Resulta difícil localizar una actividad socialmente útil que no requiera un adecuado aseguramiento energético. Pero al propio tiempo la gestión inadecuada de la energía trae consigo importantes impactos ambientales que afectan negativamente la sostenibilidad de la vida y el agotamiento de valiosos recursos naturales. La investigación pretende reforzar las teorías que explican la estrategia del desarrollo local sostenible y eficiente mediante el aprovechamiento de los recursos endógenos, a partir de la caracterización y revalorización de los potenciales renovables disponibles en el territorio. Para ello se utilizará el método deductivo que permitirá llegar a resultados concretos basados en el examen crítico científicamente argumentado, con diversos datos e informaciones de fuentes primarias y llegar a conclusiones precisas sobre el tema estudiado. Todo ello encaminado a obtener y comparar información, validar datos obtenidos de fuentes primarias y generar conocimientos nuevos vinculados con las posibilidades del medio natural del territorio y su aprovechamiento mediante fórmulas de desarrollo local sostenible. El trabajo de campo como un vehículo que permite realizar un acercamiento a la gestión energética del territorio con el fin de obtener y comparar información, validar datos obtenidos de fuentes primarias y generar conocimientos nuevos vinculados con las posibilidades del medio natural del territorio y su aprovechamiento mediante fórmulas de desarrollo local sostenible. Se partirá de la premisa que el manejo de las fuentes renovables de energía constituye una estrategia para el desarrollo local sostenible y eficiente para aprovechar los recursos endógenos que posee la Provincia de Manabí. Como conclusión de la tesis se puede afirmar que, en el territorio estudiado nunca se ha ejercido un adecuado manejo de las fuentes renovables de energía, a pesar que éstas constituyen el principal motor de desarrollo, especialmente si se contempla el fomento de las capacidades energéticas locales y se promociona el uso adecuado y más sostenible de las mismas. Se logra aportar conocimientos relacionados con los modelos que proponen una adecuada gestión de la energía como palanca para el desarrollo local, en interés de lograr una relocalización de las fuentes que permita articular una matriz energética territorial diversa, eficiente, menos costosa y amigable con el ambiente. Al analizar los diferentes aspectos de la demanda, comparada con la oferta y el análisis de las oportunidades que ofrece el medio natural de Manabí para la generación de energía y se ofrecen sugerencias e indicaciones para fomentar el desarrollo local de base endógena y sostenible para la Provincia.

Los plásticos se han convertido en el material de mayor y amplio uso en un corto lapso de tiempo. En este sentido, la dependencia de los plásticos derivados del petróleo ha aumentado progresivamente en los últimos años y es una de las causas del problema de la excesiva acumulación de residuos. Los efectos ambientales dañinos provocados por estos plásticos sintéticos han generado un gran interés en el uso y aplicaciones de biopolímeros. Sin embargo, los polímeros de origen biológico representan en la actualidad sólo una pequeña fracción del mercado total mundial de plásticos (menos del 1% del total) y el principal motivo es su alto costo de producción. Los poli(hidroxialcanoato)s (PHAs) son una familia de biopoliésteres de origen natural sintetizados por diversos microorganismos. Las características de los PHAs pueden dar lugar a diversas propiedades adaptables a diferentes aplicaciones industriales que van desde materiales de embalaje biodegradables hasta diversos productos médicos. Esto los convierte en candidatos prometedores de interés industrial y con valor ambiental, ya que además de su diversidad química son biodegradables, piezoeléctricos, biocompatibles, además de ser fabricados a partir de fuentes de carbono renovables. Varios factores influyen en la producción de PHAs, tales como la especie de microorganismo, la duración de la fermentación, la tasa de crecimiento, la naturaleza y concentración de la fuente de carbono. Entre estos, el factor de mayor influencia en el costo de producción es la fuente de carbono. El objetivo de esta tesis fue estudiar y optimizar la producción de PHAs a partir de sustratos de bajo costo y cepas bacterianas aisladas de ambientes costeros de la región de Bahía Blanca. Conjuntamente se propuso desarrollar metodologías rápidas y confiables para evaluar la producción de estos biopolímeros. Con este fin se realizaron aislamientos de cepas bacterianas productoras de PHA de sedimentos del estuario