Submitted by Luciana Gabriel (luciana.gabriel@fgv.br) on 2010-12-22T18:14:00Z No. of bitstreams: 1 Dario de Carvalho e Mello Junior.pdf: 1019214 bytes, checksum: ede7f7e308ca653680b1c94ebacfcc56 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-01-03T13:39:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dario de Carvalho e Mello Junior.pdf: 1019214 bytes, checksum: ede7f7e308ca653680b1c94ebacfcc56 (MD5) Previous issue date: 2010-10-10 / The study aims to demonstrate the chemical Brazilian industry competitiveness that can be reviewed through the chemical development based on renewable natural resources with high productivity performance, represented here by sugar cane. This study is based on economic competitiveness analysis to produce ethyl acetate, using ethanol as the main raw material, where Brazil is ethyl acetate exporter and in the same time, the Brazilian internal market is strong when compared with others developed countries. Ethyl acetate exported represents 52% of the nameplate Brazilian installed capacity in 2008. There are 3 producers in Brazil, but just one export. All ethyl acetate producers use the same production technology, esterification, made from a reaction between acetic acid and ethanol. That acetic acid is widely imported by the biggest ethyl acetate exporter. The assumption used by this study is that the ethyl acetate competitiveness is given by ethanol, where it is produced by fermentation of the sugar cane juice, in Brazil. Now the esterification technology applied is well known worldwide and the acetic acid is a petrochemical commodity that follows the international price. So Brazil is an ethyl acetate exporter player because of the ethanol competitiveness, that it is produced from sugar cane. Moving to ethanol deshydrogenation technology we can produce ethyl acetate using only ethanol as raw material, reducing the importation requirements of acetic acid, that it represents an annually reduction around of 0,5 billion dollars in the Brazilian petrochemical trade balance and getting a ethyl acetate more competitive that is currently produce here in Brazil. From this study on we can think about others chemical products that could be produced from the sugar cane matrix, like, ethylene, plastics, lubricants etc., creating a new reference for the chemical Brazilian industry and reducing the current dependency of oil and natural gas. / O estudo aqui apresentado tem como objetivo mostrar que a competitividade da indústria química brasileira pode ser revista por meio do desenvolvimento da área química a partir dos recursos naturais renováveis e de alto desempenho de produtividade, aqui representado pela cana-de-açúcar. A base deste estudo analisa a competitividade econômica da produção do acetato de etila, utilizando o etanol como única matéria-prima, sendo o Brasil um grande exportador e, ao mesmo tempo, detentor de um mercado interno forte quando comparado a outros países desenvolvidos. O acetato de etila exportado representou 52% da capacidade nominal instalada no Brasil no ano de 2008. No Brasil existem três ofertantes, mas apenas um produtor é exportador. Todos usam a esterificação como tecnologia de produção, via reação do ácido acético e etanol, sendo o ácido acético largamente importado. O estudo tem como premissa que a competitividade do acetato de etila no Brasil seja dada pelo etanol, que aqui é produzido pela fermentação do caldo de cana-de-açúcar. Já a tecnologia de esterificação é conhecida e de domínio público mundial, e o ácido acético é uma commodity petroquímica com preço referenciado globalmente. Argumenta-se neste trabalho que a competitividade do acetato de etila decorre da linkage com a produção de etanol de cana-de-açúcar, o que coloca o Brasil como grande potencial exportador desse produto. Utilizando a tecnologia de desidrogenação do etanol, pode-se obter acetato de etila utilizando-se apenas o etanol como matéria-prima, reduzindo-se assim a necessidade de importação de ácido acético, que representaria redução anual do déficit da balança comercial petroquímica brasileira em aproximadamente meio bilhão de dólares e, ademais, permitindo que o acetato de etila produzido no Brasil seja ainda mais competitivo. A partir deste estudo é possível avaliar, por analogia, a competitividade de outros produtos químicos produzidos a partir da matriz cana-de-açúcar, tais como eteno, lubrificantes, plásticos etc. Tal caminho permite criar um novo marco para a indústria química brasileira, com consequente redução da dependência de petróleo e gás natural.

