Cloning and characterization of the genes involved in cambial growth in response to elevated [CO2]

Aspen (Populus tremuloides) trees growing under elevated [CO2] at a free-air CO2 enrichment (FACE) site have produced significantly more biomass compared to control trees. The molecular mechanisms underlying the observed increase in biomass productivity was investigated by producing transcriptomic profiles of the vascular cambium zone (VCZ) and leaves, followed by a comparative study to identify genes and pathways that showed significant changes following long-term exposure to elevated [CO2]. This study is mainly to verify if genetic modification of a few selected candidate genes including CAP1, CKX6, and ASML2 that are expressed in vascular cambium in response to elevated [CO2] can cause the changes in plant growth and development. To this end, these three genes were cloned into both sense and antisense constructs. Then antisense and sense transgenic lines of above-mentioned genes were developed. 15 events were generated for 5 constructs, which were confirmed with regular PCR and RT-PCR. Confirmed plants were planted in greenhouse for growth and phenotypic characterization. The expression of CAP1, CKX6 and ASML2 in antisense plants was measured by real-time RT-PCR, and the changes caused by gene interference in cambial growth were studies by analyzing the microscopic sections made from the antisense transgenic plants. It has been found that 1) CAP1 is mainly expressed in xylem and root. 2) RNAi suppression of CAP1 significantly affected height and diameter. 3) CAP1, ASML2 and CKX6 affected xylem and phloem cell proliferation and elongation. Due to the delay in regenerating sense transgenic plants, the characterization of sense transgenic plants is limited to growth only.

THE POTENTIAL OF INDUSTRIAL WASTE AND AGRICULTURAL FEEDSTOCK TOWARDS SUSTAINABLE BIOFUELS PRODUCTION: TECHNO-ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL IMPACT PERSPECTIVES

This Ph.D. research is comprised of three major components; (i) Characterization study to analyze the composition of defatted corn syrup (DCS) from a dry corn mill facility (ii) Hydrolysis experiments to optimize the production of fermentable sugars and amino acid platform using DCS and (iii) Sustainability analyses. Analyses of DCS included total solids, ash content, total protein, amino acids, inorganic elements, starch, total carbohydrates, lignin, organic acids, glycerol, and presence of functional groups. Total solids content was 37.4% (± 0.4%) by weight, and the mass balance closure was 101%. Total carbohydrates [27% (± 5%) wt.] comprised of starch (5.6%), soluble monomer carbohydrates (12%) and non-starch carbohydrates (10%). Hemicellulose components (structural and non-structural) were; xylan (6%), xylose (1%), mannan (1%), mannose (0.4%), arabinan (1%), arabinose (0.4%), galatactan (3%) and galactose (0.4%). Based on the measured physical and chemical components, bio-chemical conversion route and subsequent fermentation to value added products was identified as promising. DCS has potential to serve as an important fermentation feedstock for bio-based chemicals production. In the sugar hydrolysis experiments, reaction parameters such as acid concentration and retention time were analyzed to determine the optimal conditions to maximize monomer sugar yields while keeping the inhibitors at minimum. Total fermentable sugars produced can reach approximately 86% of theoretical yield when subjected to dilute acid pretreatment (DAP). DAP followed by subsequent enzymatic hydrolysis was most effective for 0 wt% acid hydrolysate samples and least efficient towards 1 and 2 wt% acid hydrolysate samples. The best hydrolysis scheme DCS from an industry's point of view is standalone 60 minutes dilute acid hydrolysis at 2 wt% acid concentration. The combined effect of hydrolysis reaction time, temperature and ratio of enzyme to substrate ratio to develop hydrolysis process that optimizes the production of amino acids in DCS were studied. Four key hydrolysis pathways were investigated for the production of amino acids using DCS. The first hydrolysis pathway is the amino acid analysis using DAP. The second pathway is DAP of DCS followed by protein hydrolysis using proteases [Trypsin, Pronase E (Streptomyces griseus) and Protex 6L]. The third hydrolysis pathway investigated a standalone experiment using proteases (Trypsin, Pronase E, Protex 6L, and Alcalase) on the DCS without any pretreatment. The final pathway investigated the use of Accellerase 1500® and Protex 6L to simultaneously produce fermentable sugars and amino acids over a 24 hour hydrolysis reaction time. The 3 key objectives of the techno-economic analysis component of this PhD research included; (i) Development of a process design for the production of both the sugar and amino acid platforms with DAP using DCS (ii) A preliminary cost analysis to estimate the initial capital cost and operating cost of this facility (iii) A greenhouse gas analysis to understand the environmental impact of this facility. Using Aspen Plus®, a conceptual process design has been constructed. Finally, both Aspen Plus Economic Analyzer® and Simapro® sofware were employed to conduct the cost analysis as well as the carbon footprint emissions of this process facility respectively. Another section of my PhD research work focused on the life cycle assessment (LCA) of commonly used dairy feeds in the U.S. Greenhouse gas (GHG) emissions analysis was conducted for cultivation, harvesting, and production of common dairy feeds used for the production of dairy milk in the U.S. The goal was to determine the carbon footprint [grams CO2 equivalents (gCO2e)/kg of dry feed] in the U.S. on a regional basis, identify key inputs, and make recommendations for emissions reduction. The final section of my Ph.D. research work was an LCA of a single dairy feed mill located in Michigan, USA. The primary goal was to conduct a preliminary assessment of dairy feed mill operations and ultimately determine the GHG emissions for 1 kilogram of milled dairy feed.

