Towards an integrated bioprocess Introduc)on to week 5 - PowerPoint PPT Presentation

Towards ¡an ¡integrated ¡bioprocess ¡ Introduc)on ¡to ¡week ¡5 ¡ Prof. ¡Luuk ¡van ¡der ¡Wielen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

An ¡integrated ¡(bio)process ¡ 2 ¡

Economics ¡ $ ¡ • ¡Revenues ¡= ¡output ¡x ¡product ¡price ¡ Margin ¡ • ¡OPEX ¡related ¡to ¡use ¡and ¡waste ¡of ¡materials ¡ Taxes ¡& ¡legisla8on ¡ • ¡feedstock/water/auxiliary ¡materials ¡ ¡ OPEX ¡ CAPEX ¡ downstream ¡ Revenues ¡ • ¡waste/emissions, ¡when ¡not ¡recycled ¡ downstream ¡ costs ¡ CAPEX ¡ OPEX ¡ • ¡CAPEX ¡related ¡to ¡equipment ¡investment ¡ fermenta8on ¡ fermenta8on ¡ CAPEX ¡ OPEX ¡ Main ¡objec8ve ¡in ¡design ¡ ¡ upstream ¡ upstream ¡ • ¡Balance ¡CAPEX ¡and ¡OPEX ¡ output ¡ • ¡OpKmizaKon! ¡... ¡It ¡is ¡not ¡straighOorward ¡

CAPEX ¡distribu8on ¡ Typical ¡biotechnological ¡investment: ¡100-­‑250 ¡million ¡US ¡dollars ¡ Fine ¡product ¡(eg. ¡pharmaceu8cal) ¡ Bulk ¡product ¡(eg. ¡biofuel) ¡ 80% ¡of ¡ CAPEX ¡ 80% ¡of ¡ CAPEX ¡

OPEX ¡distribu8on ¡ ¡ Product ¡concentra8on ¡from ¡reactor ¡[kg/m3] ¡ 0,1 ¡ 1 ¡ 10 ¡ 100 ¡ 1000 ¡ 1000 ¡ Biopharmaceu8cals ¡ 1000 ¡ Water ¡separaKon ¡is ¡the ¡ largest ¡cost ¡contributor! ¡ ¡ 100 ¡ Ac8ve ¡ingredients ¡ Cost ¡ 10 ¡ price ¡($/lb) ¡ 1 ¡ Biobulk ¡products ¡ 0,1 ¡ Petrochemicals ¡ a0er ¡Cooney, ¡‘84 ¡ 0,01 ¡ 0,001 ¡ 0,1 ¡ 10 ¡ 1000 ¡ 10000 ¡ Produc8on ¡volume ¡[kT/yr] ¡

Life ¡of ¡a ¡process ¡engineer ¡ When ¡designing ¡a ¡facility, ¡the ¡process ¡engineer ¡must ¡quanKtaKvely ¡ evaluate ¡the ¡following: ¡ ¡ 1. What ¡are ¡desired ¡specifica)ons ¡( specs ) ¡of ¡the ¡product ¡streams? ¡ 2. How ¡much ¡( scale ) ¡should ¡be ¡produced ¡and ¡from ¡what ¡feed ¡streams? ¡ 3. ¡ ¡ ¡ ¡What ¡is ¡the ¡equipment ¡capacity ¡and ¡mode ¡of ¡opera)on ¡( how )? ¡ ¡

The ¡design ¡recipe ¡that ¡always ¡works ¡ 1. ¡mass ¡balance ¡ (overall, ¡phase, ¡local) ¡ ¡ out ¡ in ¡ 2. ¡phase ¡and ¡reacKon ¡ ¡ ¡ equilibria ¡( K ’s) ¡ rate ¡ equilibrium ¡ ¡ ¡ ¡ 3. ¡hydrodynamics ¡ in ¡ out ¡ ¡ 4. ¡mass ¡transfer ¡and ¡ reacKon ¡rate ¡( k ’s) ¡ mass ¡balance ¡

Suppose ¡you ¡are ¡the ¡Dutch ¡King ¡ It ¡is ¡your ¡birthday. ¡ ¡ Following ¡Dutch ¡tradiKon, ¡you ¡will ¡invite ¡everyone ¡over ¡for ¡ coffee ¡and ¡pie. ¡How ¡to ¡scale ¡up ¡your ¡coffee ¡producKon? ¡ ¡

