Technoeconomic evaluation on the holistic conversion of biomass to levulinic acid

Πατερομιχελάκης, Ανδρέας-Φαίδων; Pateromichelakis, Andreas-Faidon

dc.contributor.author	Πατερομιχελάκης, Ανδρέας-Φαίδων	el
dc.contributor.author	Pateromichelakis, Andreas-Faidon	en
dc.date.accessioned	2019-07-09T09:14:33Z
dc.date.available	2019-07-09T09:14:33Z
dc.date.issued	2019-07-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49002
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16738
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιομάζα	el
dc.subject	Βιοδιυλιστήριο	el
dc.subject	Λεβουλινικό οξύ	el
dc.subject	Λιγνίνης	el
dc.subject	Φουρφουράλη	el
dc.subject	Biomass	en
dc.subject	Ligin	en
dc.subject	Levalinic acid	en
dc.subject	Fourfoural	en
dc.title	Technoeconomic evaluation on the holistic conversion of biomass to levulinic acid	en
dc.title	Τεχνο-οικονομική αξιολόγηση της ολιστικής μετατροπής της βιομάζας προς λεβουλινικό οξύ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοκατεργασίες	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-03-04
heal.abstract	This work attempts to approach a novel concept; the design of the so-called “lignin-first” biorefineries. Biorefineries are emerging day by day as alternative means of producing valuable products for society. Lignin-first biorefineries aim towards the holistic utilization of biomass by applying mild treatments to the lignocellulosic components. This approach has been providing with efficient monomer yields from all fractions of biomass. The aim of this project is to study the effect of a lignin-first pretreatment approach on plant economics. For this reason, promising experimental results of biomass processing are modelled in the process engineering software Aspen Plus v8.8 as two integrated pilot scale biorefineries. Both biorefineries operate at a capacity of 87600 metric tons per year. However, one biorefinery utilizes a traditional organosolv pretreatment via the utilization of a novel “green” solvent – γ-valerolactone. The other biorefinery, utilizes the lignin-first approach by using γ-valerolactone and formaldehyde as a co-solvent. The resulting streams from the pretreatment sections are separated and head towards upgrading. Both biorefineries eventually transform biomass’s building blocks into the following platform chemicals: Levulinic Acid, Furfural and lignin-derived aromatics. After modelling the process flowsheet for each case, pinch analysis is performed in order to identify utility requirements. Capital and operating costs are calculated based on experimental data and the help of aspen plus economic analyzer in order to determine the feasibility of both scenarios.	en
heal.abstract	Εκτεταμένη ΠερίληψηΗ παρούσα διπλωματική εργασία προσεγγίζει ένα θέμα που μόλις πρόσφατα διερευνάται από τη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία: τα λεγόμενα βιοδιυλιστήρια “lignin-first”. Τα βιοδιυλιστήρια αναδύονται μέρα με τη μέρα ως πολύ υποσχόμενες πρακτικές για τη παραγωγή πληθώρας προϊόντων. Το κύριο κίνητρο για τη συστηματική ανάπτυξη των βιοδιυλιστηριων είναι η σταδιακή αντικατάσταση των πετρελαϊκών χημικών και καυσίμων με “πράσινα” προϊόντα που προέρχονται από τη βιομάζα. Οι τεχνικές βιομηχανικής κατεργασίας της βιομάζας είναι γνωστές από τις αρχές του 19ου αιώνα. Κύριος στόχος αυτών των τεχνικών “προκατεργασίας” είναι η αποτελεσματική αφαίρεση της λιγνίνης από τη λιγνοκυτταρινούχα πούλπα. Το γεγονός ότι δεν είχαν αναγνωριστεί αποτελεσματικές τεχνικές αναβάθμισης του κλάσματος της λιγνίνης έχει δημιουργήσει τη πεποίθηση στη βιομηχανία χαρτιού πως η λιγνίνη είναι απόβλητο. Αυτό έχει ως συνέπεια μέχρι και σήμερα η λιγνίνη να χρησιμοποιείται ως το κυρίως καύσιμο για τη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας σε συστήματα συμπαραγωγής. Τα βιοδιυλιστήρια δεν λειτουργούν με ανταγωνιστικές αποδόσεις σε σχέση με τα συμβατικά διυλιστήρια. Για το λόγο αυτό οι ερευνητές προσπαθούν να διερευνήσουν νέες πρακτικές κατεργασιών που θα αυξήσουν την οικονομική βιωσιμότητα των βιοδιυλιστηριων. Πρόσφατες μελέτες στη βιβλιογραφία υποδεικνύουν πως η λιγνίνη μπορεί να αναβαθμιστεί σε πολύτιμα προϊόντα αλλά και πως οι παραδοσιακές κατεργασίες βιομάζας είναι το αίτιο που η λιγνίνη δε μπορούσε να αναβαθμιστεί σε αξιοποιήσιμα παράγωγα. Επακόλουθες μελέτες προτείνουν νέες μεθόδους κατεργασίας της βιομάζας, βασιζόμενες στη προσέγγιση “lignin-first”.Ο σκοπός της εν λόγω εργασίας είναι να εξετάσει το κατα πόσο μία κατεργασία “lignin-first” μπορεί να αυξήσει τη βιωσιμότητα τουβιοδιυλιστηρίου. Με αυτό το στόχο, μοντελοποιήθηκαν στο υπολογιστικό περιβάλλον Aspen Plus 8.8 δύο πιλοτικά βιοδιυλιστήρια. Το πρώτο πραγματοποιεί προκατεργασία (organosolv pretreatment) με τον “πράσινο” οργανικό διαλύτη γ-βαλερολακτόνη. Το δεύτερο χρησιμοποιεί ένα σύστημα από δύο οργανικούς διαλύτες: γ-βαλερολακτόνη και φορμαλδεΰδη που βρίσκεται πάνω στα πρότυπα των βιοδιυλιστηρίων “lignin-first”. Μετά της αντιδράσεις προκατεργασίας, τα περιεχόμενα της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας διαχωρίζονται σε τρία κλάσματα. Ένα κλάσμα λιγνίνης, ένα κλάσμα ημικυτταρίνης και ένα κλάσμα κυταρίνης και κατευθύνται σε διαφορετικές μονάδες κατεργασίας με σκοπό την αναβάθμισή τους σε χημικά “πλατφόρμας” (platform chemicals) Τα χημικά πλατφόρμας πρόκεινται για ενδιάμεσα προϊόντα από τη βιομάζα που δύνανται να αποτελέσουν βάση για περαιτέρω αναβαθμίσεις προς μία μεγάλη ποικιλία τελικών προϊόντων. Και τα δύο διυλιστήρια που μοντελοποιήθηκαν παράγουν λεβουλινικό οξύ από τη κυτταρίνη, φουρφουράλη από την ημικυτταρίνη και αρωματικές ενώσεις από τη λιγνίνη. Αφού μοντελοποιήθηκαν τα δύο διυλιστήρια, στήθηκαν ισοζύγια μάζας σε όλα τα σημεία των κατεργασιών και πραγματοποιήθηκε ενεργειακή ολοκλήρωση με τη μέθοδο pinch. Έτσι υπολογίστηκαν τα λειτουργικά έξοδα για το κάθε βιοδιυλιστήριο, ενώ η βάση δεδομένων του Aspen Plus παρείχε τα έξοδα εγκατάστασης για τη κάθε μονάδα των βιοδιυλιστηρίων. Τέλος, πραγματοποιήθηκε οικονομική ανάλυση για την διερεύνηση της βιώσιμης λειτουργίας της κάθε περίπτωση	el
heal.advisorName	Κοκόσης, Αντώνιος	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	true