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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.97.2020.tde-29012020-150935
Documento
Autor
Nome completo
Amanda Ladislau Monteiro
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Lorena, 2019
Orientador
Banca examinadora
Santos, Júlio César dos (Presidente)
Dias, Marina Oliveira de Souza
Paula, Ariela Veloso de
Rós, Patrícia Caroline Molgero Da
Título em português
Avaliação técnico-econômica do aproveitamento da lignina em biorrefinaria integrada 1G2G para obtenção de lignossulfonatos
Palavras-chave em português
Análise Econômica
Biorrefinaria
Cana-de-açúcar
Lignossulfonato
Simulação de biopocessos
Resumo em português
A obtenção de etanol e outros produtos de interesse a partir de bagaço de cana-de-açúcar é de grande relevância nacional. De fato, no Brasil, o bagaço de cana-de-açúcar corresponde a um material abundante para uso como matéria prima em biorrefinarias, aumentando a possibilidade de incremento na produção de etanol sem necessidade de expansão da área plantada. Além disso, o uso do bagaço como matéria prima em um processo integrado nas usinas de produção de etanol de primeira geração tem sido demonstrado como favorável para aplicação no contexto brasileiro. Assim, no presente projeto foram realizados trabalhos experimentais e de simulação de biorrefinarias integradas 1G2G visando-se ao aproveitamento do caldo de cana-de açúcar e das frações carboidrato do bagaço excedente da cogeração de energia para produção de etanol, além do uso da lignina para obtenção de lignossulfonatos. Na primeira etapa, as amostras de bagaço foram secas e pré-tratadas com sulfito alcalino, sendo que o material sólido oriundo do pré-tratamento foi usado na etapa de hidrólise enzimática e os resultados obtidos foram utilizados na simulação do processo em uma biorrefinaria integrada 1G2G com auxílio do pacote computacional Aspen Plus®. Foram simulados quatro cenários diferentes, considerando a produção ou não de lignossulfonatos em reatores com 10% ou 14 % de carregamento inicial de sólidos na etapa de hidrólise enzimática. A realização da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado em reator de coluna com carga inicial de 14 % de sólidos resultou na hidrólise de 81,46% e 95,26% da glucana e xilana, respectivamente, em 72 h de processo. Com relação aos produtos obtidos nos cenários simulados de biorrefinarias, observou-se diminuição na produção de etanol de 105,77 L/TC (tonelada de cana) para 97,29 L/TC e de 107,38 L/TC para 96,72 L/TC nos cenários com 10% e 14% de sólidos no reator de hidrólise, respectivamente, quando foi incluída a produção de lignossulfonatos. Os cenários com produção de lignossulfonatos usando 10% e 14% de sólidos no reator de hidrólise resultaram, respectivamente, em 15,40 kg/TC e 17,24 kg/TC de lignossulfonatos. Com relação ao custo de investimento, este correspondeu a R$ 785,50 milhões para biorrefinaria 1G, enquanto os cenários integrados 1G2G apresentaram valores cerca de 17% a 30% superiores. No que concerne ao custo de produção de etanol, os cenários que apresentaram menor valor para etanol 2G foram os que consideraram produção de lignossulfonato (R$ 1,75/kg.Com relação à taxa interna de retorno (TIR), está se apresentou abaixo da taxa mínima de atratividade (TMA de 12%) nos cenários que continham apenas a produção de etanol 1G2G e eletricidade; porém, ao integrar-se a produção de lignossulfonato no processo, os valores da TIR aumentaram para 14,37% para o cenário com 10 % de sólidos e para 14,49% para o cenário com 14% de sólidos no reator. Demonstrou-se assim que a inclusão da obtenção de lignossulfonatos em uma biorrefinaria 1G2G de produção de etanol e eletricidade, com pré-tratamento sulfito alcalino para o bagaço de cana-de-açúcar, favorece a viabilidade econômica destas empresas, tornando a TIR superior à TMA.
Título em inglês
Avaliação técnico-econômica do aproveitamento da lignina em biorrefinaria integrada 1G2G para obtenção de lignossulfonatos
Palavras-chave em inglês
Bioprocess Simulation
Biorefinery
Economic analysis
Lignosulfonate
Sugarcane
Resumo em inglês
The production ethanol and other interesting products from sugarcane bagasse is of great national relevance. Actually, in Brazil, sugarcane bagasse corresponds to an abundant material for use as raw material in biorefineries, increasing the possibility of higher ethanol production without the need of expanding the planted area. In addition, the use of bagasse as a raw material in an integrated process in the first generation ethanol production facilities has been shown as favorable for application in the Brazilian context. Thus, in the present project, experimental and simulation studies of 1G2G integrated biorefineries were carried out aiming at the use of the sugarcane juice and the carbohydrate fractions of the surplus bagasse from the energy cogeneration for the production of ethanol, in addition to the use of lignin to produce lignosulfonates. In the first step of project, bagasse samples were dried and pretreated with alkaline sulfite, with the solid material from the pretreatment used in the enzymatic hydrolysis step. Then, the obtained results were used in the simulation of a 1G2G integrated biorefinery, carried out aided by the computational package Aspen Plus®. Four different scenarios were simulated, considering the production or not of lignosulphonates in reactors and 10% or 14% of initial solids loading in the enzymatic hydrolysis step. The enzymatic hydrolysis of the pre-treated bagasse in a column reactor with an initial solids loading of 14% resulted in the hydrolysis of 81.46% and 95.26% of the glucan and xylan, respectively, in 72 h of the process. Regarding to the products obtained in the simulated biorefinery scenarios, ethanol production decreased from 105.77 L/TC to 97.29 L/TC (metric tons of sugarcane) and from 107.38 L/TC to 96.72 L/TC in the scenarios with 10% and 14% solids in the hydrolysis reactor, respectively, when lignosulfonate production was included. Scenarios with lignosulfonate production with 10% and 14% of solids in the hydrolysis reactor resulted, respectively, in 15.40 kg/TC and 17.24 kg/TC of lignosulphonates. In relation to the investment cost, it corresponded to R$ 785.50 million for 1G biorefinery, while the 1G2G integrated scenarios presented values between 17% and 30% higher. Regarding to the cost of ethanol production, the scenarios that presented the lowest value for 2G ethanol were those that considered lignosulfonate production (R$ 1.75/kg). In relation to the internal rate of return (IRR), it was below the 12% minimum attractive rate of return (MARR) in the scenarios containing only the production of 1G2G ethanol and electricity; however, as the lignosulfonate production in the process was integrated, the MARR values increased to 14.37% in the scenario with 10% of solids and to 14.49% in the scenario with 14% of solids in the reactor. Thus, the inclusion of lignosulphonates in a 1G2G biorefinery for the production of ethanol and electricity, with an alkaline sulfite pretreatment for sugarcane bagasse, favors the economic viability of these companies, making the IRR higher than the MARR.
 
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BID19004_C.pdf (1.74 Mbytes)
Data de Publicação
2020-01-29
 
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