Biochemical Conversions of Lignocellulosic Biomass for Sustainable Fuel-Ethanol Production in the Upper Midwest

Biofuels are an increasingly important component of worldwide energy supply. This research aims to understand the pathways and impacts of biofuels production, and to improve these processes to make them more efficient. In Chapter 2, a life cycle assessment (LCA) is presented for cellulosic ethanol production from five potential feedstocks of regional importance to the upper Midwest - hybrid poplar, hybrid willow, switchgrass, diverse prairie grasses, and logging residues - according to the requirements of Renewable Fuel Standard (RFS). Direct land use change emissions are included for the conversion of abandoned agricultural land to feedstock production, and computer models of the conversion process are used in order to determine the effect of varying biomass composition on overall life cycle impacts. All scenarios analyzed here result in greater than 60% reduction in greenhouse gas emissions relative to petroleum gasoline. Land use change effects were found to contribute significantly to the overall emissions for the first 20 years after plantation establishment. Chapter 3 is an investigation of the effects of biomass mixtures on overall sugar recovery from the combined processes of dilute acid pretreatment and enzymatic hydrolysis. Biomass mixtures studied were aspen, a hardwood species well suited to biochemical processing; balsam, a high-lignin softwood species, and switchgrass, an herbaceous energy crop with high ash content. A matrix of three different dilute acid pretreatment severities and three different enzyme loading levels was used to characterize interactions between pretreatment and enzymatic hydrolysis. Maximum glucose yield for any species was 70% oftheoretical for switchgrass, and maximum xylose yield was 99.7% of theoretical for aspen. Supplemental β-glucosidase increased glucose yield from enzymatic hydrolysis by an average of 15%, and total sugar recoveries for mixtures could be predicted to within 4% by linear interpolation of the pure species results. Chapter 4 is an evaluation of the potential for producing Trichoderma reesei cellulose hydrolases in the Kluyveromyces lactis yeast expression system. The exoglucanases Cel6A and Cel7A, and the endoglucanase Cel7B were inserted separately into the K. lactis and the enzymes were analyzed for activity on various substrates. Recombinant Cel7B was found to be active on carboxymethyl cellulose and Avicel powdered cellulose substrates. Recombinant Cel6A was also found to be active on Avicel. Recombinant Cel7A was produced, but no enzymatic activity was detected on any substrate. Chapter 5 presents a new method for enzyme improvement studies using enzyme co-expression and yeast growth rate measurements as a potential high-throughput expression and screening system in K. lactis yeast. Two different K. lactis strains were evaluated for their usefulness in growth screening studies, one wild-type strain and one strain which has had the main galactose metabolic pathway disabled. Sequential transformation and co-expression of the exoglucanase Cel6A and endoglucanase Cel7B was performed, and improved hydrolysis rates on Avicel were detectable in the cell culture supernatant. Future work should focus on hydrolysis of natural substrates, developing the growth screening method, and utilizing the K. lactis expression system for directed evolution of enzymes.

