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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


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


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


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


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?


• 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


Impacto ambiental

Coste

X

Soluciones infactibles

Soluciones factibles (sub-óptimas)

Reducir el coste

Reducir el impacto ambiental

Frontera de Pareto

Multi-objetivo en sostenibilidad


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


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)


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?


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


Frontera de Pareto

Mínimo coste

Mínimo impacto

Binarias 10,580 Discretas 940 Contínuas 12,701 Ecuaciones 35,491

MILP


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


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


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


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


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


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


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


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

?


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


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)


Resultados computacionales

Mejoramos BARON en órdenes de magnitud


Sobre el problema en el que trabajar

Escoger el problema correcto (Uri Alon, 2009)

DificultadConocimiento generado


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)


Agradecimientos

Luis Puigjaner

Antonio Espuña

Ignacio Grossmann

Real Academia de Ingeniería


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


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)


Todo esto no hubiera sido posible sin ellos…

Agradecimientos


Gonzalo Guillén Gosálbez

Departament d’Enginyeria Química

Universitat Rovira i Virgili, Tarragona

Palabras de agradecimiento con motivo del Premio Juan

López de Peñalver

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