Ingeniería Química y Ambiental

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A holistic framework to guide decision-making in the valorisation of biorefinery side-streams from a circularity and sustainability point of view
(2024-05-27) Macías Aragonés, Marta; Arroyo Torralvo, Fátima; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Esta tesis se enfoca en mejorar la toma de decisiones de la industria sobre el diseño y la escalabilidad de procesos para valorizar efluentes dentro del contexto de la bioeconomía circular y la sostenibilidad. Se centra en la industria de biocombustibles y busca identificar el efluente más prometedor entre el aceite de maíz y la vinaza de la producción de bioetanol, y la harina de colza de la producción de biodiesel. Además, se busca seleccionar el proceso de valorización adecuado y configurar una biorrefinería en cascada para implementar dicho proceso. Envien Group, un importante productor de biocombustibles en Europa Oriental, ha sido utilizado como caso de estudio. Tras revisar el estado actual de los enfoques para evaluar la circularidad, se observó una falta de soluciones adecuadas para respaldar la toma de decisiones. Por lo tanto, se desarrolló un nuevo marco de evaluación de circularidad y sostenibilidad basado en tres niveles. Este marco utiliza un enfoque de Análisis de Decisión Multicriterio, combinado con el Método Battelle, adaptándose incrementalmente a las diferentes etapas del desarrollo tecnológico. El Nivel 1 se centra en la caracterización de los efluentes y revisa la literatura existente sobre su disponibilidad, mientras que los Niveles 2 y 3 utilizan datos recopilados a escala de laboratorio y piloto, respectivamente. Este marco integra tanto información cualitativa como cuantitativa, proveniente del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y de la evaluación tecnoeconómica, junto con detalles específicos del proceso y de la empresa. A partir de los resultados del primer nivel, la vinaza procedente de la producción de bioetanol fue excluida debido a su alto contenido de agua y menor concentración de compuestos valiosos junto con una menor disponibilidad a futuro. Para los subproductos restantes (aceite de maíz y harina de colza) se estudiaron a escala de laboratorio diferentes procesos de valorización. En el segundo nivel, se examinaron siete escenarios de valorización para la harina de colza y cinco para el aceite de maíz, usando el Índice de Potencial de Sostenibilidad (SPI por sus siglas en inglés) como métrica de comparación. El SPI (basado en aspectos técnicos, ambientales y económicos) permitió identificar la recuperación de proteínas de la harina de colza a través de la extracción alcalina como el escenario más sostenible para la escalabilidad en planta piloto. Posteriormente, utilizando datos de dicho ejercicio de escalado, el tercer nivel evaluó el Índice de Potencial de Circularidad y Sostenibilidad (CirSusPI por sus siglas en inglés) para escenarios que representaban diferentes configuraciones de planta así como precios de mercado para los productos resultantes del proceso de valorización estudiado. La métrica CirSusPI se calculó añadiendo a los aspectos anteriores del SPI los de circularidad y sociales, identificando la producción de torta seca de bajo contenido en proteína, aislado de proteína y concentrado de ácido sinápico (con este último al precio máximo) como el escenario más relevante para la implementación de una biorrefinería comercial. Se realizó un análisis económico avanzado para explorar opciones financieras para la implementación comercial del diseño de biorrefinería seleccionado. Se consideraron dos esquemas financieros: Subvención Pública y participación de un Fondo Público, además del capital propio de la empresa. El análisis sugiere que la inclusión de estos esquemas financieros motiva a los accionistas a desarrollar proyectos de mayor escala, lo que potencialmente aumenta los retornos de la inversión a largo plazo y reduce el riesgo operativo. La principal novedad del trabajo realizado ha sido la oportunidad de tomar decisiones basadas en un enfoque holístico, considerando no sólo aspectos ambientales y económicos, sino también técnicos, sociales y de circularidad. De esta manera, el uso del marco desarrollado podría ser un paso relevante hacia el avance de la bioeconomía circular.
Chitosan-based hydrogels for tissue engineering: processing, crosslinking and biological assessment
(2023-12-15) Sánchez-Cid Bueno, Pablo; Pérez-Puyana, Víctor Manuel; Romero García, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química
Ante la necesidad de tratamientos más avanzados para tejidos y órganos dañados, el desarrollo de sustitutos biológicos aparece como una posible solución. La ingeniería de tejidos es un campo multidisciplinario que combina métodos y principios de ingeniería y ciencias de la vida para el desarrollo de biomateriales, capaces de actuar como sustitutos biológicos para mantener, restaurar o mejorar la función de los tejidos objetivo. Sin embargo, para este fin se requieren andamios con una serie de requisitos como la capacidad de soportar esfuerzos mecánicos una vez implantados en el cuerpo, absorber fluidos biológicos y dar lugar a un adecuado crecimiento y proliferación celular para conseguir una regeneración eficaz del tejido lesionado. Dentro de las posibilidades, los hidrogeles son materiales que se ajustan muy bien a estos requisitos y son, por tanto, muy estudiados en este campo de investigación, especialmente por su alta capacidad de absorción de líquidos, incomparable con otros materiales. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de hidrogeles basados en el quitosano, un biopolímero abundante, asequible y, por tanto, muy conocido, con propiedades que lo convierten en un candidato muy interesante para su potencial aplicación en hidrogeles para ingeniería de tejidos. Además del desarrollo de hidrogeles, esta tesis estudió diferentes métodos para mejorar las propiedades de los hidrogeles basados en quitosano, incluyendo la combinación con otros polímeros conocidos como el colágeno o el uso de agentes de entrecruzamiento tanto en hidrogeles de quitosano como en los híbridos con colágeno. Además, se ha planteado el desarrollo de una estructura más avanzada para hidrogeles con mejores propiedades, partiendo de la combinación de las dos estrategias previamente planteadas. Los resultados obtenidos son bastante prometedores en cuanto a la potencial aplicación en ingeniería de tejidos de los hidrogeles estudiados.
Evaluación de la eficacia de equipos de protección individual frente a nanopartículas
(2023-11-10) Hoyas Pablos, Eva María; Alonso-Fariñas, Bernabé; Vidal Barrero, Fernando; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
El creciente uso de la tecnología basada en los nanomateriales (NM) ha supuesto la aparición de nuevos riesgos en el ámbito laboral frente a los que resulta necesario aplicar medidas de protección apropiadas para salvaguardar la seguridad y la salud de los trabajadores. Dentro de estas medidas se encuentra el uso de los equipos de protección individual (EPI). La eficacia de un EPI frente a riesgos concretos se verifica mediante la realización de pruebas estandarizadas en su fase de fabricación, generalmente apoyadas en normas técnicas y que, en cualquier caso, deben garantizar el cumplimiento de la reglamentación aplicable. Analizando las normas técnicas existentes en el área de los NM a nivel europeo e internacional, se puede concluir que actualmente no se dispone de normas técnicas desarrolladas específicamente para la evaluación de la capacidad de protección de los EPI frente a los NM. La presente tesis recoge una investigación llevada a cabo en el ámbito de los guantes y la ropa de protección con el objetivo general de avanzar en el conocimiento del comportamiento de los EPI de protección dérmica frente a las NP y dos objetivos específicos: realizar un estudio del estado de arte de la evaluación de la permeación de NP a través de guantes y ropa de protección y establecer un método de ensayo para la medir la permeación de las NP a través de dichos materiales y probarlo experimentalmente. En cuanto al alcance y en relación con los materiales, se han ensayado cinco tipos diferentes de guantes de protección química (nitrilo (dos), látex, vinilo y butilo) y cuatro tipos diferentes de materiales de ropa de protección química (todos ellos materiales no tejidos), más dos materiales de ropa de protección tejidos. En relación con los NM estudiados, las muestras de material se expusieron a tres tipos diferentes de suspensiones de NP (suspensión de ZnO, TiO2 y SiO2). Por último, en lo relativo a propiedades evaluadas, la investigación se ha centrado en la medición de la permeación acumulada de sustancias químicas a través de los materiales. La investigación realizada se estructura en tres partes. En primer lugar, se aborda el estudio del estado del arte y se proporciona una revisión de la literatura científica existente sobre la evaluación de la permeación de NP a través de los guantes y la ropa de protección. La metodología empleada sigue la declaración Preferred Reporting Items for Systematic reviews and Meta-Analyses (PRISMA) (PRISMA, 2023), en su versión actualizada de 2020. Esta revisión bibliográfica pone de manifiesto que la investigación realizada hasta la fecha es escasa, que es difícil de analizar debido a la variedad de diseños experimentales que engloba y que, en los pocos casos en que está basada en diseños experimentales probados previamente, lo hace tomando modelos de penetración (no de permeación) pertenecientes al ámbito de la protección respiratoria. En segundo lugar, se presenta la adaptación de un método de ensayo normalizado a la evaluación de EPI frente a NM tomando como especificación técnica de partida la norma UNE-EN ISO 19918. El método resultante permite, por un lado, medir la permeación acumulada de NP (agentes químicos en estado sólido) a través de materiales de elastómeros, polímeros no tejidos y materiales tejidos, posibilitando la evaluación cuantitativa de dicha permeación (cálculo de la cantidad de sustancia que ha permeado) y, por otro, la evaluación cualitativa del fenómeno de permeación a través del material ensayado (visualización del gradiente de NP a través del material mediante microscopía SEM). En tercer y último lugar, se exponen los resultados de la experimentación llevada a cabo en los diferentes materiales de guantes y ropa de protección química expuestos a las diferentes suspensiones de NP. La metodología seguida en la experimentación fue la descrita en el método de ensayo adaptado de la norma UNE-EN ISO 19918. Los resultados de esta experimentación además de confirmar algunos de los hallazgos encontrados en investigaciones anteriores, revelan aspectos novedosos respecto a la relación del fenómeno de la permeación con la naturaleza de las NP, el tipo de material y la concentración de la sustancia de ensayo. Como conclusiones principales de esta tesis se presentan las siguientes: - No existe un método normalizado específico para evaluar la protección de los guantes y la ropa de protección frente a las NP. - En el ámbito concreto de estos EPI, las investigaciones son escasas y sin metodologías de ensayo específicas para el estudio de la permeación de NP en materiales de guantes y ropa de protección. - La permeación de NP a través de materiales poliméricos y elastómeros de guantes y de materiales no tejidos de ropa de protección, parece estar relacionada con el tipo de NP y ser independiente del tipo de material. - El grado de permeación parece ser inversamente proporcional a la concentración de la suspensión original de ensayo. Este hecho podría deberse a la mayor facilidad de formación de aglomerados cuando la suspensión va aumentando su concentración.
