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Ingeniera Civil en Biotecnología / La escasez de agua potable es un problema actual a nivel mundial. Para combatir este problema no sólo se ha desalinizado agua de mar sino que además se ha utilizado ésta en sustitución al agua potable. El reemplazo de ésta en inodoros ha dado lugar a la generación de aguas servidas salinas, cuyo tratamiento se diferencia del convencional por la influencia negativa que ejerce la sal en los microorganismos involucrados. El presente estudio persigue como objetivo fundamental, evaluar el efecto de un incremento brusco en la concentración de sales de mar sobre la cinética de remoción de la carga orgánica en bacterias de lodos activos. Para ello, se llevó a cabo la adhesión de bacterias a portadores de biomasa, desarrolladas en un reactor biológico de lodos activos convencionales, para posteriormente trasladar estos portadores a un reactor que contiene las mismas aguas servidas previamente cargadas con sal. La biomasa adherida se cuantificó como sólidos en base seca, mediante un método original, debido a falencias observadas en la metodología tradicional. El nuevo método es una mejor determinación de la biomasa adherida a portadores como masa seca por unidad de portador o de volumen de reactor. Los portadores con biomasa adherida, se sometieron por un período de seis horas a medios salinos de distintas concentraciones, en un reactor batch aireado. Las conversiones de carga orgánica, medida con el método de DQO para concentraciones de 1, 10, 100 y 1.000 ppm fueron superiores al 80%; mientras que sólo alcanza un valor de 52% para 10.000 ppm de sales de mar. En tanto para concentraciones mayores a 20.000 ppm, la carga orgánica aumentó en comparación con la DQO inicial, probablemente debido a una lisis celular causada por las sales. Se obtuvo un modelo cinético simple para la remoción de DQO durante la maduración del biofilm en un reactor de aguas servidas convencional. Además, se trató de ajustar un modelo a los resultados en medio salino, concluyendo que el modelo es más complejo de lo que se propone en el presente estudio y se requiere un diseño experimental más avanzado. Se concluye del trabajo que para desarrollar un tratamiento de aguas servidas salinas, no es recomendable iniciar el desarrollo de biomasa con inóculo de lodos activos de agua dulce, pues se observó la incapacidad de estos cultivos para enfrentar concentraciones sobre las 10.000 ppm. Por lo tanto, el desarrollo de un sistema de tratamiento de aguas servidas con agua de mar debiera desarrollarse inoculando bacterias procedentes de agua de mar real contaminada, donde se habrán adaptado bacterias que utilizan el agua residual para su metabolismo durante tiempos extensos en lugar de intentar la adaptación desde lodos activos de agua dulce.

Ingeniero Civil en Biotecnología / Actualmente, el etanol es considerado una alternativa para cubrir parte de la creciente demanda de la gasolina y para sustituir al combustible fósil por uno más amigable con el medio ambiente. Su relativamente alto poder calorífico, gran octanaje y contenido de oxígeno avalan esta tendencia. Así, los últimos estudios han apuntado a la obtención de etanol a partir de diversas fuentes y a mejorar los procedimientos para una producción más eficiente. El objetivo del presente trabajo es evaluar la factibilidad técnica y prefactibilidad económica para producir bioetanol a partir de residuos de Chusquea culeou por medio del estudio de dos estrategias de pretratamiento: ácido diluido y fraccionamiento celulósico a través de solvente orgánico y de celulosa (COSLIF). La materia prima seleccionada, Chusquea culeou, es una especie más conocida como colihue, abunda en la zona sur del país, tiene un rápido crecimiento y su riqueza no ha sido bien aprovechada. El pretratamiento con ácido sulfúrico diluido comprende la disolución de la hemicelulosa utilizando ácido sulfúrico a una baja concentración y a altas temperaturas. Por su parte, el pretratamiento COSLIF comprende el uso de ácido fosfórico como solvente de celulosa y el uso de etanol como solvente orgánico para precipitar la celulosa y la hemicelulosa con el fin de separar parcialmente la lignina. Para estudiar ambos pretratamientos se desarrollaron dos experimentos. En el primero, se ensayó el pretratamiento de colihue con ácido diluido, utilizando como variable la concentración de ácido sulfúrico y la concentración de celulasa en la hidrólisis. Las muestras se pretrataron a 121°C, por 30 minutos y fueron sumergidas en soluciones con ácido cuya concentración varió entre 0,5% y 2% v/v. En el segundo experimento se utilizaron las condiciones óptimas reportadas en la literatura para el pretratamiento COSLIF, es decir, ácido fosfórico al 85% v/v, a 50°C y por 1 hora. La variable medida en este caso fue la carga enzimática durante la sacarificación del material, la cual varió entre 15, 30 y 40 FPU/gr. De los resultados obtenidos se observó que tanto el aumento en la