Hazardous air pollutants and childhood lymphohematopoietic cancer in Southeast Texas, 1995--2004

Southeast Texas, including Houston, has a large presence of industrial facilities and has been documented to have poorer air quality and significantly higher cancer rates than the remainder of Texas. Given citizens’ concerns in this 4th largest city in the U.S., Mayor Bill White recently partnered with the UT School of Public Health to determine methods to evaluate the health risks of hazardous air pollutants (HAPs). Sexton et al. (2007) published a report that strongly encouraged analytic studies linking these pollutants with health outcomes. In response, we set out to complete the following aims: 1. determine the optimal exposure assessment strategy to assess the association between childhood cancer rates and increased ambient levels of benzene and 1,3-butadiene (in an ecologic setting) and 2. evaluate whether census tracts with the highest levels of benzene or 1,3-butadiene have higher incidence of childhood lymphohematopoietic cancer compared with census tracts with the lowest levels of benzene or 1,3-butadiene, using Poisson regression. The first aim was achieved by evaluating the usefulness of four data sources: geographic information systems (GIS) to identify proximity to point sources of industrial air pollution, industrial emission data from the U.S. EPA’s Toxic Release Inventory (TRI), routine monitoring data from the U.S. EPA Air Quality System (AQS) from 1999-2000 and modeled ambient air levels from the U.S. EPA’s 1999 National Air Toxic Assessment Project (NATA) ASPEN model. Further, once these four data sources were evaluated, we narrowed them down to two: the routine monitoring data from the AQS for the years 1998-2000 and the 1999 U.S. EPA NATA ASPEN modeled data. We applied kriging (spatial interpolation) methodology to the monitoring data and compared the kriged values to the ASPEN modeled data. Our results indicated poor agreement between the two methods. Relative to the U.S. EPA ASPEN modeled estimates, relying on kriging to classify census tracts into exposure groups would have caused a great deal of misclassification. To address the second aim, we additionally obtained childhood lymphohematopoietic cancer data for 1995-2004 from the Texas Cancer Registry. The U.S. EPA ASPEN modeled data were used to estimate ambient levels of benzene and 1,3-butadiene in separate Poisson regression analyses. All data were analyzed at the census tract level. We found that census tracts with the highest benzene levels had elevated rates of all leukemia (rate ratio (RR) = 1.37; 95% confidence interval (CI), 1.05-1.78). Among census tracts with the highest 1,3-butadiene levels, we observed RRs of 1.40 (95% CI, 1.07-1.81) for all leukemia. We detected no associations between benzene or 1,3-butadiene levels and childhood lymphoma incidence. This study is the first to examine this association in Harris and surrounding counties in Texas and is among the first to correlate monitored levels of HAPs with childhood lymphohematopoietic cancer incidence, evaluating several analytic methods in an effort to determine the most appropriate approach to test this association. Despite recognized weakness of ecologic analyses, our analysis suggests an association between childhood leukemia and hazardous air pollution.^

(Table 1) Cover of shrub and tree species, and number of stems (>=3.5 cm DBH) during 1976-1977 and 2009-2010, respectively

Shrubs and trees are expected to expand in the sub-Arctic due to global warming. Our study was conducted in Abisko, sub-arctic Sweden. We recorded the change in coverage of shrub and tree species over a 32- to 34-year period, in three 50 x 50 m plots; in the alpine-tree-line ecotone. The cover of shrubs and trees (<3.5 cm diameter at breast height) were estimated during 2009-2010 and compared with historical documentation from 1976 to 1977. Similarly, all tree stems (>=3.5 cm) were noted and positions determined. There has been a substantial increase of cover of shrubs and trees, particularly dwarf birch (Betula nana), and mountain birch (Betula pubescens ssp. czerepanovii), and an establishment of aspen (Populus tremula). The other species willows (Salix spp.), juniper (Juniperus communis), and rowan (Sorbus aucuparia) revealed inconsistent changes among the plots. Although this study was unable to identify the causes for the change in shrubs and small trees, they are consistent with anticipated changes due to climate change and reduced herbivory.

