Ingeniera Civil en Biotecnología / La biorrefinería se define como una serie de procesos que permiten la obtención de variados productos de valor a partir algún tipo de biomasa. Debido a la extensa costa de nuestro país, la biorrefinaría de algas se presenta como una excelente alternativa para el desarrollo de nuevos capitales. Las algas contienen una gran cantidad de compuestos químicos útiles en variadas industrias, desde la farmacéutica hasta la de biocombustibles. Además, las algas pardas, llamadas así por su color, presentan hasta un 40% de su peso seco en alginato, azúcar que puede ser degradada por enzimas alginato liasas que rompen los enlaces formados por las subunidades del carbohidrato. Estudios realizados en la Universidad de Chile, lograron expresar 9 alginato liasas provenientes de 5 organismos distintos en volúmenes de 20 [ml] obteniendo 1 [U/ml]. De ahí la necesidad de escalar y determinar la factibilidad económica de su producción. En el presente trabajo, se logró escalar la producción 75 veces (20 a 1.500 [ml]), obteniendo en el mejor de los casos 5,81 [U/ml], esto se logró modificando las condiciones de operación. El cultivo se desarrolló a 37ºC en un medio Terrific con la adición de 5 [g/l] de lactosa. Se comparó además la actividad de la enzima producida con una versión comercial A, permitiendo determinar que la producción de 1,5 [l] de medio de cultivo es equivalente a 2,6 unidades de producto comercial de 100 [mg] o el equivalente monetario a CLP$ 504.888. Esto permite la obtención de una evaluación económica positiva para un proyecto de implementación de laboratorio para la producción de enzima, con un VAN superior a MM CLP$200 en un horizonte de evaluación de 10 años, con la producción, tres veces a la semana, de dos reactores de 1,5 [l]. Finalmente se corrobora la factibilidad económica de la producción en mayor escala de este producto, compitiendo con las versiones actualmente comercializadas. Esto se podría traducir en el impulso necesario para el desarrollo de industrias de biorrefinería de algas con aplicaciones en áreas tan diversas como combustibles, medicina, alimentación, farmacia, etc. Los estudios realizados en esta memoria se encuentran financiados por el fondo basal FB 0001 del Centro de Biotecnología y Bioingeniería, CEBIB. / Este trabajo ha sido financiado por: Centro de Biotecnología y Bioingeniería, CEBIB

La producción de biocombustibles a partir de microalgas ha recibido gran interés en las últimas décadas, en respuesta a la creciente crisis energética y el cambio climático. La factibilidad económica para el desarrollo de biocombustibles a partir de microalgas se ve comprometida por los altos costos y consumos energéticos que las correspondientes operaciones requieren. Debido a esto, la producción de coproductos de alto valor agregado resulta atractivo para mejorar la economía y viabilidad de una biorrefinería basada en microalgas. En la presente tesis se propone la formulación de modelos de programación matemática avanzada para el diseño óptimo y la optimización de plantas completas para la producción de biodiesel y otros productos de alto valor. En primer lugar, se propone un modelo de programación no lineal para la optimización de una biorrefinería basada en microalgas para producción de biodiesel, en la que se incluyen unidades de generación de energía a partir de corrientes residuales. En este sentido, el modelo propuesto incorpora restricciones de operación de digestores anaeróbicos, ya que los mismos presentan resultados viables solo bajo ciertas condiciones. Los resultados obtenidos permiten visualizar la factibilidad en cuanto a la reducción de consumo de energía a partir de fuentes fósiles y de suministro de nutrientes de manera externa, con la implementación de unidades de biodigestión anaeróbica y posterior transformación del biogás producido. A continuación, se formulan problemas de programación mixto entera no lineal para la determinación de la configuración óptima de una biorrefinería para la producción de biodiesel a partir de microalgas bajo criterios de optimización económica (maximización del valor presente neto de la biorrefinería propuesta). Asimismo, se lleva a cabo un