Process Intensification in Biodiesel Production: A Multi-Objective Optimization Approach

Abstract

RESUMO: A busca por processos sustentáveis e energeticamente eficientes tem se intensificado devido ao agravamento do efeito estufa e de suas consequências ambientais. A produção convencional de biodiesel é caracterizada por múltiplas etapas de reação e separação, resultando em elevado consumo de energia e emissões de CO2 (CO2e). Nesse contexto, este trabalho propôs a aplicação de estratégias de intensificação de processos para a produção contínua de biodiesel em escala industrial, por meio da integração total entre destilação reativa (RD) e bomba de calor, eliminando a necessidade de utilidades externas, um aspecto ainda pouco explorado na literatura. Três estudos de caso foram definidos para investigar diferentes níveis de purificação do glicerol e requisitos de qualidade do biodiesel. Esses cenários foram analisados utilizando uma abordagem de otimização multiobjetivo implementada por meio da integração entre Aspen Plus e Python, com o objetivo de maximizar o Lucro Bruto Anual (YGP), minimizar as emissões de CO2e e, no caso mais restritivo, maximizar a pureza do biodiesel (FAME). Restrições operacionais e de qualidade foram tratadas por meio de uma função de penalização exponencial, e as soluções não dominadas obtidas foram avaliadas por técnicas de decisão multicritério. Os resultados demonstraram que a destilação reativa assistida por bomba de calor (HPRD) superou a RD convencional na redução de CO2e (até 93%) e dos custos operacionais (até 74%), apesar do maior custo de capital. A purificação do glicerol para grau farmacêutico (CS-2) elevou o YGP de, aproximadamente, 80 para 120 milhões de dólares/ano, embora com aumento em CO2e. Mesmo sob os rigorosos padrões de qualidade estabelecidos pela Agência Nacional do Petróleo (ANP) (CS-3), a configuração HPRD manteve-se economicamente viável (acima de 100 milhões de dólares/ano) e ambientalmente superior à RD convencional. Em comparação com tecnologias descritas na literatura, a HPRD destacou-se por operar sem utilidades externas, consolidando-se como uma alternativa mais sustentável para a produção de biodiesel.

ABSTRACT: The pursuit of sustainable and energy-efficient processes has intensified due to the worsening of the greenhouse effect and its environmental consequences. Conventional biodiesel production is characterized by multiple reaction and separation steps, leading to high energy consumption and CO2 emissions (CO2e). In this context, this work proposed the application of process intensification strategies for the continuous industrial-scale production of biodiesel, through the full integration of reactive distillation (RD) and a heat pump, eliminating the need for external utilities, an aspect still scarcely explored in the literature. Three case studies were defined to investigate different glycerol purification levels and biodiesel quality requirements. These scenarios were analyzed using a multi-objective optimization approach implemented through Aspen Plus–Python integration, aiming to maximize the Yearly Gross Profit (YGP), minimize CO2e, and, in the most restrictive case, maximize biodiesel purity (FAME). Operational and quality constraints were addressed using an exponential penalty function, and the non-dominated solutions obtained were evaluated using multicriteria decision-making techniques. The results showed that the Heat Pump Reactive Distillation (HPRD) outperformed conventional RD in reducing CO2e (up to 93%) and operational costs (up to 74%), despite its higher capital cost. Glycerol purification to pharmaceutical grade (CS-2) increased the YGP to approximately from 80 to 120 million USD/year, albeit with a rise in CO2e. Even under the strict quality standards set by the Brazilian National Agency for Petroleum (ANP) (CS-3), the HPRD configuration remained economically viable (above 100 million USD/year) and environmentally superior to conventional RD. Compared to technologies reported in the literature, HPRD stood out by operating without external utilities, establishing itself as a more sustainable alternative for biodiesel production.