Otimização de superestrutura (MILP) para o design de biorrefinaria multiproduto

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Santiago, Bárbara Luiza Silva
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: [s.n.]
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Optimization
Mixed-integer linear programming
Biomassa lignocelulósica
Biorrefinaria
GAMS
Hidroximetilfurfural
Ácidos levulínicos
ODS: 9. Indústria, inovação e infraestrutura
Otimização
Programação linear inteira mista
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.12733/41520
Resumo: Orientador: Reginaldo Guirardello
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Nesse contexto, as biorrefinarias desempenham um papel estratégico, especialmente no Brasil, onde fatores como clima favorável, disponibilidade de terras e domínio técnico sobre culturas agrícolas favorecem o uso em larga escala do bagaço de cana-de-açúcar. No entanto, a consolidação dessas unidades produtivas depende do desenvolvimento de estratégias de processo que assegurem sua viabilidade técnica e competitividade econômica. Este trabalho aplica uma abordagem de otimização baseada em superestrutura, por meio da Programação Linear Inteira Mista (MILP), para identificar a configuração ótima de uma biorrefinaria multiproduto voltada à produção de 5-hidroximetilfurfural (HMF), ácido levulínico (LA) e ?-valerolactona (GVL). A superestrutura representa todas as rotas de processamento plausíveis para converter a biomassa nos produtos-alvo, permitindo uma avaliação sistemática de diferentes alternativas sob os mesmos critérios econômicos e técnicos. O uso de um modelo linear garante maior rapidez de resolução, viabilidade computacional mesmo em problemas complexos e assegura a obtenção de soluções ótimas globais devido à convexidade do problema. A originalidade deste estudo reside na avaliação integrada de HMF, LA e GVL — compostos que geralmente são analisados de forma isolada — e no uso de um modelo matemático capaz de identificar a rota de processo mais lucrativa. Adicionalmente, uma análise de sensibilidade é realizada para avaliar a robustez da configuração otimizada frente às variações do mercado. Ao identificar as etapas de maior custo e os gargalos tecnológicos, esta pesquisa oferece subsídios concretos para o desenvolvimento de sistemas de biorrefinarias mais sustentáveis e competitivos no contexto da bioeconomia. A aplicação de modelagem matemática baseada em superestrutura permitiu identificar, dentre múltiplas alternativas tecnológicas, o arranjo ótimo de uma biorrefinaria multiproduto a partir do bagaço de cana-de-açúcar, maximizando o valor presente líquido (VPL) e garantindo o ótimo global devido à convexidade do problema. A configuração mais vantajosa envolveu a produção exclusiva de ácido levulínico (LA), furfural e eletricidade, com pré-tratamento por explosão a vapor, purificação do LA por extração com solvente e produção de furfural por destilação reativa. Com alimentação de 15 t/h de bagaço, a planta alcançou produção de 2,7 t/h de LA e 1,9 t/h de furfural, resultando em um VPL de 111 milhões de dólares e taxa interna de retorno (TIR) de 19,1%. Embora o LA represente 59% da produção em massa, foi responsável por 79% da receita total. A análise de sensibilidade com variações de ±25% em CAPEX, OPEX e preços de insumos e produtos demonstrou robustez do processo. O preço mínimo de venda (break-even) do LA foi de 2,79 USD/kg, enquanto valores de furfural acima de 2,83 USD/kg tornaram o pré-tratamento com ácido diluído mais atrativo. A produção de ?-valerolactona (GVL) foi economicamente viável com preço mínimo de 1,71 USD/kg, mas só superaria o LA caso seu preço de venda ultrapassasse 3,19 USD/kg. Para o 5-hidroximetilfurfural (HMF), o processo mais promissor foi o reator bifásico com catalisador homogêneo, porém economicamente inviável nas condições simuladas (VPL < 0) exigindo preço de venda mínimo de 4,29 USD/kg e superior a 5,56 USD/kg para competir com o LAAbstract: The growing global demand for sustainable development has driven the expansion of the bioeconomy, which promotes the use of renewable biomass for the production of energy, fuels, and high-value-added chemicals. In this context, biorefineries play a strategic role, particularly in Brazil, where favorable climate conditions, land availability, and technical expertise in agriculture support the large-scale use of sugarcane bagasse. However, the consolidation of such production units depends on the development of process strategies that ensure both technical feasibility and economic competitiveness. This work applies a superstructure-based optimization approach, using Mixed-Integer Linear Programming (MILP), to identify the optimal configuration of a multiproduct biorefinery aimed at producing 5-hydroxymethylfurfural (HMF), levulinic acid (LA), and ?-valerolactone (GVL). The superstructure encompasses all plausible processing routes for converting biomass into the target products, enabling a systematic evaluation of alternative process pathways under consistent economic and technical criteria. The use of a linear model ensures faster solution times, computational feasibility even for complex problems, and guarantees global optimality due to the convex nature of the problem. The originality of this study lies in the integrated evaluation of HMF, LA, and GVL compounds that are typically analyzed separately—and in the use of a mathematical model capable of identifying the most profitable process route. Additionally, a sensitivity analysis is performed to assess the robustness of the optimized configuration under market fluctuations. By identifying cost-intensive stages and technological bottlenecks, this research provides concrete insights to support the development of more sustainable and competitive biorefinery systems within the bioeconomy framework. The application of superstructure-based mathematical modeling enabled the identification of the optimal configuration for a multiproduct biorefinery using sugarcane bagasse, maximizing the net present value (NPV) and ensuring the global optimum due to the convex nature of the problem. The most economically advantageous configuration involved the exclusive production of levulinic acid (LA), furfural, and electricity, with steam explosion as the pretreatment method, LA purification via solvent extraction, and furfural production through reactive distillation. With a feed of 15 t/h of bagasse, the plant achieved outputs of 2.7 t/h of LA and 1.9 t/h of furfural, resulting in an NPV of USD 111 million and an internal rate of return (IRR) of 19.1%. Although LA accounted for 59% of the mass production, it represented 79% of the total revenue. The sensitivity analysis, considering ±25% variations in CAPEX, OPEX, and prices of feedstocks and products, demonstrated high process robustness. The break-even selling price of LA was 2.79 USD/kg, while furfural prices above 2.83 USD/kg made dilute acid pretreatment more attractive than steam explosion. The production of ?-valerolactone (GVL) was economically feasible with a minimum selling price of 1.71 USD/kg, but would only surpass LA in profitability if its price exceeded 3.19 USD/kg. For 5-hydroxymethylfurfural (HMF), the most promising route involved a biphasic reactor with a homogeneous catalyst; however, it proved economically unfeasible under the simulated conditions (NPV < 0), requiring a minimum selling price of 4.29 USD/kg and above 5.56 USD/kg to become more competitive than LAAbertoDoutoradoEngenharia QuímicaDoutora em Engenharia QuímicaCAPES001; 88882.329720/2019-01[s.n.]Guirardello, Reginaldo, 1961-Paiva, Jose Luis deMaciel, Maria Regina WolfSilva, João Paulo AlvesMariano, Adriano PintoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSantiago, Bárbara Luiza Silva20252025-11-06T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (160 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/41520SANTIAGO, Bárbara Luiza Silva. Otimização de superestrutura (MILP) para o design de biorrefinaria multiproduto. 2025. 1 recurso online (160 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP. Disponível em: 20.500.12733/41520. Acesso em: 27 abr. 2026.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1540213Cover: https://repositorio.unicamp.br/capa/capa?codigo=1540213porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2026-03-03T10:07:34Zoai::1540213Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2026-03-03T10:07:34Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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