Análise técnico-econômica e ambiental de biorrefinarias de macroalgas

dc.contributor.advisor1Cruz, Antonio José Gonçalves da
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/1812806190521028
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-6830-9512
dc.contributor.authorKanematsu, Simon
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/8694905355887445
dc.contributor.refereeCruz, Antonio José Gonçalves da
dc.contributor.refereeAlmeida, Renata Maria Rosas Garcia
dc.contributor.refereeBatista, Gustavo
dc.contributor.refereeFarinas, Cristiane Sanchez
dc.contributor.refereeFurlan, Felipe Fernando
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/1812806190521028
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/3745446778086537
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/8836630048612519
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/9933650905615452
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/4136352953168873
dc.date.accessioned2026-05-05T11:31:09Z
dc.date.issued2026-03-11
dc.description.abstractThe development of macroalgae-based biorefineries has emerged as a promising pathway for the sustainable production of biofuels and high-value bioproducts. This thesis evaluates, independently, two industrial-scale routes: cellulose nanocrystals (CNC) production from Sargassum sp. and ethanol production from Kappaphycus alvarezii. The processes were modeled based on the scale-up of experimental data and literature sources, enabling the establishment of mass and energy balances, equipment sizing, and estimation of capital (CAPEX) and operating (OPEX) costs. Economic feasibility was assessed through the Minimum Selling Price (MSP), Net Present Value (NPV), and Internal Rate of Return (IRR), complemented by sensitivity and uncertainty analyses using Monte Carlo simulation, while environmental performance was evaluated following ISO 14040/14044 standards. For CNC production from Sargassum sp., four scenarios were assessed: S1) sap, alginic acid, protein, and CNC; S2) sap, alginic acid, and CNC; S3) sap and CNC; and S4) CNC only. CAPEX ranged from approximately US$113.72 to 141.29 million, while the MSP values were US$14,805.67/ton (S1), US$11,098.54/ton (S2), US$3,521.02/ton (S3), and US$8,546.04/ton (S4). Scenarios with higher product diversification exhibited increased CAPEX without proportional reductions in MSP. The most favorable configuration (S3), focused on CNC and sap production, showed the lowest MSP and best environmental performance. Sensitivity analysis indicated that hydrolysis efficiency, minimum attractive rate of return, and CAPEX are the most critical variables affecting MSP. Uncertainty analysis (95% confidence interval) showed MSP ranges of US$7,694.07-22,102.52/ton (S1), US$5,405.69-16,936.40/ton (S2), US$1,915.80–5,105.39/ton (S3), and US$6,199.59–10,695.37/ton (S4). From an environmental perspective, Life Cycle Assessment (LCA) indicated negative eutrophication potential (EP) values ranging from -0.144 to -0.05 kg PO₄³⁻ eq/kg CNC, associated with nutrient uptake during cultivation, and global warming potential (GWP) values between 1.52 and 10.53 kg CO₂ eq/kg CNC. Independently, ethanol production from Kappaphycus alvarezii was evaluated. The integrated process (including sap, yeast, and carbon credits-CBIOs) presented a CAPEX of US$148 million, IRR of 57.77%, and NPV of US$1,028.69 million. However, ethanol production as a standalone product resulted in a negative NPV (US$-2,003.07 million) and IRR below the minimum attractive rate of return, indicating economic infeasibility. Sensitivity analysis showed strong dependence on sap selling price and biomass throughput, while Monte Carlo simulation indicated a 90.64% probability of positive NPV under integrated conditions. In contrast, LCA results showed highly favorable environmental performance, with negative GWP (-0.6 kg CO₂ eq/kg) and EP (-0.14 kg PO₄³⁻ eq/kg). Overall, macroalgae biorefineries demonstrate strong environmental performance; however, their economic viability is highly dependent on product portfolio and process integration. High-value products such as CNCs improve feasibility, whereas ethanol production requires coproduct valorization, indicating that the main barrier to industrial implementation is economic rather than technical or environmental.eng