Flexibility and stability constraints in the future power system with a high share of variable renewable energy: the role of new generation and storage technologies (hydrogen)
(2023-05-19) Guerra Huilca, Karla Belén; García Haro, Pedro; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
The increasing penetration of Variable Renewable Energy (VRE) causes several challenges in power systems because of their intermittency and unpredictability. Therefore, different alternatives and mechanisms have been addressed in the literature to deal with variability and provide flexibility to the grid. However, the performance of the future power system and the role of new generation and storage technologies have not been previously analysed, considering flexibility and stability constraints for different climate conditions. Accordingly, a rule-based power system model called "Future Renewable Energy Performance into the Power System" (FEPPS) has been developed in this thesis to fill these gaps. Spain and Great Britain were used as case studies. FEPPS was generated using historical and theoretical data to set flexibility parameters for projecting and modelling the existing and new power generation technologies. The model followed a merit order approach and was developed from historical data from the transmission system operator and inputs from the Ten-Year Network Development Plan (TYNDP) developed by the European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E). FEPPS was validated using historical data from the Spanish Transmission System Operator (TSO). Results suggest that ambitious targets of the national and international scenarios for VRE penetration and decarbonisation in the power system cannot be achieved when flexibility and inertia constraints are considered. The resulting share of VRE in FEPPS was significantly lower than in these scenarios. Considering existing technologies in the power system, no scenario meets the Paris emissions targets due to the significant need for natural gas combined cycle (NGCC) to provide inertia and cope with variability. Therefore, the first part of this thesis shows the need for new low-carbon and storage technologies to contribute to the decarbonisation of power systems. A sensitivity analysis showed that Spain could benefit from an increased solar thermal capacity to further decarbonise the electricity grid before including new technologies. In the second part of this thesis, batteries were irrelevant, reaching a very low-capacity factor in all scenarios. Polymer electrolyte membrane (PEM) and heavy-duty vehicle polymer electrolyte membrane (HDV-PEM) fuel cells reached higher capacity factors. Therefore, fuel cells could be transitional technologies for Spain, while they could have a significant role for Great Britain in the short and long term. This is because the power system of Great Britain has a lower critical inertia level compared to Continental Europe. Adiabatic compressed air energy storage (A-CAES) reached low-capacity factors in the short term. However, in the long term, its role would be conditioned by the capacity of the electrolysers for hydrogen production because both technologies would use the curtailment of VRE. FEPPS has demonstrated that hydrogen has a crucial potential to contribute to a near-zero emissions power system. Hydrogen turbines for electricity generation (H2-CC) reached high-capacity factors in all scenarios for the short and long term (~40–50%). Hydrogen turbines provide flexibility, allowing the most significant substitution of NGCC, thus playing a crucial role in grid decarbonisation. Hydrogen storage has been analysed and included in the model to provide flexibility. The resulting storage was 18 days of average demand for Spain and 9 for Great Britain, which is below the theoretical potential for hydrogen storage using salt caverns. Hydrogen production from electrolysis in all scenarios was not sufficient to meet the power system requirements; therefore, an external supply of renewable hydrogen from biomass was assumed. Only the inclusion of new generation technologies and large-scale energy storage will allow the analysed power systems to meet the Paris benchmarks (both in the short and long term). In addition, climate conditions strongly impact the final curtailment levels and hydrogen storage requirements.
Gasificación de residuos urbanos en lecho fluidizado: distribución de compuestos inorgánicos y traza
(2023-06-15) Ferreira de Almeida, Vanessa; Gómez Barea, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Processing waste in fluidized bed (FB) by gasification is an interesting alternative over other thermochemical options and types of equipment. However, it still presents several drawbacks compared to processing other standardized fuels, like coal or clean biomass. The challenges are associated with the intrinsic nature of waste fuels, especially their heterogeneity in size and composition, and with the higher content in contaminants precursors (N, S and Cl) and trace elements, such as heavy metals. This thesis aims to study the gasification of waste-derived fuels in a fluidized bed, emphasizing the main aspects that make the thermal conversion of these solid wastes different from other cleaner fuels, such as standardised biomass. In particular, this thesis focuses on the distribution of inorganic and trace elements during the gasification of urban wastes in fluidized bed (FB). In order to achieve this objective, experimental tests and thermodynamic models have been conducted, and extensive comparison with experimental experiences collected and published by researchers during the last decades. The results provide an understanding of the content in inorganics and trace elements in different types of waste fuels, some key issues during sampling and measuring contaminants, and establish rational prediction of the distribution of the main and trace elements during thermal conversion. More specifically, the main achievements of this thesis work are summarized as follows: - An extensive review of the literature regarding the content of inorganics and trace elements in waste fuels and their distribution during thermal conversion in the different product phases. - Detailed experimental tests identifying the most suitable materials, sampling methods and measurement technics for gasification tests at lab-scale aiming at measuring inorganics and trace elements. - Experimental results on the distribution of inorganics and trace elements during gasification of continuous tests in a bench-scale fluidized bed gasifier processing Refuse-Derived Fuel (RDF) and thermal conversion of various waste fuels in muffle furnace and batchwise-operated lab-scale fluidized bed reactor under different operating conditions. Additional works on thermodynamic models to predict the distribution of the main compounds during the gasification of waste fuels and an environmental analysis to preliminarily assess the advantages of gasification of some fraction of wastes from municipal solid wastes compared to the option of landfilling are appended to this thesis. Resumen El procesamiento de residuos a través de la gasificación en lecho fluidizado es una alternativa interesante frente a otras opciones termoquímicas. Sin embargo, el procesamiento de residuos a través de esta tecnología aun presenta varios inconvenientes en comparación con el procesamiento de otros combustibles estandarizados, como el carbón o la biomasa limpia. Los desafíos están asociados con la naturaleza intrínseca de los combustibles derivados de residuos, especialmente su heterogeneidad en tamaño y composición, y también con su mayor contenido de contaminantes precursores (N, S y Cl) y oligoelementos, como los metales pesados. Esta tesis tiene como objetivo estudiar la gasificación de combustibles derivados de residuos en lecho fluidizado, haciendo hincapié en los principales aspectos que diferencian la conversión térmica de estos residuos sólidos en comparación con otros combustibles más limpios, como la biomasa estandarizada. En particular, esta tesis se centra en la distribución de elementos inorgánicos y traza durante la gasificación de residuos sólidos urbanos en lecho fluidizado. Para lograr este objetivo se han realizado ensayos experimentales y modelos termodinámicos, y una extensa análisis de datos experimentales proprios y de la literatura. Los resultados proporcionan una comprensión del contenido de elementos inorgánicos y oligoelementos en diferentes tipos de combustibles residuales, algunos aspectos clave durante el muestreo y la medición de contaminantes, y establecen una predicción racional de la distribución de los elementos principales y traza durante la conversión térmica. Más concretamente, los principales logros de este trabajo de tesis se resumen a continuación: - Una revisión extensa de la literatura sobre el contenido de elementos inorgánicos y traza en los combustibles residuales y su distribución durante la conversión térmica en las diferentes fases producidas (sólido /gas). - Pruebas experimentales detalladas que identifican los materiales, métodos de muestreo y técnicas de medición más adecuados para las pruebas de gasificación a escala de laboratorio con el objetivo de medir elementos inorgánicos y trazas. - Resultados experimentales de la distribución de elementos inorgánicos y traza durante la gasificación de combustible derivado de residuo (RDF) en lecho fluidizado a escala de planta piloto en continuo; y resultados sobre la conversión térmica de varios combustibles de residuo en diferentes configuraciones experimentales - horno de mufla y en lecho fluidizado a escala de laboratorio - bajo diferentes condiciones de operación. Además, se presentan trabajos adicionales sobre modelos termodinámicos para predecir la distribución de los principales compuestos durante la gasificación de combustibles residuales y un análisis ambiental para evaluar preliminarmente las ventajas de la gasificación de alguna fracción de residuos sólidos urbanos frente a la opción de vertido.
