Optimal design for an ethanol plant combining first and second-generation technologies

Abstract

The synthesis and optimal design of batch plants is addressed in this study. It was applied to the technology of conventional ethanol production in a Cuban distillery using the product of enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse as another sugared substrate, starting from laboratory results. The optimal configuration of stages, the number of units in each stage, the unit sizes and minimum total production cost are obtained from the global optimization model and the proposed superstructure. This global model is a mixed integer nonlinear programming (MINLP) formulation, which is represented and solved by the Professional Software, General Algebraic Modeling System (GAMS) version 23.5 applying DICOPT Solver. Different scenarios are analyzed: attaching pretreatment and enzymatic hydrolysis of bagasse to a conventional distillery plant, selling ethanol, or selling the furfural as byproduct is there is a guaranteed market. With this, an actual net present value (VNA) of USD 44,893,358.7 and 1.51 years of Payback Period (PP) are obtained.

La síntesis y diseño óptimo de plantas discontinuas es abordada en el presente estudio; la cual fue aplicada a la tecnología de obtención de etanol convencional en una destilería cubana empleando el producto de la hidrólisis enzimática del bagazo pretratado como otro sustrato azucarado, partiendo de resultados de laboratorio. A partir del modelo global de optimización y la superestructura propuesta, se obtiene la configuración óptima de las etapas, el número de equipos en cada etapa, el volumen de los equipos y el mínimo costo total de producción. Dicho modelo global consiste en una formulación de programación matemática mixta entera no lineal (MINLP), la cual es representada y resuelta mediante el Software Profesional, General Algebraic Modeling System (GAMS) versión 23.5 con la aplicación del Solver DICOPT. Se analizan las posibles variantes a implementar que son en primer lugar las de acoplar la tecnología de pretratamiento e hidrólisis enzimática del bagazo a una destilería convencional vendiendo etanol y, en segundo lugar, vendiendo el co-producto furfural, si se garantiza un mercado para ello. Con lo anterior, se obtiene un Valor Actual Neto (VAN) de $ 44´893 358.7 USD y un período de recuperación de la inversión (PRD) de 1.51 años.

A síntese e o desenho ótimo de usinas em desuso são abordados no presente estudo; os quais foram aplicados à tecnologia de obtenção de etanol convencional em uma destilaria cubana utilizando o produto da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado como outro substrato açucarado, partindo de resultados de laboratório. A partir do modelo global de otimização e da superestrutura proposta, é obtida a configuração ótima das etapas, o número de equipamentos em cada etapa, o volume dos equipamentos e o mínimo custo total de produção. Dito modelo global consiste em uma formulação de programação matemática mista inteira não linear (MINLP), a qual é representada e resolvida mediante o Software Profissional, General Algebraic Modeling System (GAMS) versão 23.5 com a aplicação do Solver DICOPT. São analisadas as possíveis variantes que devem ser implantadas que são em primeiro lugar as de acoplar a tecnologia de pré-tratamento e de hidrólise enzimática do bagaço a uma destilaria convencional vendendo etanol e, em segundo lugar, vendendo o coproduto furfural, se for garantido um mercado para o mesmo. Com o anterior, é obtido um Valor Atual Líquido (VAL) de $ 44´893 358.7 USD e um período de recuperação do investimento (PRI) de 1.51 anos.