Dimensionamiento del proceso de licuación de una planta de gas natural Offshore

Este proyecto consiste en el dimensionamiento del proceso de licuación de una planta offshore para la producción de gas natural licuado, usando únicamente N2 como refrigerante, evitando de este modo riesgos potenciales que podrían surgir con el uso de refrigerantes mixtos compuestos de hidrocarburos. El proceso ha sido diseñado para acomodar 35,23 kg/s (aproximadamente un millón de toneladas por año) de gas natural seco, sin separación de gases licuados de petróleo (GLP) y ajustarlo dentro de los parámetros requeridos en las especificaciones del proceso. Para proceder al dimensionamiento del proceso de licuación de gas natural de la planta se ha empleado el programa Aspen Plus. Los sistemas floating production, storage and offloading para licuar el gas natural (LNG-FPSO), es una nueva unidad conceptual y un modo realista y efectivo para la explotación, recuperación, almacenamiento, transporte y agotamiento de los campos marginales de gas y las fuentes de gas asociadas offshore. En el proyecto se detalla el proceso, equipos necesarios y costes estimados, potencia aproximada requerida y un breve análisis económico. ABSTRACT This project consist of the dimensioning of a liquefaction process in an offshore plant to produce liquefied natural, using only N2 as refrigerant in the cooling cycles to avoid potential hazards of mixed hydrocarbon refrigerants. The process was designed to accommodate 35.23 kg/s (roughly 1 MTPA) of raw natural gas feed without separation of LPG, and fits within all parameters required in the process specifications. The plant has been designed with the computer tool Aspen Plus. The floating production, storage and offloading system for liquefied natural gas (LNGFPSO), is a new conceptual unit and an effective and realistic way for exploitation, recovery, storage, transportation and end-use applications of marginal gas fields and offshore associated-gas resources. The following report details the process, equipment needs and estimated costs, approximated power requirements, and a brief economic analysis.

Tren de licuefacción con licencia linde de la planta de Melkoya (Noruega)

El objeto principal del proyecto es describir las instalaciones de la planta de licuefacción de Melkoya (Noruega) y simular con el programa Aspen Plus el tren de licuefacción, que aplica una nueva licencia altamente eficiente para este tipo de plantas. En esta simulación, a partir de la información bibliográfica disponible, se ha realizado un análisis preliminar para determinar el diagrama de flujo y las características esenciales del proceso, incluyendo una estimación de la cantidad y composición del refrigerante necesario en cada etapa, información altamente confidencial por parte de los licenciantes de estas tecnologías. La finalidad del proceso y de la simulación es que el gas natural que entra gaseoso a 10 ºC, salga líquido a – 163 ºC para entrar en los tanques de almacenamiento de la instalación a la espera de ser transportado por buques metaneros. Tras una correcta simulación se realiza un estudio sobre los caudales, temperaturas de los intercambiadores de calor, autoconsumo de los compresores y la curva de enfriamiento del tren de licuefacción. La última parte del proyecto incluye un estudio económico, el cual incluye un análisis de sensibilidad. ABSTRACT The main object of the project is to describe the facilities of the plant of Melkoya's liquefaction (Norway) and to simulate the train of liquefaction with the program Aspen Plus, with the bibliographical available information. This program applies a new highly efficient license for this type of plants. A preliminary analysis has been realized to determine the flow diagram and the essential characteristics of the process. The simulation includes an estimation of the quantity and composition of the cooling needed in every stage. This information is highly confidential on the license of these technologies. In the simulation, the natural gas enters into the cycle as a gas at 10 ºC. Inside it, this gas condenses as a liquid at -163 ºC. After that, it enters into the storage’s tanks waiting its maritime transportation by LNG carriers. Later it realized a study about the correct operations conditions, like flows, temperatures of the heat interchangers, self-consumptions of the compressors and the cooling curve of the liquefaction train. The last part of the project is an economic study which includes a sensitivity analysis.