estudio de riesgo tecnológico sobre las diferentes alternativas de proceso analizadas. La incorporación de coproductos de alto valor agregado en biorrefinerías integradas, supone una mejora en la factibilidad económica para la producción de biocombustibles de tercera generación. En ese marco, se formula un modelo de diseño óptimo de una biorrefinería en base algal para la producción de biodiesel y coproductos de alto valor (biopolímeros y nutraceúticos) como un problema de programación mixto entera no lineal. Los resultados numéricos permiten determinar la viabilidad económica del proceso. Un estudio de sensitividad posterior revela los principales factores que afectan el valor presente neto del proyecto. Por último, se formula un problema de diseño óptimo para una biorrefinería integrada para la producción de astaxantina, un nutracéutico de alto valor. La idea es implementar procesos “verdes”, que colaboren en mitigar las problemáticas actuales en cuanto a la escasez de recursos hídricos, la necesidad de producción de alimentos y el alto consumo energético a partir de fuentes fósiles. Estos factores son tenidos en cuenta como restricciones del problema de diseño. A su vez, se lleva a cabo un estudio de la implementación de la biorrefinería a nivel local. En síntesis, bajo el concepto de “Nexo agua-alimentosenergía”, el modelo desarrollado para la producción de astaxantina permite el diseño de procesos amigables con el medio ambiente, autoabastecidos y económicamente atractivos. / Biofuels production from microalgae has attracted attention in recent decades, in response to the growing energy crisis and climate change. The economic feasibility for the development of microalgae biofuels is compromised by high investment and operational costs as well as energy consumption. The production of value added co-products results an attractive alternative to improve the microalgae-based biorefinery economy and viability. Advanced mathematical programming strategies are applied in this thesis for the optimal design and optimization of facilities for the production of biodiesel and high added-value products. A nonlinear programming model is proposed for the optimization of a microalgaebased biorefinery for biodiesel production, with the inclusion of energy generation units from waste streams. In this sense, the proposed model includes operating constraints of anaerobic digesters, since they present viable results only under certain conditions. Numerical results show the feasibility of reducing energy consumption from fossil sources and the supply of nutrients externally, through the implementation of anaerobic biodigestion units and the subsequent transformation of the produced biogas. Mixed integer nonlinear programming models are formulated to determine the optimal configuration of a biorefinery for the production of biodiesel from microalgae under economic optimization criteria (net present value maximization). Likewise, a technological risk study is carried out on different process alternatives. The incorporation of high added-value co-products within integrated biorefineries implies an economic feasibility improvement for the production of third generation biofuels. In this framework, a mixed integer nonlinear problem for the optimal design of an algae-based biorefinery is formulated. Not only biodiesel production is considered but also high added-value co-products (biopolymers and nutraceuticals). Numerical results show the economic viability of the process. Subsequent sensitivity analysis determines relevant parameters affecting net present value. Finally, an optimal design problem is formulated for an integrated biorefinery for the production of the high value nutraceutical astaxanthin, under the concept of "green" processes. Issues like scarcity of water resources, food production and high energy consumption from fossil sources are taken into account as constraints within the proposed model. Also, a study on the implementation of the integrated biorefinery at local level is carried out. Results allow the design of environmentally friendly processes, self-sufficient and economically attractive, under the concept of "Water-Food-Energy Nexus".

