Biorefining emerges as a potential alternative for fossil-based industries by proposing the use of renewable biomass to produce chemicals, fuels, and energy. Several opportunities arise from a large set of available biorefining products, conversion technologies, sources of biomass, and integration points with other industries. The design of biorefineries that optimally explore this vast opportunity space is not trivial. Several tools have been proposed for this task. Among these, mathematical programming is highlighted as one of the most promising strategies due to its systematic evaluation of a large space of structural alternatives. The state-of-the-art mathematical programming-based frameworks deal with process synthesis challenges along with supply chain challenges under explicit spatial and temporal consideration. However, these frameworks cannot capture some particularities of forest systems, one of the most promising platforms for integrating biorefining operations. Thus, this thesis proposes an optimization generic model for biorefineries design able to account for the specificities of forest systems, under an MILP (Mixed-Integer Linear Problem) formulation for maximizing the operating net present value (NPV) over four interconnected layers of decision: (I) Forest dynamics, (II) Conversion systems, (III) Supply Chain, and (IV) Markets. The model also incorporates uncertainties in biomass productivity and product selling prices under a robust optimization formulation to ensure the operations profitability and feasibility even on the materialization of the worst-case values for the uncertain parameters. The degree of conservatism of the solution is controlled through the description of the uncertainties within the intersection of a box and polyhedral sets. The model is applied to a case study on the design of a eucalyptus biorefinery in Brazil to produce bleached pulp (used for papermaking), lignin (used as a cement additive), and electricity. The case study showed that biomass dynamics played a vital role in the core strategic decisions, with biomass availability and forest distances driving decisions on all other layers. The adequate consideration of the supply networks was also relevant, as some highly productive forest lands become financially attractive in scenarios with reduced logistic costs. The model was demonstrated useful for minimum selling price estimation for products that might not be considered financially attractive under the nominal values for the input parameters. The choice of conservatism degree was demonstrated as an important feature of the model. Under a full conservative approach, the entire biorefinery operation was considered financially unattractive, contrasting with the nominal case scenario that indicates an opportunity of over 136 billion BRL (around 27 billion USD) in net present value. The over-conservatism on forest uncertainties is especially harmful as it proposes a 70% excessive usage of land to ensure a stable wood supply. This excessive land usage might compete with land for food crops. In between, some still conservative designs were proposed that could provide a robustness level consistent with the nature of the uncertain parameters and still benefit from the biorefining opportunities.

Biorrefinarias despontam como uma potencial alternativa para as indústrias baseadas em recursos fósseis ao propor a exploração de biomassa renovável para produção de químicos, combustíveis e energia. Diversas opções para bioprodutos, tecnologias de conversão, fontes de biomassa e pontos de integração com outras indústrias criam um amplo espaço de oportunidade a ser explorado. Contudo, propor uma configuração de biorrefinaria capaz de aproveitar esse espaço de forma ótima não é trivial. Diversas ferramentas foram propostas para esse fim. Entre essas, as baseadas em programação matemática são especialmente promissoras dada sua capacidade de avaliação sistêmica de um amplo espaço de alternativas estruturais. As ferramentas em estado da arte baseadas em programação matemática lidam com aspectos de síntese de processos integrados a toda a cadeia de fornecimento, com considerações temporais e espaciais. Contudo, essas ferramentas ainda não capturam algumas particularidades de sistemas florestais, sendo esses, uma das plataformas mais promissoras para a integração de operações de biorrefinaria. Com isso, esta tese propõe um modelo genérico de otimização para o design de biorrefinarias capaz de lidar com as particularidades de sistemas florestais, formulado como um Problema Inteiro-Misto Linear (MILP) para maximização do valor presente operacional líquido (NPV) sobre quatro camadas interconectadas de decisão: (I) Dinâmica Florestal, (II) Sistemas de Conversão, (III) Malha Logística e (IV) Mercado. O modelo também incorpora incertezas na produtividade da biomassa e nos preços de venda dos produtos via otimização robusta, garantindo viabilidade financeira-operacional mesmo na materialização dos piores casos para os parâmetros incertos. O grau de conservadorismo da solução é controlado pela descrição das incertezas como a união entre conjuntos intervalares e poliédricos. O modelo é aplicado em um estudo de caso para o design de uma biorrefinaria de eucalipto no Brasil produzindo polpa branqueada (matéria-prima para papel), lignina (uso como aditivo em cimentos) e energia elétrica. O estudo de caso mostrou que a dinâmica florestal tem um papel crítico nas decisões estratégicas. Por exemplo, disponibilidade de biomassa e distâncias florestais afetaram as decisões em todas as outras camadas do modelo. A consideração adequada das redes logísticas também se mostrou relevante, sendo capaz de tornar financeiramente atrativas plantações distantes de elevada produtividade florestal em cenários de redução de custos logísticos. O modelo também se mostrou útil para estimar o preço mínimo de venda de produtos que não são financeiramente atrativos nos cenários nominais. A possibilidade de controlar o grau de conservadorismo da solução se mostrou especialmente importante, sendo que, em uma abordagem completamente conservadora, a construção da biorrefinaria é considerada financeiramente inviável. Isso contrasta com a oportunidade de 136 bilhões de reais para o NPV no cenário nominal. O conservadorismo em excesso se mostrou especialmente prejudicial quando aplicado à produtividade florestal, resultando em um uso 70% superior de terras para garantir fornecimento estável de biomassa. Entre os extremos, cenários com conservadorismo controlado foram capazes de aproveitar a oportunidade financeira e ainda assim oferecer robustez consistente com a natureza dos parâmetros.