dc.description.resumoO desenvolvimento de biorrefinarias de macroalgas é uma alternativa promissora para a produção sustentável de biocombustíveis e bioprodutos. Esta tese avaliou, de forma independente, duas rotas em escala industrial: produção de CNC a partir de Sargassum sp. e de etanol a partir de Kappaphycus alvarezii. Os processos foram modelados via escalação de dados experimentais e literatura, permitindo balanços de massa e energia, dimensionamento e estimativas de CAPEX e OPEX. A viabilidade econômica foi analisada por PMV, VPL e TIR, com sensibilidade e Monte Carlo, enquanto a avaliação ambiental seguiu as normas ISO 14040/14044. Para a produção de CNC a partir de Sargassum sp., quatro cenários foram avaliados: S1) produção de seiva, ácido algínico, proteína e CNC; S2) produção de seiva, ácido algínico e CNC; S3) produção de seiva e CNC e S4) produção de CNC somente. O CAPEX variou entre aproximadamente 113,72 – 141,29 milhões de US$, enquanto o PMV dos CNCs foi de US$14.805,67/ton de CNC para S1, e para S2, S3 e S4, US$11.098,54/ton, US$3.521,02/ton e US$8.546,04/ton respectivamente. Os cenários com maior diversificação de produtos apresentaram aumento de CAPEX, sem redução proporcional do PMV. O cenário mais favorável, focado na produção de CNC e seiva, apresentou o menor PMV e melhor desempenho ambiental. A análise de sensibilidade indicou que a eficiência na hidrólise, Taxa mínima de atratividade e o CAPEX são as variáveis mais críticas para o PMV. A análise de incerteza mostrou, com intervalo de confiança de 95%, o PMV para S1 pode oscilar de US$7.694,07/ton de CNC até US$22.102,52/ton de CNC; US$5.405,69/ton– US$16.936,40/ton para S2; US$1.915,80/ton–US$5.105,39/ton para S3 e US$6.199,59/ton–US$10.695,37/ton para S4. Do ponto de vista ambiental, a ACV evidenciou impactos líquidos negativos para o Potencial de Eutrofização (EP), de -0,144 a -0,05 kg PO₄³⁻ eq/kg CNC, atribuídos ao sequestro de CO₂ e à assimilação de nutrientes durante o cultivo das macroalgas e potencial de aquecimento global entre 1,52 a 10,53kg CO2 eq/kg CNC. De forma independente, a produção de etanol a partir de Kappaphycus alvarezii foi avaliada em um segundo estudo. O processo apresentou CAPEX estimado de 148 milhões de US$, TIR de 57,77% e VPL de 1.028,69 milhões de US$, vendendo a seiva, leveduras e crédito de carbono (CBios). A ATE demonstrou que a produção de somente etanol resulta em VPL negativo (US$ -2.003,07 milhões) e TIR inferior à taxa mínima de atratividade. A análise de sensibilidade indicou que a viabilidade do projeto tem grande dependência do preço de venda da seiva e da quantidade de algas processadas. A análise de Monte Carlo revelou a probabilidade de VPL positivo de 90,64%. Em contraste, a ACV da produção de etanol apresentou desempenho ambiental altamente favorável, com GWP negativo de -0,6kg CO₂ eq/kg e EP de -0,14 PO₄³⁻ eq/kg, reforçando o potencial das macroalgas como matéria-prima sustentável. Biorrefinarias de macroalgas apresentam forte desempenho ambiental, porém sua viabilidade econômica depende do produto e da integração do processo, sendo favorecida por produtos de alto valor como CNCs, enquanto o etanol exige coprodutos, evidenciando que o principal entrave é econômico, não técnico ou ambiental.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipId170239/2023-3
dc.identifier.citationKANEMATSU, Simon. Análise técnico-econômica e ambiental de biorrefinarias de macroalgas. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24052.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24052
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectBiorrefinaria de macroalgas
dc.subjectAnálise técnico-econômica
dc.subjectAvaliação do ciclo de vida
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.ods13. Ação contra a Mudança Global do Clima
dc.titleAnálise técnico-econômica e ambiental de biorrefinarias de macroalgas
dc.title.alternativeTechno-economic and environmental assesment of a macroalgae biorefineryeng
dc.typeTese

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