Despacho económico ambiental de unidades térmicas de carbón

El objetivo del presente proyecto es el despacho económico-ambiental de unidades térmicas de carbón con respecto a la minimización de sus costes horarios o de sus emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX), según convenga. Se han estudiado tanto las curvas de costes de generación como las de emisión de óxidos de nitrógeno para cinco unidades tipo de carbón para poder llevar a cabo el proyecto. Se modelizaron las curvas de emisión de óxidos de nitrógeno para las cinco unidades estudiadas mediante la simulación de la combustión del carbón en caldera con el software ASPEN PLUS®, y las curvas de costes con datos proporcionados en la publicación “Las centrales termoeléctricas: Consumos marginales, Consumos medios y costes de arranque de grupos de carbón” y otra bibliografía, para su posterior aplicación en el despacho, desarrollado en Excel y con el uso de su lenguaje de programación, VBA, para escribir un código que automatice la elección a tomar entre todas las posibilidades. Analizando tres posibles casos de generación térmica con carbón, se ha llevado a cabo el despacho económico-ambiental de las cinco unidades implicadas, con todas sus posibles combinaciones (apagado-encendido), obteniendo en cada caso lo que parece ser la manera más económica o ambiental, según convenga, de generar la potencia demandada en cada momento. ABSTRACT The aim of this project is the economic-environmental dispatch of thermal coal power plants to minimize the hourly costs of generation or the nitrogen oxides (NOX) emissions as appropriate. It have been studied both generation cost curves as nitrogen oxides emissions curves for five examples of coal power plants to carry out the project. Nitrogen oxides emissions curves were modeled for the five coal power plants simulating the coal combustion in the boiler with ASPEN PLUS® software, and generation cost curves with data provided in the publication “Las centrales termoeléctricas: Consumos marginales, Consumos medios y costes de arranque de grupos de carbón” and other publications, to be used later in the dispatch, developed in Excel, using the VBA code, to write a code that automatize the correct election between all the generation possibilities. Analizing three possible cases of thermal generation with coal, economic-environmental dispatch for the five implied power plants has been done, with all the possible combinations (generating or no generating), obtaining, in each case, the most economically or environmentally way, as appropriate, to generate the demanded power in each moment.

Diseño del Tren de Licuación Conoco Phillips de 5 MTPA de Capacidad en Planta Bidireccional de Gas Natural

Diseño de un tren de licuación Conoco Phillips de 5 MTPA, mediante el software de simulación Aspen Plus. Incluye planificación y análisis económico del proyecto.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Análisis tecno-económico del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por la vía termoquímica

El butanol es hoy en día en uno de los compuestos químicos más importantes en el mundo a causa de sus numerosas aplicaciones, entre las que destacan la producción de acrilato de butilo, acetato de butilo y éter de glicol (industrias de pinturas y recubrimientos). Junto a sus aplicaciones actuales, el butanol está adquiriendo una gran importancia dentro del sector de los biocombustibles, debido a su futuro prometedor como sustituto de los combustibles convencionales o para mezcla. Todo ello está moviendo a la industria química a establecer nuevas plantas de producción de butanol para satisfacer su creciente demanda. Los procesos actuales de producción de butanol se centran en dos vías: vía fermentativa y vía petroquímica. A pesar de su rentabilidad y competencia, estos procesos están limitados por múltiples factores, destacando las limitaciones en materias primas disponibles y asociadas al empleo de microorganismos en los procesos fermentativos, así como el precio del petróleo y sus derivados en los procesos petroquímicos. En la actualidad, numerosas investigaciones están desarrollando nuevos procesos de producción de butanol por rutas termoquímicas. El éxito de estas investigaciones permitiría su producción por métodos alternativos a los procesos “tradicionales”, salvando muchas de las limitaciones que presentan. El proceso de producción de butanol por vía termoquímica se basa en la transformación de biomasa lignocelulósica en gas de síntesis mediante un tratamiento termoquímico (gasificación), y su posterior conversión en butanol mediante una etapa de reacción catalítica. La principal limitación que ha impedido la viabilidad de esta ruta ha sido la falta de desarrollo en los catalizadores empleados para la síntesis de butanol a partir de gas de síntesis. Su desarrollo mejorando la selectividad hacia el butanol, será la clave para el éxito de la vía termoquímica de producción de butanol. En base a lo comentado anteriormente, en el presente Proyecto Fin de Carrera (PFC) se analiza la viabilidad tecno-económica del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica. La consecución de este objetivo se ha logrado mediante la aplicación de una metodología en tres pasos: estudio del proceso, simulación del proceso y evaluación económica. En primer lugar, se ha realizado un estudio detallado del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica desarrollado por Chinedu O. Okoli y Thomas A. Adams II (Universidad de McMaster, Canadá), a fin de comprender las etapas que constituyen el proceso. Mediante este estudio, se ha conseguido conocer las condiciones de operación de las diferentes unidades que integran el proceso. En segundo lugar, se ha evaluado la viabilidad técnica del proceso mediante el empleo del software Aspen Plus V8.6. La simulación se ha realizado en base a la información obtenida en el estudio preliminar. Por último, se ha analizado la viabilidad económica del proceso mediante el cálculo de los parámetros de viabilidad Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR). Para la determinación de estos parámetros se ha realizado el flujo de cajas del proceso en base a la estimación de sus ingresos, costes de producción y capital total de inversión requerido. Junto al análisis de viabilidad, se han llevado acabo distintos análisis de sensibilidad a las variables más influyentes en la rentabilidad del proceso (interés del préstamo, precio de venta del butanol, precio de venta de la mezcla de alcoholes y precio de compra de la biomasa). Las principales conclusiones que se pueden extraer del análisis realizado son las siguientes: - A través del análisis técnico se concluye que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable técnicamente, ya que existe la tecnología requerida para su implantación, así como presenta aceptables tasas de producción de butanol (82,52 kg/tonelada biomasa seca) y es posible integrar un ciclo de vapor y generación de electricidad en el proceso. Además, el margen de mejora de este proceso es amplio, siendo el catalizador requerido para la síntesis del butanol el principal foco de mejora. - En cuanto a la rentabilidad del proceso, el análisis económico muestra que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable económicamente. Sin embargo, el estudio realizado demuestra que, en el estado de desarrollo actual, los ingresos asociados a la venta del butanol son insuficientes para hacer rentable el proceso, siendo necesario tener acceso a mercados para la venta de los subproductos generados.

