Design and control of alternative downstream processes of IBE fermentation
IBE fermantasyon suyunu saflaştırmak için alternatif ayırma proseslerinin tasarım ve kontrolü
- Tez No: 897810
- Danışmanlar: PROF. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Küresel olarak enerji ihtiyacının artması, fosil yakıt kaynaklarının giderek azalması ve fosil yakıtların kullanımıyla çevresel kirliliğin çoğalması, çevresel ve ekonomik kaygıların artmasına sebep olmaktadır. Bu ihtiyaçları ve endişeleri karşılamak için fosil yakıtlara göre daha temiz ve yenilenebilir olan alternatif enerji kaynakları, endüstri ve akademide önem kazanmaya başlamıştır. Özellikle taşımacılıkta yakıt olarak kullanılan benzin yerine kullanılabilecek alternatif yakıt arayışları son yıllarda oldukça araştırılan konulardan biri haline gelmiştir. Biyoyakıtlar, yenilenebilir ve daha temiz enerji kaynağı arayışında önemli bir yere sahip olmaya başlamıştır. Biyodizel gibi yağ asidi türevleri ile biyoetanol ve biyobütanol gibi alkol türevleri olan biyoyakıtlar, geleneksel yakıtlara göre sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynağı olma, daha az olumsuz çevresel etkiye sahip olma, yakıt çeşitliliği ve yüksek yanma verimliliğine sahip olma gibi avantajlara sahiptir. Yüksek enerji içeriği, suda daha az çözünme ve herhangi bir motor modifikasyonu gerektirmeden benzinle her oranda karışabilme gibi avantajları ile biyobütanol, birçok biyoyakıt arasında öne çıkmaktadır. Biyobütanol, Clostridia mikroorganizmaları yardımıyla, aseton ya da izopropanol oluşumuna bağlı olarak sırasıyla aseton-bütanol-etanol (ABE) veya izopropanol-bütanol-etanol (IBE) fermantasyonu ile elde edilmektedir. İzopropanolün (IPA) enerji içeriğinin daha yüksek olması, taşıt motorlarında benzinle olan karışımları kullanıldığında enerji verimini arttırma ve açığa çıkan emisyonları azaltma potansiyelinin olması ve motor parçaları üzerinde daha az aşındırıcı etkiye sahip olması, son zamanlarda ABE fermantasyonu yerine IBE fermantasyonu ile biyobütanol üretimini dikkat çeken bir konu haline getirmiştir. Son yıllarda IBE fermantasyonu yoluyla biyobütanol üretimi çalışmaları giderek artsa da IBE ürünlerinin saflaştırılmasını kapsayan tasarım çalışmaları oldukça sınırlıdır. Bununla birlikte, IBE karışımının dehidrasyonunu amaçlayan bir çalışmada prosesin kontrol edilebilirliği incelenmiş olsa da IBE fermantasyonu ile üretilen biyobütanolün saflaştırılma prosesinin tasarım ve kontrolünü kapsayan bir çalışma bulunmamaktadır. Bu projenin amacı, IBE fermantasyon suyundan, bir simülasyon programı yardımıyla yüksek saflıkta alkol ürünleri elde etmeyi sağlayacak alternatif saflaştırma proseslerinin yatışkın hal tasarımlarını geliştirmek ve bu alternatif tasarımların dinamik kontrolünü sağlayacak fabrika ölçekli kontrol yapılarını tasarlamaktır. Bu bütünleşik tasarım ve kontrol çalışmalarının sonucunda, geliştirilen alternatif proseslerin ekonomik ve çevresel etkilerinin gaz emisyonları bazında karşılaştırmasının yapılmasıyla en iyi proses seçeneğinin bulunması hedeflenmektedir. Bu amaç doğrultusunda, literatürde gaz sıyırma ve adsorpsiyon yöntemleri yardımıyla yerinde (in-situ) kazanımı yapılmış IBE fermantasyon suyundan, biyobütanol, izopropanol ve etanol saflaştırmayı sağlayacak proses konfigürasyonlarının yatışkın