Simulation and technical-economic analysis of the production of 5- hydroxymethylfurfural from the bagasse of sweet sorghum

Com a dependência e diminuição acelerada das reservas de petróleo, novos estudos e processos sobre fontes energéticas alternativas têm sido desenvolvidos. Nesse contexto, o 5- hidroximetilfurfural (HMF) surge como matéria-prima na produção de produtos químicos de alto valor agregado, com grande potencial de substituir derivados do petróleo. Para avaliar a viabilidade de produção do HMF, o programa computacional Aspen Plus V11 foi utilizado nas simulações dos processos químicos empregando o bagaço do sorgo sacarino [Sorghum bicolor (L). Moench] como matéria-prima. Neste estudo, foram simuladas dezoito plantas químicas com as seguintes etapas: i) pré-tratamento da biomassa; ii) hidrólise enzimática da celulose; iii) síntese do HMF; e iv) separação e purificação do produto. Foram estudados os pré-tratamentos ácido diluído, hidrotérmico e explosão a vapor, associados a uma etapa alcalina. Na etapa de síntese do HMF, seis modelos cinéticos provenientes da literatura foram avaliados. Para determinar o custo do HMF e os principais parâmetros que o afetaram, foi realizada uma análise econômica e de sensibilidade. Os resultados indicam que o melhor custo estimando de HMF foi 5,95 US$.kg -1 , proveniente da simulação realizada utilizando o pré-tratamento por explosão a vapor e a etapa de síntese conduzida a 200 °C, por um tempo de residência de 8 minutos, empregando Zeólita Fe/HY como catalisador da reação. De modo geral, a análise de sensibilidade revelou que a vazão de bagaço é o parâmetro mais importante para a diminuição dos custos. Palavras-chave: 5-Hidroximetilfurfural. Aspen Plus. Simulação de processos. Análise econômica. Biorrefinaria.With the dependence and accelerated decrease of oil reserves, new studies and processes on alternative energy sources have been developed. In this context, 5-hydroxymethylfurfural (HMF) appears as a raw material in the production of high value-added chemicals, with great potential to replace petroleum products. To evaluate the viability of HMF production, the computer program Aspen Plus V11 was used in the simulations of the chemical processes using the bagasse of sweet sorghum [Sorghum bicolor (L). Moench] as a raw material. In this study, eighteen chemical plants were simulated with the following steps: i) pre-treatment of biomass; ii) enzymatic hydrolysis of cellulose; iii) synthesis of the HMF; and iv) product separation and purification. Diluted acid, hydrothermal and steam explosion pre-treatments, associated with an alkaline step, were studied. In the HMF synthesis stage, six kinetic models from the literature were evaluated. To determine the cost of HMF and the main parameters that affected it, an economic and sensitivity analysis was carried out. The results indicate that the best estimated cost of HMF was 5.95 US$ .kg-1, resulting from the simulation performed using the pre- treatment by steam explosion and the synthesis stage conducted at 200 ° C, for a residence time of 8 minutes, using Zeolite Fe / HY as the reaction catalyst. In general, the sensitivity analysis revealed that bagasse flow is the most important parameter for reducing costs. Keywords: 5-Hydroxymethylfurfural. Aspen Plus. Process simulation. Economic analysis. Biorefinery.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio