Orientadores: Adriano Pinto Mariano, Marcelo Hamaguchi

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Seguindo uma tendência mundial de reestruturação do setor de celulose, no Brasil empresas produtoras de celulose de eucalipto estão interessadas na expansão dos seus negócios com a produção integrada de novos produtos de origem renovável em substituição àqueles derivados do petróleo. Entre...

Resumo: Seguindo uma tendência mundial de reestruturação do setor de celulose, no Brasil empresas produtoras de celulose de eucalipto estão interessadas na expansão dos seus negócios com a produção integrada de novos produtos de origem renovável em substituição àqueles derivados do petróleo. Entre estes produtos destacam-se os biocombustíveis e químicos como o butanol. Apesar das fábricas modernas de celulose terem excedente de energia, o alto consumo de vapor e excessiva geração de vinhaça de bioprocessos como a fermentação podem reduzir consideravelmente a atratividade do projeto, seja pelo investimento necessário para a adequação energética ou pela limitação do novo processo a uma escala não competitiva. Além disso, atenção também deve ser dada à flexibilidade do processo e sua importância crucial para a criação de um negócio robusto frente a oscilações intrínsecas de mercado. Dessa maneira, integração de processos, eficiência energética e flexibilidade de processo são os problemas alvos desse projeto. Nesse contexto, o objetivo do projeto foi o desenvolvimento de um bioprocesso para a produção flexível de butanol/etanol integrado a uma usina Kraft de celulose. O principal desafio científico consistiu no desenvolvimento de uma tecnologia de fermentação intensificada e flexível. E não menos importante foi a avaliação de estratégias de integração entre o bioprocesso e a usina de celulose bem como o método de obtenção dos açúcares, de modo que ambos os negócios fossem beneficiados economicamente e ambientalmente. Assim, a partir de uma abordagem multidisciplinar, foram utilizadas ferramentas da engenharia de sistemas de processos (simulações computacionais em associação com análise técnico-econômica) para (i) o projeto do bioprocesso flexível e (ii) o desenvolvimento da tecnologia de fermentação avançada com recuperação integrada dos produtos e compatível com as fermentações do etanol e do butanol, denominada aqui "fermentação flash flexível". A depender da tecnologia de pré-tratamento adotada, a análise técnico-econômica demonstrou que o valor presente líquido de uma planta flexível aumenta em 20-28% em comparação a uma planta dedicada a produção de etanol. Apesar do cenário mais atrativo ser o de explosão a vapor (VPL = 184 MMUSD; TIR = 29%), a tecnologia organosolv provê maior flexibilidade para a planta

Abstract: Following the current global evolution of the pulp industry, Brazilian eucalyptus pulp producers are interested in expanding their product portfolio and penetrate emerging markets of the bio-economy. Among an array of products, there is a special interest in biofuels and chemicals such...

Abstract: Following the current global evolution of the pulp industry, Brazilian eucalyptus pulp producers are interested in expanding their product portfolio and penetrate emerging markets of the bio-economy. Among an array of products, there is a special interest in biofuels and chemicals such butanol. Although modern pulp mills are energy exporters, high steam consumption and excessive stillage (vinasse) production can considerably decrease the attractiveness of projects with bioprocesses such as fermentation. The major issues are the investment needed to meet the new energy demands and limitation of the new process to a non-competitive production scale. Besides, attention must also be given to process flexibility and its key importance to business robustness in face of intrinsic market oscillations. In this manner, process integration, energy efficiency, and process flexibility are the issues to be tackled in this project. In this context, the aim of this project was the development of a bioprocess for the flexible production of butanol/ethanol integrated to a Kraft pulp mill. The main scientific challenge consisted in developing a fermentation technology which is at the same time intensified and flexible. Not least important was the assessment of integration strategies between the bioprocess and a Kraft pulp mill so that both businesses benefit economically and environmentally. Thus, based on a multidisciplinary approach, process systems engineering tools (computer simulation and techno-economic analysis) served the development of (i) a flexible bioprocess and (ii) the advanced fermentation technology - dubbed here as "flexible flash fermentation"- with integrated product recovery suitable for both ethanol and butanol fermentation. Depending on the pre-treatment technology adopted, the technical-economic analysis showed that the net present value of a flexible plant increases by 20-28% compared to an ethanol dedicated plant. Although the most attractive scenario is the steam explosion (VPL = 184 MMUSD; IRR = 29%), organosolv technology provides greater flexibility for the plant

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