La gran versatilidad y amplia variedad de características que poseen los plásticos los hace materiales claves para el ser humano, ya que permiten mejorar la calidad de vida, al ser empleados en sectores como la construcción, el transporte, el envasado, la medicina y el deporte, entre otros. No obstante, los plásticos producidos a partir de petróleo tienen la gran desventaja de no ser biodegradables, por lo que esta preocupación ha creado un especial interés en el desarrollo de procesos alternativos para generar polímeros de origen biológico, amigables con el medio ambiente. A pesar de los esfuerzos destinados a la investigación de biopolímeros, éstos aún no resultan competitivos en términos económicos frente a los plásticos petroquímicos. El costo de los polímeros convencionales oscila entre 1 y 1,5 dólares por kilogramo y el de los biopolímeros puede variar entre 2,5 y 15 dólares por kilogramo. Por lo tanto, el objetivo que se propone en este trabajo de tesis es profundizar, tanto a nivel teórico como experimental, en el estudio de la producción de plásticos biodegradables (poli(hidroxialcanoato)s, PHAs) empleando fuentes de carbono alternativas para su biosíntesis. En la presente tesis se llevan a cabo experiencias in vivo con un microorganismo aislado del estuario de Bahía Blanca, Bacillus megaterium BBST4, en cultivos batch. A partir del biomaterial obtenido, se realizan ensayos que permiten caracterizar el polímero acumulado intracelularmente. Asimismo, se obtienen datos experimentales a nivel Erlenmeyer y biorreactor, que se emplean para ajustar un modelo cinético de crecimiento y biosíntesis de PHA. La estimación de parámetros se realiza mediante la formulación de un problema de optimización dinámico cuya función objetivo es de cuadrados mínimos, sujeto a un sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Por otro lado, con el objetivo de realizar aportes en el diseño de biorrefinerías, se propone la implementación de modelos detallados de los equipos de una planta de producción de PHA y también de una biorrefinería integrada, donde la síntesis de biopolímero brinda un valor agregado al objetivo económico de la misma. Para ello, las distintas configuraciones de operación de las plantas se incluyen en una superestructura y se formulan problemas de programación no lineal mixto entero (MINLP) en un entorno orientado a ecuaciones, con un criterio de optimización económico (maximización del valor presente neto del proceso productivo) sujeto a restricciones de balances de masa y energía, ecuaciones de diseño, condiciones operativas y correlaciones de costos. La metodología presentada en esta tesis junto con los resultados numéricos obtenidos, representan una progresión en el estudio biotecnológico de la síntesis de PHAs mediante la utilización de herramientas provistas por el modelado matemático. / Due to their great versatility and comprehensive features, plastics have become key materials to human beings. They allow improving the quality of human life in areas such as construction, transportation, packaging, medicine and sports, among others. Nevertheless, petroleum-based plastics are non-biodegradable. This issue has led to the development of alternative processes to produce bio- based polymers environmentally friendly. Despite efforts devoted to biopolymers research, they are still non-economically competitive with the petrochemical plastics. While synthetic polymers cost is between 1 to 1.5 dollars per kilogram, biopolymers prices vary between 2.5 to 15 dollars per kilogram. Therefore, the main objective of the work is to carry out theoretical and experimental studies of biodegradable biopolymer production (poly(hydroxyalkanoate)s, PHAs) using alternative carbon sources for their biosynthesis. In this thesis work, in vivo experiences in batch cultivations are performed by means of Bacillus megaterium BBST4, a microorganism isolated from Bahía Blanca estuary. With the obtained biomaterial, several tests were carried out in order to achieve a characterization of the intracellular accumulated polymer. Also, experimental data is obtained in Erlenmeyer and bioreactor cultures. This data is used to adjust a growth and PHA bio-synthesis kinetics model. Parameter estimation is performed within a dynamic optimization framework with a least squares objective function, subject to a differential algebraic equations system. Furthermore, in order to make a contribution to biorefineries design, we implemented two detailed equipment models: a PHA production plant and an integrated biorefinery, where biopolymer synthesis is a value- added co-product. Different plant configurations are embedded within a superstructure. Mixed integer nonlinear programming (MINLP) problems are formulated in an equation oriented approach. The economic objective function (net present value maximization of the productive process) is subjected to mass and energy balances, equipment design cost, operation conditions and cost correlations. The methodology presented in this thesis together with the obtained numerical results, provides useful insights on the biotechnological study of PHAs synthesis by means of mathematical modeling tools.

