View
3
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Gonzalo Guillén Gosálbez
Departamento de Ingeniería Química
Universitat Rovira i Virgili, Tarragona
Palabras de agradecimiento con motivo del Premio Juan
López de Peñalver
2Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Juan López de Peñalver
Juan López de Peñalver, ingeniero, científico y economista español. Nacido en Málaga en 1763 o 1764 y muerto en Madrid en 1835 tras ocupar diversos cargos en instituciones culturales y administrativas……Destacó por la insistencia en tratar con criterio matemático todos los temas de su interés
3Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Función objetivoIgualdades
Programación matemática
Desigualdades
Variables continuas
Variables discretas
Linear Programming (LP)
Non-Linear Programming (NLP)
● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●
Mixed IntegerNon-Linear Programming (MINLP)
● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●
Tiempo
Solución óptima
Sub-problemas
descomposición
Complejidad del problema
Mixed-IntegerLinear Programming (MILP)
NP-difícil
4Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Escala espacialfm pm nm mm mm m km Gm
year
month
weeks
day
hour
min
s
ms
ns
ps
fs
Escalatemporal
Física, química y biología
Ingeniería
Gestión
Ámbito de la investigación
Ingéniería de procesos
sostenibles
Biología de sistemas
5Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Gestión de residuos
Gestión de residuosMedio ambienteMedio ambiente
cunacuna
tumbatumba
1 2 2TOTAL
2
Desarrollo de herramientas para la minimización del impacto ambiental del
ciclo de vida
Minimización del impacto ambiental
1 12 1
TOTAL
TOTAL
3 3 3 3
Impacto total
Variables discretas (decisiones lógicas)Variables continuas (presiones,
temperaturas, etc.)
Igualdades (balances de materia y energía)
Multi-objetivo: varios objetivos (económicos, ambientales, etc.)
Desigualdades (especificaciones de diseño)
¿Cómo cuantificar el impacto ambiental?
6Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
• Análisis del Ciclo de Vida (ACV): metodología para cuantificar las cargas ambientales asociadas a un proceso o producto considerando todas las etapas en su ciclo de vida (Guinée et al., 2002)
Fase 1Ámbito y alcance
P-1
INPUTS
OUTPUTS
b = Materias primasb = Emisiones al agua, suelo y aire
Límites del sistema
LCIb
Phase 2Análisis del inventario
Phase 3Evaluación de impacto
Phase 4Interpretación
c = Cambio climático, acidificación, salud humana, etc.
Mejoras en el proceso o producto
IMc
ISO14040 standards
Combinar ACV con optimización (Azapagicand Clift, 1999; Mele et al., 2005; Hugo and Pistikopoulos, 2005; Guillén-Gosálbez and Grossmann, 2009)
Identificar soluciones que reducen el impacto ambiental de forma global
Análisis del Ciclo de Vida
7Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Impacto ambiental
Coste
X
Soluciones infactibles
Soluciones factibles (sub-óptimas)
Reducir el coste
Reducir el impacto ambiental
Frontera de Pareto
Multi-objetivo en sostenibilidad
8Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Current scope in Chemical Engineering
Raw material
extraction
Manufacturingplant
Manufacturing plant
Manufacturing
plant
Retailer
Warehouse
Retailer
Customer
Customer
Customer
Raw material
extraction
Manufacturingplant
Manufacturing plant
Manufacturing
plant
Retailer
Warehouse
Retailer
Customer
Customer
Customer
supply chain network
othersfinances
Single site
Supply chain
(Enterprise-wide optimization
tim
e h
ori
zo
n &
spatial sco
pe
control production
StrategySC configuration
OperationSC planning and coordination:
production, logistics, distribution
TacticSC planning
Supervisory controlMonitoring, fault
diagnosis
Local controlUnit coordination &
local control
Global supervision
Operational accounting
Strategic financial planning
Production SchedulingDetailed plant production
planning
ExecutionSystems and equipment
execution
Production Planning
StrategyPlant design,
retrofit
equipment
P-1
production line
manufacturing plant
9Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Diseño de cadenas de producción de hidrógeno
• Conociendo:
� Demanda de H2
�Coste de inversión y operación
�Tecnología disponibles
�Emisiones de efecto invernadero
• Encontrar la estructura óptima de la cadena y el modo óptimo de operación
• Minimizando simultáneamente el coste y el impacto ambiental
?
Proyecto de diseño de una cadena de producción de H2 en UK (BP-Imperial College
London, Almansoori and Shah, 2006)
10Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Metodología: superestructura y MILP
Superestructura
Representación matemática que contiene todas las posible alternativas del problema
MILP
Balances de materiaRestricciones de capacidadFunciones objetivo
Sabio, N., Kostin, A., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L. International Journal of Hydrogen Energy, doi:10.1016/j.ijhydene.2011.09.039, 2011Sabio, N., Gadalla, M., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L. International Journal of Hydrogen Energy, 35 (13), 6836-6852, 2010 Guillén-Gosálbez, G., Mele, F., Grossmann, I. E. AIChE Journal, 56 (3), 650-667, 2010
¿Cómo cuantificar el impacto ambiental?
11Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Evaluación del impacto ambiental
2. Traducir el inventario de emisiones en impacto (Eco-indicador 99)
• Salud humana: DALYs (Disability Adjusted Life Years)
Los factores de daño traducen emisiones en impacto
Tareas de transporte
Producción (materias primas, energía y emisiones directas)
1. Calcular el consumo de materias primas y las emisiones (Inventario del Ciclo de Vida)
Tareas de almacenamiento
12Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Frontera de Pareto
Mínimo coste
Mínimo impacto
Binarias 10,580 Discretas 940 Contínuas 12,701 Ecuaciones 35,491
MILP
13Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Existing plant
Existing warehouse
Market
Potental plant location
Potential ware. location
Cadenas de suministro petroquímicasDiseño de cadenas de suministro petroquímicas
?
Pozo, C., Ruíz, R., Guillén-Gosálbez, G., Caballero, J.A., Jiménez, L. Chemical Engineering Science, accepted, 2011Guillén-Gosálbez, G., Grossmann, I. E. Computers & Chemical Engineering, 34 (1), 42-58, 2010Guillén-Gosálbez, G., Grossmann, I. E. AIChE Journal, 55(1), 99-121, 2009
MILP
14Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Cadenas de producción y distribución de bioetanol
Kostin, A., Guillén-Gosálbez, G., Mele, F., Bagajewicz, M., Jiménez, L. Chemical Engineering Research & Design, 10.1016/j.cherd.2011.07.013, 2011Kostin, A., Guillén-Gosálbez, G., Mele, F., Bagajewicz, M., Jiménez, L. Computers & Chemical Engineering, doi:10.1016/j.compchemeng.2011.04.006, 2011Mele, F., Kostin, A., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L. Industrial & Engineering Chemistry Research, 50 (9), 4939-4958, 2011.
Discretas 5,481 Continuas 23,790 Ecuaciones 24,296
MILP
15Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
ConclusionsSíntesis de procesos sostenibles
Guillén-Gosálbez, G., Caballero, J. A., Jiménez, L. Industrial & Engineering Chemistry Research, 47(3), 777-789, 2008.
Hidrodelaquilación de tolueno
MINLP
16Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
ConclusionsProcesos biotecnológicos
• Citric acid production
• Pyruvic acid
• Lysine
• Riboflavin
• Cyclodextrin
• Penicilin
• Human serum albumin
• Human insulin
• Monoclonal antibodies
• Alpha-1-antitrypsin
• Antitrypsin
• Plasmid DNA
Procesos biotecnológicos (procesos discontinuos de un producto)
Brunet, R., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L. Industrial & Engineering Chemistry Research, accepted, 2011Brunet, R., Guillén-Gosálbez, G., Pérez-Correa, R., Caballero, J.A., Jiménez, L. Computers & Chemical Engineering, 10.1016/j.compchemeng.2011.07.013, 2011
Resources
MINLP
17Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Plantas de ósmosis inversa con paneles solares
Ciclo de Rankine + paneles solares + desalinización
Salcedo-Díaz, Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L., Antipova, E. Desalination, accepted, 2011
MINLP
18Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
ABS
GFH
ETC
CPC
FPC
SUN
Cooling Load
17
18
24
23
25
Ps
V-2
V-1
Heat dissipation
Generación de frío
Generación de frío para aire acondicionado usando paneles solares
Gebreslassie, B., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L., Boer, D. Applied Thermal Engineering, 29(17-18), 3491-3500, 2009Gebreslassie, B., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L., Boer, D. Applied Energy, 86(9), 1712-1722, 2009Gebreslassie, B., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L., Boer, D. Energy, 35(9), 3849-3862, 2010
MINLP
19Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Escala espacialfm pm nm mm mm m km Gm
year
month
weeks
day
hour
min
s
ms
ns
ps
fs
Escalatemporal
Física, química y biología
Ingeniería
Gestión
Ámbito de la investigación
Ingéniería de procesos
sostenibles
Biología de sistemas
20Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
External Glucose MEDIUM
CYTOPLASM
Glu Int (X1)
Glu 6-P (X2)
HK, GLK
HXT -
Fruc 1,6-P (X3)
PEP (X4)
2 Ethanol
PK
GAPD
PFK
+
ATP (X5)
ADP
ATP
ADP
2 ADP2 NAD+
2 ATP2 NADH
2 ADP
2 ATP
Glycogen Trehalose
Glycerol
ATP ADP
NADH NAD+
Motivación
Variables:
• Actividades de enzimas (controladas por
genes)
Objetivo:
• Maximizar la producción de etanol
• Concentración de metabolitos
Fermentation in S. cerevisiae(Polisetty et al., 2008)
Biotecnología
• Uso de microorganismos para producir
productos de interés
?
21Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Cota superior
Cota inferior
Función objetivo original
SRS
Espacio de búsqueda originalEspacio de búsqueda convexificado
Estimador de la función objetivo
Punto inicial
Optimización global
Modelo cinético conduce a un MINLP no convexo (múltiples óptimos locales)
Guillén-Gosálbez, G., Sorribas, A. BMC Bioinformatics, 10 (386), 2009Pozo, C., Guillén-Gosálbez, G., Sorribas, A., Jiménez, L. Computers & Chemical Engineering, 34 (10), 1719-1730, 2010
Estado estacionario
Ecuaciones cinéticas
Función objetivo
22Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
SRS
Novedad: relajación MILP
Cota superior
Cota inferior
Función objetivo original Espacio de búsquedaoriginalEspacio de búsqueda convexificado
Estimador de la funciónobjetivo
Punto inicial
Optimización global
Modelo cinético conduce a un MINLP no convexo (múltiples óptimos locales)
23Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Resultados computacionales
Mejoramos BARON en órdenes de magnitud
24Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Sobre el problema en el que trabajar
Escoger el problema correcto (Uri Alon, 2009)
DificultadConocimiento generado
25Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Claves: motivación, esfuerzo y perseverancia
“Whenever a new discovery is on the horizon, a tremendous amount of effort and concentration is needed in order to snatch the secret from nature by digging deeper and deeper…
To be successful at it, you must have ‘‘fire in your belly’’. And it certainlyhelps if your basic inclination is to persistand not give up in the face of difficulties,not to become dejected in case of setbacks,but to try again and again until you manageto find the right way.”
Motivación
Esfuerzo
Perseverancia
Egon Balas al ser galardonado con la Medalla de Oro de la Inv. Operativa
Objetivo: buscar la excelencia (no la fama)
26Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Agradecimientos
Luis Puigjaner
Antonio Espuña
Ignacio Grossmann
Real Academia de Ingeniería
27Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Postdocs
Gabriela Corsano
Diego Oliva
PhD students of SUSCAPE
Robert Brunet
Andrew Kostin
Nagore Sabio
Carlos Pozo
Antoni Miró
Pedro Copado
Ekaterina Antipova
Daniel Cortés
Pavel Vaskan
Janire Pascual
Berhane Gebreslassie
Elisabet Capón
External PhD students (co-supervised)
Carl Vadenbo (Stephanie Hellweg, ETH Zürich)
Jorge Cristóbal (Ángel Irabien, Universidad de Cantabria)
Funding
Spanish Ministry of Education
Spanish Ministry of External Affairs
Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN)
Generalitat de Catalonia (Catalonian Government)
ExxonMobil Research and Engineering Company
Repsol YPF
Marie Curie (Procter and Gamble)
http://www.etseq.urv.cat/suscape/
Agradecimientos
28Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Argentina
Brazil
Chile
Colombia
Ethiopia
Finland
France
Germany
Greece
India
Italy
Mexico
Poland
Portugal
Russia
Spain
Switzerland
USAColaboradores de 18 nacionalidades diferentes de 4 continentes…
Agradecimientos
Dr. Alberto Marín-Sanguino, Technische Universität München (Germany)Dr. Esther Vilaprinyo, Fundation Dr. Ferran, Hospital Verge de la Cinta (Spain)Dr. Julio Sáez-Rodríguez, University of Cambridge (UK)Prof. Albert Sorribas, Universitat de Lleida (Spain)Prof. Ángel Irabien, Universidad de Santander (Santander, Spain)Prof. Christian Blum, Polytechnic University of Catalonia (Barcelona, Spain)Prof. Fernando Daniel Mele, Universidad Nacional de Tucumán (Argentina)Prof. Ignacio E. Grossmann, Carnegie Mellon University (Pittsburgh, US)Prof. José Caballero, Universidad de Alicante (Alicante, Spain)Prof. Mauro Ravagnani, Universidade Estadual de Maringá (Maringá, Brasil)Prof. Metin Türkay, Koc University (Istanbul, Turkey)Prof. Miguel Bagajewicz, University of Oklahoma (Norman, US)Prof. Ricardo Pérez, Universidad Católica de Chile (Santiago de Chile, Chile)Prof. Stefanie Hellweg, ETH Zürich (Switzerland)
29Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Todo esto no hubiera sido posible sin ellos…
Agradecimientos
30Gonzalo Guillén Gosálbez Madrid, 20 de noviembre de 2012
Gonzalo Guillén Gosálbez
Departament d’Enginyeria Química
Universitat Rovira i Virgili, Tarragona
Palabras de agradecimiento con motivo del Premio Juan
López de Peñalver
Recommended