de Bahía Blanca. Por screening cualitativos se determinó la presencia del biopolímero empleando técnicas clásicas de tinción de gránulos internos de PHA. Alternativamente se utilizó una técnica espectroscópica (espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)) para la detección de la presencia e intensidad de picos característicos del PHA en muestras de las cepas aisladas. A partir de este screening se seleccionó la mejor cepa productora de PHA. La cepa seleccionada fue identificada como Bacillus megaterium BBST4, la cual fue aislada de sedimentos de Estuario de Bahía blanca, durante un estudio previo llevado a cabo en nuestros laboratorios. Para realizar los ensayos de optimización fueron seleccionados dos sustratos (glicerol y almidón) teniendo en cuenta el rendimiento en la producción de PHA demostrado por B. megaterium BBST4, y en relación a los costos del medio de cultivo y la fuente de carbono. Como fuente de nitrógeno se seleccionó la urea y un medio de cultivo salino mínimo. Para la optimización de la producción de PHAs a partir de glicerol como fuente de carbono se analizó la influencia de distintas variables en la producción de este biopolímero. A partir del almidón como fuente de carbono se desarrolló la técnica de diseño experimental por medio de una superficie de respuesta (RSM) como herramienta estadística robusta. Para las dos condiciones determinadas por RSM donde se obtuvo la máxima producción de biopolímero, en relación al rendimiento de PHA en cantidad y en economía (menor costo de producción), se desarrolló un modelado matemático de la cinética de producción de estos biopolímeros. Se probaron distintas técnicas de extracción de PHAs a partir de cloroformo como principal solvente de extracción. La técnica de extracción que presentó los mejores resultados fue optimizada y empleada para obtener los PHAs producidos por la cepa estudiada a partir de las dos fuentes de carbono seleccionadas, y a partir de una tercera fuente de carbono para cotejar diferencias entre sí. Estos PHAs fueron caracterizados por FTIR, Resonancia magnética nuclear de una dimensión (1H-NMR y 13C-NMR) y dos dimensiones (HSQC), Calorimetría diferencial de barrido (DSC) y Cromatografía por exclusión de tamaños (SEC o GPC). Los resultados de caracterización mostraron que los PHAs producido por B. megaterium BBST4 a partir de las tres fuentes de carbono presentan aproximadamente un 89,3 mol% de 3HB, un 5,6 mol% de 3HV y un 5,2 mol% de monómeros de mcl-HA, probablemente con extensión interna de la cadena. En nuestro conocimiento, este representa el primer reporte de producción de copolímeros empleando una cepa del genero Bacillus a partir de distintas fuentes de carbono renovables. Finalmente se desarrolló una nueva técnica para la determinación del PHA extraíble a partir de células liofilizadas y FTIR. Esta técnica disminuye notablemente los tiempos de determinación, lo que permite una importante reducción en el tiempo de toma de decisiones a la hora de definir cuantitativamente el/los momentos de óptima producción de PHA para realizar la extracción. Los aportes de esta tesis permiten visualizar un esquema general del proceso de obtención y optimización de la producción de PHAs. Por lo que representan un punto de inicio para el estudio de la biosíntesis de PHAs a partir de sistemas biotecnológicos con diferentes alternativas para la optimización en la detección y cuantificación de estos biopolímeros. / In a short time plastics have become the material most widely used. In this sense, the dependence on petroleum-based plastics has progressively increased in recent years and is one of the causes of the problem of excessive accumulation of waste. The harmful environmental effects caused by these synthetic plastics have generated great interest in the use and applications of biopolymers. However, polymers of biological origin now represent only a small fraction of the total world market for plastic(less than 1% of the total) and the main reason is the high cost of production. Poly(hydroxyalkanoate)s (PHAs) are a family of naturally occurring biopolyesters synthesized by various microorganisms. PHAs characteristics may lead to various properties adaptable to different industrial applications ranging from biodegradable packaging materials to various medical products. This wide range of applications makes them in promising candidates with industrial interest and environmental value. Besides their chemical diversity, they are biodegradable, piezoelectric, biocompatible, in addition to being produced from renewable carbon sources. Several factors influence the production of PHAs, such as the