Process optimization of second generation ethanol production integrated with a first generation system

Two con gurations of the integrated sugarcane biore nery for producing rstand second-generation ethanol were modeled and simulated in EMSO. The rst con guration considers the xylose biodigestion for producing biogas. Meanwhile, the second con guration implements the xylose fermentation for obtaining ethanol. The developed simulations of the biore nery are useful tools for future studies and researches. In addition, a surrogate assisted optimization framework was developed in Matlab. The framework was based on the probability of improvement method, but with some modi cations that allowed dealing with constraints and improved the e ciency of the original algorithm. The developed framework was used for solving optimization problems involving the biore nery. None con guration of the biore nery was economically feasible. However, the xylose fermentation case presented better economic performance than the xylose biodigestion case. It is possible to increase the ethanol production up to 23% in both con gurations. Nevertheless, ethanol production increase greater than 21% lead to signi cant deterioration of economic indices. Most of the optimal con gurations were achieved for enzyme loading between 12-16 FPU/g, solids loading in the range of 14-17% and hydrolysis residence times above 68 hours.Neste trabalho foi realizada a modelagem e simulação, no EMSO, de duas configurações de biorrefinaria para a produção de etanol a partir do caldo e do bagaço de cana-de-açúcar, integrando ambos os processos de primeira e segunda geração. Na primeira configuração considerou-se a biodigestão do licor de xilose para a produção de biogás, e na segunda aplicou-se a fermentação do licor de xilose visando à produção de etanol. As simulações desenvolvidas da biorrefinaria constituem ferramentas úteis para futuros projetos e análises de processos. Adicionalmente, foi desenvolvido, no Matlab, um algoritmo de otimização global assistida por metamodelo baseado no método da probabilidade de melhora, com modificações que permitiram o tratamento de restrições e melhoraram a e ciência do algoritmo original. O algoritmo desenvolvido foi utilizado na resolução de problemas de otimização da biorrefinaria. Embora nenhuma das duas configurações otimizadas da biorrefinaria resultou viável economicamente, a opção que considera a fermentação da xilose apresentou melhores indicadores econômicos. Com o processo de segunda geração é possível aumentar a produção total de etanol em até 23% em ambas as configurações. No entanto, incrementos superiores a 21% levam a uma deterioração significativa dos indicadores econômicos. Os valores ótimos das variáveis de decisão estiveram concentrados nas faixas de 12-16 FPU/g para a carga de enzimas, 14-17% para a carga de sólidos e tempos de hidrólise acima de 68 horas