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Contribuições da engenharia de sistemas em bioprocessos à transição para a economia neutra em carbono: análise tecno-econômica-ambiental de biorrefinarias
dc.contributor.author | Elias, Andrew Milli | |
dc.date.accessioned | 2020-05-22T15:54:48Z | |
dc.date.available | 2020-05-22T15:54:48Z | |
dc.date.issued | 2020-03-16 | |
dc.identifier.citation | ELIAS, Andrew Milli. Contribuições da engenharia de sistemas em bioprocessos à transição para a economia neutra em carbono: análise tecno-econômica-ambiental de biorrefinarias. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12763. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12763 | |
dc.description.abstract | R&D of (bio)chemical processes should include economic analysis and environmental assessment since the early stages of research, to improve the chance of successful industrial implementation. Process Systems Engineering tools (PSE) allied with technical-economic analysis (TEA) and life-cycle assessment (LCA) can be used to identify possible bottlenecks, providing targets for R&D teams. Thus, the objective of this work was to expand the retro-techno-economic analysis (RTEA) through the LCA inclusion, methodology refinement with the addition of the global sensitivity analysis (GSA) and heat integration through the Pinch methodology. The processes were simulated in the EMSO software. Pinch analysis occurs at each convergence loop. The tool has been evaluated in several case studies, providing a maximum deviation of 10.7% compared to optimization techniques. When applied to the 1G and 1G-2G ethanol biorefinery, a system with more than 27 thousand variables, there was a reduction in utility consumption of up to 12,8%, increasing plant productivity. In addition, energy integration increased the robustness of the simulation by creating a “virtual heat exchangers network”. This network deals, in simulation time, with convergence problems due to structural changes in the process, which can occur during the analysis. The expansion of RTEA incorporating LCA, called retro-techno-economic-environmental analysis (RTEEA), combine life cycle analysis (LCA) metrics with economic ones, in order to delimit regions of operation of the process, which simultaneously meet the desired economic and environmental performance. In this methodology, instead of assessing the economic and environmental feasibility of a specific operational condition, TEA and LCA are used to provide target values for the main process metrics. RTEEA is composed by four stages: base case construction, incorporation of TEA and LCA in the process simulation, selection of key variables through GSA and delimitation of the feasible space. RTEEA was applied in two case studies: 1G and 1G-2G ethanol biorefinery from sugar cane and the production of cellulases enzymes through solid state fermentation of sugarcane bagasse in an integrated process to 1G-2G biorefinery. The selection of key variables through the process GSA was carried out in two stages. The first, using the Morris method, aims to determine which variables can have their values fixed, thus being excluded from the next step. The second part, using the Sobol method, aims to list, in order of priority, which variables most contribute to the variation of the values of the model outputs. In the first case study, RTEEA identified that any feasible 1G-2G ethanol production process will always have a lower greenhouse gas emission than the 1G ethanol process. In the second case study, GSA demonstrated that enzyme activity is the variable that most affects the metrics. In addition, the RTEEA showed that if the economic viability of the process is attended, the environmental constraint will also be encountered. | eng |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
dc.subject | Análise de sensibilidade global | por |
dc.subject | Avaliação do ciclo de vida | por |
dc.subject | Análise de pinch | por |
dc.subject | Produção de celulase | por |
dc.subject | Fermentação em estado sólido | por |
dc.subject | Espaço viável | por |
dc.subject | Análise tecno-econômico-ambiental reversa | por |
dc.subject | Biofuels | eng |
dc.subject | Heat integration | eng |
dc.subject | Global sensitivity analysis | eng |
dc.subject | Life cycle analysis | eng |
