Integration of product, process and supply chain design for the production of added-value products

Abstract

[EN]The optimization in the design, production and distribution of valueadded products is a key issue in an increasingly competitive market, due to globalization. The most efficient way (economically, environmentally and socially) to design a production process is to consider simultaneously the design of the product, the process and the supply chain, since it allows taking advantage of the synergies of each stage, reducing costs and launching times and increasing the possibilities of customization. This integrated design system is also very useful in waste recovery due to the large number of multi-scale variables that affect recovery. Therefore, this thesis proposes different methodologies for the integrated design of products, processes, and supply chains applied to the production of formulated products and the valorization of different types of waste, from a multi-objective, multiperiod , and multi-scale approach. To find the optimal value of the analyzed variables, different procedures are used, such as reformulations, multistage optimization, as well as the development of linearization and decomposition algorithms. The results showed that, through integrated process, product and supply chain design, it is possible to find a detergent powder formulation that can reduce the environmental impact by up to 40% without reducing the economic benefit by more than 1.5%.Similarly, by applying this integration to animal feed design, meat and crop production can be integrated, using the circular economy of waste. These integrated systems can reduce the environmental impact by up to 62% compared to the decoupled system. The optimal size and location of these facilities was also established. Regarding waste valorization, the integrated design showed that determining the best technology depended on the waste composition, the amount to be treated, and the capital available to invest in its treatment. In the case of coffee valorization, the best treatment process consists of a extraction-filtration system, obtaining a caffeine and pigments. Regarding wine production waste, the most promising process was a hexane and ethanol extraction system, which allows obtaining essential oils, polyphenols and biochar. Finally, this integrated approach is also used to analyze how a country’s energy security can be increased through the treatment of its waste, determining that it is possible to cover a demand for natural gas of up to 43%. [ES]La optimización en el diseño, producción y distribución de productos de valor añadido es una cuestión clave para competir en un mercado global. La forma más eficiente (económica, medioambiental y socialmente) de diseñar un proceso es considerar simultáneamente el diseño del producto, del proceso y de la cadena de suministro, aprovechando las sinergias entre cada etapa, reduciendo costes y tiempos de lanzamiento y aumentando las posibilidades de personalización. Este sistema de diseño integrado también es muy útil en la valorización de residuos debido a las variables multiescala que afectan a la valorización. Por ello, esta tesis propone diferentes metodologías para el diseño integrado de productos, procesos y cadenas de suministro aplicadas a la producción de productos formulados y a la valorización de residuos, desde un enfoque multiobjetivo , multiperiodo y multiescala. Para encontrar el valor óptimo de las variables analizadas, se utilizan diferentes procedimientos, como reformulaciones, optimización multietapa, así como el desarrollo de algoritmos de linealización y descomposición. Los resultados mostraron que, mediante el diseño integrado del proceso, el producto y la cadena de suministro, es posible encontrar una formulación de detergente en polvo que puede reducir el impacto ambiental hasta en un 40% sin reducir el beneficio económico en más de un 1,5 %. Del mismo modo, aplicando esta integración al diseño de piensos, es posible integrar la producción de carne y de cultivos, utilizando la economía circular de los residuos. Estos sistemas integrados pueden reducir el impacto ambiental hasta un 62% en comparación con el sistema desacoplado. También se estableció el tamaño y la ubicación óptimos de estas instalaciones. En cuanto a la valorización de residuos, el diseño integrado mostró que la determinación de la mejor tecnología dependía de la composición de los residuos, la cantidad a tratar y el capital disponible para invertir en su tratamiento. En el caso de la valorización del café, el mejor proceso de tratamiento consistió en un sistema de extracción-filtración, obteniéndose cafeína y pigmentos. En cuanto a los residuos de la producción de vino, el proceso más prometedor fue un sistema de extracción con hexano y etanol, que permite obtener aceites esenciales, polifenoles y biocarbón. Por último, este enfoque integrado también se utiliza para analizar cómo se puede aumentar la seguridad energética de un país mediante el tratamiento de sus residuos, determinando que es posible cubrir una demanda de gas natural de hasta el 43 %.