La selección de solventes para procesos de separación resulta desde hace mucho tiempo un problema de gran relevancia para las industrias química, petroquímica, farmacéutica, alimenticia, etc., y ha dado origen a áreas de investigación y desarrollo, como la del Diseño Molecular de Solventes. Una familia de problemas de separación de gran interés está vinculada a la separación de productos derivados de la hidrólisis de biomasa lignocelulósica debido a que una gran cantidad de estos compuestos resultan inhibidores de la actividad de enzimas y microorganismos involucrados en el proceso de fermentación alcohólica. En general, la extracción con solventes de estos compuestos es una alternativa factible para el proceso de detoxificación. En particular, el problema de extracción líquido–líquido posee características especiales debido a que en este caso el producto de interés es el refinado (caldo de fermentación) y no el extracto. El extracto obtenido es una mezcla de compuestos parafínicos, heterocíclicos y aromáticos que provienen fundamentalmente de la degradación de la lignina y de la hemicelulosa. En consecuencia la selección de solventes es complicada por el gran número y variedad de los compuestos que deben ser recuperados y por la necesidad de una eficiente recuperación del solvente tanto del extracto como del refinado. Por otra parte el solvente seleccionado debe ser compatible con las restricciones ambientales actuales. En esta tesis se enfrenta el problema de búsqueda y selección de solventes para el proceso de detoxificación en biorrefinerías estudiando la combinación de un enfoque de diseño molecular asistido por computadoras, basado en el análisis de estructuras moleculares y de las interacciones entre grupos, con una sistematización de la evolución del comportamiento de fases de series de compuestos con miembros de distintas familias moleculares. Debido a la presencia de la gran cantidad de compuestos asociativos contenidos en la mezcla proveniente del hidrolizado de material lignocelulósico, se desarrolló una plataforma computacional para la estimación de propiedades de mezcla, acoplada al algoritmo de síntesis de estructuras moleculares, basada en el modelo termodinámico AUNIFAC. Considerando la gran variedad de compuestos aromáticos inhibidores de la fermentación, se extendieron las reglas de combinación y de factibilidad en la síntesis de estructuras moleculares ramificadas a la familia de compuestos aromáticos. Además, en esta tesis se amplió el rango de condiciones a cubrir por los modelos a contribución grupal utilizados y se mejoró la capacidad predictiva de propiedades físicas de compuestos puros. Finalmente, desarrolló una nueva metodología de diseño y selección de solventes para llevar a cabo síntesis orgánicas. / Solvent selection for separation processes has been from a long time a problem of great relevance for chemical, petrochemical, pharmaceutical, food industry, etc., and it has given rise to research and development like Molecular Design of Solvent. A very important family of separation problems is linked to the separation of biomass products derived because a large amount of these compounds are enzymes and microorganisms activity inhibitors involved in the fermentation processes. Generally, extraction with solvents of these compounds is a feasible alternative for the detoxification process. In particular, the liquid-liquid extraction problem has special features because in this case the interest product is the refined (fermentation broth) and not the extract. The extract obtained is a mixture of paraffinic, heterocyclic and aromatic compounds originating from the degradation of lignin and hemicellulose. Consequently the selection of solvents is complicated by the large number and variety of compounds to be recovered and by the need of an efficient solvent recovery from both extract and refining. In addition, the selected solvent must be compatible with current environmental restrictions. This thesis addresses the problem of solvents selection for the detoxification process in biorefineries studying the combination of a computer-aided molecular design approach, based on the analysis of molecular structures and interactions between groups, with a systematization of the evolution of the phase behavior of compounds series with members of different molecular families. Due to the large amount of associative compounds in the hydrolysate, a computational platform was developed for estimating properties of mixture, coupled to molecular structures synthesis algorithm, based on the A-UNIFAC thermodynamic model. Considering the large variety of aromatics inhibitors, the combination and feasibility rules in the synthesis of branched molecular structures were extended to the family of aromatic compounds. Furthermore, in this thesis the range of conditions to cover by the group contribution models used was extended and the predictive ability of physical properties of pure compounds was improved. Finally, we developed a new methodology of molecular design and selection of solvents to carry out organic synthesis.

