Process integration and control tied to economic optimization in biobutanol synthesis

Abstract

Diferentes esquemas de destilación integrados térmicamente fueron propuestos, y evaluados para la separación de butanol o etanol en el ambiente de simulación. Los requerimientos energéticos y las emisiones obtenidas de CO2 de los esquemas propuestos en este trabajo están entre los más bajos encontrados en la literatura para la producción de butanol. Esquemas de destilación doble-efecto o integración de calor de columnas de alta y baja presión son la opción más económica con requerimientos energéticos entre 30-40% más bajos que los sistemas convencionales. La mejor configuración para la producción de acetona, butanol y etanol fue seleccionada mediante la optimización de sistemas integrados de reacción híbridos. Los reactores integrados con separación alcanzaron requerimientos energéticos totales mayores a los esquemas de separación externa integrados térmicamente. Sin embargo, reactores integrados fueron preferibles porque reducen el consumo de agua y el tamaño del reactor en más de tres y dos veces, respectivamente. Un sistema de reacción y extracción de los inhibidores producidos en la fermentación y en el pretratamiento, fue la opción más económica de producción a partir de lignocelulosa. El esquema y las condiciones óptimas de operación fueron seleccionados para facilitar el control del proceso a condiciones óptimas económicamente

Abstract : Several heat integrated distillation systems were proposed and evaluated for the separation of butanol and ethanol on simulation environment. The fuel requirements of these systems are among the lowest found in the literature for butanol production. Double-effect distillation systems are the most economical choice of external separation, with energy requirements 30-40% lower than that for distillation systems without recovery of condensation heat. The best configuration for the production of acetone, butanol and ethanol (ABE) was selected by optimization. A rigorous kinetic model for ABE production was developed and used in the simulations. Integrated reactor with separation units reached total energy requirements higher than external separation schemes with heat integration. However, integrated reactors were economically preferable because they reduce the water consumption and the size of the reactor for three and two-fold, respectively. A simultaneous reaction system with detoxification of inhibitor from pretreatment was the low-priced option for ABE production from lignocellulose. The optimal operating conditions of the system were selected to facilitate the process control at economic optimal conditions