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".
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/4425 |
| Date | 23 March 2018 |
| Creators | García Prieto, Carla V. |
| Contributors | Díaz, María Soledad, Estrada, Vanina G. |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
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