Product ¡specifica8ons ¡and ¡scale ¡ ¡ Product ¡is ¡ enough , ¡ good ¡coffee ¡ ¡ • ¡ ¡Calculate ¡aroma ¡concentraKon ¡ • ¡ ¡Neglect ¡real-­‑life ¡aspects ¡ How ¡to ¡determine ¡ ¡ (1) We ¡assume ¡equilibrium ¡ (2) We ¡set-­‑up ¡a ¡mass ¡balance ¡for ¡aroma ¡components ¡

Coffee ¡produc8on ¡as ¡an ¡equilibrium ¡process ¡ ¡ Hot ¡water ¡is ¡added ¡as ¡auxiliary ¡phase ¡to ¡extract ¡aroma ¡from ¡coffee ¡beans. ¡ ¡ ¡ ¡ ConcentraKon ¡of ¡aroma ¡ ¡ ConcentraKon ¡of ¡ ¡ in ¡coffee ¡beans ¡ aroma ¡in ¡hot ¡water ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡y 1 ¡= ¡K ¡* ¡x 1 ¡ The ¡mass ¡distribuKon ¡coefficient ¡ ¡ At ¡equilibrium, ¡K ¡is ¡the ¡ra8o ¡between ¡ ¡ aroma ¡concentra8ons ¡in ¡beans ¡and ¡water. ¡

Coffee ¡produc8on ¡as ¡an ¡equilibrium ¡process ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ coffee ¡ y 1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡y 1 ¡= ¡K ¡* ¡x 1 ¡ x 1 ¡ ¡ beans ¡

Important ¡concept: ¡equilibrium ¡stage ¡ V ¡ top ¡ ¡ x 0 ¡ y 1 ¡ product ¡ feed ¡ Unit ¡ ¡ opera)on ¡ x 1 ¡ bocom ¡ y 2 ¡ product ¡ L Dis8lla8on ¡column ¡

Typical ¡Dutch ¡Ques8on ¡ “Good” ¡coffee ¡corresponds ¡to ¡one ¡coffee ¡spoon ¡of ¡ground ¡ beans ¡per ¡cup ¡of ¡hot ¡water. ¡ Think ¡for ¡a ¡moment ¡: ¡can ¡we ¡make ¡“good” ¡coffee ¡from ¡the ¡ exhaust ¡beans ¡of ¡10 ¡cups ¡of ¡coffee ¡? ¡

hot ¡water ¡ hot ¡water ¡ Answer ¡(I) ¡ coffee ¡ ¡ coffee ¡L 2 ¡y 2 ¡ L 1 ¡y 1 ¡ beans ¡ ¡ exhaust ¡beans ¡ ¡ exhaust ¡beans ¡ B ¡x 0 ¡ B ¡x 1 ¡ B ¡x 2 ¡ ¡ Bx Bx L y Bx Bx L y = + = + 0 1 1 1 1 2 2 2 mass ¡ y Kx y Kx = = balances ¡ ¡ 1 1 2 2 x 1 x 1 for ¡aroma: ¡ 1 2 = = x L K /B 1 x L K /B 1 + + 0 1 1 2

hot ¡water ¡ Answer ¡(II) ¡ coffee ¡L 2 ¡y 2 ¡ exhaust ¡beans ¡ waste ¡beans ¡ B ¡x 1 ¡ B ¡x 2 ¡ shame ¡ x 1 CombinaKon ¡ of ¡flows ¡and ¡K ¡is ¡important: ¡ 2 1 = < ¡ x L K /B 1 + this ¡is ¡the ¡ separa/on ¡factor ¡ for ¡aroma ¡ 1 2

Answer ¡(III) ¡ dilute ¡coffee ¡ ¡ strong ¡coffee ¡ ¡ hot ¡water ¡flow ¡ ¡ L ¡ y 2 ¡ L ¡ y 1 ¡ L ¡ fresh ¡beans ¡ ¡used ¡beans ¡ exhaust ¡beans ¡ B ¡x 0 ¡ B ¡x 1 ¡ B ¡x 2 ¡ y ¡= ¡K ¡x ¡+ ¡mass ¡balances ¡for ¡aroma ¡

See ¡you ¡next ¡unit! ¡