Orientador: Rubens Maciel Filho

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

Resumo: Levulinato de etila é um derivado do ácido levulínico com potencial para ser utilizado num futuro próximo como um aditivo de diesel e biodiesel devido às suas características únicas, como alto teor de oxigênio e origem renovável. Ele é obtido da esterificação do etanol com ácido levulínico,...

Resumo: Levulinato de etila é um derivado do ácido levulínico com potencial para ser utilizado num futuro próximo como um aditivo de diesel e biodiesel devido às suas características únicas, como alto teor de oxigênio e origem renovável. Ele é obtido da esterificação do etanol com ácido levulínico, sendo o segundo um produto da hidrólise de hexoses. Porém, a produção em larga escala do levulinato de etila não é possível atualmente devido a barreiras tecnológicas. O objetivo deste projeto de mestrado foi propor e investigar um processo de hidrólise de biomassa com foco na produção de ácido levulínico e a sua posterior conversão a levulinato de etila, levando em conta os fatores econômicos que são mais importantes na redução dos custos de produção. Uma revisão de possíveis rotas já exploradas na literatura demonstrou o grande potencial em produzir levulinato de etila a partir de bagaço de cana-de-açúcar no Brasil. Ao longo do projeto, várias etapas foram estudadas individualmente de modo a complementar lacunas existentes para simular o processo de produção do levulinato de etila. Finalmente, de posse destes resultados, este trabalho apresenta a simulação de uma biorrefinaria e a otimização de parâmetros operacionais para minimizar o custo de produção do levulinato de etila. Foi demonstrado que a carga de sólidos na hidrólise é o principal fator impactante no custo de produção de levulinato de etila, uma vez que ela eleva a concentração final de ácido levulínico no hidrolisado. Também foi demonstrado que é possível obter levulinato de etila a um custo equivalente a aproximadamente metade do valor atual de diesel com baixo teor de enxofre. Condições que levam à redução no custo de produção do levulinato de etila incluem a hidrólise em condições menos severas (menor carga de catalisador e menor temperatura), mesmo que este cenário não represente a melhor seletividade possível. Outro fator fundamental para o sucesso econômico do processo consiste em remover grande parte das hemiceluloses em etapa anterior à hidrólise da celulose. A análise de risco da biorefinaria otimizada em comparação com um projeto de produção de eletricidade a partir do bagaço de cana demonstrou que a produção de químicos derivados de biomassa como furfural, levulinato de etila e ácido fórmico representa um investimento menos arriscado e mais rentável do que a produção de eletricidade, considerando que a questão de operabilidade do reator não represente um empecilho para o desenvolvimento do projeto. Finalmente, os resultados demonstram a viabilidade da produção de levulinato de etila a partir do bagaço de cana e apresentam um melhor entendimento dos fatores que impactam a rentabilidade de processo. Portanto, estas observações servirão como ferramenta para outros pesquisadores da área direcionarem melhor as suas pesquisas em escala de bancada

Abstract: Ethyl levulinate is a derivative of levulinic acid with the potential to be used in the near future as a diesel and biodiesel additive because of its unique characteristics, such as high oxygen content and renewable origin. Ethyl levulinate is the product of the esterification of ethanol...

Abstract: Ethyl levulinate is a derivative of levulinic acid with the potential to be used in the near future as a diesel and biodiesel additive because of its unique characteristics, such as high oxygen content and renewable origin. Ethyl levulinate is the product of the esterification of ethanol with levulinic acid, being the later obtained from hydrolysis of hexoses. However, the large-scale production of ethyl levulinate is unfeasible these days due to the lack of proper conversion technology. The objective of this master¿s project was to propose and investigate a process of hydrolysis of biomass focusing on the production of levulinic acid and its further conversion to ethyl levulinate, considering the economic factors that are the most important in reducing the production costs. A review of the possible routes demonstrated the enormous potential of producing ethyl levulinate in Brazil using sugarcane bagasse as feedstock. During the project, several steps of the production of ethyl levulinate were studied individually to cover gaps in the literature that were fundamental in the development of more accurate process simulation to produce ethyl levulinate. Finally, using these results, this work presents the simulation of a biorefinery and the optimization of operating parameters to minimize the production cost of ethyl levulinate. Solids loading in the hydrolysis reactor was demonstrated to be the main factor impacting the production cost of ethyl levulinate because of its high impact in the final concentration of levulinic acid in the hydrolysate. Results indicated that production of ethyl levulinate at about half of the price of ultra-low-sulfur diesel in Brazil (energy basis) is economically viable. Conditions that led to lower production costs included hydrolysis in less severe conditions (lower catalyst dosage and lower temperature), even though this scenario does not represent the best possible selectivity. Another fundamental factor for the economic success of the processes consists of removing part of the hemicelluloses before hydrolysis of cellulose in a different step. Risk analysis of the optimized biorefinery compared to an optimized ethanol distillery producing electricity from bagasse showed that production of biomass-derived chemicals such as furfural, ethyl levulinate, and formic acid represents a safer and more profitable investment than producing only electricity from the surplus bagasse. Overall, the results demonstrated the viability of ethyl levulinate production using sugarcane bagasse as feedstock and presented a better understanding of the factors that impact the profitability of the process. Therefore, these observations will serve as a tool for other researchers to developed better processes for conversion of biomass to levulinic acid and derivatives in the future by having a better grasp of the economics behind it

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