Solar gasification in dual fluidized bed using solids as heat carrier
(2022-07-25) Suárez Almeida, Montserrat; Gómez Barea, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Biomass steam gasification assisted by concentrated solar energy is an attractive technology for the production of storable renewable energy and the reduction of CO2 emissions. However, several challenges have stalled its deployment over the last decades: high temperature and/or large reactor volume required for complete fuel (char) conversion, the achievement of a steady syngas generation independent of solar radiation variation, and accomplishing effective heat supply at high temperature in large-scale reactors. This thesis deals with the analysis and design of a new scalable process to carry out the solar steam gasification overcoming the mentioned technical challenges. This thesis proposes a new concept of biomass gasification assisted by solar thermal energy, as an extension of the state-of-the-art dual fluidized bed gasification (DFBG). In the process the gasification unit in the DFBG is not only heated by the solids coming from the combustion unit, but also by an external stream of solids that has been previously heated in a solar particle receiver. This configuration allows uncoupling the solar receiver and the reactor using a thermal energy storage (TES), while the thermal integration is highly efficient since carrier particles are directly used in the reactor. The reactor will operate with high share of solar external heat when available, while it will send more char to the combustor when the fraction of solar external heat decreases (at nights or during winter time). A model of the proposed solar DFBG (SDFBG) was developed and used to assess the performance of the system. The results show that char conversion of 70–80% is a compromise for having a significant solar share in the syngas (around 12 %, defined as the fraction of chemical energy in the product gas coming from the solar energy) while maintaining reasonable gasifier volume i.e., char residence time in the range of 20-30 min. This operation is far from those of existing DFBG, using a much smaller gasifier volume, with limited residence time (1-5 min) and extent of char conversion (10-30%). Different integrations for the external solids circulation into the DFBG system were studied and, two of them were identified as the most advantageous for implementation in the process. The required solids circulations for the operation at high solar share resulted similar to those reported from existing DFBGs but, the required solids inventory for that operation is typically ten times higher than that in conventional DFBGs. As a result, current DFBGs should be significantly modified to allow the operation both in solar mode and autothermal conditions. The new features imposed by the operation of the SDFBG require from a precise understanding of the fluid-dynamics of the system. A model of a conventional DFBG is developed to understand the hydrodynamic performance of current units, and then to extend the knowledge to solar conditions. The cold flow model (CFM) at TU-Wien, one of the pioneering CFM developed for studying the fluid-dynamics performance of DFBGs, is taken as reference and, experimental measurements from this unit are compared with the model results. The model was used to preliminary assess the fluid-dynamic characteristics of SDFBGs. The results show that typical solids inventories and solids fluxes required by an SDFBG can be achieved by increasing around three times the diameter of the gasification unit compared to that of a conventional DFBG. Moreover, the loop seal is identified as a key element for allowing the flexible operation of the SDFBG under different external heat loads. Motivated by the key role of loop seal unit in the SDFBG, experimental work was carried out in an isolated loop seal CFM, intended to shed light on the fluid-dynamics of these units and, looking for fundamental knowledge to improve the current semi-empirical models. Results from the study show that the resistance offered by the horizontal passage (opening) of the loop seal, leads to non-homogeneous gas-solids flow pattern which, ultimately, establishes the fluid-dynamic performance of the unit. The non-ideal gas-solids flow patterns occurring in actual loop seals were demonstrated not to be addressed by simple semi-empirical 1D models, needing more complex computational models to capture the 2D/3D effects. Although CFD is a useful tool to predict the behavior of these units, a comprehensive generalization is difficult; conclusions from this work can be useful to understand different designs. All the gained knowledge was gathered and used to design a flexible SDFBG able to operate both under autothermal and at high allothermal conditions. The previously identified most advantageous integration options of the external solids circulation into the DFBG were considered, leading to different design and operation requirements. Char conversions in the gasifier from autothermal to high allothermal operation ranges from 15 to 80%, respectively, while the maximum solar external heat load rounds 2.6 MJ/kgbio,daf (typically 14% of the heating value of the biomass). This contrasts with the maximum share calculated by equilibrium (≈5 MJ/kgbio,daf), indicating that there is still room for improvement if operating conditions in the gasifier are optimized. Overall, the work clearly demonstrates that the proposed SDFBG presents huge scale up potential, taking the most of current state-of-the-art technologies of DFBG after some modifications, mainly: a wider gasifier unit, a narrower riser-combustor and a dedicated lower loop seal for adapting the operation to changes in external heat loads. Moreover, reactor optimization measures such as the combination of the developed solar DFBG with catalytic gasification and addition of sorbent to capture CO2 seem to be promising extensions to provide even further benefits.
Electricity, fuels, and chemicals from near-commercial concentrated solar-biomass hybrid solutions: a techno-economic assessment
(2022-07-22) Gutiérrez-Álvarez, Raúl Ernesto; García Haro, Pedro; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
This thesis deals with the study of various hybridisation schemes between concentrated solar power and thermochemical biomass conversion systems to generate a wide variety of products such as electricity, fuels, and chemicals. In selecting process alternatives and hybridisation schemes, systems with high technological maturity were prioritised. The first part of the thesis explored different modes to hybridise concentrated solar power plants (CSP) with biomass boilers for electricity generation. The second part addressed the integration of commercial CSP systems in thermochemical biorefineries for polygeneration. CSP-biomass hybrid power plants are currently commercial technologies. Their deployment has been limited mainly due to their higher costs and complexity compared to other renewable technologies such as solar PV or wind. However, cost reductions driven by technological progress, as well as the wide variety of hybridisation options and operating strategies, have renewed interest in hybridised systems. The main attraction of these technologies lies in their high flexibility, allowing them to achieve a firm supply of renewable energy that could replace fossil plants in both baseload and peak operation. In this sense, several systems based on parabolic trough (PT) and solar tower (ST) technologies have been modelled, each with thermal energy storage (TES) systems at five capacity levels (No-TES, 5, 10, 15 and 20 hours). The Seville (Spain) solar resource has been used as a reference in all case studies. The performance of the stand-alone CSP plants (paper I) was used as a baseline. Then the inclusion of a back-up system based on direct biomass combustion through 7 modular operating strategies was studied. The performance of the proposed systems was comparatively analysed according to technical, economic, and operational criteria using a multi-criteria decision tool (paper II). Furthermore, the role of TES in smoothing the operation of the biomass back-up system and reducing the risks associated with the feedstock supply has been explored (paper III). Finally, the uncertainties associated with the possible profitability of hybrid systems when participating as price-taking technologies in the Iberian electricity market have been explored (paper VI). The results show that the participation of biomass back-up favours the operation of the system as a base-load plant, increasing the capacity factor (CF) up to 71%, the net electric efficiency up to 10%, and reducing the cost of generation down to 56%, compared to stand-alone CSP plants. For the considered solar resource (Seville, Spain), reasonable generation costs (0.153 USD/kWh) can be achieved for a balanced trade-off between biomass and TES while allowing a firm energy capacities reduces by half the annual demand for biomass and accentuates the seasonal complementarity between solar and biomass resources. Regarding to market profitability, CSPbiomass schemes have up to 33% probability of achieving positive profitability in the future electricity market. Nonetheless, tariff subsidies to encourage renewable dispatchable generation are still needed to promote greater deployment of these technologies. The use of concentrated solar energy in specific thermochemical biorefinery processes has been extensively investigated for high-temperature heat integration in endothermic reactors. However, this approach presents technological, process and economic challenges that limit its feasibility in the near future. In comparison, this thesis has used a system-level integration approach based on the provision of CSP-derived utilities best suited to Seville's DNI intensity (i.e., electricity) (Paper V). For this purpose, three scenarios of stand-alone biorefineries based on the gasification of 500 MWth of biomass for DME production (SC1-SC2) were modelled, considering different process alternatives for syngas upgrading. In addition, three related scenarios were modelled with certain process variations (primarily associated with residual energy sources) due to the integration of a 50 MWe solar tower plant. The proposed concepts were techno-economic assessed to evaluate the impact of solar assistance on the feasibility of the concepts. The results show that CSP-assisted scenarios achieved a fuel upgrading in the range of 2-4%, up to 85% of electricity demand coverage and power surpluses of up to 52% of biorefinery demand. However, the inclusion of a CSP block leads to an increase in investment costs of up to 74% and a decrease in the internal rate of return (IRR) of 9.2 points compared to a stand-alone biorefinery. The DME minimum selling price ranged from 14 to 18.1 USD/GJ for the stand-alone scenarios and between 18.3 to 21.2 USD/GJ for the CSP-assisted scenarios. Furthermore, these results suggest that modular integration based on commercially available technologies may constitute a first step towards the feasibility of future biorefineries.
Desarrollo metodológico para la optimización del coste eléctrico en fábricas de cemento mediante el uso de inteligencia artificial
(2022-01-28) Parejo Guzmán, Manuel; Alfalla Luque, Rafaela; Mora Peris, Pedro; Navarrete Rubia, Benito; Universidad de Sevilla. Departamento de Economía Financiera y Dirección de Operaciones; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Las fábricas de cemento son plantas que presentan unos consumos energéticos muy importantes, tanto térmicos como eléctricos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo desarrollar una metodología dirigida a minimizar el coste eléctrico de una fábrica de cemento, haciendo uso de distintas herramientas de Inteligencia Artificial -Redes Neuronales, Algoritmos Backpropagation y Algoritmos Genéticos, fundamentalmente. El objetivo de la tesis doctoral se alcanzará abordando de manera simultánea tres cuestiones diferentes que afectan al coste eléctrico: 1.- Optimización del coste eléctrico operacional. Se trata de reducir el consumo eléctrico de una fábrica de cemento, operando sobre ciertas variables del proceso productivo. 2.- Optimización de los precios eléctricos regulados. Se trata de mejorar la eficiencia del coste eléctrico en una fábrica de cemento, desplazando el consumo de electricidad a los periodos en los que esta tiene menor coste. 3.- Optimización de la compra de electricidad en el mercado.
Reciclado de residuos de conchas procedentes de la industria acuícola en distintos materiales de construcción: evaluación técnica y ambiental como árido en barreras acústicas, y como producto para la protección
(2021-11-19) Peceño, Begoña; Leiva Fernández, Carlos; Alonso-Fariñas, Bernabé; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
A nivel mundial, la construcción es el sector económico que más recursos naturales demanda, y su consumo tiende aumentar. Con la finalidad de reducir los impactos medioambientales de la construcción, se han propuesto diferentes estrategias para mejorar la sostenibilidad ambiental del sector como por ejemplo aumentar la durabilidad de los materiales, usar residuos como materias primas, diseñar materiales más ligeros o mejorar la eficacia en producción de los materiales. Por otra parte, solo en Galicia (España), la industria conservera produce cada año más de 80.000 toneladas métricas de residuos de conchas. La mayoría de estos residuos todavía se disponen en vertederos debido a la falta de una alternativa de reciclado técnicamente factible, ambientalmente sostenible y económicamente rentable. En este sentido, el presente trabajo se propone usar las conchas de moluscos procedentes de la industria acuícola como materia prima en material de construcción. Así, este trabajo tiene como objetivo estudiar la viabilidad del reciclado de conchas procedentes de la industria acuícola en dos aplicaciones: 1) la sustitución total de áridos procedente de las canteras por conchas pretratadas para la fabricación de barreras acústicas para el tráfico rodado y 2) la sustitución parcial del yeso por conchas pretratadas en la fabricación de paneles para la protección pasiva contra fuego. Para llevar a cabo estos objetivos, los desechos se pretrataron para eliminar las sales y la materia orgánica restante, además de reducir el tamaño de las partículas. En la parte técnica para las barreras acústicas, se utilizaron dos distribuciones de tamaño de partícula diferentes, menores de 2 mm y entre 2 y 7 mm, y se analizaron las propiedades de absorción acústica, la porosidad abierta, la densidad, la resistencia mecánica a compresión y flexión. En el caso de los materiales ignífugos, se evaluaron las propiedades físicas (densidad y humedad), mecánicas (compresión, flexión, dureza) y las capacidades aislantes al fuego, sustituyendo en las siguientes proporciones conchas pretratadas por yeso: 0, 40, 60 y 80%. Los resultados de la viabilidad del reciclado de conchas en barreras acústicas mostraron que el tamaño de partícula entre 2 y 7 mm mostró las mejores propiedades mecánicas y acústicas. Respecto al análisis de ciclo de vida, no presentaron beneficios ambientales en ningún de los impactos analizados. En la misma línea, los costes de producción de los materiales acústicos sufrieron un incremento del 65% respecto las barreras acústicas con áridos de cantera. Para la protección pasiva contra el fuego, todas las composiciones mostraron factibilidad técnica, excepto las composiciones con 80% de conchas pretratadas. Respecto al análisis de ciclo de vida, el material propuesto obtuvo una reducción en 13 de las 18 categorías de impactos analizadas respecto al material convencional. En referencia a los costes de producción, estos se redujeron entre un 20% y 31% respecto a los materiales fabricados con yeso exclusivamente. Esta investigación concluye que todos productos analizados son técnicamente viables, sin embargo, la necesidad de un pretratamiento hace necesario evaluar el reciclado de conchas en aplicaciones con alto impacto ambiental.
