad, grado de polimerización, longitud de fibra y accesibilidad enzimática. En todas ellas, el organosolv presentó condiciones más favorables para la hidrólisis enzimática que los otros pretratamientos. En la hidrólisis que contenía 2% de sólidos, para el material pretratado por organosolv, se obtuvo una conversión de 82,3% para el eucalipto y 70,8% para el álamo, mientras que para la explosión a vapor fueron de 71,9% para el eucalipto y 60,9% para el álamo. Para el material pretratado con emimCl todas las conversiones fueron inferiores al 10%, por lo que se concluyó que el tratamiento no resultó efectivo en las condiciones utilizadas de 60 min a 150°C. Para las hidrólisis de alta consistencia (10% sólidos y 10% glucosa), las conversiones obtenidas fueron inferiores (32 48,3%) debido a limitación en la transferencia de masa convectiva. Sin embargo, las conversiones fueron siempre mayores para el eucalipto debido al menor tamaño de chip inicial. Todas las propiedades físicas fueron afectadas de acuerdo a la teoría, a excepción de la longitud de fibra para el eucalipto, donde el resultado fue afectado por la severidad del pretratamiento. El grado de polimerización post pretratamiento, inferido a partir de la viscosidad, resultó ser el mejor indicador para evaluar la conversión de celulosa a glucosa en la hidrólisis, por lo que se ajustó un polinomio de segundo grado que relaciona esta conversión en función de la viscosidad y el tamaño inicial de chip utilizado. En conclusión, el organosolv resultó ser el pretratamiento que genera las mejores condiciones tanto físicas como químicas para la hidrólisis enzimática en ambas biomasas y el grado de polimerización es el mejor indicador para predecir esto.

Ingeniero Civil Industrial / El presente informe presenta un plan de negocios para una fábrica de pellets de madera en Chile, en donde se presentan los principales agentes involucrados y sus respectivos roles en el mercado nacional, se propone estrategias para decidir la ubicación de la planta de producción y, por último, se realiza una evaluación técnica y económica de la planta. El principal uso del pellet de madera es como combustible para calefacción, en donde sus principales competidores en chile corresponden a la leña, parafina, electricidad, gas licuado y gas natural, siendo la leña el único producto que supera en el ámbito económico al pellet, pero no así, sus ventajas medioambientales, facilidad de transporte, uso y almacenamiento. Lo cual ha provocado un fuerte interés por parte del Gobierno en potenciar el uso de este combustible como alternativa a los problemas medioambientales presentes en el país, limitando el uso de calefactores que utilicen leña como combustible, y a su vez, llevando a cabo programas de recambio de calefactores antiguos por calefactores que utilicen pellets de madera. Dentro de los factores claves del éxito de las empresas en el sector, se destacan los siguientes: Proveedores de materia prima, tipo de materia prima, localización de la planta, maquinaria a utilizar y proceso de producción. Por lo que se recomienda ubicar la planta a no más de 100 km del proveedor de materia prima y un límite cercano a los 300 km desde la planta hacia el consumidor final. En donde se destaca el consumo para calefacción de las regiones del Bío-Bío, Los Ríos y de la Araucanía. La factibilidad técnica y económica consideró el análisis en detalle de un caso base, el cual, considera la utilización de una línea marca Kahl con capacidad de producción igual a 1,5 toneladas por hora y un proveedor ubicado en Loncoche con 3100 m^3-estéreo de aserrín húmedo disponible para comercializar. Los costos de inversión del caso base, con capacidad igual a 1,5 toneladas de pellet por hora, llegan a los $2.383.024.422, lo cual da como resultado una tasa interna de retorno igual a 14,4%, con un valor presente neto igual a $-41.270.996. Lo cual varía sustancialmente al utilizar otro precio de venta, lo cual aumenta la TIR a 20,96%. En el caso de otras líneas analizadas, una planta con igual capacidad alcanza una TIR igual a 29%. La conclusión del presente informe, considera que el interés mostrado por parte del gobierno por el pellet de madera, hacen del negocio del pellet de madera una alternativa altamente atractiva a largo plazo. Lo cual se hará rentable sólo si el proceso de secado es eficiente o se logre identificar un proveedor de aserrín con bajos niveles de humedad.

