Process integra-on for 1,3 PDO produc-on Flowshee(ng Luuk - PowerPoint PPT Presentation

Process ¡integra-on ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡ Flowshee(ng ¡ Luuk ¡van ¡der ¡Wielen ¡(and ¡dr. ¡Marcel ¡O3ens) ¡ ¡ Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Op-on ¡1: ¡close ¡to ¡reality ¡ -­‑ ¡US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡ FERMENTER ¡ FERMENTER ¡ [A] ¡Membranes ¡(microfiltraOon) ¡ [A] ¡cell ¡removal ¡ US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡ General ¡PDO ¡steps ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [B] ¡Membranes ¡(ultrafiltraOon) ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [C] ¡Ion ¡exchange ¡(sorpOon) ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ EvaporaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ DisOllaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡ MARKET ¡ MARKET ¡

Comparing ¡conceptual ¡op-ons ¡ FERMENTER ¡ FERMENTER ¡ [A] ¡cell ¡removal ¡ Membranes ¡(microfiltraOon) ¡ US ¡6 ¡479 ¡716 ¡(2002) General ¡PDO ¡steps ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ Membranes ¡(ultrafiltraOon) ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ Ion ¡exclusion ¡(sorpOon) ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ EvaporaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ -­‑-­‑-­‑ ¡ MARKET ¡ MARKET ¡

Full ¡defini-on ¡of ¡a ¡process ¡ 1. Flowsheet 2. Stream table 3. Cycle diagram Not ¡required ¡for ¡our ¡ conOnuous ¡PDO ¡ process ¡ Gives ¡stream ¡composiOon, ¡ Indicates ¡when ¡each ¡unit ¡is ¡ Shows ¡order ¡of ¡equipment, ¡ size, ¡condiOons ¡(T,P) ¡and ¡ ¡ ¡ acOve ¡in ¡batch ¡or ¡hybrid ¡ connecOng ¡streams, ¡and ¡ other ¡derivaOve ¡properOes ¡ process ¡ condiOons ¡(T,P) ¡of ¡streams ¡ (eg. ¡enthalpy) ¡ This ¡informaOon ¡allows ¡ techno-­‑economic ¡analysis ¡of ¡a ¡process, ¡ ¡ and ¡calculaOon ¡of ¡its ¡ environmental ¡footprint ¡ through ¡life ¡cycle ¡analysis ¡

From ¡block ¡scheme ¡to ¡flowsheet ¡ 1. Draw ¡from ¡leW ¡(in) ¡to ¡right ¡(out), ¡avoid ¡crossing ¡lines ¡ 2. Group ¡in ¡secOons ¡(in ¡hundreds: ¡e.g. ¡UPS-­‑100, ¡Ferm-­‑200, ¡DSP-­‑300) ¡ 3. Number ¡all ¡streams ¡(per ¡secOon: ¡e.g. ¡101, ¡102, ¡….) ¡ 4. Replace ¡unit ¡blocks ¡by ¡appropriate ¡icons ¡(soWware ¡library) ¡ 5. Specify ¡condiOons ¡(composiOons, ¡T, ¡P) ¡ 6. Set ¡an ¡iniOal ¡cycle ¡diagram ¡for ¡batch ¡and ¡hybrid ¡processes ¡ 7. Solve ¡all ¡mass ¡and ¡energy ¡balances ¡ 8. Evaluate ¡results ¡by ¡techno-­‑economic-­‑emission ¡analysis ¡ 9. Repeat ¡steps ¡1-­‑8 ¡to ¡opOmize ¡

Example: ¡extrac-on, ¡crystallisa-on ¡and ¡solids ¡recovery ¡ feed ¡ cool ¡ crystallizer ¡ Let’s ¡convert ¡ this ¡back ¡to ¡a ¡ block ¡scheme ¡ crystal ¡ extractor ¡ to ¡observe ¡how ¡ slurry ¡ streams ¡are ¡ modified ¡ recycle ¡stream ¡ crystal ¡ product ¡ centrifuge ¡ waste ¡ solvent ¡ ¡ make-­‑up ¡

1. ¡Split ¡factors ¡ The ¡split ¡factor ¡α ¡indicates ¡how ¡a ¡stream ¡is ¡divided ¡ • Flow ¡of ¡compound ¡ k ¡ from ¡unit ¡ i ¡ to ¡unit ¡ j ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡flow ¡in ¡unit ¡i ¡ ¡ ¡ ¡x ¡ ¡ ¡ ¡α ¡ • Example: ¡the ¡extractor ¡(unit ¡I) ¡ • recycle ¡stream ¡ α 12k ¡ from ¡centrifuge ¡ to ¡unit ¡II ¡ extractor ¡ Split ¡factor ¡of ¡compound ¡ k ¡ feed ¡streams ¡ from ¡unit ¡I ¡to ¡II ¡ to ¡process ¡ waste ¡stream ¡