Desarrollo de tecnologías de recuperación de subsuelos contaminados por hidrocarburos derivados del petróleo
(2021-07-20) Ritoré, Emilio; Usero García, José; Morillo Aguado, José; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Los hidrocarburos derivados del petróleo se han convertido en un recurso indispensable para la producción de energía y de numerosos productos químicos. Su uso frecuente y masivo hace que supongan un importante peligro para el medio ambiente y la salud de las personas, debido a su elevada toxicidad y persistencia. Cuando los hidrocarburos del petróleo son vertidos accidentalmente en el suelo se infiltran hacia capas más profundas, pudiendo llegar hasta las aguas subterráneas. Además, parte de ellos se pueden volatilizar contaminando al aire circundante del vertido. La contaminación de las aguas, suelo y aire cercano a las poblaciones humanas suponen un gran riego para la salud de las personas y el medio ambiente en general. Estas consideraciones han determinado la realización de esta Tesis Doctoral en la que se pretende adquirir nuevos conocimientos sobre técnicas de recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos del petróleo. Para lograr este objetivo, se propone el uso de tres técnicas de remediación in situ: lavado con surfactantes, oxidación química y biorremediación. Estas técnicas se utilizan en la actualidad, ya que permiten conseguir elevados rendimientos de depuración y, además, son simples, baratas y seguras. En esta Tesis Doctoral se han realizado una serie de ensayos en laboratorio, que han consistido en tomar un conjunto de nuestras de suelos naturales, se han contaminado con hidrocarburos y, posteriormente, se han aplicado las tres técnicas de depuración estudiadas para determinar los rendimientos alcanzados, así como los factores que intervienen, tales como: tipo de producto de depuración utilizado, características del suelo (textura, contenido en materia orgánica, etc.) y tipos de hidrocarburos. Como contaminante de los suelos naturales se ha seleccionado a una mezcla compuesta por gasolina y diésel, ya que estos combustibles son ampliamente utilizados, son contaminantes habituales de las aguas subterráneas y el suelo, tienen elevadas toxicidad y peligrosidad y están compuestos por una amplia variedad de hidrocarburos. Para los ensayos de lavado con surfactantes se han seleccionado a cuatro tipos diferentes (Brij 35, dodecilbencenosulfonato sódico, dodecilsulfato sódico y Tween 80) que presentan las siguientes características: tienen alta capacidad de solubilizar compuestos orgánicos hidrófobos y elevada biodegradabilidad, son baratos y representativos de las diferentes familias de tensoactivos. Por otro lado, se han escogido a los tres oxidantes que más frecuentemente se utilizan en estudios de remediación de suelos contaminados por hidrocarburos (agua oxigenada, persulfato y permanganato). Por último, en los ensayos de biorremediación se han tratado a los suelos contaminados con seis tipos de disoluciones, que presentan las siguientes características: son fáciles de obtener (en la mayoría de los casos son efluentes líquidos industriales) y contienen microorganismos y/o nutrientes para el crecimiento de los mismos. Las disoluciones escogidas fueron efluentes procedentes de la deshidratación de Fangos de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) de Tablada (Sevilla), excedente de levaduras de la fábrica de Heineken (Sevilla), decantador secundario de EDAR de Cepsa Química (Huelva), reactor biológico de la EDAR de Cepsa Química, decantador secundario de la EDAR de Refinería La Rábida (Huelva) y reactor biológico de la EDAR de Refinería La Rábida. Los resultados obtenidos en los ensayos con surfactantes indican que la textura del suelo es un factor relevante (generalmente se reduce la eliminación de hidrocarburos en suelos con elevados porcentajes de partículas de pequeño tamaño). En cambio, en términos generales, el contenido previo de materia orgánica del suelo es un factor poco importante. El dodecilbencenosulfonato sódico es el surfactante con el que se obtienen los mejores rendimientos de eliminación de hidrocarburos, aunque se pueden mejorar los resultados si, en lugar de un solo surfactante, se emplean mezclas de surfactantes aniónicos-no iónicos. Los resultados de los ensayos con oxidantes químicos revelan que el permanganato es el oxidante con el que se consigue la mayor degradación de los hidrocarburos. También se obtuvo que la influencia, en los rendimientos de depuración, de la textura del suelo y de la materia orgánica varia notablemente en función del tipo de oxidante que se esté utilizando. En los ensayos de biodegradación se comprobó que todos los efluentes utilizados mejoraron la capacidad de biodegradación natural de los suelos, siendo el efluente procedente del reactor biológico de la refinería con el que se consiguieron los mejores resultados. En estos ensayos se demostró que, al añadir nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) a los efluentes, se incrementa la xii biorremediación de los hidrocarburos en el suelo. Los resultados obtenidos en las tres técnicas de remediación estudiadas indican que los hidrocarburos de menor tamaño son más fáciles de eliminar que los más pesados. Además, en general, los hidrocarburos aromáticos también se eliminan más fácilmente que los alifáticos. Por último, se ha elaborado una guía para el diseño de un plan de remediación del suelo de una zona contaminada por hidrocarburos del petróleo, basada en tecnologías de depuración in situ, en la que: 1) se describe cómo debe realizarse una evaluación inicial de las características del suelo y del tipo de contaminación por hidrocarburos, con objeto de determinar si es recomendable utilizar una remediación in situ o ex situ de un suelo contaminado por hidrocarburos del petróleo. 2) se aportan una serie de criterios que permiten seleccionar cuál de los métodos de remediación in situ sería el más adecuado y se describen un conjunto de métodos de ensayo en laboratorio, que son de gran ayuda para establecer las mejores condiciones operatorias del método de recuperación seleccionado y 3) se describen los parámetros que se deben controlar, mientras que el método de remediación seleccionado este activo, para conseguir un adecuado funcionamiento del mismo, de manera que se consigan los objetivos de remediación propuestos.
Integration of CO2 Capture in Urban Wastewater Treatment Plants to Obtain Added-Value Products
(2021-01-19) Baena Moreno, Francisco Manuel; Navarrete Rubia, Benito; Rodríguez Galán, Mónica; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
The reduction of CO2 emissions is clearly beneficial for our society, and the consecution of commercial materials from this waste is a key point for the development of new circular economy strategies. Herein a novel path to integrate CO2 capture and utilization in biogas upgrading plants is proposed. The synergy between carbon capture and utilization and biogas upgrading is carried out through an integration of CO2 absorption and subsequent CO2 precipitation. The precipitation stage allows obtaining an added-value product and regenerating the solvent used for capturing CO2. This process is presented as an alternative to the elevated energy consumption penalty employed by standards physical regeneration processes to capture CO2 from biogas effluents. The synergy showed presents high novelty and it has not been seen to date. The experimental work was divided into two stages: (1) CO2 absorption; (2) CO2 precipitation. For the first stage, acceptable results in fair agreement with previous works were obtained. For the second stage, four precipitant agents were tested, revealing that calcium precipitants provide better precipitation efficiency and high quality products. After proving the technical feasibility of the process, a scale-up of the process to evaluate the economic performance was carried out. The theoretical aspect involved the scale-up of the process and the design of the equipment including auxiliary stages. The economic evaluation evidences economic advantages of the novel process proposed.