The objective of this thesis is to assess the overall feasibility of a biomass production project in the current business environment in Slovakia. The project is analyzed primarily in terms of market conditions, technical and technological details and economic feasibility. An important part of the study is also the risk analysis including various scenarios and an assessment of the influence of risk factors. The thesis concludes that the project is essentially feasible and has a potential of being successful although it bears a certain level of riskiness which has to be considered and managed.

woodenThe Energetic consumption of each kind of energy grows with the development of society and industrialization. Major influence has the world population, which is having growing tendencies. The most important source of primary energy is the rock-oil, the second important source of energy is coal, followed by natural gas. Regarding to the fact that these commodities cannot be renewed, it is clear that it can be uncontrollably wasted. There is emerging a space for new possibilities such as the energy of future -- renewable sources of energy, which are taking the fourth place in the importance of the world and it's energy sources. It is mainly biomass, water, solar or wind energy. This diploma thesis is aiming at the production of biomass -- pellets, which are a biological source of energy (wooden or vegetative material) with number of positive features and parameters. The main objective of this diploma thesis is to offer excursion into another space of modern thinking, which is well-founded by economical facts and also explains the need of taking into the consideration other alternative energetic types, which should be a common thing in future.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / Este estudio tiene como objetivo principal el generar y comparar modelos de estimación de biomasa aérea forestal utilizando los sensores pasivos LANDSAT ETM+ y ASTER GDEM, datos LiDAR e información de inventarios forestales del predio experimental Pantanillos, Región del Maule. De la imagen LANDSAT se utilizó la respuesta espectral además de obtener índices de vegetación y la transformación “Tasselep Cap”. A partir del ASTER GDEM se obtuvo información topográfica incluyendo pendiente, orientación y curvatura del terreno. Con los puntos LiDAR se calculó el Modelo Digital de Terreno (MDT), el Modelo Digital de Superficie (MDS) y el Modelo Digital de Copas (MDC). Para comparar el potencial de las fuentes de información en la estimación de biomasa aérea se establecieron tres modelos: el primero (M1) incluye como predictores las variables extraídas desde LANDSAT ETM+ y ASTER GDEM, mientras que el segundo (M2) reemplaza este último por el MDT de alta resolución LiDAR. Un tercer modelo (M3) incluye variables LANDSAT y los tres modelos digitales obtenidos a partir de LiDAR. Además de comparar los ajustes y errores de cada modelo propuesto se consideró el costo monetario de la adquisición y procesamiento de datos. Los modelos de estimación se realizaron a través del algoritmo basado en árboles de clasificación y regresión “Random Forest” el cual además entrega la importancia de todos los predictores en la estimación, información que fue utilizada para la selección de las mejores variables en cada modelo. Se realizaron estimaciones a nivel predial y estratificado por especie dominante (Pinus radiata, Eucalyptus globulus y renoval de Nothofagus glauca). A nivel predial los mejores resultados fueron los obtenidos por M3 con selección de variables (Pseudo R2 57.23% y RMSE 41.44 ton/ha), mientras que entre M1 y M2 no se observan grandes diferencias (Pseudo R2 de 37.63% y 39.79%, respectivamente). Los modelos de estimación por tipo de vegetación difieren en gran medida en cuanto a los ajustes obtenidos y a las variables seleccionadas. Tanto para pino como para renoval de hualo se obtienen mejores resultados con M3 (Pseudo R2 77.22% y 30.95%, respectivamente), mientras que en eucalipto los tres modelos propuestos presentas resultados similares, no sobrepasando un Pseudo R2 de 37.92%. En general, los modelos que incluyen variables LiDAR obtienen mejores ajustes, pero se debe considerar además el costo económico asociado que para el caso de M3 alcanza los 26313.87 USD, costo muy elevado en comparación a M1 que tiene un valor de 1306.43 USD. / The primary objective of this study is the development and comparison of statistical models to estimate aboveground forest biomass (AGB). The models were built based on data originating from the two passive optical remote sensing sensors LANDSAT ETM+ and ASTER GDEM in combination with LiDAR data and information gathered during forest inventories as conducted in the experimental test site Pantanillos, Región del Maule. Original reflectances, as well as vegetation indices and the “Tasseled Cap” transformation of the LANDSAT image were used as potential variables for the models. From the ASTER GDEM product topographic information including slope, curvature and aspect of the terrain were used. From the LiDAR point cloud a Digital Terrain Model (DTM), a Digital Surface Model (DSM) and a Canopy Height Model (CHM) were calculated and used as input variables. To compare the potential of the different information sources of remote sensing data to estimate AGB three different models were created. The first