This dissertation develops a systematic targeting method based on the C-H-O ternary diagram for the conceptual design of gasification-based biorefineries. The approach is applied using dimethyl ether (DME) as case study. A stoichiometric equilibrium model is presented for calculation of the C-H-O chemical equilibria to evaluate and predict equilibrium syngas composition, operating temperature, type and amount of oxidant required in biomass gasification. Overall atomic species balances are developed and process targets are plotted on the C-H-O ternary diagram. Sustainability metrics are incorporated to provide useful insights into the efficiency of biorefinery process targets. It was found that syngas at 1200 and 1500 K is predominantly H2 and CO. Moreover, DME biorefineries have two main process targets, based on the indirect and direct synthesis routes. Gasification at 1200 K and 1 atm. using H2O/CO2 = 2.642 (w/w) and H2O/CH4 = 1.645 (w/w) achieved syngas composition targets for the direct and indirect methods respectively. Comparatively, the integrated biorefinery based on indirect route was more efficient, producing 1.903 ton of DME per ton of biomass feedstock. The process is 100% carbon-efficient and recycles 1.025 tons of H2O. / Civil and Chemical Engineering / M. Tech. (Chemical Engineering)

L'objectif de cette thèse est d'étudier la valorisation de la liqueur noire non soufrée par deux procédés hydrothermaux : la gazéification en eau supercritique et la liquéfaction hydrothermale. Ceux-ci seront comparés au procédé actuel de valorisation (évaporation puis combustion dans chaudière Tomlinson) selon 3 critères : le rendement énergétique, la récupération du sodium et la production de molécules aromatiques biosourcées.Lors de la gazéification, il a été montré que la formation de gaz est compétitive à celle de char. Une chauffe rapide et des températures élevées vont favoriser le rendement gaz et donc le rendement énergétique. Cependant les rendements énergétiques sont plus faibles que le procédé actuel car la conversion des composés aromatiques provenant de la lignine est faible dans la gamme de température étudiée. Lors d'un procédé en continu, à plus haute température (700°C) avec une chauffe rapide, le rendement énergétique peut être le double au procédé actuel (simulé à l'équilibre thermodynamique). La préhydrolyse du bois et l'utilisation de bois de résineux vont défavoriser la conversion de la liqueur noire en gaz.La liquéfaction quant-à-elle permet la formation composés phénoliques et d'un biocrude dont la combustion permettant de meilleur rendements énergétique que le procédé actuel. En effet, la lignine de la liqueur noire est hydrolysée en fragments réactifs, pouvant être soit dégradés soit se recombiner pour former le biocrude. Cette dernière est favorisée par la présence des carbohydrates. L'utilisation de bois de feuillus et la préhydrolyse vont améliorer le rendement énergétique.La récupération du sodium est satisfaisante pour les deux procédés, validant la faisabilité de la substitution de la chaudière par ces procédés hydrothermaux. / This thesis aims to study sulfur free black liquor valorization through two hydrothermal processes: supercritical water gasification and hydrothermal liquefaction. These processes will be compared to the industrial process (evaporation and Tomlinson boiler) with 3 mains criteria: energetic yield, sodium recovery and phenolic molecules production.In supercritical conditions, gas formation is competitive with char formation. Fast heating and high temperature permit to increase gas yield, thus energetic yield. However, conversion of phenolic compounds from lignin is low below 500°C, leading to a lower energetic yield than reference. In a continuous process, at high temperatures (700°C) and fast heating, energetic yield should be 2 times higher than industrial process (simulation at thermodynamic equilibrium). Wood prehydrolysis and softwood lead to a lower conversion of black liquor.Hydrothermal liquefaction produces a biocrude which can be burnt and phenolic platform compounds. Indeed, lignin is depolymerized into reactive fragments which can be degraded into platform phenolic molecules. Moreover, the recombination of these fragments, leading to biocrude formation, is favored by the carbohydrates derivatives in black liquor. Wood prehydrolysis and hardwood lead to better energetic and phenolic molecules yields.Sodium recovery is satisfactory for both processes. Substitution of Tomlinson recovery by a hydrothermal process is then possible.