Experimental study and reaction kinetics of 1,3-butadiene synthesis from bioethanol over a Hf-Zn/SiO2 catalyst
(2020-07-19) Cabello González, Gracia María; Villanueva Perales, Ángel Luis; Vidal Barrero, Fernando; Campoy Naranjo, Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
In recent years, considerable interest in bio-1,3-butadiene has been aroused by the reduced 1,3-butadiene supply, due to the shift from oil-based naphtha cracking to shale gas-based ethane cracking as a consequence of the extreme volatilities in fossil oil price and low shale gas cost in the United Stated. Besides, the steam cracking process is associated to a high energy consumption and release considerable amount of greenhouse effect gases to the atmosphere. These facts have stimulated the interest in robust cost-efficient alternative systems that can be adapted to the new environmental policies in order to mitigate climate change and reduce dependency on importations. In this framework, ethanol raises as an attractive and environmentally friendly feedstock for the production of 1,3-butadiene as a chemical product at commercial scale as it can be cost-efficiently produced from a variety of renewable biomass and waste sources and its production is growing worldwide, what makes it the perfect candidate for integrated biorefining systems. The process includes two routes: the two-step pathway where, in the first step, acetaldehyde is generated from ethanol and, in the second step, the acetaldehyde/ethanol mixture is converted to 1,3-butadiene; and the one-step method where both reactions occur over the same catalyst. This thesis focuses on the fundamental and practical aspects of the one-step process over a bimetallic Hf-Zn catalyst. First, the elucidation of the main reactions leading to 1,3-butadiene and by-products was made by means of kinetic curves and catalytic tests where intermediates were individually fed. Besides, the convenience of by-product separation from unreacted ethanol in an industrial process was studied by performing experiments where ethanol was co-fed with intermediates. Furthermore, the causes of catalyst deactivation and the impact on catalyst structure and performance of regeneration by air calcination were assessed. Also, the combined effect of the reaction conditions and the quality of the feedstock on the catalyst performance was investigated. Finally, a kinetic model was developed assuming a power-law model with an extra term to consider the effect of water on the reactions. Our results show that the pathway from ethanol to 1,3-butadiene over the Hf-Zn catalyst involves the following reactions: (i) ethanol dehydrogenation to acetaldehyde; (ii) aldol condensation of acetaldehyde to crotonaldehyde (iii) crotonaldehyde reduction to crotyl alcohol with ethanol; (iv) 1,3-butadiene formation by crotyl alcohol dehydration. Also, numerous side-products are formed over the catalyst. When designing the separation system of the one-step process, the recycling to the reactor of unreacted ethanol along with some side-products, such as butanal and acetone, should be avoided, since they are further transformed into undesired ones, such as heavy compounds, which cause catalyst deactivation and equipment fouling. The presence of water in the ethanol feed induces the generation of Brønsted acid sites on the catalyst surface, which results in (i) lower ethanol conversion, as some Zn2+ Lewis acid sites, active for the dehydrogenation of ethanol, are transformed into Brønsted acid sites and (ii) higher selectivity to dehydration products catalyzed by Brønsted acid sites and favoured by the higher ethanol partial pressure. Besides, water inhibits aldol condensation reactions by blocking Hf4+ active sites. This effect is beneficial at a high operating temperature, where acetaldehyde is so reactive that it is rapidly converted to heavy compounds unless water is present. A power-law kinetic model of the synthesis of 1,3-butadiene from ethanol over the Hf-Zn/SiO2 catalyst was built and validated with experimental data of catalyst performance. The kinetic model is capable to predict the formation of the main reaction products and adjust catalyst performance if water is present in the ethanol feed. This kinetic model is useful to optimize the design of the one-step process, considering the interactions between the reactor and the separation area. Finally, catalyst deactivation is mainly caused by the retention of oxygenated aromatic-type coke species, preferentially formed on the dehydrogenating Zn2+ sites associated with the hemimorphite component of the catalyst, and also by a loss in Zn2+ sites due to the reduction to Zn0 during catalysis. The presence of water in the feedstock drastically reduces the catalyst deactivation as it hinders heavy compounds production. Also, regeneration by calcination with air removes coke and re-oxidizes a fraction of Zn0 back to Zn2+, but it does not fully re-establish the original Zn2+/Hf4+ balance.
Estudio tecno-económico y análisis de ciclo de vida de la producción de biobutadieno a partir de bioetanol
(2020-09-25) Cabrera Camacho, Camilo Ernesto; Villanueva Perales, Ángel Luis; Ollero de Castro, Pedro Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
En esta tesis se ha investigado la economía y la sostenibilidad ambiental de la producción de 1,3-butadieno (1,3-BD) a partir de bioetanol, tanto en uno como en dos pasos de reacción, y comparado con el proceso actual de producción de 1,3-BD, basado en el craqueo catalítico de nafta. Para ello se partieron de datos de reacción, obtenidos en el marco del proyecto BIODIENE donde se desarrolla esta tesis, de catalizadores de uno y dos pasos operando en condiciones industriales, es decir, teniendo en cuenta la presencia de agua y otros coproductos en el etanol alimentado al reactor. A partir de estos datos de reacción se realizó el diseño conceptual de los procesos de uno y dos pasos, apoyándose en reglas heurísticas y considerando diferentes opciones de tecnologías de separación, dando lugar a los diagramas de flujo de los procesos. Estos procesos se modelaron, simularon y optimizaron energéticamente con el programa Aspen Plus V8.8, con el fin de obtener los balances de materia y energía, necesarios para la evaluación económica y de sostenibilidad ambiental. Con el objetivo de determinar la influencia de la selectividad catalítica a 1,3-BD en el estudio, se definieron dos escenarios por cada tipo de proceso, en uno usando los datos experimentales de reacción del proyecto BIODIENE y en el otro usando datos de reacción de los catalizadores más selectivos encontrados en literatura. Para la sostenibilidad económica de los cuatro escenarios se realizaron análisis de flujo de caja para determinar el precio mínimo de venta de 1,3-BD, con el fin de recuperar la inversión con la rentabilidad deseada, comparándose con el precio de mercado del 1,3-BD. Finalmente, se realizó el análisis de ciclo de vida de los escenarios de estudio, definiéndose tres casos por cada escenario con el objetivo de determinar la influencia de la localización geográfica de la planta, considerando los tres principales proveedores mundiales de etanol en la actualidad: Estados Unidos, Brasil y Europa. La combinación de los resultados económicos y de impacto ambiental permitió establecer los casos de estudio más prometedores para la producción de 1,3-BD. Los resultados de la evaluación económica sugieren que la producción de 1,3-BD a partir de etanol sólo es rentable cuándo los precios de mercado de etanol y 1,3-BD son favorables, debido fundamentalmente a que el precio del etanol es el factor dominante en los costes de producción. La viabilidad económica de los procesos de uno y dos pasos mejora cuanto más selectivo sea el catalizador, pues esto reduce el consumo de etanol por kg de 1,3.BD. El análisis de ciclo de vida muestra que, en comparación con la producción de 1,3-BD a partir de nafta, la producción a partir de bioetanol lleva a reducciones significativas de emisiones de gases de efecto invernadero y demanda de energía fósil, pero ocasiona un aumento considerable en otros factores de impacto ambiental como el consumo de agua y la demanda de energía renovable. Ya que el etanol es el principal contribuyente en todas las categorías de impacto, la selectividad del catalizador y la ubicación geográfica de la planta afectan significativamente la sostenibilidad ambiental del proceso. Considerando los resultados de las categorías de impacto estudiadas, la mejor ubicación sería Europa, con los menores valores en potencial de calentamiento global y consumo de agua, y la segunda menor en la categoría de demanda total de energía. Adicionalmente, se estudió la variabilidad en el cálculo de los impactos ambientales en base a la incertidumbre existente en las cargas ambientales asociadas al etanol, mediante el uso de factores de impacto del etanol tomados literatura. Se observó que la mejor localización de la planta cambiaba a Brasil, con los menores valores promedios en potencial de calentamiento global y consumo de agua.
Estudio comparativo de la contaminación por metales de aguas, sedimentos y peces en esteros de las marismas del Odiel y la Bahía de Cádiz
(1995-10-25) Izquierdo Peláez, Carmen; Salvador Martínez, Luis; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Contribución al desarrollo de biorrefinerías termoquímicas basadas en la hidrocarbonilación de DME
(2020-01-17) Vázquez Domínguez, Miguel Ángel; Ollero de Castro, Pedro Antonio; García Haro, Pedro; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Las biorrefinerías termoquímicas enfocadas a la multiproducción son una interesante opción frente a los procesos de obtención de combustibles líquidos y gaseosos a partir de biomasa (BTL/G por sus siglas en inglés), puesto que permiten una mejor integración tanto de materia como de energía, lo que redunda en una mejor eficiencia energética que repercute de forma positiva en la rentabilidad de este tipo de plantas [1]. La presente tesis doctoral parte de un estudio previo [2], donde se propuso un diseño conceptual de biorrefinería termoquímica con multiproducción basada en hidrocarbonilación de dimetiléter (DME). La hidrocarbonilación de DME consiste en un proceso en dos etapas y emplea, en la primera de ellas (carbonilación de DME), una zeolita ácida (H-MOR) donde se obtiene acetato de metilo (MA). Posteriormente, en la segunda etapa, el MA es hidrogenado empleando un catalizador con base de cobre y soporte de óxido de cinc (Cu/ZnO) dando lugar a metanol (MeOH) y etanol (EtOH). El MeOH (subproducto de esta reacción) puede, a su vez, ser deshidratado en presencia de una zeolita ácida (por ejemplo, HZSM-5) para obtener más DME obteniendo, así, una alta selectividad global a EtOH. Ambos catalizadores (comercialmente disponibles) tienen la ventaja de ser económicamente asequibles, además de permitir operar bajo condiciones suaves de presión y temperatura con una alta selectividad al producto deseado de cada reacción. Dado que el diseño original del proceso se realizó con los escasos datos experimentales que había hasta la fecha [3–8], era preciso someterlo a una revisión a partir de investigaciones más amplias para despejar dudas acerca de la viabilidad técnica y económica del proceso. Efectivamente, cuestiones tales como la desactivación de la H-MOR, su posible regeneración, así como el efecto de la presencia de compuestos procedentes de corrientes de recirculación en las dos reacciones implicadas en el proceso considerado, no fueron suficientemente tratadas en aquel entonces. Tampoco se sabía con certeza qué efecto tiene el H2 en la carbonilación, como tampoco el del CO sobre la hidrogenación; cuestiones, sin duda, importantes de cara a la rentabilidad del proceso. De esta necesidad de datos experimentales nace el presente trabajo, que tiene por objetivo principal el de contribuir al desarrollo de este concepto de biorrefinería termoquímica y que forma parte de las investigaciones realizadas en el marco del proyecto BIOTER. El proyecto BIOTER transcurrió entre los años 2012 y 2015 (Proyecto I+D Retos; ENE2012-31598) contando con la financiación del Ministerio Español de Economía y Competitividad. Dicha contribución ha consistido en el estudio experimental de las dos etapas de la hidrocarbonilación de DME y retroalimentación al diseño del proceso original para evaluar las implicaciones de los resultados obtenidos en el mismo. Para ello, en primer lugar, se ha estudiado cada etapa del proceso de forma separada con el objetivo de estudiar el efecto de diferentes variables en cada una de las reacciones, tales como presión parcial y relaciones molares de reactivos, temperatura, simulación de corrientes de reciclo, etc. Además, para el caso de la etapa de carbonilación de DME, se ha estudiado la posible regeneración del catalizador mediante dos procedimientos diferentes y se ha intentado modelar los primeros estadios de la reacción (fase de iniciación) con idea de determinar los coeficientes cinéticos asociados a las etapas elementales de esta fase, como paso previo en el objetivo de desarrollar un modelo cinético para la reacción, a pesar de que el mecanismo de dicha reacción aún no está totalmente definido. Posteriormente se ha estudiado, de manera experimental, el proceso global para conocer el efecto combinado de ambos catalizadores cuando se disponen en serie bajo las condiciones de operación de diseño. Los resultados muestran que el proceso se realiza, a diferencia de otros de síntesis de EtOH, en total ausencia de agua y con una limitada formación de CO2. Además, permite una cierta flexibilidad en cuanto a la relación H2/CO del gas de síntesis. Este gas de síntesis puede ser alimentado al primer reactor de carbonilación de DME sin tener que eliminar el H2 de la corriente, puesto que no se ha observado una influencia significativa en esta reacción, lo cual supone un importante ahorro de separación. Otro resultado destacable de este estudio es la posibilidad de regenerar la zeolita H-MOR tanto con aire diluido como con aire atmosférico con resultados muy similares, lo que permite poder abordar la reactivación de este catalizador a escala industrial, mejorando la rentabilidad de la planta con respecto al diseño de partida, donde no se contemplaba esta posibilidad. En este sentido, se presenta una propuesta para la etapa de carbonilación basada en la utilización de cuatro reactores funcionando de forma alternada para permitir la regeneración de cada uno de ellos cuando se hace necesario, de tal manera que es posible mantener un cierto nivel de producción de MA con el tiempo, amortiguando, así, los efectos de la dinámica intrínseca asociada a esta reacción (periodo de inducción y desactivación). Finalmente, se ha detectado la formación de acetato de etilo (EA) como subproducto de la etapa de hidrogenación de MA (producto de alto valor añadido), compuesto que no estaba contemplado en el diseño original del proceso. Aunque, la maximización de su producción no es conveniente porque acarrea la coproducción de una cantidad significativa de acetaldehído (producto de bajo valor añadido cuya separación es complicada y su recirculación es problemática para los catalizadores), cuando se produce bajo condiciones típicas para la formación de EtOH, es posible el aprovechamiento del EA (no sin entorpecer la purificación del EtOH) para ser vendido directamente o, alternativamente, ser recirculado al reactor de hidrogenación de MA, donde es convertido para dar más EtOH y conseguir, así, una mayor selectividad global al producto deseado.