model (M1) uses variables as derived from LANDSAT ETM+ and ASTER GDEM, while in case of the second model (M2) the ASTER GDEM is replaced by the high resolution LiDAR DSM. In the third model (M3) the LANDSAT based variables were combined with the three high resolution digital height models derived from LiDAR data. Besides the comparison of the performance of the three models, monetary aspects of data acquisition and data processing have also been considered in the study. To realize the biomass estimation models the “Random Forest” algorithm for classification and regression trees was applied. “Random Forest” also introduces a measure of importance for each of the variables used in the model which allows for the selection of the best variables. Within the study general biomass models for the full test site as well as biomass models for areas, which were stratified based on the dominating tree species (Pinus radiata, Eucalyptus globulus and second growth natural forest of Nothofagus glauca) were tested. For the general models best results were obtained with M3 and selected variables (Pseudo R² of 57.23%, RMSE of 41.44 ton/ha), while for M1 and M2 no notable difference could be found (Pseudo R² of 37.63% and 39.79% respectively). The results of the stratified models showed large differences in model performance and selected variables. For both pine and second growth nothofagus areas better results were obtained with LiDAR based variables (Pseudo R² of 77.22% and 30.95% respectively). In case of eucalypt the three examined models all produced similar results, which were not surpassing a Pseudo R² of 37.92%. In general it can be concluded that model M3 which included LiDAR variables produced most accurate models, however, also the notably higher costs which reached a total of 26313.87 USD compared to the costs of 1306.43 USD as valid for M1 have to be considered.

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Ingeniera Civil Químico / Debido al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles y la creciente demanda de consumo, al cambio climático producido por los gases de efecto invernadero y al cada vez mayor interés de los países de independizarse energéticamente, es que surge la motivación para el estudio de nuevas fuentes de energías no convencionales, como los biocombustibles. Por su parte, el bioetanol de segunda generación proviene de biomasa lignocelulósica, donde las fibras de celulosa están contenidas en una matriz de lignina y de hemicelulosa, lo que requiere de un pretratamiento que permita el acceso de las enzimas al material. Este trabajo se basó en el pretratamiento con Líquidos iónicos (LI), que son sales que se encuentran en estado líquido a temperatura ambiente y que están compuestos únicamente por iones. Los PILs (líquidos iónicos próticos) se diferencian de los AILs (líquidos iónicos apróticos) en que los primeros presentan un protón disponible para realizar el mecanismo de acción y disolver la celulosa. El objetivo general de este trabajo es evaluar el proceso de producción de bioetanol de segunda generación pretratada con Líquidos iónicos próticos (PILs). Como objetivos específicos, se evaluó el efecto del tiempo de Sacarificación y Fermentación Simultánea (SSF) que permita mejorar el proceso de producción de bioetanol. Además, se evaluó rendimiento del pre tratamiento con PIL en distintas condicionesy se hizo una comparación entre rendimiento del pretratamiento con PILs respecto al pretratamiento con AILs. El trabajo pretende establecer parámetros de operación en el proceso de producción de bioetanol que puedan ser una guía para la producción industrial. Para esto, se evaluaron diferentes tiempos (1, 3 y 5h), temperaturas (70 y 110°C) y razón biomasa/LI (1/3, 1/6, 1/10) en el pretratamiento, además del tiempo de SSF (24, 48 y 72 h). Se utilizó el PIL 2 - HEAA, como control positivo el AIL [EMIM] [Ac] y se utilizó como control negativo material sin pretratamiento. Al evaluar el pretratamiento con 2 HEAA, se determinó que las condiciones que logran la mayor producción de etanol tanto en el pretratamiento como en SSF, son: 1 hora de pretratamiento, 110 ºC de temperatura, razón biomasa/LI de 1/3 y luego de 24 horas de SSF. Para la determinación de estas condiciones se estableció la productividad de etanol por hora de pretratamiento (g EtOH/h-Pretratamiento) y por hora de SSF (g EtOH/hSSF), y a la cantidad de LI utilizado (g EtOH/g LI). En las condiciones antes mencionadas, las productividades más altas fueron: 0,0012 g EtOH/hSSF, 0,015 g EtOH/hpretratamiento y 0,0043 g EtOH/g LI. Además, se pudo demostrar que comparativamente, el pretratamiento con líquido iónico aprótico [EMIM] [Ac] es muy superior al líquido iónico prótico 2-HEAA, produciendo hasta un 382% más etanol que lo generado pretratando con PIL. Este último produce10% de rendimiento porcentual en la SSF, en el mejor de los casos, en comparación al 50% obtenido por el pretratamiento con [EMIM] [Ac]. Se puede concluir que el comportamiento del 2 HEAA aún dista mucho de lo obtenido por el [EMIM] [Ac] y es insuficiente para ser aplicado en el proceso productivo de bioetanol. Sin embargo, puede ser útil hacer un estudio similar con otro PIL o realizar un estudio de factibilidad económica con los datos entregados en este trabajo, de modo de determinar si pueden disminuirlos costos de producción al ser este PIL más económico.

