Gasification of biomas for syngas production and subsequent fermentation to bioethanol : modeling and process simulation

A produção de biocombustíveis a partir da biomassa apresenta-se como uma alternativa para suprir as limitadas reservas de petróleo. A biomassa, atualmente, está sendo usada para diferentes processos termoquímicos, entre os quais a gaseificação é o de maior destaque. A gaseificação produz gás de síntese que é uma mistura, principalmente, de CO, H2 e CO2. Este gás serve para produzir energia, diferentes produtos químicos e biocombustíveis, como por exemplo, o bioetanol. A partir do gás de síntese, a produção de bioetanol pode ser realizada usando catalisadores químicos ou biocatalisadores, sendo este último processo conhecido como fermentação do gás de síntese. Para o processo integrado de gaseificação da biomassa e posterior fermentação para produção de bioetanol, as informações na literatura são escassas, o que dificulta avaliar a viabilidade desta nova tecnologia, em termos de condições operacionais. O uso de modelos matemáticos e sua simulação computacional podem auxiliar neste estudo. A literatura dispõe de vários estudos envolvendo simulações computacionais aplicadas à gaseificação de diferentes biomassas. Porém, poucos abordam a caracterização real do processo e as propriedades da biomassa utilizada, considerando apenas as propriedades para o carvão mineral, o que acaba gerando divergência nos resultados. Além disso, a maioria fundamenta suas simulações em modelos simples com base na caracterização elementar-imediata, que acaba limitando o desenvolvimento de plantas virtuais, que são baseadas na análise composicional da biomassa quando focadas na produção de bioetanol como etapa final ou como integração do processo. Assim, este trabalho tem como objetivos estudar o processo completo de gaseificação e realizar um estudo preliminar da fermentação do gás de síntese, mediante simulações computacionais, para definir as melhores condições e variáveis que afetam o processo global quando o bagaço de cana-de-açúcar é utilizado como matéria-prima. As simulações foram desenvolvidas utilizando o simulador comercial Aspen Plus¿ e os resultados validados com dados experimentais da literatura e dados obtidos nos Laboratórios LDPS/LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP. Para a completa simulação do processo, várias etapas foram estudadas e divididas para melhor entendimento. Foram desenvolvidos modelos matemáticos para predizer propriedades necessárias para o desenvolvimento de processos termoquímicos. Simulações baseadas nas análises elementar-imediata e composicional da biomassa foram realizadas para definir a decomposição inicial da biomassa, demonstrando os diferentes rendimentos e produtos que são gerados e que são a base da etapa inicial da gaseificação. Simulações completas da gaseificação foram desenvolvidas para estudar a gaseificação em diferentes tipos de reatores. A influência das condições de operação na gaseificação como temperatura, razão de equivalência (ER), injeção de vapor e temperatura do pré-aquecedor do ar no desempenho do gaseificador foram avaliadas. Com as condições operacionais da gaseificação definidas foi proposta uma simulação para representar a fermentação do gás de síntese. A partir dos resultados obtidos foi constatado que a composição do gás de síntese é alterada pelo aumento do ER e pela injeção de vapor no processo, e diferentes concentrações de bioetanol são obtidas quando a pressão de entrada do gás de síntese é alterada.The production of biofuels from biomass is presented as an alternative to save the limited oil reserves. Currently, biomass is being used for different thermochemical processes, including gasification which is the most prominent. Gasification produces synthesis gas which is a mixture mainly of CO, H2 and CO2. This gas is used to produce energy, several chemicals and biofuels, such as ethanol. The ethanol from synthesis gas may be produced using chemical catalysts or biocatalysts, this latter process is known as fermentation of syngas. The information in the literature is scarce for the integrated gasification of biomass and subsequent fermentation to produce ethanol, making it difficult to see the feasibility of this new technology, in terms of operating conditions. The use of mathematical models and their computer simulation can help this study. Typically, numerous studies involving computer simulations, applied to different biomass gasification, are found in the literature. However, few of them approach the real characterization of process and properties for used biomass, considering only the properties for coal, which ends up generating divergence in the results. Moreover, most of the simulations are grounded on simple models based on proximate-ultimate characteristics, which end up limiting the development of virtual plants, which are based on biomass compositional analysis when focused on the production of ethanol as the final step or as integration process. Thus, the aims of this work are to study the complete gasification process and to carry out a preliminary study of synthesis gas fermentation, through computer simulations, in order to define the best conditions and variables that affect this global process when sugarcane bagasse is used as raw material. The simulations were developed using Aspen Plus ¿ simulator and the results validated with experimental data from literature and data obtained in the laboratories LDPS / LOPCA / BIOEN / FEQ / UNICAMP. For the full simulation of the process, several steps were studied and divided for a better understanding. Mathematical models were developed to predict properties required for the development of thermochemical processes. Simulations based on biomass analysis as proximate-ultimate and compositional were done to define the initial decomposition of biomass, demonstrating the different yields and products that are generated and which are the basis of the initial stage of the gasification. Complete simulations of gasification were carried out to study different types of gasification reactors. The influence of operating conditions at gasification performance was investigated; variables such as temperature, equivalence ratio (ER), steam injection and preheater temperature were evaluated. With the set conditions of gasification was proposed a simulation to represent the fermentation of syngas. It was demonstrated that the synthesis gas composition is changed when increased the ER and steam injection; and different ethanol concentrations are obtained when the input pressure of the synthesis gas is changed