El biodeterioro en edificios del patrimonio cultural: metodología de evaluación de tratamientos biocidas.
(2018-12-21) Sameño Puerto, Marta; Martín García, Lourdes; Villegas Sánchez, Rosario; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Esta investigación se centra en el estudio del biodeterioro que experimentan los materiales que forman parte de los bienes culturales y la evaluación del comportamiento de los tratamientos para combatirlos. Para ello, se han estudiado varios edificios del Patrimonio Cultural en Andalucía: la portada de la iglesia del convento de Santa Paula de Sevilla; la decoración de ataurique del Salón Rico de Medina Azahara de Córdoba; las Pinturas de la Sala de los Reyes de la Alhambra de Granada y la Macsura de la Mezquita de Córdoba. Estos inmuebles están formados tanto por materiales inorgánicos (ladrillo, piedra, pintura mural) como por materiales orgánicos (madera, cuero) los cuales pueden sufrir procesos de biodeterioro que ocasionan cambios en sus propiedades físicas, químicas y estéticas. El objetivo general es la formulación de una metodología para el estudio del biodeterioro de los materiales constitutivos y el establecimiento de una propuesta de intervención, desde el punto de vista biológico, mediante la selección de tratamientos biocidas eficaces y compatibles con dichos materiales. Para ello, se realiza la caracterización de los materiales originales de las obras en estudio con el objeto de determinar su susceptibilidad al biodeterioro y a los distintos tratamientos biocidas. Por otro lado, se realiza la determinación de especies biológicas que se encuentran deteriorando estos materiales, mediante estudios microbiológicos y botánicos. Además, se evalúa la efectividad de diferentes productos biocidas así como su compatibilidad con los distintos materiales originales de las obras en estudio y con otros tratamientos de conservación (consolidantes). Se han utilizado diferentes técnicas de análisis como: microscopía estereoscópica, óptica y electrónica de barrido con microanálisis elemental mediante energía dispersiva de rayos X (SEM-EDX); difracción de rayos X (DRX); espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y cromatografía de gases (CG); técnicas de cultivo y técnicas de biología molecular; espectroscopia UV-visible; y determinación de propiedades físicas y mecánicas: colorimetría, porosidad, velocidad de trasmisión de ultrasonidos y dureza superficial. Los diferentes productos biocidas a emplear se seleccionaron en función de los organismos detectados en los diferentes materiales que componían los inmuebles. Así, en el caso de materiales pétreos y cerámicos, se usaron los alguicidas/liquenicidas: sales de amonio cuaternario (Preventol Ri80, New Des 50, Biotin T y Biotin R). Mientras que para los materiales orgánicos y las pinturas, se emplearon fundamentalmente fungicidas: voriconazol, tiabendazol, nanopartículas de óxido de cobre, nanopartículas de óxido de zinc y nanopartículas de dióxido de titanio. Los parámetros que se han empleado en la evaluación de estos tratamientos han sido fundamentalmente dos: el estudio comparativo de la eficacia de los biocidas y el estudio de la interacción o compatibilidad del biocida con el material, en cada uno de los casos objeto de estudio. Para comprobar la eficacia de los biocidas en el caso de los geomateriales, se ha estudiado la vitalidad de microorganismos fotótrofos al microscopio óptico, la interfase de estructuras liquénicas con el sustrato mediante el SEM y la estimación de biomasa fotosintética por espectrofotometría ultravioleta-visible. Así mismo, en el caso de la madera, se ha recurrido a la observación del crecimiento fúngico en probetas tras la aplicación de biocidas. Por otra parte, se han realizado una serie de ensayos para analizar la interacción o interferencia que estos productos biocidas presentan con el principal material constitutivo de cada monumento. Para ello, se han elaborado réplicas o probetas de los distintos materiales en estudio y, tras la aplicación de los biocidas, se han observado estos materiales al SEM-EDX y se han efectuado microanálisis elementales mediante energía dispersiva de Rayos X, para poder detectar posibles cambios en la composición química, así como en la morfología a nivel microscópico. También en algunos casos, cuando ha sido posible, se han realizado ensayos para cuantificar las posibles variaciones sufridas en diferentes propiedades físicas de los materiales (colorimetría, porosidad abierta, dureza superficial, absorción humedad atmosférica, velocidad de ultrasonido, etc.). El Biotin R ha resultado ser el más adecuado para eliminar el biodeterioro en la piedra de los atauriques del Salón Rico de Medina Azahara, tanto por su eficacia como por su escasa interacción con el material constitutivo, sin embargo, en el caso de los materiales cerámicos de Santa Paula, ha resultado ser el Preventol Ri80. A su vez, se determina que el Biotin T es completamente inadecuado para eliminar biodeteriógenos de los atauriques, puesto que se detecta una alta disgregación del material cuando se aplica por inmersión. En general, todos estos productos biocidas aumentan, aunque levemente, la porosidad de los geomateriales analizados. Con respecto a las pinturas sobre cuero de la Sala de los Reyes de la Alhambra y las maderas y pinturas murales de la Macsura de la Mezquita de Córdoba, todos los biocidas ensayados han resultado ser eficaces reduciendo la proliferación de especies fúngicas. El tratamiento con nanopartículas de CuO, aunque resulta el más eficaz, produce un cambio de color muy significativo en todos los materiales sobre los que se ha ensayado, maderas y materiales pictóricos, oscureciéndolos, por lo que su utilización no está indicada en patrimonio histórico. Los pigmentos que se han visto más alterados tras la aplicación de los biocidas son el rojo y el azul. El tiabendazol es el fungicida que ocasiona menor cambio cromático en todos los casos. El estudio realizado mediante SEM-EDX, evidencia que no existen cambios químicos ni morfológicos significativos en la superficie de las muestras tras el tratamiento con los productos. La conjunción de todos estos estudios ha permitido determinar qué producto biocida es el más adecuado para, en cada caso, eliminar los agentes biológicos responsables del deterioro de los materiales constitutivos. Así mismo, se ha puesto de manifiesto que siempre es necesario efectuar estudios previos de caracterización de materiales, de determinación de especies biológicas y de evaluación de tratamientos, tanto de su efectividad como de su compatibilidad con los materiales que forman parte de los bienes culturales en estudio, ya que los efectos que estos tratamientos producen sobre ellos varían dependiendo de la naturaleza de los mismos.
Vitrification of human oocytes employing a closed carrier with enhanced thermal efficiency and short times of exposure to synthetic cryoprotectant solutions.