La masiva implementación de recursos energéticos distribuidos y renovables es la tendencia actual para incrementar la eficiencia, sostenibilidad y fiabilidad del suministro energético y la independencia de fuentes externas. La biomasa es un recurso renovable, distribuido y abundante en España, aunque en la actualidad su uso con fines energéticos es muy limitado y poco competitivo frente a otras fuentes de energía renovable. La implementación masiva de aplicaciones de biomasa para generación de calor, electricidad y/o cogeneración requiere optimizar técnica, económica y ambientalmente su proceso de aprovechamiento. El objetivo principal de la tesis es definir una metodología de optimización del aprovechamiento energético de la biomasa en un ámbito geográfico determinado y aplicarla a la Comunidad Valenciana. Para ello, en primer lugar, se ha revisado el estado del arte de la biomasa como recurso energético y de metodologías anteriores que resolvían aspectos parciales del estudio de viabilidad de aprovechamiento energético de la biomasa. En segundo lugar se ha desarrollado una metodología, estructurada en distintos módulos, que evalúa los recursos de biomasa, cuantifica y optimiza las distancias y costes de transporte, los potenciales consumidores y caracteriza las tecnologías de aprovechamiento. Todos los módulos confluyen en un módulo de optimización y evaluación de escenarios que permite comparar distintas alternativas energéticas desde un punto de vista económico y ambiental. La metodología se ha aplicado a la Comunidad Valenciana y se ha estudiado la viabilidad de distintas aplicaciones bioenergéticas para cada comarca de la misma. El potencial energético de la biomasa residual, principalmente, agrícola y forestal asciende a casi un millón de toneladas y equivale a 260.000 toneladas equivalentes de petróleo. En la mayoría de los casos el contenido en ceniza es bajo y permite tanto aplicaciones de generación de electricidad ó cogeneración, como producción de pellets para calderas. En función de la tecnología, la potencia eléctrica instalable sería entre 85 y 145 MW, lo que equivale al 1 - 1,5% de la potencia eléctrica total instalada en la Comunidad Valenciana, y es 15 veces más que la potencia con biomasa que había instalada en 2011 (8,9 MW según datos de AVEN, Agencia Valenciana de la Energía}. La viabilidad económica de las planta de biomasa fue aceptable en la mayoría de los casos, con periodos de retorno del capital inferiores a los 10 años, especialmente en plantas de cogeneración y plantas de producción de pellets. Dicha viabilidad económica es debida, en gran medida, a la estructura logística con transporte subcontratado y previa compactación (que se mostró como la mejor alternativa en cualquier caso}, y al hecho de que las plantas tenían un tamaño razonable con cantidades de biomasa gestionada en el rango 10.000 - 80.000 t/año. El balance de emisiones de C02 fue favorable en todos los casos siendo, de nuevo, la producción de pellets y la cogeneración las aplicaciones con mejor balance, ya que el ahorro de emisiones fue entre 3 y 5 veces mayor que el correspondiente a plantas de generación de electricidad. La estructura logística óptima a nivel económico fue también la que proporcionó menores emisiones asociadas al transporte. / Alfonso Solar, D. (2013). Metodología para la Optimización del Aprovechamiento Energético de los Recursos de Biomasa. Aplicación a la Comunidad Valenciana [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31636 / TESIS

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.