Sugar and ethanol production of first and second generation : simulation, energy integration and economic analysis

Nesta tese, utilizou-se o simulador comercial Aspen Plus® para simular o processo de produção conjunta de açúcar, etanol e eletricidade em uma usina convencional e a produção de etanol e eletricidade em uma destilaria autônoma. A integração dos processos e diferentes usos para o bagaço excedente foram estudados. Foram avaliadas modificações nos processos convencionais para aumentar a produção de eletricidade e a produção de etanol de segunda geração, utilizando como matéria prima o bagaço ou fração fina do bagaço composta por células de parênquima (fração-P). Os casos estudados também foram avaliados economicamente e quanto à captação de água, propondo alternativas para minimização desta. Os resultados indicaram que a integração energética dos processos convencionais minimizou a quantidade de vapor necessária, disponibilizando uma maior quantidade de bagaço para outros usos. O uso do bagaço excedente, em conjunto com a palha, como combustível em um sistema de cogeração com a instalação de uma turbina de condensação, permitiu o aumento da eletricidade disponível em 244%, quando utilizada a maior quantidade de palha admitida para o caso estudado para a destilaria autônoma. Os casos que estudaram a fração-P apresentaram maior produção de energia elétrica e produção de etanol/t material lignocelulósico do que os casos de segunda geração a partir do bagaço. Todos os casos apresentaram captação de água superior à permitida no Estado de São Paulo, 1 m3/t de cana de açúcar, sendo desta forma considerada a concentração da vinhaça e o aproveitamento, após tratamento, da água de lavagem do material pré-tratado, para os casos de segunda geração. A análise econômica mostrou que é possível aumentar a lucratividade dos processos convencionais, a longo prazo, com modificações no sistema de cogeração resultando em pouca alteração no tempo de retorno do investimento. O uso da fração-P para produção de etanol de segunda geração, tendo como pré-tratamento LHW e utilizando custo baixo para as enzimas, se apresentou igualmente atrativo, do ponto de vista econômico, ao melhor caso estudado de modificações no sistema de cogeração. Menores tempo de retorno, rentabilidade do investimento e lucratividade, a longo prazo, foram encontrados para os casos que consideraram a produção conjunta de açúcar e etanol. A viabilidade econômica dos processos de segunda geração apresentou-se altamente dependente do custo das enzimas.In this thesis, the commercial simulator Aspen Plus® was used to simulate the conventional mill producing sugar, ethanol and electricity and the autonomous distillery producing ethanol and electricity. The integration of processes and different uses for the surplus bagasse were studied. It was evaluated changes in conventional processes to increase electricity production and the production of second generation ethanol using bagasse or bagasse fine fraction composed by parenchyma cells (fraction-P). The cases were economically evaluated and water uptake was analyzed, alternatives were proposed to its minimization. The results indicated that the energy integration of the conventional processes minimized the amount of steam, it provided a larger amount of bagasse for other uses. The use of bagasse, together with sugarcanetrash, as a fuel to the cogeneration system considering the installation of a condensation turbine led to an increase of 244% in the available electricity when using the higher amount of sugarcane-trash studied for the autonomous distillery. The cases that studied the P-fraction showed higher production of electricity and ethanol/t lignocellulosic material than the cases of second generation that used bagasse. All cases presented water uptake higher than allowed in the state of São Paulo, 1 m3/t de sugarcane, therefore, it was considered the concentration of vinasse and recovery of wash water from the pre-treated material, for the second generation cases. The economic analysis showed that it is possible to increase the profitability of the conventional processes, in the long term, with changes in the cogeneration system resulting in little change in the payback time of the investment. The use of P-fraction for production of second generation ethanol, with the LHW pretreatment and considered low cost of the enzymes, was equally attractive, from an economic point of view, to the best studied case of changes in the cogeneration system. Lower payback time, return on the investment and long-term profitability were found for cases that considered the joint production of sugar and ethanol. The economic viability of the second generation process presented itself highly dependent to the enzyme cost