Orientadores: Rubens Maciel Filho, John Alexander Posada Duque

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, e Delft University of Technology

Resumo: Etanol 2G, ou celulósico, pode ser produzido por rotas bioquímicas, termoquímicas, ou por uma terceira opção que combina aspectos das outras duas, comumente chamada de rota termo-bioquímica, ou rota híbrida. Esta última é o foco desta tese, que a explora por meio de modelagem, simulações,...

Resumo: Etanol 2G, ou celulósico, pode ser produzido por rotas bioquímicas, termoquímicas, ou por uma terceira opção que combina aspectos das outras duas, comumente chamada de rota termo-bioquímica, ou rota híbrida. Esta última é o foco desta tese, que a explora por meio de modelagem, simulações, otimização (multi-objetivo), e outras estratégias aplicadas de forma a determinar quais escolhas e condições de processo levam ao melhor resultado em termos de sustentabilidade. Enquanto o processo termoquímico de gaseificação permite a conversão quase completa da biomassa sem a necessidade de etapas complexas e caras de pré-tratamento e hidrólise, a subsequente conversão biológica (fermentação) do syngas pode oferecer algumas vantagens quanto comparada à tradicional conversão catalítica, e.g. maior flexibilidade na proporção H2:CO e maior tolerância a contaminantes presentes no gás. Embora alguns desafios ainda atrapalhem a competitividade do processo de fermentação do syngas, como a baixa produtividade em comparação à fermentação heterotrófica, escolhas inteligentes de integração, condições de processo e parâmetros de projeto podem melhorar significativamente o seu desempenho. O objetivo principal desta tese é determinar os parâmetros de projeto e condições de processo que levam ao melhor desempenho com relação a aspectos simultâneos e comumente conflitantes ligados a sustentabilidade, i.e. lucro, impacto ambiental (especificamente, pegada de carbono) e eficiência energética. Para isso o processo foi estudado como um todo e também individualmente para suas unidades principais. Os objetivos específicos incluíram o design do processo, a construção de modelos matemáticos e simulações computacionais, a avaliação de alternativas para recuperação de energia, análise de impactos, o desenvolvimento de uma framework para otimização multi-objetivo de sustentabilidade, e a implementação de estratégias para reduzir a complexidade dos problemas de otimização. Após começar esta pesquisa com uma visão do processo como um todo (Capítulo 2), e depois concentrar nossos esforços no desenvolvimento de modelos para uma de suas unidades específicas (Capítulos 3 e 4), bem como no desenvolvimento de estratégias para a otimização de sustentabilidade (demonstrada no Capítulo 4 para um sub-sistema do processo), no Capítulo 5 nós voltamos novamente a uma visão do todo, agora equipados com as ferramentas desenvolvidas nos capítulos anteriores. No Capítulo 5, o sub-sistema consistindo no biorreator e etapas downstream é integrado à framework de otimização do processo completo a partir de resíduos de biomassa até etanol. Para esse trabalho um novo modelo foi desenvolvido para o gaseificador indireto, sendo este detalhado no Capítulo 5. Os modelos referentes às diferentes unidades foram combinados em uma framework contendo os cálculos de parâmetros econômicos, consumo de energia (calor e eletricidade), emissões de CO2 equivalente, consumo de água e outros indicadores de desempenho relacionados a sustentabilidade, que são recalculados a cada mudança nas variáveis de entrada. São discutidos os efeitos dessas variáveis nos resultados globais assim como suas interações e correlações entre respostas de categorias distintas. Por fim, o sistema foi otimizado com relação a três objetivos simultâneos: preço mínimo de venda (MESP), eficiência energética e pegada de carbono. Os trade-offs ótimos foram discutidos para dois casos (bagaço de cana e resíduos de madeira), junto com uma análise a respeito das tendências observadas para as variáveis de decisão nas soluções Pareto-ótimas, e uma discussão sobre as incertezas nos resultados. De acordo com os resultados, as principais variáveis que definem os trade-offs são a temperatura no leito de gaseificação, a fração de biomassa adicionada ao leito de combustão do gaseificador, e a razão entre a vazão volumétrica de syngas fresco na entrada do biorreator e o volume de líquido no mesmo

Abstract: 2G or cellulosic ethanol can be produced via biochemical pathways, thermochemical pathways, or a third option that combines aspects of the other two, commonly called the thermo-biochemical, or hybrid, pathway. The latter is the focus of this thesis, which explores this pathway via process...

Abstract: 2G or cellulosic ethanol can be produced via biochemical pathways, thermochemical pathways, or a third option that combines aspects of the other two, commonly called the thermo-biochemical, or hybrid, pathway. The latter is the focus of this thesis, which explores this pathway via process modeling, simulations, (multi-objective) optimization, and other strategies applied in order to determine which process choices and conditions lead to the best performance in terms of main sustainability aspects. While the thermochemical process of gasification enables the nearly full conversion of biomass without the need for complex and expensive stages of pretreatment and hydrolysis, the subsequent biological conversion (fermentation) of syngas might offer several advantages when compared to the traditional catalytic conversion, e.g. higher flexibility of H2:CO ratios and tolerance to gas contaminants. Although certain challenges may drawback the commercial competitiveness of syngas fermentation, such as the low productivity when compared to heterotrophic fermentation, intelligent choices of process integration and design parameters could substantially enhance the performance of the process. The main goal of this thesis is to find out which design parameters and process conditions lead to the best performance in terms of simultaneous and often conflicting aspects related to sustainability, i.e. profitability, environmental impact (specifically, carbon footprint) and energy efficiency. For this the process had to be investigated as a whole and also individually for its main units. The specific goals included the process design, the construction of mathematical models and simulations, the evaluation of alternatives for energy recovery, impact analysis, the development of a multi-objective sustainability optimization framework, and the implementation of strategies to reduce the complexity of the optimization problems. After starting this research with a view of the whole process (Chapter 2), then concentrating our efforts towards the development of models for one of its units (Chapters 3 and 4), and on the development of strategies for sustainability optimization (demonstrated in Chapter 4 for a sub-system of the process), Chapter 5 zooms out again to a view of the whole, now equipped with the tools developed in the previous chapters. In Chapter 5, the sub-system comprising the bioreactor and downstream stages is integrated into a framework for optimization of the whole process from biomass residues to ethanol. For this work a new model was also developed for the indirectly-heated gasifier. The models of different units were combined in one framework with embedded calculations of economic parameters, heat and power consumption and production, CO2 equivalent emissions, water consumption and other performance indicators that are re-calculated as the input variables are changed. We discuss the effects of these variables on the global outcomes as well as their interactions and correlations between responses of different categories. Finally, the system was optimized with respect to three simultaneous objectives: minimum ethanol selling price, energy efficiency and carbon footprint. The optimal trade-offs were discussed for two cases (sugarcane bagasse and wood residues), along with an analysis about the trends of the decision variables at the Pareto-optimal solutions and an estimation of uncertainties

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