Desarrollo y aplicación de estrategias de programación matemática avanzada para la producción sustentable de energía

La producción sustentable de energía constituye uno de los desafíos más importantes del presente siglo. En particular, la producción de biocombustibles, basados en materias primas renovables, requiere aún de esfuerzos de investigación a nivel celular, de procesos y de plantas completas, para lograr...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Paulo, Cecilia Inés
Otros Autores: Díaz, María Soledad
Formato: tesis doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2013
Materias:
Ingeniería química
Energía
Biocombustibles
Modelos matemáticos
Acceso en línea:http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/3125
Aporte de:
Repositorio Institucional Universidad Nacional del Sur (UNS) de Universidad Nacional del Sur
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description La producción sustentable de energía constituye uno de los desafíos más importantes del presente siglo. En particular, la producción de biocombustibles, basados en materias primas renovables, requiere aún de esfuerzos de investigación a nivel celular, de procesos y de plantas completas, para lograr competitividad económica frente a los combustibles fósiles. En la presente tesis, se proponen modelos matemáticos de creciente complejidad y se aplican metodologías de programación matemática avanzada para la resolución de problemas de diseño y optimización de procesos de producción de biocombustibles. Se formulan modelos matemáticos que describen desde la red metabólica de una cianobacteria hasta una planta completa de producción de bioetanol, considerando también procesos de extracción y deshidratación de etanol con fluidos supercríticos y procesos de fermentación discontinuos para la producción de hidrógeno. En este sentido, este trabajo analiza, en primer lugar, una planta de producción de etanol a partir de granos, en particular, sorgo granífero, una materia prima disponible en la región sudoeste de la provincia de Buenos Aires y La Pampa. Se trata de una tecnología madura, que resulta de interés a nivel regional y nacional. Se formulan balances de masa y energía para el proceso y se realiza una evaluación económica de una planta basada en la tecnología de molienda seca. A continuación, y con el objetivo de realizar aportes en el diseño de redes metabólicas para la producción sustentable de etanol, se propone un modelo matemático para una cianobacteria modificada genéticamente para producir etanol. Un punto importante es que en este caso la fuente de carbono no es glucosa, sino dióxido de carbono que se puede obtener de una corriente residual. Se formulan problemas de programación lineal mixto entera (MILP) en dos niveles y se propone una reformulación para la maximización simultánea del crecimiento celular y la producción de etanol, con resultados comparables a los reportados por una empresa que aplica esa tecnología. Asimismo, se presentan modelos rigurosos para la etapa final del proceso de producción de etanol: la deshidratación mediante un proceso de extracción con fluidos supercríticos, considerando diversas alternativas de integración energética, en un marco de optimización económica. Esta tecnología resulta altamente competitiva con las actuales tecnologías comerciales. Finalmente, se proponen modelos dinámicos de procesos de producción de biohidrógeno mediante consorcio de bacterias, en un bio-reactor discontinuo, y se estiman los principales parámetros cinéticos, basados en datos experimentales obtenidos para tal fin.
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