Split ¡factor ¡scheme ¡ recycle ¡stream ¡ cool ¡ extractor ¡ centrifuge ¡ crystallizer ¡ waste ¡stream ¡

2. ¡“Conversions” ¡ Conversion ¡of ¡species ¡ k ¡into ¡species ¡ q ¡through ¡chemical ¡reacOon ¡ • AlternaOvely, ¡species ¡ k ¡ is ¡converted ¡to ¡a ¡different ¡phase ¡ • Below: ¡ A ¡is ¡converted ¡to ¡ P ¡(crystal ¡product) ¡ • cool ¡ crystallizer ¡

Mathema-cs ¡(for ¡constant ¡split ¡factors) ¡ Equa-ons ¡for ¡ ¡‘A’ ¡per ¡opera-on ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Out ¡= ¡ ¡In ¡ ¡+ ¡Produc-on ¡ ¡unit ¡I ¡(extractor): ¡ ¡m 1A ¡= ¡ ¡ ¡α 31A m 3A ¡+ ¡g 1A ¡+ ¡g 7A ¡ ¡unit ¡II ¡(crystallizer): ¡m 2A ¡ = ¡ ¡ ¡α 12A m 1A ¡ ¡unit ¡III ¡(centrifuge): ¡m 3A ¡ = ¡ ¡ ¡α 23A m 2A ¡ In ¡matrix ¡form: ¡[A] ¡* ¡m ¡= ¡B ¡ • ¡ ¡Can ¡be ¡solved ¡with ¡g’s ¡and ¡α’s ¡known: ¡m ¡= ¡[A] -­‑1 ¡* ¡B ¡ ¡

Another ¡example: ¡glycine ¡crystallisa-on ¡ solvent ¡ crystallizer ¡ make-­‑up ¡ solvent ¡ recycle ¡ saturated ¡amino ¡ acid ¡feed ¡ crystal ¡ slurry ¡ dis-lla-on ¡ glycine ¡ crystal ¡ centrifuge ¡ product ¡ waste ¡

Specifica-ons ¡ ¡ Glycine ¡crystal ¡producOon: ¡2000 ¡ton/year ¡ • Feed ¡composiOons: ¡ ¡ ¡x[0..3] ¡= ¡[x 0 sat , ¡ ¡0, ¡ ¡1-­‑x 0 sat , ¡ ¡0] ¡ • ¡ ¡ ¡0: ¡glycine ¡ ¡1: ¡glycine ¡crystals ¡ ¡2: ¡water ¡3: ¡ethanol ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Recovery ¡> ¡95% ¡ • Solvent ¡loss ¡<1% ¡ • Negligible ¡volaOle ¡contaminants ¡ • ‘Salt’ ¡content ¡sufficiently ¡high ¡to ¡prevent ¡azeotrope ¡ • No ¡solvent ¡with ¡crystals ¡ •

In ¡reality, ¡not ¡all ¡constants ¡are ¡constant ¡ ¡ Solubility ¡relaOon ¡of ¡glycine ¡in ¡water ¡and ¡ethanol ¡is ¡ logarithmic ¡ • Non-­‑linear, ¡thus ¡more ¡difficult ¡to ¡solve ¡ • Split ¡factors ¡are ¡not ¡constant ¡ • ¡ ¡… ¡use ¡flowsheeOng ¡soWware ¡to ¡simulate ¡a ¡process ¡

Standard ¡today: ¡flowshee-ng ¡sofware ¡ Intelligen ¡ ¡SuperProDesigner: ¡bio-­‑specific ¡flowsheeOng ¡tool ¡ ¡ AspenTech ¡ ¡Aspen ¡Plus: ¡process ¡plant ¡engineering ¡tool ¡ ¡Speedup: ¡dynamic ¡simulaOons ¡ ¡ Process ¡Systems ¡Enterprises ¡ ¡gPROMS: ¡dynamic ¡simulaOons ¡

The ¡crystalliza-on ¡process ¡redrawn ¡in ¡SPD ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Sec-on ¡structure ¡ FermentaOon ¡ ClarificaOon ¡ PurificaOon ¡ secOon ¡ ¡ secOon ¡ secOon ¡ 100 ¡ ¡200 ¡ 300 ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Fermenta-on ¡sec-on ¡-­‑ ¡100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Clarifica-on ¡sec-on ¡-­‑ ¡200 ¡ From ¡the ¡ fermenter ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Water ¡recycle ¡ from ¡evapora-on ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Purifica-on ¡sec-on ¡– ¡300 ¡ ¡ Water ¡recycl microfiltra-o From ¡clarifica-on ¡

The ¡full ¡1,3PDO ¡process ¡

Good ¡luck ¡with ¡the ¡PDO ¡case! ¡