dissertação

Otimização de biorrefinarias integradas de cana-de-açúcar e microalgas utilizando programação linear inteira mista

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Resumo

Com o crescimento desenfreado da demanda energética, o uso de combustíveis fósseis tornou- se um problema mundial. Por isso, é cada vez maior a busca por fontes menos nocivas ao meio ambiente sendo a biomassa, com a produção de biocombustíveis, uma alternativa promissora para evitar o aquecimento global. A biomassa é considerada uma matéria-prima neutra em carbono e sua conversão eficiente representa uma opção interessante para produzir energia e produtos químicos de valor agregado. O processo de conversão e/ou melhoramento da biomassa se dá por meio da implantação de biorrefinarias; essas instalações representam o ponto de partida para a promoção de modelos de bioeconomia. Portanto, o objetivo deste estudo é desenvolver um modelo de programação linear inteira mista (MILP) baseado em uma biorrefinaria integrada aplicada na Colômbia para a cadeia de suprimentos, usando informações de múltiplas rotas de conversão para selecionar a combinação ótima de processos levando em consideração aspectos econômicos e ambientais. Foram considerados seis tipos de biorrefinarias com potencial para produzir bioetanol, eletricidade, pellets de bagaço, SNG, diesel verde, gasolina verde, bioquerosene de aviação e biocarvão. Quatro tecnologias de conversão de microalgas cultivadas em vinhaça foram analisadas: biodigestão, gaseificação com água supercrítica, liquefação hidrotérmica e carbonização hidrotérmica. O modelo MILP foi resolvido no software Lingo usando uma biblioteca de bancos de dados de modelos de processo. Os resultados mostram que as microalgas são uma estratégia promissora para o tratamento da vinhaça e que as microalgas são mais eficientes energeticamente do que a cana- de-açúcar em termos de uso da terra. A produção de biocombustíveis e eletricidade usando a cana-de-açúcar como matéria-prima provou ser uma alternativa promissora para a produção de energia do ponto de vista econômico e ambiental. O principal desafio para o projeto de biorrefinarias integradas é selecionar a melhor combinação de processos e operações tendo em conta aspectos econômicos, sendo a localização e o sistema logístico os mais impactantes em termos ambientais.

Abstract

As the energy demand continues to grow, the use of fossil fuels has become a global problem. For this reason, the search for sources that are less harmful to the environment is increasing, and biomass, with the production of biofuels, is a promising alternative for preventing global warming. Biomass is considered a carbon-neutral feedstock and its efficient conversion represents an interesting option for the production of energy and value-added chemicals. The process of converting and/or upgrading biomass takes place through the implementation of biorefineries; these facilities represent the starting point for the promotion of bioeconomy models. Therefore, the aim of this study is to develop a mixed integer linear programming (MILP) model based on an integrated biorefinery applied in Colombia for the supply chain, using information from multiple conversion routes to select the optimal combination of processes taking into account economic and environmental aspects. Six types of biorefineries with the potential to produce bioethanol, electricity, bagasse pellets, SNG, green diesel, green gasoline, jet fuel and biochar were considered. Four technologies for the conversion of microalgae grown on vinasse were analysed: biodigestion, supercritical water gasification, hydrothermal liquefaction and hydrothermal carbonisation. The MILP model was solved in Lingo software using a database library of process models. The results show that microalgae are a promising strategy for treating vinasse and that microalgae are more energy efficient than sugarcane in terms of land use. The production of biofuels and electricity using sugarcane as a feedstock has proven to be a promising alternative for energy production from an economic and environmental point of view. The main challenge for the project of integrated biorefineries is to select the best combination of processes and operations taking into account economic aspects, with the location and logistics system being the most impactful in environmental terms.

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CUAN, J. E. I. Otimização de biorrefinarias integradas de cana-de-açúcar e microalgas utilizando programação linear inteira mista. 2023. 106 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.

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