dc.subject | Feasible space | eng |
dc.subject | Biocombustiveis | eng |
dc.subject | Cellulase production | eng |
dc.subject | Solid state fermentation | eng |
dc.subject | Retro-techno-economic-environmental analysis | eng |
dc.subject | Pinch analysis | eng |
dc.title | Contribuições da engenharia de sistemas em bioprocessos à transição para a economia neutra em carbono: análise tecno-econômica-ambiental de biorrefinarias | por |
dc.title.alternative | Bioprocesses and systems engineering contributions to transition to the neutral carbon economy: techno-economic-environmental analysis of biorefineries | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.contributor.advisor1 | Giordano, Roberto de Campos | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0834668419587001 | por |
dc.contributor.advisor-co1 | Furlan, Felipe Fernando | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4136352953168873 | por |
dc.description.resumo | A pesquisa e o desenvolvimento de processos (bio)químicos devem incluir análise econômica e avaliação ambiental desde os estágios iniciais da pesquisa, para melhorar as chances de implementação industrial bem-sucedida. As ferramentas de engenharia de sistemas em (bio)processos (ESP) aliadas à análise técnico-econômica (ATE) e avaliação do ciclo de vida (ACV) podem ser usadas para identificar possíveis gargalos, fornecendo metas para as equipes de P&D. Assim, o objetivo deste trabalho foi expandir a análise tecno-econômica reversa (ATER), através da inserção do ACV, do refinamento da metodologia com a inclusão da análise de sensibilidade global (ASG) e da integração energética do processo através da metodologia Pinch. Os processos foram simulados no software EMSO. A análise Pinch ocorre a cada loop de convergência. A ferramenta foi avaliada em diversos estudos de caso, fornecendo um desvio máximo de 10,7% comparado com técnicas de otimização. Quando aplicada à biorrefinaria de etanol 1G e 1G-2G, um sistema com mais de 27 mil variáveis, houve uma redução no consumo de utilidades de até 12,8%, aumentando a produtividade da planta. Além disso, a integração energética aumentou a robustez da simulação ao criar uma “rede virtual de trocadores de calor”. Esta rede, lida em tempo de simulação com problemas de convergência decorridos de mudanças estruturais do processo, que podem ocorrer durante as análises. A análise tecno-econômico-ambiental reversa (ATEAR), combinou métricas de análise do ciclo de vida (ACV) com métricas econômicas, a fim de delimitar regiões de operação do processo, que atendam simultaneamente as performances econômica e ambiental desejadas. Nessa metodologia, em vez de avaliar a viabilidade econômica e ambiental de uma condição operacional específica, a ATE e a ACV são usados para fornecer valores-alvo para as principais métricas do processo. A ATEAR é composta por quatro etapas: construção de um caso base, incorporação da ATE e da ACV na simulação do processo, seleção de variáveis-chave através da ASG e delimitação do espaço viável. A ATEAR foi aplicada a dois estudos de caso: a biorrefinaria de etanol 1G e 1G-2G a partir da cana de açúcar e a produção de enzimas celulases através da fermentação em estado sólido do bagaço de cana em um processo integrado a biorrefinaria 1G-2G. A seleção das variáveis-chave através da ASG do processo foi realizada em duas etapas. A primeira, através método de Morris, tem como objetivo determinar quais variáveis podem ter seus valores fixados, sendo assim, excluídas da próxima etapa. A segunda parte, através do método de Sobol, tem o objetivo de elencar, em ordem de prioridade, quais variáveis mais contribuem para a variação dos valores das saídas dos modelos. No primeiro estudo de caso, a ATEAR identificou que, qualquer processo factível de produção de etanol 1G-2G terá sempre uma emissão de gases de efeito estufa menor que o processo de etanol 1G. No segundo estudo de caso, a ASG demonstrou que a atividade enzimática é a variável que mais afeta as métricas. Além disso, a ATEAR mostrou que sendo atendida a viabilidade econômica do processo, a restrição ambiental também será acatada. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | CAPES: Código de Financiamento 001 | por |
dc.description.sponsorshipId | FAPESP : 2016/10636-8 | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/9027834000452831 | por |