species of microorganism, fermentation time, growth rate, the nature and concentration of the carbon source. Among these, the carbon source is the most influential factor in the cost of production. The aim of this thesis was to study and optimize the production of PHAs from inexpensive substrates and bacterial strains isolated from coastal environments from Bahia Blanca region. In addition, studies were done for the development of fast and reliable methodologies for assessing the production of these biopolymers. For this purpose, PHA producing bacterial strains were isolated from sediments of Bahía Blanca Estuary. The presence of the internal PHA granules was determined using qualitative screening with conventional staining techniques for these biopolymers. Alternatively, a spectroscopic technique (infrared Fourier transform spectroscopy (FTIR)) was used for detecting the presence and intensity of characteristic peaks of PHA in the samples of isolated strains. From this screening, the best PHA producing strain was selected. The selected strain was identified as Bacillus megaterium BBT4, which was isolated in a previous study carried out in our laboratories. To perform the optimization trials were selected two substrates (glycerol and starch) considering the yield of PHA production demonstrated by B. megaterium BBST4, and the costs related to the culture medium and carbon source. The urea was selected as nitrogen source and a defined minimum salt medium as culture medium. For the optimization of PHA production from glycerol as sole carbon source, the influence of several variables in the production of this biopolymer was analyzed. From starch as carbon source experimental design technique was developed by a response surface methodology (RSM) as robust statistical tool. For the conditions determined by RSM, where maximum biopolymer production in relation to the performance of PHA in quantity and economics (lower production costs) was obtained, a mathematical modeling of the kinetics of production of these biopolymers was developed. Different techniques for PHA extraction were tested using chloroform as principal solvent extraction. The extraction technique that exhibit the best results was optimized and used to obtain the PHAs produced by the strain from the two carbon sources previously selected, and from a third carbon source employed to collate differences between them. These PHAs were characterized by FTIR, nuclear magnetic resonance of one dimension (1H-NMR and 13C-NMR) and two dimension (HSQC), differential scanning calorimetry (DSC) and size exclusion chromatography (SEC or GPC).The characterization results showed that PHAs produced by B. megaterium BBST4 from the three carbon sources show approximately 89.3 mol% of 3HB, 5.6 mol% of 3HV and 5.2 mol% of mcl-HA monomers, probably with internal chain extension. To our knowledge, this represents the first report of copolymers production using a strain of Bacillus spp. from different renewable carbon sources. Finally it developed a new technique for determining the removable PHA using lyophilized cells and FTIR. This technique significantly reduces the time of determination, allowing a significant reduction in time of making decision when it comes to define quantitatively the moment/s of optimum PHA production to perform the extraction. The contributions of this thesis allow visualizing an overview of the process of obtaining and optimization of the PHAs production. Therefore they represent a starting point for the study of the biosynthesis of PHAs from biotechnological systems with different alternatives for optimizing the detection and quantification of these biopolymers.

The Cuban power sector with its heavy dependency on foreign oil is in much need of investment and development. In the past decade, the Cuban government launched an ‘energy revolution,’ the Revolución energética, which aims at generating electricity from renewable sources. As part of this effort, the country looks toward tapping into its biofuels which mainly consist of bagasse from the sugar industry and wood residues from the forest industry. Against this background, the thesis is a case study of how to use the wood residues from two Cuban sawmills in order to generate electricity. The focus is on electricity generation as the mills have no current need for heat. The mills belonging to the state owned company EFI La Palma located in western Cuba are small, with a yearly production of 8400 m3 and 12 500 m3 sawn timber. The wood residues; sawdust, slabs, wood chips and bark, are currently simply dumped in two large deposits near the mills and represent a wasted