00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Dissertação
Título: Produção de etanol celulósico e resíduo lignocelulósico a partir da palha da cana-de-açúcar: eficiência, aspectos de saúde e segurança e alternativas para agregar valor à rota de segunda geração
Título(s) alternativo(s): Cellulosic ethanol production and lignocellulosic residue from sugarcane straw: efficiency, health and safety aspects and alternatives to improve the second generation route
Autor(es): Bezerra, Pollyanna Ximenes Oliveira
Primeiro Orientador: Soletti, João Inácio
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Carvalho, Sandra Helena Vieira de
metadata.dc.contributor.referee1: Silva, Carlos Eduardo de Farias
metadata.dc.contributor.referee2: Bispo, Mozart Daltro
metadata.dc.contributor.referee3: Peiter, Amanda Santana
Resumo: Atualmente, a tecnologia de segunda geração (2G) é a rota industrial que está sendo desenvolvida com potencial para suprir as demandas de biocombustíveis e de bioprodutos. A tecnologia estudada nesse trabalho é baseada no processamento da biomassa que não segue a rota alimentar para extração de açúcares e do resíduo lignocelulósico, sendo os açúcares destinados à produção de etanol celulósico e o resíduo utilizado como combustível em caldeiras de geração de vapor e energia elétrica. Porém, uma abordagem que considera o emprego desse resíduo lignocelulósico apenas para geração de vapor e energia é considerada como pequena diante das diversas oportunidades que esta matéria-prima apresenta. Assim, é preciso definir como este resíduo pode ser melhor aproveitado. Esse estudo teve três objetivos: 1) comparar, com os dados da literatura, os principais resultados obtidos em uma indústria de produção de etanol celulósico a partir da palha da cana-de-açúcar, considerando as eficiências dos processos: pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação; 2) caracterizar o resíduo lignocelulósico da palha da cana-de-açúcar produzida em uma indústria de etanol celulósico e o biocarvão produzido através do experimento de pirólise desse resíduo, além de avaliar os efeitos dos parâmetros temperatura final de pirólise e taxa de aquecimento na eficiência dos produtos de pirólise; e 3) identificar os principais riscos de processo em área classificada de uma indústria de etanol 2G, do ponto de vista de saúde e segurança, através do “Estudo de Perigo e Operabilidade” (HAZOP - Hazard and Operability Study). Foi possível observar que, quando comparada com a literatura, a produção de etanol celulósico em escala industrial a partir da palha da cana-de-açúcar apresentou eficiências, global e por áreas, compatíveis com os diversos estudos relacionados à rota 2G, sendo possível produzir, aproximadamente, 200 litros de etanol celulósico por tonelada de biomassa processada. A caracterização química do resíduo lignocelulósico, realizada por Espectrometria no Infravermelho com Transformada de Fourier, mostrou um espectro compatível com a presença de hidroxilas fenólicas e alifáticas, cetonas, carbonilas, ácido p-cumárico, éter, anéis guaiacílicos, unidades sinapila e p-cumarila e compostos aromáticos. Considerando os parâmetros de pirólise temperatura final (500°C e 700°C) e taxa de aquecimento (5°C/min e 15°C/min), os resultados deste trabalho mostraram que o melhor rendimento para o bio-óleo (39%) foi obtido a 700°C e 15°C/minuto, quando comparado com temperaturas e taxas de aquecimentos menores (500°C e 5°C/minuto), sendo estas condições que resultaram no melhor rendimento de biocarvão (40,3%). Por fim, o estudo de HAZOP realizado mostrou que, mesmo para os sistemas mais críticos do processo (destilação do etanol dentro dos seus limites de explosividade), apenas 6,5% dos cenários foram considerados como “Risco moderado”, sendo os 93,5% restantes classificados como “Risco aceitável”. Desta forma, é possível concluir que: 1) a produção de etanol 2G a partir da palha da cana-de-açúcar em escala industrial mostrou potencial para seu desenvolvimento comercial; 2) altas temperaturas e taxas de aquecimento são necessárias para o melhor rendimento de bio-óleo; e 3) a produção de etanol de segunda geração, de acordo com os aspectos de saúde e segurança avaliados pelo HAZOP, é considerada segura. De qualquer forma, o investimento contínuo em pesquisa é essencial para a plena comercialização de etanol 2G e seus resíduos na próxima década.
Abstract: Currently, second-generation technology (2G) is the industrial route that is being developed with the potential to couple the demand for biofuels and bioproducts. The technology studied in this work is based on non-food biomass processing for sugar and lignocellulosic residue extraction, with sugars being used for cellulosic ethanol production, and residue used as fuel in boilers for steam and electricity production. However, the use of lignocellulosic residue only for the generation of steam and energy is limited in the face of many opportunities that this feedstock presents. Thus, it is necessary to define how it can be better utilized. This study had three objectives: 1) to compare the main results obtained from the production of cellulosic ethanol using sugarcane straw on an industrial scale to the literature, taking into account the following processes: pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation steps; 2) to characterize the lignocellulosic residue from sugarcane straw, the biochar obtained from its pyrolysis and evaluate the effects of final process temperature and heating rate on the yield of pyrolysis products, and 3) to identify the main process risks in a classified area of a 2G ethanol industry using the Hazard and Operability (HAZOP) Study. When compared to the literature, the industrial scale production of cellulosic ethanol from sugarcane straw revealed a global and per area efficiency similar to several studies related to the 2G route, with production of 200 liters of cellulosic ethanol per ton of processed biomass. The chemical characterization of lignocellulosic residue, performed by Fourier Transform Infrared Spectrometry, showed a spectrum compatible with the presence of phenolic and aliphatic hydroxyls, ketones, carbonyls, p-coumaric acid, ether, guaiacyl rings, synapyl and p-coumaril units and aromatic compounds. When considering temperature (500°C and 700°C) and heating rate (5°C/min and 15°C/min), the best yield of bio-oil (39.0% w/w) was obtained at 700°C and 15°C/min, showing that higher temperatures and heating rates are necessary for bio-oil production, when compared to the lower temperatures (500°C) and heating rates (5°C/min) used for the best yield of biochar (40.3% w/w). Finally, the HAZOP study revealed that even for the most critical process system (distillation of ethanol within its limits of explosiveness), only 6.5% of the scenarios were considered as "Moderate risk", compared to 93.5% classified as "Acceptable risk". In conclusion: 1) the production of 2G ethanol from sugarcane straw in industrial scale has shown potential for their commercial development; 2) higher temperatures and heating rates are necessary for best yield of bio-oil; and 3) the production of 2G ethanol, considering healthy and safety according to HAZOP, is considered safe. Continued investment in research is essential if full commercialization of 2G ethanol and lignocellulosic residue is to be achieving within the next decade.
Palavras-chave: Etanol
Lignina
Pirólise
Biocarvão
Óleos vegetais como combustível
Estudo de perigo e operabilidade (Indústria química)
Ethanol
Lignin
Pyrolysis
Biochar
Vegetable oils for fuel
Hazard and operational study (Chemical industry)
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: BEZERRA, Pollyanna Ximenes Oliveira. Produção de etanol celulósico e resíduo lignocelulósico a partir da palha da cana-de-açúcar: eficiência, aspectos de saúde e segurança e alternativas para agregar valor à rota de segunda geração. 2019. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2019.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/5611
Data do documento: 22-mar-2019
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