hal tasarımları Aspen Plus simülasyon programı kullanılarak yapılmıştır. Simülasyonda kullanılacak termodinamik model seçimi mevcut bileşenlere ve operasyon şartlarına bağlı olarak termodinamik model karar şeması yardımıyla yapılmıştır. Termodinamik model karar şemasına göre NRTL, UNIQUAC ve varyantları uygun görülmüştür. Bu modellerle tahmin edilen ikili buhar-sıvı ve sıvı-sıvı dengeleri, deneysel verilerle karşılaştırıldığında en uygun modelin NRTL olduğu görülmüş ve çalışmada bu modelin kullanılmasına karar verilmiştir. Bu tezde önerilen IBE saflaştırma prosesi konfigürasyonları, amaç fonksiyonu olarak toplam yıllık maliyet (TAC) kullanılarak optimize edilmiştir. TAC, üç yıllık geri ödeme süresi olan yatırım maliyeti ve işletme maliyetinden oluşmaktadır. Yatırım maliyeti, kolon gövdelerinin, rafların, ısı değiştiricilerin ve dekanterlerin maliyetini içerirken işletme maliyeti, buhar ve soğutma suyu maliyetlerinden oluşur. TAC'ın minimum değeri, ızgara arama (grid search) olarak tanımlanabilecek sıralı bir iteratif optimizasyon yöntemi kullanılarak aranmaktadır. Bu yöntemde raf sayısı, besleme raf yerleri gibi tasarım parametreleri TAC'ı minimize ederek optimum değerleri bulunana kadar değiştirilir. Her bir simülasyon yürütümünde, Aspen Plus'ın“Design Spec/Vary”fonksiyonu, riflaks oranı ve ürün debileri gibi manipüle edilen değişkenleri değiştirerek ürün saflıklarını istenilen değerde tutmak için kullanılmıştır. Seyreltik IBE fermantasyon suyundan istenilen saflıkta ürün elde edilebilecek üç ayrı saflaştırma proses konfigürasyonu optimize edilmiştir.“Sırf distilasyon konfigürasyonu”olarak adlandırılan ilk konfigürasyon sekiz distilasyon kolonu ve bir dekanterden oluşmaktadır. Seyreltik fermentasyon suyundaki su içeriğinin bir kısmı önderişikleştirme kolonu olarak adlandırılan ilk kolonun tabanından uzaklaştırılmaktadır. Bu kolonun tepe ürünü olarak alınan sulu IBE karışımı, heterojen ve homojen azeotropik karışımların birbirinden ayrılması için 2. kolona beslenmektedir. Bu kolonda homojen ve heterojen azeotroplar birbirlerinden ayrıldıktan sonra bütanol-su içeren taban ürün bir dekanter-distilasyon sistemine beslenirken, izopropanol-etanol-su karışımı ekstraktif distilasyon sistemine beslenmektedir. Bütanol-su karışımını ayırmak için kullanılan dekanter+distilasyon sisteminin amacı dekanterde birbirinden ayrılan iki sıvı fazı (organik ve sulu fazlar) farklı kolonlara besleyerek kolonların tabanlarından bütanol ve suyun yüksek saflıkta alınması, tepe ürün olarak alınan azeotropların ise dekantere geri beslenmesidir. IPA-etanol-su karışımı ise ayırma ajanı olarak kullanılan dimetil sülfoksit (DMSO) ile birlikte ardışık iki ekstraktif distilasyon sisteminden ilkine beslenmektedir. Burdaki amaç suyun uzaklaştırılmasıdır. Ekstraktif kolonun tabanından alınan DMSO-su karışımı, birbirlerinden ayrılabilmeleri için ajan geri kazanım kolonuna beslenir. Bu kolonun tepesinden yüksek saflıkta su alınırken tabanından da yüksek saflıkta DMSO alınır. Ekstraktif kolonun tepesinden alınan susuz IPA-etanol karışımı ise ikinci ekstraktif distilasyon sistemine beslenmektedir. Ekstraktif kolonun tepe ürünü olarak yüksek saflıkta IPA alınırken, taban ürün olarak alınan DMSO-etanol karışımı ajan geri kazanım kolonuna gönderilir. Bu kolonun da tabanından