Butanol production via vacuum fermentation: An economic evaluation of operating strategies

Abstract

Butanol production from corn stover via (acetone-butanol-ethanol) ABE fermentation under vacuum was studied in this work. The reactor operating strategies considered were batch, fedbatch and continuous. The integrated reactor and vacuum separation process includes energy integration by a heat-pump system as well. A mathematical model describing the dynamics of the integrated reactors and the network of compressors and heat exchangers has been developed. The dynamic process models were used to select the optimum production strategy using economic optimisation where a methodology to determine the effect of scheduling of parallel reactor operation on the sizing of the heat-pump system was developed. The results suggest that the optimal operating mode for the integrated reaction system was fed-batch.Although the fed-batch process had the highest economic potential (37.8 MM USD), the compressor work for batch process operation (36.6 MM USD) was the lowest (1.8 MJ/kg ABE, 18% lower than that of fed-batch). Continuous process operation demonstrated the lowest economic potential (23.8 MM USD) and the highest compression work (2.87 MJ/kg ABE). The energy requirements of the purification system, a double-effect distillation process, were found to be between 3.45 and 4.14 MJ/kg ABE.

Evaluación energética y económica de la recuperación in situ de butanol aplicando vacío cíclico en un reactor con múltiples alimentaciones

“…Mientras, el modelo cinético de la fermentación es un modelo metabólico riguroso que considera la producción de acetona, etanol y ácidos orgánicos y que ha sido evaluado con diferentes concentraciones de sustrato y en sistemas en lote, continuos con y sin recirculación de biomasa (Grisales-Diaz y Willis, 2018). Es importante mencionar que en el trabajo previo desarrollado por Grisales-Díaz et al, (2019) no se considera la operación cíclica y tampoco se estudiaron múltiples alimentaciones secuenciales a diferentes velocidades de dilución, métodos que son objeto de este trabajo para mejorar el desempeño tanto económico como energético de este proceso de fermentación. Por lo cual, en este trabajo fueron realizadas modificaciones, al modelo base previamente desarrollado por Grisales-Díaz et al, (2019), para incluir estas estrategias de operación.…”

“…La presión de vacío en el reactor (P) es estimada usando la ecuación de estado Peng-Robinson para los solventes en la fase gaseosa, con constantes de Henry para los compuestos gaseosos y en la fase líquida las actividades fueron estimadas usando UNIQUAC. Estos modelos termodinámicos y sus parámetros son descritos por Grisales-Díaz et al, (2019). En este trabajo, se asume que los intervalos de duración de la operación a vacío (∆tb) pueden ser diferentes a las de operación atmosférica (∆ta) en condiciones óptimas.…”

“…Las condiciones por defecto del método fueron utilizadas para las optimizaciones, donde las más representativas son el número de generaciones, las cuales son 200 por el número de variables, y la función de distancia tipo fenotipo y fracción de Pareto del 35%. En la Tabla 2, se encuentran las variables a optimizar, propuestas previamente por (Grisales Díaz et al, 2019), y las adicionales que han sido propuestas en este trabajo para alcanzar una operación cíclica y con múltiples alimentaciones.…”

“…Tabla 2: Variables de optimización consideradas en este trabajo para minimizar el trabajo de compresión y maximizar el potencial económico Las variables de optimización propuestas por Grisales-Díaz et al, (2019) Todas las variables de optimización son continuas. Los límites de búsqueda para las variables de optimización propuestas por Grisales-Díaz et al, (2019) de la Tabla 2 fueron las óptimas alcanzadas en ese trabajo previo divididas o multiplicadas por dos.…”

“…Fig. 1: Esquema de un fermentador con recuperación in situ de butanol a vacío acoplado con una bomba de calor con dos etapas de compresión En este sentido, las estrategias de modelamiento que conlleven a la optimización de reactores discontinuos son importantes porque al disminuir el porcentaje de operación a vacío, se incrementan también los costos inversión de los compresores e intercambiadores de calor asociados a la bomba de calor (Grisales-Díaz et al, 2019). Es decir, existe un balance óptimo entre los costos de capital y los operativos.…”