A produção de biocombustíveis apresenta-se como uma eficiente alternativa para superar as limitações econômico-ambientais inerentes à comercialização e utilização de combustíveis fósseis. O etanol caracteriza-se como um dos principais biocombustíveis alternativos, sendo as destilarias de cana-de-açúcar importantes exemplos de biorrefinarias, as quais, analogamente à indústria do petróleo, objetivam a obtenção de um espectro de (bio)produtos e/ou bioenergia a partir da biomassa vegetal. Embora nas atuais biorrefinarias de cana-de-açúcar a matéria-prima seja convertida em etanol, açúcar e eletricidade, uma fração considerável da energia da cana (como matéria orgânica) ainda é perdida na vinhaça. Potenciais impactos negativos da fertirrigação, i.e., aplicação direta da vinhaça no solo agrícola, também constituem outra relevante limitação do atual gerenciamento desta água residuária no Brasil. A biodigestão anaeróbia apresenta grande potencial de aplicação no tratamento da vinhaça, objetivando-se a redução de sua carga orgânica poluente concomitantemente à recuperação de bioenergia a partir do biogás. Embora tal processo potencialize a extração de energia da cana-de-açúcar na biorrefinaria, a literatura de referência ainda é escassa em termos da definição de parâmetros que viabilizem a implantação da biodigestão nas destilarias brasileiras. Neste contexto, neste estudo apresenta-se um panorama holístico da aplicação da biodigestão anaeróbia no tratamento da vinhaça de cana-de-açúcar, definindo-se condições operacionais para uma eficiente e estável conversão da matéria orgânica em hidrogênio e metano em sistemas em duas fases (acidogênico + metanogênico) termofílicos (55ºC). Diferentes cenários para produção de energia a partir do biogás também foram estudados a partir da aplicação de ferramentas de simulação, buscando-se fornecer aspectos técnicos, econômicos e ambientais da implantação das plantas de biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira. Em termos experimentais, os resultados mostraram a habilidade do reator acidogênico para manter produções contínuas de biohidrogênio em longo prazo (240 dias), sendo a aplicação de estratégias operacionais específicas, p.ex. controle do pH e da concentração de biomassa no reator, imperativa para recuperação dos sistemas submetidos a perdas de desempenho. Na fase metanogênica, a aplicação de cargas orgânicas crescentes (até 30 kgDQO m-3 d-1) em um reator convencional de manta de lodo e um reator de leito fixo estruturado indicou um desempenho muito superior do sistema com células aderidas, especialmente em termos da estabilidade operacional em longo prazo (240 dias). Finalmente, com relação à avaliação tecnológica da biodigestão, demostrou-se a viabilidade do escalonamento dos sistemas anaeróbios com separação de fases para o tratamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar, independentemente do tipo de uso proposto para o hidrogênio: não recuperação, venda como produto de valor agregado, produção de biohythane ou injeção no reator metanogênico. Os resultados também apontaram o papel determinante da alcalinização dos sistemas para melhorar o desempenho econômico ambiental da biodigestão, podendo superar efeitos da redução dos custos de investimento em alguns casos. Em suma, espera-se que os resultados apresentados neste trabalho sirvam como referência aos tomadores de decisão da indústria sucroalcooleira, suprindo lacunas de informações e destacando a viabilidade da implantação da biodigestão como tecnologia central para o processamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar no Brasil. / The production of biofuels comprises an efficient alternative to overcome the economicenvironmental drawbacks inherent to the trade and use of fossil fuels. Ethanol is one of the main alternative biofuels, with sugarcane distilleries characterized as important examples of biorefineries, which, similarly to the oil industry, aim to obtain a spectrum of (bio)products and/or bioenergy from the vegetal biomass. Although the raw material is converted into ethanol, sugar and electricity in the current sugarcane biorefineries, a considerable fraction of the energy from sugarcane (as organic matter) is still wasted in vinasse. Potential negative impacts from fertirrigation, i.e., the direct application of vinasse into the agricultural soil, also comprise another relevant drawback of the current management of this wastewater in Brazil. Anaerobic biodigestion has great potential of application in the treatment of vinasse, aiming to reduce its polluting organic load concomitantly to the bioenergy recovery from biogas. Although this process enhances the energy extraction from sugarcane in the biorefinery, the reference literature still lacks on the definition of parameters that encourage the implementation of biodigestion in Brazilian distilleries. In this context, this study presents a holistic overview of the application of biodigestion in the treatment of sugarcane vinasse, defining operating conditions for an efficient and stable conversion of the organic matter into hydrogen and methane in two-phase (acidogenic + methanogenic) thermophilic systems (55ºC). Different scenarios for the production of bioenergy from biogas were also studied by using simulation tools, aiming to provide technical, economic and environmental aspects of the implementation of vinasse biodigestion plants in the Brazilian sucro-alcohol industry. In experimental terms, the results showed the ability of the acidogenic reactor to maintain a continuous long-term (240 days) biohydrogen production, characterizing the application of specific operating strategies, e.g. control of the pH and biomass concentration inside the reactor, as imperative for the recovery of systems subjected to performance losses. In the methanogenic phase, the application of increasing organic loadings (up to 30 kgCOD m-3 d-1) to a conventional sludge blanket reactor and a structured-bed reactor indicated a much superior performance of the adhered cell system, especially in terms of the long-term operating stability (240 days). Finally, regarding the technological assessment of the biodigestion, the feasibility of scaling-up anaerobic systems with phase separation to the treatment of vinasse in sugarcane biorefineries was demonstrated, regardless of the type of use proposed for hydrogen: non-recovery, sale as a value-added product, biohythane production or injection into the methanogenic reactor. The results also pointed out the determining role of the alkalinization of the systems to improve the economic-environmental performance of biodigestion, in order to overcome the effects of the reduction of investment costs in some cases. In short, it is expected that the results presented in this study will serve as reference to decision-makers in the sucro-alcohol industry, filling information gaps and highlighting the feasibility of implementing biodigestion.

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No. of bitstreams: 1 DissEP.pdf: 2850814 bytes, checksum: 13c476dc7f26d54826c6932c0fa4fcd2 (MD5) Previous issue date: 2015-03-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Currently there is a growing increase in fuel consumption, but also an increased concern about the end of fossil fuels and their environmental damage. In this scenario, secondgeneration ethanol (E2G), produced from sugarcane bagasse, appears as an option to increase the production of first generation ethanol (E1G), produced from sugarcane. The aim of this study was to evaluate the production of ethanol, the generation of electricity, CO2 emissions and vinasse into an E1G and E2G autonomous distillery through multiobjective optimization. This assessment has been formulated in terms of multi-objective optimization problems in virtual biorefinery modeled in EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization). The modeling of closed water circuits, CO2 production in the boiler and in the fermenter, and the process of concentrating the juice and vinasse streams through multiple-effect evaporators, and the multiobjective optimization involving the production of E2G, electric energy and production of CO2 and vinasse were performed. The modeled biorefinery processes 500,000 kg/h of sugarcane and burns, in addition to bagasse, 35,000 kg/h of sugarcane straw. The multiple effect evaporators for the broth concentration generated savings of around 18% in turbine backpressure exhaust steam when compared to a process with a single effect. The concentration of the vinasse through multiple-effect evaporators can cause a reduction in flow rate of more than 70%. The obtained non-dominated solutions in multiobjective optimization studies have shown a relationship among the production of ethanol, vinasse, energy and CO2 as a function of the decision variables: bagasse fraction diverted to produce E2G, and fraction of vinasse concentrated in multiple effect evaporators. Nondominated solutions are in the bagasse fraction range from 0.01% to 50.09%, and vinasse fraction comprises values greater than 14.09%. Among the solutions, ethanol flow was between 35,730 kg/h and 41,633 kg/h. CO2 production can reach values above 187,000 kg/h considering the CO2 released in the fermenters and in the boiler. On the issue of electricity generation, values above 83,000 kW can be reached. The results showed that the methodology used was efficient and the proposed objectives have been met. / Com o crescente aumento do consumo de combustíveis e o aumento da preocupação com o fim dos combustíveis fósseis e com seus danos ambientais, o etanol de segunda geração (E2G), produzido a partir do bagaço e da palha da cana-de-açúcar, surge como uma opção para aumentar a produção de etanol de primeira geração (E1G), produzido a partir da cana-de-açúcar. O objetivo desse trabalho foi avaliar a produção de etanol, a geração de energia elétrica, a emissão de CO2 e de vinhaça em uma destilaria autônoma de E1G e E2G empregando a otimização multiobjetivo. Essa avaliação foi formulada em termos de problemas de otimização multiobjetivo na biorrefinaria virtual modelada em EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization). A modelagem de circuitos fechados de água, da produção de CO2 na caldeira e no fermentador, e