Σχεδιασμός και εκπόνηση τεχνοοικονομικής μελέτης διεργασιών παραγωγής βιοντήζελ από απόβλητα κια παραπροϊόντα βιομηχανιών τροφίμων

Abstract

Ο στόχος της μελέτης ήταν να αξιολογηθεί η οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής βιοντήζελ από πρώτες ύλες που δεν χρησιμοποιούνται ως τρόφιμα ή ζωοτροφές. Τα χαρακτηριστικά όλων των μονάδων επεξεργασίας στα δύο διαγράμματα ροής που αξιολογήθηκαν έχουν βρεθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία. Οι ανανεώσιμες πρώτες ύλες που αξιολογήθηκαν ήταν σιρόπι γλυκόζης, υδρόλυμα αραβοσίτου και ακατέργαστα αλευρούχα υδρολύματα αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων. Οι παραπάνω πρώτες ύλες χρησιμοποιήθηκαν ως πηγές γλυκόζης σε ζυμώσεις για την παραγωγή μικροβιακού λίπους, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοντήζελ. Αξιολογήθηκαν δύο διεργασίες όπου στην μία η παραγωγή βιοντήζελ πραγματοποιείται χωρίς πρότερη εκχύλιση του λίπους από την κυτταρική μάζα, ενώ στην άλλη το λίπος πρώτα διαχωρίζεται από την κυτταρική μάζα και ακολούθως μετατρέπεται σε βιοντήζελ. Ο σχεδιασμός των γραμμών παραγωγής πραγματοποιήθηκε με χρήση του λογισμικού SuperPro Designer (Intelligen, Inc.). Οι γραμμές παραγωγής ήταν συνεχούς λειτουργίας και η ετήσια παραγωγή ορίστηκε ώς 10.000 τόνοι ανά έτος. Το κόστος παραγωγής βιοντήζελ, στην περίπτωση που χρησιμοποιείται σιρόπι γλυκόζης ως πρώτη ύλη, στην διεργασία όπου δεν πραγματοποιείται εκχύλιση του λίπους ($4,99/kg) είναι μεγαλύτερο από την διεργασία όπου πραγματοποιείται εκχύλιση του λίπους ($3,89/kg). Το κόστος της πρώτης ύλης, η μέθοδος παραγωγής βιοντήζελ και η αποδοτικότητα της ζύμωσης (π.χ. παραγωγικότητα, τελική συγκέντρωση μικροβιακού λίπους κ.α.) είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που αυξάνουν το κόστος της διεργασίας. Όταν χρησιμοποιείται υδρόλυμα καλαμποκιού ($2,84/kg) ή υδρόλυμα αποβλήτων τροφίμων ($2,23/kg) τότε το κόστος παραγωγής μειώνεται αισθητά. Μελετήσαμε επίσης την επίδραση της αύξησης της παραγωγικότητας στο τελικό κόστος παραγωγής βιοντήζελ. Η υπόθεση αυτή βασίστηκε στο γεγονός ότι η ζύμωση θα βελτιωθεί μέσω επιλογής καλύτερων μικροοργανισμών ή γενετικής τροποποίησης μικροοργανισμών. Η χρησιμοποίηση αποβλήτων τροφίμων και η επίτευξη παραγωγικότητας 2,1 g μικροβιακού λίπους ανά λίτρο και ανά ώρα ζύμωσης είχαν ως αποτέλεσμα να μειωθεί το κόστος παραγωγή του λίπους έως $1,2/kg.

This study focused on the evaluation of the economic viability of a novel process producing biodiesel from renewable raw materials that do not compete with food or feed production. The specifications of each unit operation were derived from various literature cited publications. The renewable raw materials that were evaluated were glucose syrup, corn hydrolysates and crude hydrolysates from flour-based industrial food wastes. These raw materials were employed as carbon sources in fermentations for the production of microbial oil that was subsequently employed for the production of biodiesel. Two processes were evaluated for biodiesel production where the first one was based on direct conversion of microbial oil, while the other was based on a two-step process employing extraction of microbial oil from microbial biomass followed by transesterification to biodiesel. The software SuperPro Designer (Intelligen, Inc.) was employed for the costing study. The process flowsheets were designed in continuous mode of operation and an annual production capacity of 10,000 tn was assumed. When glucose syrup was used as raw material, the biodiesel production cost in the process employing direct transesterification of microbial oil ($4,99/kg) was higher than the process utilizing indirect transesterification of purified microbial oil ($3,89/kg). The raw material cost, thε biodiesel production methodology and the fermentation efficiency (e.g. productivity) were the main factors that influenced the final cost. When corn hydrolysates ($2,84/kg) or food industry waste streams ($2,23/kg) were used as raw materials the biodiesel production cost was reduced further. The effect of productivity during fermentation was also studied. It was assumed that fermentation productivity will be improved through proper microorganism selection and application of genetic engineering. The utilization of industrial food wastes and the achievement of microbial oil productivity in the range of 2,1 g/L/h during fermentation would reduce the biodiesel production cost up to $1,2/kg.