Application of Computer-Aided Process Engineering and Exergy Analysis to Evaluate Different Routes of Biofuels Production from Lignocellulosic Biomass

Abstract

The fast development of the bioethanol industry based on sugar cane in Colombia and Latin America has contributed to the debate on "food versus fuel" and environmental impact. In this paper, the integrated use of sugar cane bagasse was analyzed for the second generation of biofuels production, which does not affect the food supply. A case study was used to demonstrate the approach. The case study involves the conversion of 1200 tonnes/day of sugar cane bagasse to ethanol. Computer-aided process engineering tools together with exergetic and life cycle analyses using Aspen and SimaPro software were used for the screening of process configurations and the identification of opportunities for improvement. Additionally, the application of process integration principles to the selected topology identified strategies to conserve natural resources and reduce the environmental impact of the process.

Application of Thermodynamic Property Exergy in the Evaluation of a Processes of Production of Lignocellulosic Ethanol: A Review

“…Normalmente, a exergia química dos compostos orgânicos relacionada à biomassa é estimada a partir de suas composições elementares, por meio de correlações empíricas, como proposto por SONG et al 25 A exergias de pressão (Ex P ) e calor (Ex Q ) devem-se à adição de uma corrente de pressão diferente de P0 e à adição (ou retirada) de calor do sistema, respectivamente (Tabela 1). 15,26 A adição de calor pode ser decorrente inclusive de energia liberada ou consumida pelas reações químicas que ocorrem no meio.…”

“…Portanto, melhorias na eficiência exergética podem contribuir para a redução de impactos ambientais associado às perdas de exergia nas emissões e resíduos; 17,29 iv) a técnica permite quantificar as emissões/rejeitos liberados para o ambiente. 17,29 No contexto da produção de etanol lignocelulósico, tais atributos vêm sendo aplicados: i) no desenvolvimento e aprimoramento de rotas tecnológicas alternativas à produção de etanol 1G; 15,[34][35][36] ii) na análise de viabilidade de sistemas integrados (poligeração: energia, calor, etanol lignocelulósico e gás de síntese); 10,28,37,38 iii) na otimização de variáveis de processo; 12,16,21,26,39 iv) no desenvolvimento de novos indicadores de desempenho; 20,33 A etapa de pré-tratamento da biomassa lignocelulósica para a produção de etanol envolve o uso intenso de produtos químicos e energia. Além disso, é um dos passos mais caros e menos tecnicamente maduros no processo de conversão energética da biomassa.…”

“…Como consequência, as configurações propostas para o processamento de etanol 2G incorporam etapas adicionais de prétratamento e hidrólise enzimática que, geralmente, envolvem o consumo de produtos químicos e recursos não renováveis consideráveis. 15 Nesse contexto, métricas de diagnóstico de eficiência de conversão energética se fazem necessárias na investigação de rotas alternativas de produção de biocombustíveis. Durante as últimas décadas, constata-se um grande interesse científico pela análise envolvendo indicadores termodinâmicos no contexto do etanol 2G.…”

Production of bioethanol by facultative anaerobic bacteria

“…A microscope was used to determine the cell morphology of the isolates. Test strains were Gram-stained and tested for catalase production, then preliminarily identified based on phenotypic properties such as growth at different temperatures (15-45°C) and the ability to grow in different concentrations of sodium chloride (2.5-6.5%) and pH (3)(4)(5)(6)(7)(8)(9) in MRS broth (22,23). API 50 CHL test strips (Bio Merieux, France) (23) were employed to determine the sugar fermentation patterns of LAB isolates.…”

“…This is also important because it will provide an alternative to fossil fuels at a rate of 40% (3,4). Many studies were conducted from this viewpoint using energy analysis in the twentieth century (5)(6)(7)(8)(9)(10)(11). For example, in Brazil, sugar cane was used as carbon source and a study was conducted on bioethanol electricity generation (6).…”