(2018-12-14) Gallardo Molina, Miguel; Risco, Ramón; Sánchez Martín, Fernando; Vilches Arenas, Luis Francisco; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
La criopreservación consiste en la reducción de la temperatura del organismo, con el objetivo de detener de por completo la cinética de las reacciones biológicas que mantienen la homeostasis celular, y que al mismo tiempo provocan el envejecimiento de las mismas. Al arrestar el metabolismo celular, se logra la preservación del material biológico por tiempo indefinido. El principal problema asociado a la disminución de la temperatura de una célula para tal propósito es la tendencia a la cristalización del medio acuoso intracelular durante el enfriamiento. La configuración natural de los grupos de moléculas de agua dentro de las células es el estado desordenado propio del estado líquido. Sin embargo, el agua, al adquirir la estructura cristalina propia del hielo, se expande, dañando las estructuras biológicas y comprometiendo su viabilidad. La vitrificación es una transición de fase de segundo orden alternativa a la cristalización, en la que la solución acuosa adquiere propiedades de un sólido manteniendo el desorden natural de las moléculas de agua y solutos presentes en el citosol. Debido a que no se produce la reconfiguración molecular propia de la formación de hielo, permite mantener el sistema biológico que se pretende preservar sin alteraciones. Por lo tanto, para la criopreservación de material biológico, concretamente óvulos humanos en el caso de esta tesis, es necesario que el medio intracelular alcance el estado vítreo y se evite la formación de hielo, si no por completo, al menos cantidades lesivas del mismo. Existen diferentes estrategias para alcanzar el estado vítreo, pero en esta tesis nos centraremos en la técnica de vitrificación ultrarápida. Dicha técnica consiste en realizar el enfriamiento, desde la temperatura ambiente hasta temperaturas criogénicas estables (normalmente los -196 ºC del nitrógeno líquido), y posteriormente el recalentamiento, a altas velocidades. El gameto femenino —el óvulo— es la célula humana de mayor tamaño. Para su criopreservación en el contexto de la reproducción humana asistida, este se encuentra en un estado de arresto en la metafase de la segunda división meiótica, preparado para la fecundación. Su gran tamaño y la presencia de orgánulos muy sensibles hacen que su criopreservación sea compleja, comparada con la de embriones en los primeros días de desarrollo. Sólo mediante la técnica de vitrificación ultrarápida, sobre la que se trabaja en esta tesis, se consigue su criopreservación de forma satisfactoria. Durante un proceso de vitrificación ultrarápida, que se produzca o no la indeseada formación de hielo dependerá de las velocidades de enfriamiento y recalentamiento alcanzadas, y de las propiedades de la solución —en este caso el citosol, la fracción líquida intracelular. Con la concentración de solutos y viscosidad del citosol de los óvulos en su estado natural, las velocidades de enfriamiento y recalentamiento necesarias para evitar la formación de hielo serían muy difíciles de obtener. Por este motivo, es necesario aumentar la tendencia a la vitrificación del citosol, con un protocolo de preparación. Esta fase de preparación consiste en aumentar la concentración intracelular de solutos y la viscosidad del citosol, hasta un punto crítico que permita alcanzar la transición vítrea, a las velocidades de enfriamiento y recalentamiento obtenidas por los soportes de vitrificación actualmente disponibles. Para ello, el óvulo se expone a una serie de soluciones hipertónicas, que provocan la permeación de solutos hacia el interior celular y la salida de agua. Una vez concluida la preparación, el óvulo se coloca en un soporte de vitrificación —pajuela— y se procede al enfriamiento, por lo general por inmersión en nitrógeno líquido. En esta tesis se describen dos estudios prospectivos con óvulos de donante llevados a cabo en una clínica de fertilidad (Ginemed Sevilla), en los que se estudia la eficacia del sistema de vitrificación desarrollado por la spin-off de la Universidad de Sevilla Safepreservation, bajo la dirección científica del Dr. Ramón Risco. En el primer estudio, se emplea un kit soluciones de vitrificación cuya novedad es su composición totalmente sintética, sin la presencia de proteínas de origen humano como la albúmina, sustituidas por el polímero hidroxipropil celulosa. Este tipo de moléculas son generalmente empleadas como agentes surfactantes y también desempeñan actividad osmótica. Se comparan los resultados clínicos de un grupo de óvulos vitrificados con soluciones sintéticas frente a otro grupo de óvulos, proveniente de la misma donante, no sometidos a la vitrificación. Se comprueba que la alternativa desarrollada por el grupo de Risco obtiene unos resultados satisfactorios, similares a los obtenidos con soluciones de vitrificación clásicas que incorporan en su formulación proteínas de origen humano o animal, sin las desventajas asociadas a las mismas, como lo son el riesgo de contaminación y una vida útil reducida. En el segundo trabajo se emplea un diseño experimental similar al del primer estudio, para probar la eficacia del soporte cerrado de vitrificación SafeSpeed. El soporte está compuesto por un capilar ultrafino unido a una pajuela de resina ionomérica. El capilar donde se cargan los óvulos para la vitrificación permite maximizar las tasas de enfriamiento y recalentamiento, ya que la eficiencia térmica del mismo es ampliamente superior a la de otros soportes de vitrificación disponibles actualmente. Cabe resaltar también el hecho de que es un sistema cerrado, en el que las muestras biológicas no entran en contacto con el nitrógeno líquido empleado para el enfriamiento y la manipulación, minimizando el riesgo de contaminación por agentes patógenos presentes en el mismo. En este caso también comprobamos que las tasas de supervivencia ovocitaria al procedimiento de vitrificación con este soporte son excelentes, y que el desarrollo de los embriones resultantes de los óvulos vitrificados es similar al obtenido con óvulos que no han sido sometidos a la vitrificación. on estos resultados, queda patente que este sistema de vitrificación desarrollado en la Universidad de Sevilla es una herramienta muy efectiva que permite obtener resultados punteros en el contexto clínico. Sin embargo, los protocolos de vitrificación aún son susceptibles de mejora. A pesar de que el enfriamiento y el calentamiento de las muestras es ultrarápido, el procedimiento en conjunto requiere mucho tiempo, ya que el tiempo estándar para preparar cada grupo de hasta 3 óvulos para la vitrificación lleva de 10 a 15 minutos de exposición a soluciones hipertónicas. Es deseable una reducción de la duración de esta fase para mejorar el flujo de trabajo en el laboratorio de FIV y reducir el tiempo de exposición a crioprotectores potencialmente tóxicos. Con el objetivo de explorar esta posibilidad, decidimos estudiar la dinámica de la permeación de crioproctectores en el ovocito humano. En primer lugar, con una aproximación in silico, mediante un programa desarrollado en MatLab para integrar las dos ecuaciones diferenciales que describen la permeabilidad de la membrana plasmática del óvulo según un modelo 2-P. Estas simulaciones fueron complementadas con observaciones in vivo del comportamiento osmótico de los ovocitos. En un protocolo de preparación de óvulos para la vitrificación clásico, en primer lugar se realiza una exposición prolongada (10-15 minutos) del óvulo a una solución con una concentración intermedia de crioprotectores (≈25% w/w), denominada solución no-vitrificante o solución de equilibrado, seguida de una segunda exposición corta a una solución vitrificante (≈45% w/w). Comparamos la actividad osmótica que se produce en el protocolo estándar contra la de un protocolo corto, basado en la deshidratación, en el que la duración de la exposición de los óvulos tanto a la solución novitrificante como a la vitrificante era limitada a 60 segundos. Comprobamos que la deshidratación del óvulo tras la exposición a soluciones de vitrificación ocurre muy rápido; el punto de volumen mínimo de la curva de contracción y expansión resultante del gradiente smótico se alcanza dentro de los primeros 60 segundos. En ese punto, el contenido de agua intracelular es mínimo, la penetración de crioprotectores de bajo peso molecular es casi completa y, como resultado, la concentración total de soluto intracelular es alta. Por lo tanto, prolongar la primera fase de exposición hasta 15 minutos, según es recomendado en los protocolos actuales, no produce una mejora significativa de la tendencia a la vitrificación del citosol del ovocito, y no mejora presumiblemente sus posibilidades de vitrificar a determinadas tasas de enfriamiento y recalentamiento. Los resultados de las pruebas en óvulos humanos y embriones, no aptos para uso clínico y donados para la investigación, muestran que la tasa de supervivencia a la vitrificación no se ve comprometida por reducir los tiempos de exposición, confirmando que el efecto osmótico deseado se produce en un tiempo reducido. Las innovaciones en las técnicas empleadas para vitrificar las células reproductivas se rigen por la premisa de que se debe mantener un compromiso entre la seguridad y la eficacia; la técnica debe ser lo más aséptica y efectiva posible. Se podría argumentar que SafeSpeed, como soporte cerrado de virificación, cumple con este criterio de mejorar la eficiencia —eficiencia térmica, al menos— sin comprometer la seguridad, y como tal podría considerarse como un avance en la dirección correcta. Igualmente, el uso del polímero sintético hidroxipropil celulosa también representa una alternativa más segura y más estable a proteínas derivadas de humano o animal. Por último, lo mismo podría decirse sobre nuestros intentos de acortar el protocolo de vitrificación: si los ovocitos y embriones demuestran ser igualmente competentes, reducir la duración de la exposición a crioprotectores potencialmente citotóxicos y a temperaturas subóptimas debería ser más seguro. En última instancia, para cada modificación relevante del procedimiento, se debe realizar una ruta de validación bien diseñada antes de su uso en el contexto clínico, desde la etapa preclínica en modelos de mamíferos y material humano donado, hasta estudios clínicos prospectivos controlados.
Estudios de alternativas de valorización energética para el aprovechamiento de residuos agrícolas procedentes de la agricultura intensiva bajo plástico. Aplicación en una planta de producción de clínker.