resource which pollutes the local environment. Three electricity generating alternatives are initially investigated in the literature review: a steam cycle, gasification connected to an internal combustion engine and a Stirling engine using heat from biomass combustion. The gasification alternative is deemed most suitable and the thesis evaluates how two downdraft wood gasifiers would perform if connected to the two currently unused diesel generators of 276 kW and 504 kW which are in place in each of the mills. The specific gasifier models examined are the Indian company Ankur’s WBG 250 and WBG 400 and the fuel preparation necessary to use these gasifiers is investigated. The electricity consumption of the mills is compared with the potential electricity generation. It is found that the smaller mill could produce a yearly amount of 1,5 MWh of electricity  for the grid and the larger mill could export 3,2 MWh.  As the engines must be run in dual mode, the net present value of the gasification system is dependent on the level of replacement diesel which according to Ankur will be between 50 and 75 %. In the smaller mill the investment in the gasifier system is profitable at replacement levels greater than 65,4 % and in the larger mill, the investment becomes profitable at replacement levels above  63,8 %. Moreover, the profitability of the investment is highly dependent on the Cuban electricity price which currently is strongly subsidized. The reduction in CO2 emissions are also dependent on the replacement level and  at 75 % replacement level they are found to be 665 tons in the smaller mill and 1272 tons in the larger mill. / Actualmente, el sector energético cubano depende fuertemente de petróleo importado y se encuentra en necesitad de inversiones para su desarrollo y modernización.  Durante la década pasada, el gobierno cubano inició la ‘Revolución energética’ que tiene como objetivo incluir en la generación de electricidad fuentes renovables. Una parte de este programa es la utilización de los biocombustibles del país, que consisten principalmente del bagazo de la industria azucarera y de los residuos de madera provenientes de la industria forestal.  En este contexto, la tesis presenta un estudio de caso de cómo utilizar los residuos de madera de dos aserraderos cubanos para generar electricidad. Hoy en día, los aserraderos no necesitan calefacción y por  lo tanto el enfoque es la generación de electricidad. Los aserraderos pertenecen a  EFI La Palma, una empresa estatal, y están ubicados en Pinar del Rio, la provincia más occidental de Cuba. Producen  8400 m3 y 12 500 m3 de madera aserrada por año. Actualmente los residuos de madera; aserrín, cortezas y astillas, son dejados en depósitos localizados cerca de cada aserradero.  Esos residuos no solo representan un desperdicio de recursos, además, son una fuente de contaminación local. Inicialmente, tres alternativas de generación de electricidad son investigadas en la revisión de la literatura: el ciclo de vapor, la gasificación conectada a un motor de combustión interna y finalmente la combustión de biomasa conectada con un motor de Stirling. La alternativa de gasificación fue considerada la más adecuada. La tesis evalúa cuanto el rendimiento de dos gasificadores de madera con fluje descendente conectados a dos generadores de diesel de 276 kW y de 504 kW que  actualmente existen en los dos aserraderos. Los modelos de motor examinados son: WBG 250 y WBG 400 de la empresa india Ankur. La preparación de la biomasa también es investigada con el fin de usarla con los motores mencionados. El consumo de electricidad se comparó con la generación de electricidad potencial de los aserraderos.  Los resultados muestran que el aserradero más pequeño podría generar 1,5 MWh de electricidad por año para vender a la red mientras en el aserradero más grande, 3,2 MWh de electricidad por año. Como los motores deben funcionar en modo dual, el valor neto presente del sistema de gasificación depende del nivel de sustitución de diesel que según Ankur sería entre 50 y 75%. En el aserradero más pequeño, la inversión en el sistema de gasificador es rentable a niveles de reemplazo de más de 65,4% y en el aserradero más grande, la inversión se vuelve rentable a niveles de reemplazo por encima de 63,8%. Además, la rentabilidad de la inversión depende fuertemente del precio de electricidad cubano, un precio que actualmente es considerablemente subsidiado. La reducción de las emisiones de CO2 depende igualmente del nivel de sustitución, a un nivel de 75% los dos aserraderos tienen una disminución de emisiones de 665 toneladas y de 1272 toneladas, respectivamente.