Submitted by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-23T20:10:21Z No. of bitstreams: 1 DissEP.pdf: 2850814 bytes, checksum: 13c476dc7f26d54826c6932c0fa4fcd2 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-23T20:10:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissEP.pdf: 2850814 bytes, checksum: 13c476dc7f26d54826c6932c0fa4fcd2 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-23T20:10:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissEP.pdf: 2850814 bytes, checksum: 13c476dc7f26d54826c6932c0fa4fcd2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T20:10:57Z (GMT). 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.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-17T10:52:03Z No. of bitstreams: 1 TeseCP.pdf: 2825439 bytes, checksum: 16d1517bec92aa34e219500473b768b0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-04-24T19:46:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCP.pdf: 2825439 bytes, checksum: 16d1517bec92aa34e219500473b768b0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-04-24T19:46:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCP.pdf: 2825439 bytes, checksum: 16d1517bec92aa34e219500473b768b0 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-24T19:56:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCP.pdf: 2825439 bytes, checksum: 16d1517bec92aa34e219500473b768b0 (MD5) Previous issue date: 2016-06-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Soybean seed is a renewable feedstock and the production process of soybean meal and soybean refined oil generates residues that can be exploited, in such a way that the biorefinery concept can be applied to this production process. For this reason, this work aimed to analyse the employment of the biorefinery concept to a soybean crushing and refining facility, exploiting applications for the residues generated during the process. For that, first, information and data from literature about the traditional manufacture process of soybean meal and refined soybean oil were collected and the residues produced during this process were identified. Once the residues were recognized, data in academic literature about possible applications for the residues were collected. Next, the traditional process for producing soybean refined oil and defatted meal was simulated using a commercial simulator. The amounts of residues generated and energetic requirements were calculated. The amount of residues generated during soy protein concentrate (SPC) and soy protein isolate (SPI) process production were also obtained by simulations of these processes. Following, an application for each residue (except for SPI residues) was simulated in the same software and the results were analysed. It was verified that soybean straw and hulls could fulfill the energetic demand of the crushing, refining and biodiesel production process and even a surplus of electricity could be generated, especially when biodiesel was also used as a boiler fuel. Four residues from refining process are generated: gums, soapstock, spent bleaching earth and deodorizer distillate. From gums, it is possible to produce lecithin. From soapstock and spent bleaching earth, biodiesel can be generated, although it generates more residues and consumes more steam than the production of biodiesel from degummed oil. From deodorizer distillate, it is possible to concentrate tocopherols, which is an antioxidant and can be sold for its antioxidant properties. Soybean molasses generated during the concentration of proteins from soybean meal can also be used for electrical energy production. / A soja é uma matéria-prima renovável e o processo de produção de farelo e óleo refinado de soja gera alguns resíduos que podem ser aproveitados, de forma que o conceito de biorrefinaria pode ser aplicado a esse processo produtivo. Dessa forma, esse trabalho objetivou analisar a aplicação do conceito de uma biorrefinaria a uma instalação processadora de soja, buscando aplicação para os resíduos produzidos durante o processo. Para isso, primeiro coletaram-se informações e dados na literatura sobre o processo tradicional de produção de farelo desengordurado e óleo refinado de soja e os resíduos gerados durante esse processo foram identificados. Uma vez identificados os resíduos do processo, dados na literatura acadêmica sobre possíveis aplicações para esses resíduos foram coletados. A seguir, o processo tradicional de produção de óleo de soja refinado e farelo desengordurado foi simulado por meio de um software comercial. A quantidade de resíduos gerados e as demandas energéticas do processo foram obtidas. A quantidade de resíduos gerados durante o processo de fabricação de proteína de soja concentrada (PSC) e proteína de soja isolada (PSI) também foi calculada. Posteriormente, uma aplicação para os resíduos gerados (exceto os resíduos do processo de produção de PSI) foram simulados no mesmo software e os resultados foram analisados. Verificou-se que utilizando a casca e a palha da soja, toda a necessidade energética, tanto térmica quanto elétrica, do processo de produção de farelo, óleo refinado e biodiesel a partir do óleo degomado é satisfeita e até mesmo uma quantidade adicional de energia elétrica pode ser gerada, ainda mais quando o biodiesel também é usado como combustível na caldeira. Quatro resíduos são gerados durante o processo de refino do óleo: gomas, borra, terra clarificante gasta com óleo residual e destilado desodorizado. A partir das gomas, pode-se produzir a lecitina de soja. Da borra e terra clarificante gasta com óleo residual, pode-se produzir biodiesel, mas mais resíduos são gerados e mais vapor é consumido quando comparado à produção de biodiesel a partir do óleo degomado de soja. Os tocoferóis presentes no destilado desodorizado podem ser concentrados e vendidos devido às suas propriedades antioxidantes. O melaço da soja, gerado durante o processo de concentração das proteínas do farelo, também pode ser usado para a geração de energia elétrica.

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.

L'extraction aqueuse des lipides de la graine de tournesol est étudiée en contacteur agité. La diffusion à l'intérieur des particules est le facteur limitant de l'échange de matière. Les protéines sont impliquées dans l'entraînement et la stabilisation des lipides par l'eau. Le fractionnement de la plante entière est également étudié avec l'eau en extrusion bi-vis. Un extrait et un raffinat sont obtenus séparément et en une seule étape continue. Des rendements d'extraction en huile de 55 % peuvent être obtenus sous forme d'émulsions huile/eau. Leur stabilité est assurée par la présence à l'interface de tensioactifs : les phospholipides et les protéines voire les pectines. Les extraits se composent aussi d'une phase hydrophile. Prépondérante, elle contient des composés hydrosolubles (protéines, pectines…). Riches en fibres, les raffinats présentent une teneur significative en protéines au comportement thermoplastique. Ils peuvent être transformés en agromatériaux par thermomoulage.

