Análise de viabilidade técnico-econômica de alternativas de processo para a produção de etanol no Brasil

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Antonio Maria Francisco Luiz José BonomiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: As usinas de cana-de-açúcar encaixam-se no conceito de biorrefinaria, uma vez que produzem etanol, açúcar e eletricidade, entre outros produtos. A produção de etanol de 1ª geração (1G), a partir do caldo de cana-de-açúcar, é um processo bem estabelecido, enquanto a produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, denominado processo de 2ª geração (2G), tem recebido atenção especial nas últimas décadas. No Brasil, bagaço e palha são as matérias-primas de maior potencial para a produção de etanol 2G devido a sua disponibilidade e relativo baixo custo, no entanto o processo não está consolidado até o momento. O presente estudo teve por objetivo estudar a integração de diferentes tecnologias ao processo de produção de etanol, considerando as tecnologias 1G e 2G, a fim de avaliar os impactos na viabilidade técnico-econômica das biorrefinarias de cana-de-açúcar. Resultados mostraram que a diversificação dos produtos, através da produção de açúcar, eletricidade e biogás, bem como a flexibilidade na produção melhoram a viabilidade técnico-econômica e diminuem a suscetibilidade às oscilações de mercado, aumentando a estabilidade dos negócios. Para a produção de etanol 2G, os impactos das condições operacionais da hidrólise enzimática e características das enzimas no processo integrado de produção de etanol 1G2G foram avaliados através da formulação de um modelo matemático e análise estatística. Visando à redução do custo de produção do etanol, as melhores condições operacionais foram determinadas e mostraram-se muito sensíveis ao preço de enzimas. A extensão do período de operação das biorrefinarias de cana-de-açúcar, que é usualmente de 6 a 8 meses por ano, permite reduzir a contribuição do investimento no custo de produção de etanol. O processamento de sorgo sacarino durante a entressafra de cana-de-açúcar apresentou expressivo potencial para incrementar a produção de etanol e eletricidade, bem como melhorar a viabilidade econômica. A integração de uma planta 2G processando o ano todo resultou em uma alternativa promissora, mas com alto investimento quando comparada às demais alternativas. A abordagem apresentada nesta tese pode ser utilizada para avaliar outras rotas e tecnologias, identificando gargalos tecnológicos e guiando a pesquisa a fim de aumentar a viabilidade do processoAbstract: Sugarcane mills fit into the biorefinery concept, since ethanol, sugar and electricity, among others, are possible products. The first generation (1G) ethanol production, from sugarcane juice, is a well-established process, while ethanol production from lignocellulosic materials, the so-called second generation (2G) process, has received special attention in the last decades. In Brazil, sugarcane bagasse and straw are potentially the most important feedstock for 2G ethanol production due to their availability and relative low cost, but the process is not established yet. This study focused on the integration of different technologies in the ethanol production process, taking into account both 1G and 2G technologies, in order to assess the impacts on techno-economic feasibility of sugarcane biorefineries. Results showed that product diversification, through production of sugar, electricity and biogas, as well as production flexibility improve techno-economic feasibility and reduce susceptibility to market oscillations, improving business stability. For 2G ethanol production, the impacts of operating conditions on enzymatic hydrolysis and enzyme features in the integrated 1G2G ethanol production process were assessed through the formulation of a mathematical model and statistical evaluation. Aiming at the reduction of ethanol production cost, best operating conditions were determined and showed to be very sensitive to enzyme prices. Extending the operation period of sugarcane biorefineries, which is from 6 to 8 months per year, allows reducing contribution of investment on ethanol production cost. Sweet sorghum, processed in the sugarcane off-season, presented a great potential to increase ethanol and electricity production as well as to improve economic feasibility. Integration of a 2G plant processing all year-round resulted in a promising alternative, but presents high investment cost compared to other alternatives. The approach presented in this thesis can be used to perform assessments of other routes and technologies, identifying technological bottlenecks and guiding research in order to improve process feasibilityDoutoradoDesenvolvimento de Processos QuímicosDoutora em Engenharia Quimic

Simulation of convencional, extrative and azetropic distillation for biothanol production process using nonequilibrium model and equilibrium stage model with efficiency

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Maria Regina Wolf MacielDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: No Brasil, o bioetanol é usado para substituir a gasolina, compondo uma porcentagem desta ou sendo usado como combustível alternativo. Esta tendência de substituição dos combustíveis fósseis vem se fortalecendo em âmbito global, sendo necessárias, portanto, alternativas e propostas que viabilizem o aumento da produção de forma economicamente e ambientalmente sustentável. Neste contexto, a otimização energética do processo de separação do bioetanol visa à disponibilização de bagaço de cana-de-açúcar, usado como combustível na geração de vapor de processo, para a produção de bioetanol através do processo de hidrólise. Para tanto, inovações ao processo são essenciais e melhoramento na representação de modelos torna-se necessário para estudos e avaliações. Neste trabalho, simulações da etapa de destilação para a produção de álcool hidratado assim como da etapa de desidratação do bioetanol foram realizadas utilizando o simulador Aspen Plus®. Visando um estudo dentro de um cenário mais realista, a modelagem de estágios de não equilíbrio foi utilizada para prever o comportamento das colunas de destilação envolvidas. Além disso, o uso da correlação de Barros e Wolf para a determinação de eficiência na modelagem de estágios de equilíbrio em colunas de destilação foi avaliado. A comparação entre as modelagens de estágios de equilíbrio e não equilíbrio para as destilações convencional e extrativa indicou que a associação da correlação de eficiência de Barros e Wolf à modelagem de estágios de equilíbrio fornece predições satisfatórias tendo como referência a modelagem de estágios de não-equilíbrio. Para a destilação azeotrópica, o estudo de formação de duas fases líquidas na coluna foi realizado, indicando que os parâmetros de processo, como posição de alimentação, possuem influência significativa. O estudo da fermentação extrativa a vácuo, como configuração alternativa às etapas de fermentação e concentração, revelou seu potencial para redução do consumo de energia na etapa de destilação subseqüente, sendo uma alternativa viável para intensificação de processosAbstract: In Brazil, bioethanol is used to replace gasoline, being a percentage of this or used as an alternative fuel. This trend of replacing fossil fuels has gained strength globally, necessitating, therefore, alternatives and proposals to enable the increase of production in an economically and environmentally sustainable way. In this context, the energy optimization of the bioethanol separation aims the provision of sugarcane bagasse, used as fuel in process steam generation, for bioethanol production through the hydrolysis process. Consequently, innovations to the process are essential and improvement in the representation of models is required for studies and evaluations. In this work, simulations of the distillation step for the production of hydrous bioethanol and the bioethanol dehydration were performed using the simulator Aspen Plus®. In order to study a more realistic scenario, nonequilibrium stage model was used to predict the behavior of the involved distillation columns. Furthermore, the use of Barros and Wolf correlation for the determination of efficiency in equilibrium stage model for distillation columns was evaluated. The comparison between equilibrium and nonequilibrium stage models for conventional and extractive distillation processes indicated that the association between Barros and Wolf efficiency correlation and equilibrium stage model provides satisfactory predictions considering the nonequilibrium stage model as reference. For azeotropic distillation, formation of two liquid phases inside the column was studied, indicating that process parameters, such as feed position, have significant influence. The study of vacuum extractive fermentation, as an alternative configuration to fermentation and concentration steps, showed its potential for reducing energy consumption in the subsequent distillation step, and it seems a viable alternative to process intensificationMestradoDesenvolvimento de Processos QuímicosMestre em Engenharia Químic