do processo de concentração das correntes de caldo e de vinhaça por meio de evaporadores múltiplo efeito, bem como a otimização multiobjetivo envolvendo a produção de E1G e E2G, geração de energia e produção de vinhaça, foram realizados. A biorrefinaria modelada processa 500.000 kg/h de cana-de-açúcar e queima, além de bagaço, 35.000 kg/h de palha de cana-de-açúcar. Com os evaporadores múltiplo efeito para a concentração do caldo, foi possível uma economia na ordem de 18% no vapor de escape da turbina de contrapressão em comparação a um processo de simples efeito. A concentração da vinhaça, por meio de evaporadores múltiplo efeito, pode provocar uma redução da vazão de mais de 70%. As soluções não-dominadas obtidas nos estudos de otimização multiobjetivo mostraram uma relação entre a produção de etanol, de vinhaça, de energia e de CO2 em função das variáveis de decisão: fração de bagaço destinado para a produção de E2G, e fração de vinhaça destinada para a concentração nos evaporadores de múltiplo efeito. As soluções não-dominadas se encontram no intervalo de fração de bagaço entre 0,01% e 50,09%, enquanto a fração de vinhaça compreende valores acima de 14,09%. Entre as soluções, a vazão de etanol ficou entre 35.730 kg/h e 41.633 kg/h. A produção de CO2 pode chegar a valores acima dos 187.000 kg/h, considerando o CO2 liberado nos fermentadores e na caldeira. No quesito geração de energia elétrica, consegue-se chegar a valores acima de 83.000 kW. Os resultados mostraram que a metodologia utilizada foi eficiente e os objetivos propostos foram atendidos.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6624.pdf: 8550248 bytes, checksum: 5ec0bd60b54af457950d157adeb2bc97 (MD5) Previous issue date: 2015-03-13 / Universidade Federal de Sao Carlos / Este trabalho visa a otimização não-linear restrita usando o Método das Tolerâncias Flexíveis (FTM) e na aplicação do mesmo na síntese de sistemas de integração mássica. A integração mássica é uma técnica que permite a compreensão global do fluxo de massa dentro do processo, e emprega tais conhecimentos na identificação de melhorias de desempenho e otimização da geração e mapeamento de espécies ao longo do processo. A integração de massa baseia-se nos princípios fundamentais da engenharia química combinada com a análise do sistema usando ferramentas gráficas e de otimização. Neste contexto, o método direto de otimização foi usado como base para melhorias a fim de tornar possível sua aplicação em problemas de síntese de processo, especialmente a integração de massa. O Método das Tolerância Flexíveis é um método direto de otimização que apresenta algumas vantagens como simplicidade e a capacidade de lidar com igualdade e desigualdade sem empregar o cálculo de derivadas. O método utiliza duas buscas para satisfazer a restrição de viabilidade. A busca externa é uma variação do método de Nelder-Mead (ou o método Poliedro Flexível ou FPM) que minimiza a função objetivo. A busca interna minimiza o valor da função formada pelas restrições de igualdade e/ou desigualdade do problema. Esta busca interna pode ser realizada por qualquer método de otimização não linear irrestrita. Neste trabalho, o método das tolerâncias flexíveis foi hibridizado com diferentes métodos irrestritos para realizar a busca interna: BFGS (Método de Broyden, Fletcher, Goldfarb and Shanno) e Powell modificado. O método estocástico do Enxame de Partículas (PSO) também foi empregado para efetuar a inicialização e geração do ponto de partida viável para sequencial aplicação do método deiii terminístico (FTM e modificações). Outras modificações testadas foram o escalonamento de variáveis, a utilização de parâmetros adaptativos Nelder-Mead e a adição de uma barreira. Os algoritmos propostos neste trabalho foram aplicados a um conjunto de problemas nãolineares restritos que compreende problemas de otimização reais. Os códigos que apresentaram melhor desempenho foram o Método Modificado das Tolerâncias Flexíveis com variáveis escalonadas (MFTMS) e o híbrido FTMS-PSO (o Método das Tolerância Flexíveis com escalonamento de variáveis e hibridizado com PSO). Estes melhores códigos foram aplicados com sucesso na solução de problemas de integração em massa. Os resultados encontrados neste trabalho demonstram a capacidade de métodos simples e diretos em lidar com problemas de otimização complexos, como os problemas de integração mássica. Além disso, um problema inédito de integração mássica proposto neste trabalho, a integração mássica de uma biorefinaria de cana-de-açúcar incluindo 1G, 2G e 3G, foi resolvido com êxito com os métodos propostos neste trabalho (MFTMS e FTMS-PSO). A primeira geração (1G) inclui a produção de etanol utilizando o caldo da cana-de-açúcar e produção de vapor e eletricidade pela cogeração. A segunda geração (2G) utiliza a biomassa lignocelulósica para produção de etanol pela rota bioquímica. A terceira geração (3G) inclui a utilização de algas para produção de biocombustíveis (etanol e biodiesel). Os resultados deste estudo de caso fornecem uma indicação de uma forma economicamente viável de conseguir avanços substanciais em termos de consumo de água