Modelización de la gasificación de lodos de depuradoras urbanas

La gasificación de lodos de depuración consiste en la conversión termoquímica del lodo por oxidación parcial a alta temperatura mediante un agente gasificante, que generalmente es aire, oxígeno o vapor de agua. Se trata de una tecnología de gran interés, ya que consigue reducir la masa de estos residuos y permite el aprovechamiento de los gases formados, tanto en la generación de energía térmica y/o eléctrica como en la síntesis de productos químicos orgánicos y combustibles líquidos. Debido a la complejidad de este proceso, es útil el uso de modelos que faciliten su estudio de forma fiable y a bajo coste. El presente Proyecto Fin de Carrera se centra en el diseño de un modelo adimensional de equilibrio en estado estacionario basado en la minimización de la energía libre de Gibbs. Para ello, se ha empleado el software de simulación de procesos Aspen Plus, que posee una amplia base de datos de propiedades físicas y permite gran flexibilidad en el manejo de sólidos. Para la elaboración del modelo se han asumido las hipótesis de mezcla perfecta dentro del reactor y operación isoterma. El gasificador se ha considerado de lecho fluidizado burbujeante, al permitir un buen control de la temperatura y una alta transferencia de materia y energía entre el sólido y el agente gasificante. El modelo desarrollado consta de cuatro etapas. La primera reproduce el proceso de pirólisis o descomposición térmica de los componentes del lodo en ausencia de agente gasificante. En la segunda etapa se simula que todo el nitrógeno y el azufre contenidos en el lodo se transforman en amoniaco y ácido sulfhídrico, respectivamente. En la tercera etapa se produce la gasificación en dos reactores. El primer gasificador alcanza el equilibrio químico mediante la minimización de la energía libre de Gibbs del sistema. En el segundo reactor se establece un equilibrio restringido por medio de la especificación de una aproximación de temperatura para cada reacción. Este método permite validar los resultados del modelo con datos reales. En la última etapa se separa el residuo carbonoso o char (compuesto por carbono y cenizas) del gas de salida, formado por N2, H2, CO, CO2, CH4 (supuesto como único hidrocarburo presente), NH3, H2S y H2O. Este gas debe ser depurado mediante equipos de limpieza aguas abajo. Los resultados de la simulación del modelo han sido validados frente a los valores obtenidos en ensayos previos llevados a cabo en la planta de gasificación a escala de laboratorio ubicada en el Departamento de Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. Estos resultados han mostrado muy buena concordancia con los obtenidos experimentalmente, con un error inferior al 7% en todos los parámetros analizados en el caso de gasificación con aire y menor al 13% cuando se utiliza una mezcla aire/vapor de agua como agente gasificante. Se ha realizado un análisis de sensibilidad con el fin de estudiar la influencia de las condiciones de operación (temperatura, ratio equivalente y ratio vapor/biomasa) sobre los resultados del proceso modelado (composición, producción y poder calorífico inferior de los gases, conversión de carbono y eficiencia de la gasificación). Para ello, se han llevado a cabo diferentes simulaciones modificando la temperatura de gasificación entre 750ºC y 850ºC, el ratio equivalente (ER) entre 0,2 y 0,4 y el ratio vapor/biomasa (S/B) entre 0 y 1. Como ya ocurriera con la validación del modelo, los resultados de las simulaciones bajo las distintas condiciones de gasificación se ajustan de forma satisfactoria a los valores experimentales. Se ha encontrado que un aumento en la temperatura mejora la cantidad y la calidad del gas producido y, por tanto, la eficiencia del proceso. Un incremento del ratio equivalente reduce la concentración de CO y H2 en el gas y, en consecuencia, también su poder calorífico. Sin embargo, valores bajos del ratio equivalente disminuyen la producción de gases y la conversión de carbono. La alimentación de vapor de agua en el sistema mejora todos los parámetros analizados. Por tanto, dentro del rango estudiado, las condiciones de operación que optimizan el proceso de gasificación de lodos consisten en el empleo de mezclas aire/vapor de agua como agente gasificante, una temperatura de 850ºC y un ER de 0,3.