concentración de ácido sulfúrico como en la carga enzimática tienen como consecuencia un incremento en los niveles de sacarificación del material pretratado con ácido diluido. No se puede decir lo mismo del pretratamiento COSLIF ya que los niveles de glucosa alcanzados con una rápida cinética de reacción, no se correlacionaron con los de carga enzimática en el rango estudiado, por lo que se puede pensar que se deben ensayar menores concentraciones de enzima para observar el efecto de la carga enzimática en el rendimiento de la sacarificación. De todas formas, a partir de los resultados se desprende que el pretratamiento es una etapa necesaria para incrementar la liberación de azúcares durante la hidrólisis enzimática. El pretratamiento que reportó un mayor rendimiento en la sacarificación fue el COSLIF, alcanzándose un 51% de conversión de celulosa en glucosa con 30 FPU/gr, mientras que la mayor conversión obtenida con ácido sulfúrico diluido fue sólo de un 10,4% usando 2% v/v, 30 FPU/gr y 30 CBU/gr. Posteriormente se estudió la rentabilidad económica del proceso. Se definió un índice para señalar si la utilización de las metodologías estudiadas es rentable. Para eso, se restaron los costos de los insumos principales de los pretratamientos a los ingresos por concepto de venta del producto. Así, se determinó que a partir del colihue disponible en Chile, la mayor cantidad de etanol que se puede obtener con los resultados recabados es de 720.814 [m3] a partir de la condición 85% v/v de ácido fosfórico y 30 FPU/gr. Además se estimó que ninguna de las condiciones estudiadas es rentable pero que un proceso que utiliza el pretratamiento COSLIF podría ser rentable si se disminuye la carga enzimática y se incrementa el rendimiento de la etapa de sacarificación.

Doctora en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Los ácidos grasos son un subproducto de bajo costo, abundante y cuyo producto de degradación puede ser fácilmente convertido en etanol, sin embargo no han sido debidamente considerados en la búsqueda de substitutos para combustibles fósiles. El principal inconveniente de la producción de bioetanol a partir de ácidos grasos en Escherichia coli, es que la síntesis de este metabolito es inactivada en presencia de oxígeno y la degradación de este polímero es más eficiente en presencia de este. Por ello, el primer paso fue realizar una modificación en el gen adhE que permitiera la codificación de un alcohol deshidrogenasa aerotolerante. A continuación y para optimizar la producción de etanol fue necesario considerar factores como el equilibrio redox y la alta conectividad del acetil-CoA, mediante herramientas de modelamiento matemático como el análisis de modos elementales. Como resultado es estos análisis se logró la predicción de la deleción de los genes fdnG (f), pflB (p), nuoG(n), ldhA(l) y ackA-pta (ap), y mediante técnicas basadas en PCR se generaron 3 cepas en E. coli K12 MG1655: fnfp*, fnfpl*y fnfplap*. Al realizar cultivos batch de estas cepas fue posible validar la tendencia predicha por la simulación in silico de un aumento significativo y sostenido en el flujo de etanol a medida que aumenta el número de deleciones, siendo clave la deleción del gen nuoG. Con respecto al crecimiento de las cepas en ácidos grasos, la cepa fnfplap* presentó una tasa de crecimiento y una producción de biomasa significativamente superior a la cepa silvestre de E. coli y a la mutante ΔfadR atoC*, e incluso fue capaz de crecer en desechos industriales del refinamiento de aceites vegetales. En estos cultivos, la tasa de producción de etanol también fue significativamente mayor al valor en ácido palmítico purificado, lo que muestra tanto el potencial de la cepa para ser utilizada a nivel industrial como el efecto del medio de cultivo en la producción de etanol. A pesar de estos resultados, los valores experimentales de producción de etanol no coincidieron con los obtenidos en la simulación, por lo que se realizaron simulaciones con un modelo genómico de E. coli. Estos análisis permitieron, por una parte, obtener información sobre posibles genes para eliminar, de modo de permitir la optimización de la producción de etanol a partir de ácido palmítico en condiciones de cultivo aeróbico, pero sin afectar complejos enzimáticos tan importantes como el de la NADH deshidrogenasa; y por otra, corroborar la hipótesis de que la presencia de oxígeno es indispensable para la degradación de los ácidos grasos. Los resultados de este trabajo de tesis muestran que fue posible producir etanol en un sistema de cultivo aeróbico usando como sustrato ácidos grasos, incluso en aquellos provenientes de desechos industriales, obteniéndose una cepa especializada en consumo de ácidos grasos. Adicionalmente, se mostró que el contenido del medio y la estrategia de cultivo pueden afectar directamente tanto la producción de etanol como de biomasa, hasta el punto de obtenerse niveles atractivos para la industria y el tratamiento de desechos ricos en este polímero.

