Ολοκληρωμένος Σχεδιασμός Βιοδιυλιστηρίου Μικροαλγών

Abstract

Τα βιοδιυλιστήρια είναι διυλιστήρια, τα οποία επεξεργάζονται συνήθως πρώτες ύλες όπως είναι διαθέσιμες από γεωργικές δραστηριότητες, υπολείμματα, οργανικά απόβλητα ή δασικές προμήθειες. Ένα πεδίο με ανοιχτές προοπτικές διερεύνησης είναι τα βιοδιυλιστήρια με βάση τις μακρο- και μικροάλγες, τα οποία χαρακτηρίζονται από εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής προϊόντων και απαιτούν συμπαραγωγή χημικών για να παραμείνουν βιώσιμα. Μια αξιοσημείωτη περίπτωση σχετίζεται με καλλιέργειες της αλοφυτικής άλγης Dunaliella, η οποία έχει την ικανότητα να μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε πλήθος προϊόντων. Η Dunaliella ενδείκνυται λόγω της εκπληκτικής της ανθεκτικότητας σε υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, καθιστώντας την ως έναν από τους λίγους οργανισμούς που μπορούν να επιβιώσουν υπό ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης διεργασίας που αφορά τη συμπαραγωγή γλυκερίνης, β-καροτένης και πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας μία πληθώρα διαλυτών με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Ως σημείο αναφοράς θεωρείται μία βιομηχανική μονάδα παραγωγής 3,5 τόνων βιομάζας το χρόνο με χρήση αιθανόλης ως διαλύτη. Η καλλιέργεια της Dunaliella λαμβάνει χώρα στη δεξαμενή καλλιέργειας, όπου, μετά τη συλλογή της, τα κύτταρά της υπόκεινται σε ωσμοπληξία (απότομη αύξηση της αλατότητας) με αποτέλεσμα τη συσσώρευση γλυκερίνης και β-καροτένης στο εσωτερικό τους. Η εξαγωγή των προϊόντων επιτυγχάνεται με τη διάλυση των κυττάρων σε αιθανόλη σε υψηλή συγκέντρωση. Το μίγμα αιθανόλη/νερό/γλυκερίνη αποστάζεται με σκοπό την ανακύκλωση της αιθανόλης και το ραφινάρισμα της γλυκερίνης, ενώ η β-καροτένη εξάγεται από το εναπομείναν μίγμα με τη χρήση εξανίου ως διαλύτη. Ο απαιτητικός ενεργειακά διαχωρισμός του μίγματος αιθανόλη/νερό/γλυκερίνη εγείρει ερωτήματα σχετικά με τη βιωσιμότητα της διεργασίας.

Η ολοκλήρωση της διεργασίας λαμβάνει χώρα με σκοπό την εξασφάλιση της βιωσιμότητάς της, καθώς και τη μελέτη των οικονομικών οφελών της. Εφαρμόζεται θερμική ολοκλήρωση και γίνεται χρήση μοντέλου για ανασκόπηση των θερμικά ολοκληρωμένων στηλών. Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι παρόλο που οι διεργασίες με ένα μόνο προϊόν δεν είναι βιώσιμες (με ή χωρίς ολοκλήρωση), εκείνη με συμπαραγωγή προϊόντων μπορεί να ωφεληθεί σε μεγάλο βαθμό από την ολοκλήρωση (50% μείωση ενεργειακής κατανάλωσης) και μπορεί να αποτελέσει μία βιώσιμη και κερδοφόρα διεργασία.

Biorefineries typically refer to lignocellulosic feedstock as they are available from agricultural activities, residues, waste organics or forestry supplies. There is much less attention to water substrates from micro-algae and macro-algae systems that feature alternative paths to products, involve competitive chemistries and require co-production of chemicals to remain feasible. A notable case relates to halophytic Dunaliella cultures capable to convert CO2 into a multitude of products. One needs to select Dunaliella for its extraordinary tolerance to salt stress establishing it as one of the few organisms that can survive in extreme environments.

This thesis discusses the development of an integrated process that addresses the co-production of glycerol, b-carotene and proteins using a multitude of solvents and scoping to reduce energy consumption. The reference case refers to an industrial pilot set up to operate with the use of ethanol as solvent and produces 3.5 tones biomass per year. The cultivation of Dunaliella takes place in the cultivation pond (0.5 Ha) and after harvesting, osmotic shock is induced to the cells resulting in the accumulation of glycerol and β-carotene. Their extraction is achieved by breaking up the cell walls with the use of ethanol in a high concentration. The mixture of ethanol/water/glycerol is distilled for ethanol recycling and refinement of glycerol, while β-carotene is extracted from the remaining mixture by using hexane as solvent. The energy intensive separation of the ethanol/water/glycerol mixture raises questions regarding the sustainability of the process.

The thesis discusses implications as the process develops from a single-product plant to a multi-product process with co-production of specialties and the valorization of by-products. The analysis reviews economic benefits as well as the impact of process integration in securing the viability of the incentive. Process integration is applied to target efficiency scoping reviewing thermal integration, and the use of alternative separation schemes including azeotropic distillation. The work uses a supertask model to review thermally coupled columns including prefractionators, Petlyuk columns, side strippers and side Rectifiers featuring sloppy splits, and side draws. The work concludes that, even though single-product processes are not economically viable (with or without integration), the multi-product process can benefit dramatically from process integration (50% reduction in energy use) and can yield a sustainable and profitable process.