Tesis por compendio / [ES] La energía juega un papel fundamental en el desarrollo sostenible de las comunidades. Así, proporcionar recursos energéticos fiables, económicamente aceptables, medioambientalmente respetuosos y socialmente beneficiosos, resulta esencial para el desarrollo sostenible de las mismas. A pesar de la universalidad de dicha definición, el uso de la energía está muy vinculada al nivel de desarrollo de los países. De este modo, la problemática energética de los países desarrollados contrasta enormemente con la de los países en desarrollo. En esta tesis doctoral se ha identificado la principal problemática energética de ambas realidades: grave impacto medioambiental de los modelos de generación del transporte tradicionales en los países desarrollados y pobreza energética en los países en desarrollo. A partir del compendio de artículos científicos de esta tesis doctoral se ha caracterizado el uso de sistemas renovables avanzados que permite solucionar dicha problemática de forma sostenible. En concreto, el principal problema energético en países desarrollados ha sido tratado mediante la planificación energética y el diseño óptimo de sistemas híbridos de energías renovables (HRES por sus siglas en inglés) en electrolineras, necesarios para la introducción de vehículos eléctricos como alternativa de movilidad sostenible. Por otro lado, el estudio de metodologías de diseño óptimas de HRES off grid y de las estufas para cocinar mejoradas mediante gasificación de biomasa se ha focalizado en la inaccesibilidad eléctrica y a sistemas de cocina limpia que sufren las comunidades en desarrollo. Así, esta tesis aporta una serie de metodologías para optimizar y adecuar los sistemas renovables presentados para el desarrollo energético sostenible de las comunidades. Además, no sólo demuestra la idoneidad de estos sistemas para dicho fin, sino también su versatilidad de aplicación en función del nivel de crecimiento de las comunidades. / [CA] L'energia juga un paper fonamental en el desenvolupament sostenible de les comunitats. Així, proporcionar recursos energètics fiables, econòmicament acceptables, mediambientalment respectuosos i socialment beneficiosos, resulta essencial per al desenvolupament sostenibles de les mateixes. A pesar de la universalitat d'aquesta definició, l'ús de la energia està vinculada al nivell de desenvolupament dels països. D'aquesta manera, la problemàtica energètica dels països desenvolupats contrasta enormement amb la dels països en desenvolupament. A aquesta tesis doctoral s'ha identificat la principal problemàtica energètica d'ambdues realitats: greu impacte mediambiental dels models de generació del transport tradicional en els països desenvolupats i pobresa energètica en els països en desenvolupament. A partir del compendi d'articles científics d'aquesta tesis doctoral s'ha caracteritzat l'ús de sistemes renovables avançats que permet solucionar aquesta problemàtica de manera sostenible. En concret, el principal problema energètic en països desenvolupats s'ha tractat mitjançant la planificació energètica i el disseny òptim de sistemes híbrids d'energies renovables (HRES, per les seues segles en anglès) en electrolineres, necessaris per la introducció de vehicles elèctrics com alternativa de mobilitat sostenible. D'altra banda, l'estudi de metodologies de disseny òptimes de HRES off grid i d'estufes per a cuinar millorades mitjançant gasificació de biomassa s'ha focalitzat en la inaccessibilitat elèctrica i a sistemes de cuina neta que pateixen les comunitats en desenvolupament. Així, aquesta tesis aporta una sèrie de metodologies per optimitzar i adequar el sistemes renovables presentats per al desenvolupament energètic sostenible de les comunitats. A més, no tan sols demostra la idoneïtat d'aquests sistemes per a aqueix fi, sinó també la seua versatilitat d'aplicació en funció del nivell de creixement de les comunitats. / [EN] Energy plays a significant role for the sustainable development of communities. Hence, supplying reliable energy resources, which result economically acceptable, environmentally friendly and socially beneficial, arises as essential for their sustainable development. Despite the universality of such definition, the energy use is highly linked to the development degree of the countries. Thus, energy problems of developed countries sharply contrast with those of developing countries. This doctoral thesis identifies the main energy issues of both realities: severe environmental impact of energy generation models for traditional transport in developed countries and energy poverty in developing countries. The compendium of scientific papers of this doctoral dissertation characterizes the use of advanced renewable energy systems to solve such problems in a sustainable way. Namely, the main energy issue in developed countries has been addressed by means of energy planning and the optimal design of Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) in electric vehicle charging stations, which ensure the introduction of electric vehicles as a sustainable mobility alternative. Moreover, the study of methodologies for the optimal design of off grid HRES and improved cooking stoves based on biomass gasification have approached the inaccessibility to electricity and to clean cooking systems that developing communities suffer. Therefore, this thesis provides a number of methodologies to optimize and adapt the presented renewable energy systems for the sustainable energy development of communities. Furthermore, it demonstrates not only the suitability of these systems for such aim, but also their versatility of application regarding the growing degree of the communities. / Bastida Molina, P. (2021). Estudio de sistemas renovables avanzados para el desarrollo energético sostenible [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172548 / Compendio