(2018-11-29) Gallego Fernández, Luz Marina; González-Falcón, Rocío; Navarrete Rubia, Benito; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
En la actualidad existe una gran preocupación social por la creciente acumulación de residuos agrícolas procedentes del cultivo en invernadero, especialmente en aquellas zonas donde se concentra una actividad agrícola intensiva. La inadecuada gestión de los mismos hace que se generen problemas medioambientales ante la incapacidad de aprovechar o reutilizar gran parte del volumen de residuos producidos, con los métodos de valorización tradicionales (compostaje, alimentación animal y depósito en vertederos). Esto obliga a la búsqueda de nuevas soluciones capaces de lograr el uso adecuado y sostenible de dichos residuos. La heterogeneidad que los caracteriza, y la estacionalidad asociada a su producción, dificultan estas tareas, al mismo tiempo que suponen un reto para el desarrollo de soluciones encaminadas a su aprovechamiento energético. En esta tesis doctoral se realiza un estudio de caracterización y capacidad de uso de los residuos agrícolas de invernadero como fuente de energía térmica para su aprovechamiento en la industria, analizando la calidad asociada a los combustibles derivados de la transformación de los residuos; y evaluando el beneficio vinculado al uso de éstos en una planta de producción de clínker de cemento. En primer lugar, se ha realizado una caracterización de los residuos agrícolas de invernadero, para evaluar el potencial energético asociado a los mismos. En particular, se han analizado los residuos generados en el poniente almeriense (en torno a 2 millones t/año), extrapolando los resultados obtenidos al ámbito nacional. Para ello, se ha desarrollado una metodología de evaluación partiendo del estudio, a lo largo de un año, de muestras de residuos facilitadas por una planta de tratamiento de residuos situada en la zona. Fruto de este análisis, se concluye la necesidad de someter a los residuos a un pretratamiento que permita acondicionarlos y/o transformarlos previo a su aprovechamiento como fuente de energía. En segundo lugar, y para cubrir las necesidades anteriores, se han evaluado tres alternativas para convertir los residuos agrícolas de invernadero, en un combustible adecuado para ser aprovechado en la industria del cemento: combustión, gasificación térmica y digestión anaerobia. Con ello se busca obtener un combustible de mejores características químicas y/o energéticas, que el residuo bruto original. El análisis de la combustión de los residuos se ha realizado de forma experimental, mediante la evaluación de un conjunto de operaciones de pretratamiento enfocadas a minimizar el contenido de cloro del residuo, junto a la humedad asociada al mismo. Resultado de este estudio, se establece un sistema de acondicionamiento capaz de reducir el contenido de cloro hasta en un 50% de su valor original, y aumentar el poder calorífico hasta en un 8%. La gasificación térmica se ha evaluado a través de una serie de pruebas realizadas en un gasificador piloto, y mediante el empleo de un modelo de simulación adaptado a las características de los residuos a evaluar. Por un lado, las pruebas de laboratorio muestran que la gasificación de los residuos agrícolas puede generar un gas de buena calidad (poder calorífico inferior superior a 5 MJ/Nm3), comparable al obtenido de la gasificación del orujillo, pero de difícil procesado debido a la cantidad de cenizas que lo acompañan; y, por otro lado, el modelo de simulación define que, para la obtención a escala industrial de un gas de máxima calidad, el equipo debe operar a 852 ºC con una relación aire/aire estequiométrico próxima a 0,39. La digestión de los residuos se ha analizado haciendo uso de modelos teóricos obtenidos de literatura. El uso de esta alternativa de conversión proporciona un gas combustible con un potencial de generación de metano de 0,56 Nm3 de CH4 por kg de residuo alimentado, y un poder calorífico inferior de 17,2 MJ/Nm3 (superior al obtenido del alperujo, lodos de depuradora o purín). Se estima que la co-digestión de este residuo con los procedentes de la industria cárnica en una proporción 90 -10, permite incrementar hasta en un 22% la calidad energética del biogás generado, llegándose a alcanzar un gas combustible con un poder calorífico inferior próximo a 21 MJ/Nm3, y un contenido de cloro menor a 5,0 mg/Nm3. Finalmente, se ha analizado la viabilidad técnico – económica de la valorización de estos combustibles en una planta de producción de clínker. Para ello, se ha planteado la incorporación al proceso de la máxima cantidad de combustible alternativo autorizada, y se ha analizado el impacto que sobre la operación supone dicha incorporación. Para llevar a cabo esto último, se ha desarrollado una herramienta de análisis basada en un modelo de árbol de decisión, a partir de la cual ha sido posible conocer de forma predictiva, los riesgos experimentados por la planta frente a la aparición de problemas operativos (aparición de incrustaciones, pegaduras o bloqueos del sistema),relacionados con la sustitución de una cierta cantidad de combustible fósil, por cada uno de los combustibles generados de las alternativas analizadas. Para la instalación objeto de estudio, la entrada de 65.000 t/año de combustible derivado de los residuos agrícolas de invernadero, supone la sustitución de hasta el 51% de la energía térmica proporcionada por el coque de petróleo, y un ahorro en este combustible de hasta 2,9 €/t clínker producido (2,1 millones €/año). El uso de la herramienta de análisis predice que la entrada de dicha cantidad mejora la operación de la planta respecto de su situación inicial, disminuyendo la frecuencia de la aparición de incrustaciones o la generación de bloqueos del sistema. No obstante, se predice un enriquecimiento en cloro de la instalación, por lo que se aconseja disponer de un bypass en la zona de mayor concentración de gas en este compuesto, para controlar el inventario de cloro circulante. Adicionalmente, la incorporación de un nuevo combustible puede afectar al consumo térmico específico de la instalación (GJ/ t clínker). Esta influencia ha sido cuantificada a partir de la confección de un modelo de regresión lineal multivariable, sobre el cual se han identificado las variables de operación de mayor influencia sobre dicho indicador. La entrada de 65.000 t/año de estos nuevos combustibles puede conllevar un aumento del consumo específico de energía de hasta un 15% respecto del caracterizado inicialmente en la planta. Aunque el coste relacionado con la obtención de combustibles a partir de la conversión de residuos agrícolas de invernadero, debe ser valorado y considerado para seleccionar la mejor alternativa para el aprovechamiento de estos residuos, el presente trabajo pone de manifiesto que, ante el problema asociado a la acumulación de los residuos, existe una solución viable, que beneficia al medio ambiente y proporciona un valor añadido real a los mismos. El aprovechamiento de estos residuos como combustible alternativo en una planta de cemento, no solo lleva asociado un beneficio económico considerable para este tipo de plantas, sino que también puede mejorar su funcionamiento y evitar así las pérdidas de producción asociadas la aparición de incrustaciones, pegaduras o bloqueos del sistema.
X-ray Computed Tomography as a method of cryoprotectant concentration measurement and ice detection: application to organ cryopreservation.
(2014-01) Corral Sousa, Ariadna; Risco, Ramón; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
La criopreservación persigue la conservación de sistemas biológicos, como células, tejidos o pequeños organismos, a bajas temperaturas. Existen distintos procedimientos para llevar las muestras biológicas a temperaturas criogénicas, evitando la formación del principal causante de la muerte celular en estos procesos, el hielo. En 1949 se descubre la propiedad protectora de unas sustancias llamadas crioprotectores [1], normalmente alcoholes o azúcares, que previenen la formación de hielo y protegen la muestra a preservar, disminuyendo el punto eutéctico del sistema. Un control de su concentración es necesario debido a que pueden ser tóxicos. Uno de los principales retos de la criopreservación es la conservación de órganos. La criopreservación de células y algunos tejidos simples se lleva a cabo mediante procedimientos tradicionales conocidos como slow freezing, cuyo principio reside en la formación de hielo en el medio extracelular, provocando una deshidratación en las células y por consiguiente un descenso crioscópico. En el caso de órganos y sistemas más complejos dichos procedimientos no son aplicables, debido principalmente a la falta de un medio extracelular donde pueda formarse hielo y al gran volumen de la muestra, donde la transferencia de calor es más lenta. Es por esto que es necesaria la búsqueda de otros mecanismos de enfriamiento para su criopreservación [2]. A día de hoy se sabe que una alternativa posible es la vitrificación [3], proceso consistente en el paso de fase líquida a una fase sólida amorfa, evitando así la formación del hielo y su daño celular. Conseguir este estado sólido no cristalino requiere un control riguroso de la concentración del crioprotector y la temperatura de la muestra. En 2007, el grupo de Pegg [5] consigue desarrollar una técnica para criopreservar cartílago, y en 2009, Fahy et al. [6] muestran los primeros resultados de un riñón de conejo vitrificado con éxito demostrando un buen funcionamiento durante un largo tiempo tras su trasplante. Mientras que la temperatura es un parámetro fácil de monitorizar en los procesos de criopreservación, por ejemplo mediante el uso de termopares, la concentración de crioprotector es más difícil de controlar, especialmente en tejidos y órganos voluminosos. Esta tesis propone un método de medida de concentraciones de un crioprotector en particular, dimetil sulfóxido, mediante el uso de tomografía axial computarizada con una resolución de hasta 50 μm. Gracias a la colaboración del Centro Nacional de Aceleradores, dispusimos de un NanoCT cuyas bajas energías de rayos X consiguen medir la atenuación de rayos X en función la concentración de dimetilsulfóxido debido principalmente al átomo de azufre que constituye la molécula. Los resultados muestran una atenuación de los rayos X proporcional a la concentración de dimetil sulfóxido, en soluciones de volúmenes desde 200 μl hasta 20 ml. Los resultados muestran que el dimetil sulfóxido es detectable no sólo a temperatura ambiente sino también a temperaturas criogénicas, por debajo de los -130 oC. Además se prueba que las distintas soluciones son también medibles en tejidos, probado con riñones de conejos. Otra aplicación importante de la técnica del TAC es la detección de cristales de hielo en muestras biológicas, bien sea en muestras ya vitrificadas o durante el proceso de criopreservación y recuperación de las muestras. Las imágenes obtenidas en nuestras medidas muestran la detección de cristales de hielo de hasta 1 μl en riñones de conejos a bajas temperaturas, los cuales han sido previamente equilibrados con una concentración adecuada de dimetil sulfóxido. Esto permite, por una parte, poder evaluar daños producidos en las muestras ya vitrificadas, o bien ajustar los parámetros necesarios en los procesos de criopreservación de muestras biológicas, evitando en todo momento la formación de hielo. Por otra parte, en esta tesis se ha desarrollado un sistema para criopreservación de material biológico de mayor volumen, implementando técnicas de vitrificación por equilibrio consistente en el control de la concentración de crioprotectora y temperatura de la muestra. Para el enfriamiento de las muestras y el control de la temperatura se ha diseñado un método de enfriamiento adaptado a las características del aparato del TAC, que permite enfriar las muestras a temperaturas por debajo de -130 oC, además de controlar la temperatura en los procesos de enfriamiento y calentamiento, pudiendo obtenerse las velocidades de enfriamiento y calentamiento necesarias.
Ensayo de estabilización y reparación de digestores anaerobios, con residuos industriales y agroalimentarios en un proceso de co-digestión anaerobia
(2017-09-14) Alonso Contreras, Antonio José; Lebrato Martínez, Julián; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Una alternativa para la gestión de residuos puede ser la co-digestión anaerobia, las implicaciones del tratamiento en aguas residuales, los requerimientos a nivel de sustrato, los productos obtenidos y los mecanismos de digestión, son precisamente el tema en estudio a desarrollar en este proyecto, a través de la puesta en funcionamiento de una experiencia real en una planta piloto de digestión anaerobia. Para la realización del estudio se construye una instalación de digestión anaerobia a escala piloto. El correcto montaje de la estructura y el control de parámetros indicadores del proceso fueron fundamentales para el correcto desarrollo de la experiencia. Se realizaron distintos análisis por diferentes métodos estándar, para la obtención de los datos necesarios que nos permiten estudiar el funcionamiento del proceso de co-digestión anaerobia. El objetivo principal de este proyecto es determinar el potencial del co-tratamiento de lodos de EDAR con residuos industriales y orgánicos de difícil gestión, vía digestión anaerobia. Estudio de su funcionamiento en diferentes dosis de alimentación y mezcla, y análisis del potencial reparador de estos residuos en un digestor en condiciones de trabajo no viables. Los resultados obtenidos presentan la viabilidad de diversos residuos en un proceso de co-digestion anaerobia y al Lactosuero como residuo reparador de digestores no viables, además de estabilizador de residuos no funcionales en solitario, como las aguas glicerosas.

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