Τεχνοοικονομική μελέτη παραγωγής ηλεκτρικού οξέος από απόβλητα της βιομηχανίας χάρτου και χαρτοπολτού

Abstract

Η εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών άνθρακα προς παραγωγή χημικών ουσιών αποτελεί αντικείμενο έρευνας τις τελευταίες δεκαετίες. Το ηλεκτρικό οξύ, ένα δικαρβοξυλικό οξύ με 4 άτομα άνθρακα, αποτελεί πρόδρομη ουσία για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων όπως πολυεστέρων, ρητινών, χρωστικών ουσιών, φαρμακευτικών ειδών και πρόσθετων τροφίμων. Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά το σχεδιασμό και την οικονομική αποτίμηση μίας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικού οξέος, διαφόρων δυναμικοτήτων (1,000 t, 10,000 t και 30,000 t) μέσω ζύμωσης αποβλήτων προερχόμενων από την βιομηχανία χάρτου και χαρτοπολτού και ειδικότερα του Spent Sulphite Liquor (SSL). Η διεργασία αποτελείται από δύο τμήματα, το upstream και το downstream. Στο upstream τμήμα της διεργασίας λαμβάνει χώρα η βιοτεχνολογική παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος. Ειδικότερα, το τμήμα upstream αποτελείται από μία διάταξη υπερδιήθησης, βιοαντιδραστήρα παραγωγής εμβολίου, σύστημα αποστείρωσης της τροφοδοσίας, διάφορους εναλλάκτες θερμότητας και τη διάταξη των βιοαντιδραστήρων. Η τροφοδοσία αποτελείται από το απόβλητο SSL. Ο μικροοργανισμός που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος είναι ο Basfia succiniciproducens. Η διεργασία της ζύμωσης διαρκεί 68 ώρες και το υγρό ζύμωσης μετά το πέρας των 68 ωρών περιέχει ηλεκτρικό οξύ σε συγκέντρωση 27.52 g•L-1 καθώς και άλλα οργανικά οξέα, σε μορφή αλάτων του νατρίου. Το διάλυμα της ζύμωσης οδεύει προς το τμήμα downstream όπου γίνεται η ανάκτηση και ο καθαρισμός του τελικού προϊόντος. Η διεργασία του downstream ξεκινά με την απομάκρυνση της βιομάζας και άλλων στερεών συστατικών από το διάλυμα ηλεκτρικού οξέος, μέσω φυγοκεντρικού διαχωριστή. Στη συνέχεια, γίνεται αποχρωματισμός του υγρού ζύμωσης σε στήλες ενεργού άνθρακα. Ακολουθεί επεξεργασία σε στήλες που περιέχουν ιοντοεναλλακτική ρητίνη όπου τα άλατα του νατρίου, που έχουν παραχθεί στη ζύμωση, μετατρέπονται σε οργανικά οξέα. Το τελικό στάδιο καθαρισμού περιλαμβάνει την εξάτμιση μεγάλου μέρους του νερού που περιέχεται στο ρεύμα τροφοδοσίας. Ακολουθούν οι διεργασίες της κρυσταλλοποίησης και της ξήρανσης όπου και παραλαμβάνεται το τελικό προϊόν, δηλαδή οι κρύσταλλοι ηλεκτρικού οξέος. Το κόστος παγίου κεφαλαίου ανέρχεται στα 16.3 M$, 86.1 M$ και 183.3 M$ για κάθε δυναμικότητα αντίστοιχα. Το συνολικό κόστος παραγωγής εκτιμάται στα 10.4 Μ$ y-1, 58.8 Μ$ y-1 και 127.1 Μ$ y-1. Η τιμή πώλησης ώστε η επένδυση να θεωρηθεί βιώσιμη για κάθε δυναμικότητα εκτιμάται στα 12.1 $•kg-1, 6.8 $•kg-1 και 4.9 $•kg-1 αντίστοιχα. Η συγκεκριμένη διεργασία που μελετήθηκε κρίνεται μη ανταγωνιστική σε σχέση με τις τρέχουσες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικού οξέος.

The exploitation of renewable carbon sources for production of chemicals is being investigated in the last decades. Succinic acid, a dicarboxylic acid with 4 carbon atoms, is a precursor in the production of various products such as polyesters, resins, dyes, pharmaceuticals and food additives. This thesis studies the design and economic evaluation of a succinic acid production plant of various capacities (1,000 t, 10,000 t and 30,000 t) through the fermentation of waste arising from the paper and pulp industry and in particular of Spent Sulphite Liquor (SSL). The process consists of two sections, upstream and downstream. In the upstream section of the process the biotechnological production of succinic acid takes place. Specifically, the upstream part comprises of an ultrafiltration unit, an inoculum preparation bioreactor, a feed sterilization system, various heat exchangers and the biofermentors. The main feed consists of the SSL waste. The microorganism used for the production of succinic acid is Basfia succiniciproducens. The fermentation process lasts 68 hours and the fermentation broth at the end of the 68 hours contains succinic acid at a concentration of 27.52 g L-1, and other organic acids, in the form of sodium salts. The process of downstream starts with the removal of the biomass and other solids from the fermentation broth by a centrifugal separator. Then, the fermentation broth is discolored in activated carbon columns. Afterwards, it passes through columns containing an ion exchange resin where the sodium salts, produced in the fermentation, are converted into organic acids. The final purification step involves the evaporation of most of the water contained in the feed stream. Lastly, the succinic acid crystals are recovered via the processes of crystallization and drying. The fixed capital cost is 16.3 M$, 86.1 M$ and 183.3 M$ for every capacity respectively. The total production cost is estimated at 10.4 M $ y-1, 58.8 M $ y-1 and 127.1 M $ y-1. The selling price of succinic acid where the investment is considered viable for each capacity is estimated at 12.1 $ kg-1, 6.8 $ kg-1 and 4.9 $ kg-1 respectively. This process is considered non-competitive in comparison to the current succinic acid production processes.