e redução da poluição. / This work is focused in constrained nonlinear optimization using the Flexible Tolerance Method (FTM) and in applying in systems synthesis of mass integration. Mass integration is a technique that allows an overall understanding of the mass flow within the process, and employs such knowledge in identification of performance improvements and optimization of the generation and mapping of species throughout the process. The mass integration is based on the fundamental principles of chemical engineering combined with system analysis using graphical and optimization tools. In this context, the direct method of optimization was used as the basis for improvements in order to make possible the application in process synthesis problems, especially mass integration. The Flexible Tolerance Method is a direct method of optimization that present some advantages as simplicity, the ability to lead with equality and inequality constraints without employ derivative calculus. The method uses two searches to satisfy feasibility constraint. The external search is a variation of the Nelder-Mead method (or the Flexible Polyhedron method or FPM). This one seeks to minimizes the objective function. The internal search minimizes the value of the positive function for all equality and/or inequality constraints of the problem. This internal search can be performed by any unconstrained nonlinear optimization method. In this work, the Flexible Tolerance Method was hybridized with different unconstrained methods to perform the inner search: the BFGS (Broyden, Fletcher, Goldfarb and Shanno Method) and the modified Powell. The stochastic PSO method was also employed to perform the initialization and generation of the feasible start point to sequential application of the determination method i (FTM and modifications). Others modifications tested were the scaling of variables, the use of Nelder-Mead adaptive parameters and the addition of a barrier. The algorithms proposed in this work were applied to a benchmark of constrained nonlinear problems that comprises real world optimization problems. The best codes obtained were the Modified Flexible Tolerance Method Scaled (MFTMS) and the hybrid FTMS-PSO (the Flexible Tolerance Method with scaling of variables hybridized with PSO (Particle Swarm Optimization)). These best codes were applied with success in the solution of mass integration problems. The results found in this work demonstrate the capacity of simple and direct methods in deals with complex optimization problems, as the mass integration problems. Additionally an inedited problem of mass integration proposed in this work, the mass integration of 1G, 2G and 3G sugarcane biorefinery was successful solved with the methods proposed in this work (MFTMS and FTMS-PSO). The first generation (1G) includes the ethanol production using the sugarcane juice and production of vapor and electricity throughout cogeneration. The second generation (2G) includes the ethanol production using the lignocellulosic biomass feedstock via the biochemical route. The third generation (3G) includes the algae use for production of biofuels (ethanol and biodiesel). The findings of this study case provide an indication of an economically viable way of achieving substantial advances in terms of water consumption and pollution reduction.

A produção de biocombustíveis apresenta-se como uma eficiente alternativa para superar as limitações econômico-ambientais inerentes à comercialização e utilização de combustíveis fósseis. O etanol caracteriza-se como um dos principais biocombustíveis alternativos, sendo as destilarias de cana-de-açúcar importantes exemplos de biorrefinarias, as quais, analogamente à indústria do petróleo, objetivam a obtenção de um espectro de (bio)produtos e/ou bioenergia a partir da biomassa vegetal. Embora nas atuais biorrefinarias de cana-de-açúcar a matéria-prima seja convertida em etanol, açúcar e eletricidade, uma fração considerável da energia da cana (como matéria orgânica) ainda é perdida na vinhaça. Potenciais impactos negativos da fertirrigação, i.e., aplicação direta da vinhaça no solo agrícola, também constituem outra relevante limitação do atual gerenciamento desta água residuária no Brasil. A biodigestão anaeróbia apresenta grande potencial de aplicação no tratamento da vinhaça, objetivando-se a redução de sua carga orgânica poluente concomitantemente à recuperação de bioenergia a partir do biogás. Embora tal processo potencialize a extração de energia da cana-de-açúcar na biorrefinaria, a literatura de referência ainda é escassa em termos da definição de parâmetros que viabilizem a implantação da biodigestão nas destilarias brasileiras. Neste contexto, neste estudo apresenta-se um panorama holístico da aplicação da biodigestão anaeróbia no tratamento da vinhaça de cana-de-açúcar, definindo-se condições operacionais para uma eficiente e estável conversão da matéria orgânica em hidrogênio e metano em sistemas em duas fases (acidogênico + metanogênico) termofílicos (55ºC). Diferentes cenários para produção de energia a partir do biogás também foram estudados a partir da aplicação