The goals of this thesis are to create a comprehensive business plan manual from various business plan frameworks and to clarify project documentation necessary for the commencement of the biomass power plant. The theoretical part serves to the reader as a manual, how to write a business plan. In each section the thesis lists necessary questions to be answered, the theory and the recommendations what to include in the business plan. The practical part represents a complete business plan of the development and op-eration of the biomass power plant with focus on the political analysis, key resources and financial analysis. In the end of the thesis the investment decision criteria are pre-sented together with the risks analysis, providing a solid information base upon which a potential investor can decide, whether to invest into the project.

El presente documento reporta el resultado del estudio técnico-económico, a nivel exploratorio, del diseño de una biorefinería para producir bioetanol y los siguientes coproductos: furfural, lignina glioxalada y residuos de levadura. Estos coproductos fueron introducidos en el proceso a evaluar, para ver si la producción de bioetanol, junto a la generación de otros productos, es sustentable económicamente. Las constantes variaciones en el precio del petróleo, lo altos niveles de CO2 que contribuyen a la crisis ambiental y el agotamiento inevitable de los recursos fósiles en el futuro, han impulsado la búsqueda de nuevas fuentes que permitan diversificar la matriz energética en Chile. Es así como surge la idea de estudiar el potencial uso del bioetanol, que es un biocombustible que tiene la capacidad de sustituir la gasolina tradicional. La ley en Chile permitirá una mezcla E5 de combustible que estará libre de impuestos, que significa 5% de bioetanol y 95% de gasolina tradicional. En este trabajo se seleccionó como materia prima el residuo de eucalipto por su potencial y versatilidad de adaptación al suelo chileno. Además, se determinó la región favorable para la instalación de la biorefinería, la cual estará ubicada en la comuna de Angol en la IX Región del país. La planta podría procesar anualmente 420 mil toneladas de residuos de eucalipto, con la cual se podría producir cerca de 80 mil m3 de bioetanol, que representa un 48% de la demanda estimada para el 2010 en Chile suponiendo un combustible E5. Además el balance de masa muestra que se producen 51 mil toneladas de furfural, 570 mil de lignina glioxalada, 78 mil de residuo de levadura y 85 mil de CO2. El diseño conceptual de la biorefinería se efectuó usando como pretratamiento la explosión a vapor por poseer mejores rendimientos industrialmente, superiores al 80%. Para la detoxificación se ocupa hidróxido de calcio, compuesto que logra la precipitación de inhibidores normalmente producidos en el pretratamiento. Para la fermentación se escogió el método de sacarificación y fermentación simultánea ocupando la cepa industrial de Saccharomyces cerevisiae Red Star. Para la sacarificación se ocupa kit de celulasa comercial. El proceso tiene un rendimiento de 200 lt de bioetanol por tonelada de materia prima que se obtiene a 80 horas de fermentación y a una temperatura de 37 ° C. Para esta etapa se ocuparán 24 fermentadores (reactores batch) de 200 m3 cada uno. Para la destilación del bioetanol se ocupa 2 torres de destilación de 39 platos cada una, en donde en la primera se elimina la mayor cantidad de CO2, y en la segunda se retira agua obteniendo bioetanol al 95,4%. Del estudio técnico-económico resultó una inversión inicial de US$140 MM. El proyecto fue evaluado en un plazo de 20 años, con una tasa de descuento del 15% y bajo dos modos de financiamiento. El primer modo de financiamiento en donde la inversión es hecha en un 100% por interesados, mostró que el precio del bioetanol al que se debe vender para obtener un VAN igual a cero, es de 1.255 US$/m3, precio que es mayor al que se estima que se venderá el bioetanol en Chile (1.150 US$/m3), por ende este modelo no tendría ganancias. El otro modelo evaluado consistió en un financiamiento hecho con un 40% por préstamo bancario. En este modelo se obtuvo un precio del bioetanol igual a 1.055 US$/m3 para obtener un VAN igual a cero, una TIR del 15% y un periodo de recuperación de capital de 7 años. Este precio se considera poco rentable ya que es ligeramente menor al precio al cual se vendería el bioetanol en Chile (1.150 US$/m3), con lo que el VAN no sería superior a US$36 MM con una TIR del 20%. El modelo de biorefinería presentado parece no tener atractivos económicos para los inversionistas, pero bajo condiciones distintas como un alza importante en el precio del petróleo, una baja en el precio de las enzimas, pueden ser cruciales para obtener beneficios económicos importantes. Finalmente se recomienda profundizar la elección de los coproductos y de las tecnologías involucradas en el proceso con el fin de poder encontrar una configuración económica interesante.