Tuberías de Gas Natural para alimentación de la planta Gorgon LNG a partir del yacimiento Gorgon

Este trabajo tiene como objetivo el diseño y dimensionamiento del gasoducto de alimentación a la planta de producción de GNL del proyecto Gorgon LNG, el cual consiste en la explotación de varios yacimientos de gas natural offshore al oeste de Australia y la producción de GNL en la planta situada en la Isla Barrow. Se han considerado dos fases de desarrollo, una inicial con ocho pozos, y otra de madurez con doce. El dimensionamiento se ha realizado mediante simulaciones con el programa Aspen Hysys, mediante el cual se han obtenido los diámetros internos mínimos y los perfiles de presiones y temperaturas, así como el caudal de MEG requerido para evitar la formación de hidratos. Posteriormente, mediante cálculo matemático se ha calculado el espesor teniendo en cuenta las tensiones mecánicas a las que estará sometida la tubería. Finalmente, a partir de los resultados del cálculo técnico se ha realizado el estudio económico, estimando costes e ingresos, en el cual se ha realizado un estudio de la rentabilidad del proyecto y un análisis de sensibilidad, resultando un proyecto técnica y económicamente viable.

Local probe of fractional edge states of S=1 Heisenberg spin chains

Spin chains are among the simplest physical systems in which electron-electron interactions induce novel states of matter. Here we propose to combine atomic scale engineering and spectroscopic capabilities of state of the art scanning tunnel microscopy to probe the fractionalized edge states of individual atomic scale S=1 spin chains. These edge states arise from the topological order of the ground state in the Haldane phase. We also show that the Haldane gap and the spin-spin correlation length can be measured with the same technique.

Rigorous Design of Complex Distillation Columns Using Process Simulators and the Particle Swarm Optimization Algorithm

We present a derivative-free optimization algorithm coupled with a chemical process simulator for the optimal design of individual and complex distillation processes using a rigorous tray-by-tray model. The proposed approach serves as an alternative tool to the various models based on nonlinear programming (NLP) or mixed-integer nonlinear programming (MINLP) . This is accomplished by combining the advantages of using a commercial process simulator (Aspen Hysys), including especially suited numerical methods developed for the convergence of distillation columns, with the benefits of the particle swarm optimization (PSO) metaheuristic algorithm, which does not require gradient information and has the ability to escape from local optima. Our method inherits the superstructure developed in Yeomans, H.; Grossmann, I. E.Optimal design of complex distillation columns using rigorous tray-by-tray disjunctive programming models. Ind. Eng. Chem. Res.2000, 39 (11), 4326–4335, in which the nonexisting trays are considered as simple bypasses of liquid and vapor flows. The implemented tool provides the optimal configuration of distillation column systems, which includes continuous and discrete variables, through the minimization of the total annual cost (TAC). The robustness and flexibility of the method is proven through the successful design and synthesis of three distillation systems of increasing complexity.