de ferramentas de simulação, buscando-se fornecer aspectos técnicos, econômicos e ambientais da implantação das plantas de biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira. Em termos experimentais, os resultados mostraram a habilidade do reator acidogênico para manter produções contínuas de biohidrogênio em longo prazo (240 dias), sendo a aplicação de estratégias operacionais específicas, p.ex. controle do pH e da concentração de biomassa no reator, imperativa para recuperação dos sistemas submetidos a perdas de desempenho. Na fase metanogênica, a aplicação de cargas orgânicas crescentes (até 30 kgDQO m-3 d-1) em um reator convencional de manta de lodo e um reator de leito fixo estruturado indicou um desempenho muito superior do sistema com células aderidas, especialmente em termos da estabilidade operacional em longo prazo (240 dias). Finalmente, com relação à avaliação tecnológica da biodigestão, demostrou-se a viabilidade do escalonamento dos sistemas anaeróbios com separação de fases para o tratamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar, independentemente do tipo de uso proposto para o hidrogênio: não recuperação, venda como produto de valor agregado, produção de biohythane ou injeção no reator metanogênico. Os resultados também apontaram o papel determinante da alcalinização dos sistemas para melhorar o desempenho econômico ambiental da biodigestão, podendo superar efeitos da redução dos custos de investimento em alguns casos. Em suma, espera-se que os resultados apresentados neste trabalho sirvam como referência aos tomadores de decisão da indústria sucroalcooleira, suprindo lacunas de informações e destacando a viabilidade da implantação da biodigestão como tecnologia central para o processamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar no Brasil. / The production of biofuels comprises an efficient alternative to overcome the economicenvironmental drawbacks inherent to the trade and use of fossil fuels. Ethanol is one of the main alternative biofuels, with sugarcane distilleries characterized as important examples of biorefineries, which, similarly to the oil industry, aim to obtain a spectrum of (bio)products and/or bioenergy from the vegetal biomass. Although the raw material is converted into ethanol, sugar and electricity in the current sugarcane biorefineries, a considerable fraction of the energy from sugarcane (as organic matter) is still wasted in vinasse. Potential negative impacts from fertirrigation, i.e., the direct application of vinasse into the agricultural soil, also comprise another relevant drawback of the current management of this wastewater in Brazil. Anaerobic biodigestion has great potential of application in the treatment of vinasse, aiming to reduce its polluting organic load concomitantly to the bioenergy recovery from biogas. Although this process enhances the energy extraction from sugarcane in the biorefinery, the reference literature still lacks on the definition of parameters that encourage the implementation of biodigestion in Brazilian distilleries. In this context, this study presents a holistic overview of the application of biodigestion in the treatment of sugarcane vinasse, defining operating conditions for an efficient and stable conversion of the organic matter into hydrogen and methane in two-phase (acidogenic + methanogenic) thermophilic systems (55ºC). Different scenarios for the production of bioenergy from biogas were also studied by using simulation tools, aiming to provide technical, economic and environmental aspects of the implementation of vinasse biodigestion plants in the Brazilian sucro-alcohol industry. In experimental terms, the results showed the ability of the acidogenic reactor to maintain a continuous long-term (240 days) biohydrogen production, characterizing the application of specific operating strategies, e.g. control of the pH and biomass concentration inside the reactor, as imperative for the recovery of systems subjected to performance losses. In the methanogenic phase, the application of increasing organic loadings (up to 30 kgCOD m-3 d-1) to a conventional sludge blanket reactor and a structured-bed reactor indicated a much superior performance of the adhered cell system, especially in terms of the long-term operating stability (240 days). Finally, regarding the technological assessment of the biodigestion, the feasibility of scaling-up anaerobic systems with phase separation to the treatment of vinasse in sugarcane biorefineries was demonstrated, regardless of the type of use proposed for hydrogen: non-recovery, sale as a value-added product, biohythane production or injection into the methanogenic reactor. The results also pointed out the determining role of the alkalinization of the systems to improve the economic-environmental performance of biodigestion, in order to overcome the effects of the reduction of investment costs in some cases. In short, it is expected that the results presented in this study will serve as reference to decision-makers in the sucro-alcohol industry, filling information gaps and highlighting the feasibility of implementing biodigestion.