Ολοκληρωμένος σχεδιασμός μονάδων παραγωγής ζυλιτόλης από λιγνοκυτταρινούχες πρώτες ύλες

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε ο σχεδιασμός μονάδας παραγωγής ζυλιτόλης με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Μια εφαρμόζοντας χημικό αντιδραστήρα και μια με βιοαντιδραστήρα, χρησιμοποιώντας μύκητες του γένους Candida. Για τις δύο διεργασίες ορίζεται η ίδια τροφοδοσία, με ποσοστό ξυλόζης 62,4 % wt/wt και μαζική παροχή 6624,2 kg/hr, η οποία προκύπτει από πιλοτική εγκατάσταση (Biocore Project). Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση των δυο διεργασιών μέσω υπολογιστή, τα αποτελέσματα της οποίας έδειξαν παραγωγή 0,81 kg κρυσταλλικής ζυλιτόλης ανά kg εισερχόμενης ξυλόζης για την χημική. Για τη βιοτεχνολογική το αντίστοιχο μέγεθος υπολογίστηκε 0,73. Στην συνέχεια ολοκληρώθηκαν ενεργειακά τα ρεύματα των διεργασιών, με βάση την μέθοδο του κόμβου ανάσχεσης, και υπολογίστηκαν οι μέγιστες δυνατές ενεργειακές εξοικονομήσεις. Για τη βιοτεχνολογική μονάδα προέκυψε εξοικονόμηση 88,9% ως προς τις ανάγκες ψύξης και 94,1% ως προς τις ανάγκες θέρμανσης των ρευμάτων. Τα αντίστοιχα μεγέθη για την χημική διεργασία υπολογίστηκαν 90,3% και 18%. Ωστόσο το πολύ μεγάλο απαιτούμενο θερμικό φορτίο του εξατμιστήρα της βιοτεχνολογικής μεθόδου (27,6 MW), την καθιστά ενεργειακά ασύμφορη. Τέλος εκτιμήθηκαν ως προς την απαιτούμενη συνολική πάγια επένδυση και το λειτουργικό τους κόστος οι δύο σχεδιαζόμενες μονάδες. Η ανάλυση έδειξε απαιτούμενη πάγια επένδυση για την χημική διεργασία 16,548 εκατ. €, και για την βιοτεχνολογική 72,535 εκατ. €, ενώ το ετήσιο λειτουργικό κόστος υπολογίστηκε 9,986 και 10,655 εκατ. €/ χρόνο, για την χημική και την βιοτεχνολογική μονάδα αντίστοιχα. Ο υπολογισμός του κόστους αγοράς του βασικού εξοπλισμού για κάθε εγκατάσταση πραγματοποιήθηκε και με την μέθοδο LHV, η οποία ωστόσο έδωσε αποτελέσματα με απόκλιση μίας τάξης μεγέθους. Από τον υπολογισμό βασικών οικονομικών δεικτών, προκύπτει ευνοϊκότερη αξιολόγηση για την χημική σε σχέση με την βιοτεχνολογική διεργασία. Ο δείκτης απόδοσης επένδυσης (ROIAT) έχει τιμή 67 για την πρώτη και 14 για την δεύτερη, ενώ η κατώτερη επιτρεπτή τιμή εισόδου σε αγορά μέσης επικινδυνότητας είναι 24. Συμπεραίνεται λοιπόν πως ανάμεσα στις δύο διεργασίες η χημική αποτελεί αποδοτικότερη και ασφαλέστερη επένδυση.

The purpose of this thesis is the design of a xylitol production process from biomass in two different ways. The feedstock of the two processes, is the product of a pilot (Biocore project) and contains 62,4% wt/wt of xylose. The first approach is based on the catalytic hydrogenation of xylose to xylitol, in a chemical reactor, using the catalyst Raney Nickel, while the second one is based on the fermentation of xylose by yeasts (Candida). The simulation showed production of 0,81 kg of xylitol crystals per kg of xylose in the feedstock for the chemical process while the same value for the biotechnological process was found 0,73. In a further step the two processes have been heat integrated via pinch analysis. This analysis showed cover of cooling and heating needs, 88,9 and 94,1% respectively for the biotechnological process, while for the chemical process the energy cover was found 90,3 and 18 %. An economical evaluation of the two processes have also been made. The total investment cost, for the chemical and biotechnological process has been estimated at about 16,5 and 72,5 million € respectively. The operational cost per year for the two processes was estimated at 10 and 10.6 million €. The estimation of the total cost for the basic industrial equipment, has also been made via the LHV method, which was not able to predict correct the cost. Via the calculation of several economic indicators, the chemical process was found to be more secure and profitable. The ROIAT indicator had a value of 67 for the chemical and 24 for the biotechnological process, while the least acceptable value, for an investment of average danger is 24.