Les fruits de coriandre ont été identifiés comme une source riche en huile végétale de haute qualité, à forte teneur en acide pétrosélinique et en huile essentielle. Un système d'extraction innovant a été conçu et développé en utilisant la technologie d'extrusion bi-vis. Il a permis l’obtention d'un produit nouveau, à savoir une huile végétale de coriandre aromatisée et à haute valeur ajoutée, d’un condensat présentant une concentration élevée en huile essentielle et d’un tourteau révélant une forte teneur en protéines. Le tourteau a montré son intérêt en tant que liant naturel pour la production de panneaux de fibres renouvelables issus de la paille de coriandre, un résidu de la culture de la plante, conduisant à des agromatériaux auto-liés et ayant un rapport performance/coût élevé. Les fibres de la paille de coriandre ont également présenté une bonne capacité de renforcement lorsqu’elles étaient utilisées comme charge naturelle dans des biocomposites thermoplastiques à base de polypropylène ou de biopolyéthylène, permettant le moulage par injection de matériaux peu couteux et aux propriétés mécaniques prometteuses. Ce travail présente ainsi une forte contribution à la mise en place d'une véritable bioraffinerie intégrée de la coriandre et à la démonstration de sa mise en oeuvre à une échelle industrielle. / Coriander fruits of French origin were identified as a rich source of a high-quality vegetable oil, with a high petroselinic acid content, and essential oil. An innovative extraction system was designed and developed using twin-screw extrusion technology and resulted in the recovery of a novel flavored coriander oil with high added value, as well as a hydrosol product with a high essential oil concentration and a press cake with an important protein fraction. The press cake was shown valuable as a natural binding agent for the production of renewable materials from coriander straw, a crop residue, and led to binderless boards with a high performance-cost ratio. Simultaneously, the coriander straw fibers displayed good reinforcing capacity as a natural filler in thermoplastic biocomposites from polypropylene or biopolyethylene, resulting in cost-effective materials with attractive properties. This work thus presents a strong contribution to the setup of a true integrated biorefinery for coriander fruits and its industrial implementation on a relevant production scale.

Le concept de bioraffinerie, développé afin de se substituer aux ressources fossiles, vise à concevoir une grande variété de produits (carburants, matériaux, molécules plateformes pour la chimie fine…) en se basant sur la valorisation de ressources renouvelables telles que la biomasse végétale. La mise en place de bioraffineries doit se baser sur de nouveaux procédés, éco-conçus, afin d'optimiser la performance environnementale de la chaine de transformation de la biomasse. Néanmoins, l'écoconception de procédés émergents peut être complexe en raison des multiples configurations possibles et du manque important de données précises et spécifiques sur ces technologies. L’objectif de ces travaux vise donc à développer une méthode d’évaluation multiindicateurs pour l’éco-conception des procédés agro-industriels et de bioraffineries. La démarche générale consiste à coupler les domaines du Génie des Procédés et de l’Analyse du Cycle de Vie. En effet, la modélisation, à partir de modèles physiques ou semi-empiriques (notamment issus de plans d’expériences) puis la simulation de procédés sont utilisées afin de faciliter la phase de réalisation de l’inventaire du cycle de vie en obtenant des bilans matière et énergie détaillés. Ces bilans peuvent ensuite être utilisés pour effectuer une Analyse du Cycle de Vie prospective du procédé. Par itération, il est ainsi possible de réaliser de la prévision de données et de tester de nombreux jeux de conditions opératoires pour le procédé afin d’optimiser sa performance environnementale, en déterminant les conditions opératoires optimales et les opérations unitaires les plus respectueuses de l’environnement. Cette méthodologie et son outil associé ont été testés sur différents procédés de bioraffinerie,impliquant diverses biomasses : micro-algues, coproduits de culture de blé, bois / The biorefinery concept, developed to face fossil resources dependence, aims to design a wide variety of products (biofuels, materials, chemicals ...) based on the development of renewable resources such as plant biomass. The establishment of biorefineries must be based on ecodesigned processes to optimize the environmental performance of the biomass processing chain. Nevertheless, eco-designing innovative processes can be complex due to multiple configurations and the lack of related specific and reliable data. Thereby, the aim of this research work is to develop a multi-indicator evaluation method for the eco-design of agro-industrial and biorefinery processes. The general approach is based on coupling Process Engineering and Life Cycle Assessment fields. Indeed, process modeling, based on mathematical or semi-empirical models (notably resulting from designs of experiments) and process simulation are applied to facilitate the life cycle inventory step by predicting detailed mass and energy balances. Then these data can be used to perform a prospective Life Cycle Assessment of the process. By iteration, it is possible perform data prediction and to test several operating conditions sets for the process, to enhance its environmental performance, by determining optimal operating conditions and by identifying the most environmentally friendly unit operations. The methodology and its associated tool have been tested on different biorefinery processes, involving various biomasses: micro-algae, wheat coproducts and wood