En la presente tesis se plantea el modelado del equilibrio entre fases de mezclas de importancia en biorrefinerías, y el desarrollo de módulos de simulación de procesos y productos. El modelo termodinámico empleado es la Ecuación de Estado a Contribución Grupal con Asociación (gca-eos) que ha sido desarrollada y exitosamente aplicada al procesamiento de mezclas derivadas de sustratos vegetales y de sistemas a alta presión por el grupo de Termodinámica de Procesos de plapiqui. La gca-eos es robusta para la representación, tanto a baja como alta presión, de sistemas altamente no ideales que presenten asimetría en tamaño y energética y con presencia de interacciones de tipo puente hidrógeno, generalmente presentes en mezclas procedentes del procesamiento de productos naturales. Su carácter a contribución grupal facilita la predicción de compuestos complejos y mezclas a los que se les desconoce sus propiedades, como también frecuentemente ocurre con los de origen natural. Dadas las características favorables de este modelo se propone su extensión para cubrir un número mayor de grupos funcionales típicos del procesamiento en biorrefinerías y una mejor descripción de las interacciones asociativas que pueden presentar el agua, alcoholes, compuestos nitrogenados y aromáticos. Teniendo en cuenta esta premisa se implementaron algoritmos de cálculo termodinámico que fueron incorporados a simuladores de procesos, con énfasis en equipos involucrados en la purificación de biocombustibles, como por ejemplo equipos de destilación flash, columnas de destilación y extractores líquido-líquido. La presente tesis se desarrolla en 8 capítulos. Luego de un apartado introductorio, el capítulo 2 describe el modelo termodinámico gca-eos, destacando leyes físicas que lo sustentan ya que resultan una herramienta sólida para generar las estrategias de parametrización desarrolladas en esta tesis. Los siguientes capítulos, muestran la extensión del modelo a las distintas familias de compuestos orgánicos estudiados. Específicamente, el capítulo 3 trata la extensión la gca-eos, a hidrocarburos aromáticos en sistemas que involucren alcoholes alifáticos y agua. El capítulo 4 por su parte, discute una nueva definición de los grupos fenólicos en sistemas con hidro - carburos aromáticos, alifáticos y agua. Los capítulos 5 y 6 discuten la parametrización de sistemas nitrogenados: el primero define los nuevos grupos amino, y si interacción con hi - drocarburos y alcoholes, mientras que en el segundo se incluye mezclas acuosas de estos compuestos y se prueba la capacidad predictiva de la gca-eos en soluciones acuosas de alcanolaminas. Siendo estas últimas un reconocido solvente para la remoción de gases ácidos también presentes en el procesamiento, tanto bio- como termo-químico, de biomasa. Por último, el capítulo 7 trata el desarrollo de un módulo de simulación de columnas trifásicas. Se desarrollan las ecuaciones básicas que permiten adaptar un algoritmo tradicional de destilación líquido-vapor para considerar la posible existencia de dos fases líquidas. Como caso de estudio, se analiza una columna de remoción de metanol en el contexto del proceso supercrítico de producción de biodiesel. / Phase equilibrium modeling of mixtures of importance in biorefineries, and the development of process simulation modules and products are presented in this thesis. The thermodynamic model chosen is the Group Contribution with Association Equation of State (gca-eos). This model has been developed by the group of Process Thermodynamics in plapiqui and successfully applied to model processes of mixtures of vegetable substrates and high-pressure systems. The gca-eos is capable to model systems of highly non-ideal mixtures, at low or high pressures, which exhibit important energetic and size asymmetry. Also the model is able to handle molecules that present h-bond interactions, characteristic of natural products mixtures. Moreover, its group contribution formulation allows the predictions of unknown properties of complex compounds and mixtures, as in the case of natural compounds. These characteristics encourage an extension of its parameter table to cover a greater number of functional groups that are common in biorefineries processes. Another goal of this thesis was to obtain a better description of associative interactions present in mixtures of water, alcohols, with aromatic and nitrogen compounds. With this premise, thermodynamic calculation algorithms were incorporated into process simulators, with emphasis on equipment involved in the purification of biofuels, such as flash distillation equipment, distillation columns and liquid–liquid extractors. This thesis is presented in eight chapters. After an introductory section, Chapter 2 describes the mathematical formulation of the gca-eos, with emphasis on underlying physical laws which generate robust parameterization strategies developed in this dissertation. The following chapters show the extension of this model to different families of organic compounds studied in this work. Chapter 3 addresses the extension of the model to aromatic hydrocarbons in systems with water and aliphatic alcohols. Chapter 4 discuss a new definition of the phenolic group present in systems with aromatic and aliphatic hydrocarbons and water. Chapters 5 and 6 discuss the parameterization of amine groups: the first one defines new amine groups and its interaction with aliphatic hydrocarbons and alcohols, while the second one includes aqueous amine mixtures, and the predictive capability of the gca-eos is tested with aqueous alkanolamine solutions. Finally, Chapter 7 shows the development of a simulation module of a three phase distillation column. Basic equations that enable a typical vapor–liquid distillation algorithm to represent the existence of two liquid phases are presented. Furthermore, a methanol stripping column in the context of supercritical biodiesel production is analyzed as a case of study.