DMSO, tepesinden etanol alınır. Fermentasyon ürünlerinden her birinin saflaştırıldığı bu ilk konfigürasyonun toplam reboyler ısıl yükü 6312 kW iken toplam yıllık maliyeti de 2136.6x103 $/yıl olarak hesaplanmıştır. İlk konfigürasyonun yatışkın hal tasarımı tamamlandıktan sonra“ekstraksiyon-distilasyon hibrid konfigürasyonu”olarak adlandırılan ikinci konfigürasyonun yatışkın hal tasarımı optimize edilmiştir. Bu konfigürasyonda besleme akımındaki fazla su ekstraktör kullanılarak sistemden uzaklaştırılmaktadır. Suyun uzaklaştırılması için sisteme solvent olarak beslenen 2-etil hekzanoik asitin alternatifleri arasından seçimi, solvent seçicilikleri, sistemde kullanılması gereken minimum solvent miktarları ve seçilen solvente bağlı olarak değişen kolon maliyetleri incelenerek gerçekleştirilmiştir. Suyun büyük çoğunluğu ekstraktörün tabanından rafinat faz olarak alınırken, bir kısmı da IBE-solvent karışımıyla ektrakt faz olarak kolondan ayrılır. Bu fazda kalan suyun karışımdan uzaklaştırılması için karışım, ilave solventle birlikte ekstraktif distilasyon sistemine beslenir. Ekstraktif kolonun distilat akımı olarak alınan solvent ile su birbirlerinden ayrılmaları için bir dekantere gönderilirken taban ürün olarak alınan IBE-solvent karışımı bir geri kazanım kolonuna beslenir. Bu kolonun tabanından distilat akımı olarak alınan IBE karışımı, bütanolü ayırmak için üçüncü distilasyon kolonuna beslenir. Bu kolonun tabanından yüksek saflıkta butanol alınırken tepesinden alınan IPA-etanol karışımı ayrılmak istendiğinde ilk konfigürasyonda detayları verilen, aynı tasarım parametrelerine sahip ekstraktif distilasyon sistemine beslenebilir. Ancak IPA-etanol karışımının yakıt katkı maddesi olarak kullanılabilir olduğu bilindiğinden, ürün olarak karışımın alınması tercih edilmiştir. IPA-etanol karışımının ürün olarak alındığı bu konfigürasyonun toplam yıllık maliyeti 5293.1 x103 $/yıl olarak hesaplanırken, toplam reboyler ısıl yükü de 19492 kW olarak belirlenmiştir. İlk konfigürasyonla karşılaştırma yapabilmek için ilk konfigürasyonun maliyeti ve enerji tüketimi, IPA-etanol ayrımını gerçekleştiren ikinci ekstraktif distilasyon sisteminin etkisi hariç tutularak yeniden hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucunda ikinci konfigürasyonun yıllık maliyetinin ve reboyler ısıl yükünün ilk konfigürasyona göre sırasıyla %192 ve %259 daha fazla olduğu görülmüştür. Bunun temel nedeni IBE karışımını sudan ayırabilmek için fazla miktarda solvent kullanılması ve kullanılan solventin üçüncü kolon hariç tüm kolonlarda fazla sıvı dolaşımına neden olmasıdır. Bir sonraki alternatif saflaştırma prosesi“reaktif distilasyon konfigürasyonu”olarak adlandırılmaktadır. Bu konfigürasyonda, suyun önemli bir kısmı bir önderişikleştirme kolonunda sistemden uzaklaştırılırken kalan kısmı da IBE karışımıyla birlikte kolonun tepesinden alınır ve bir reaktif distilasyon kolonuna (RC) beslenir. Reaktif distilasyon kolonuna beslenen su, su-etilen oksit (EO) reaksiyonunda etilen glikol (EG) oluşturmak üzere harcanır. Yüksek saflıktaki EG, reaktif distilasyon kolonunun taban ürünü olarak alınırken, susuz IBE karışımı tepeden alınır ve bu karışımdan bütanolün ayrılması için üçüncü kolona beslenir. Bu kolonun tepe ve taban ürünleri sırasıyla yüksek saflıktaki IPA-etanol karışımı ve bütanoldür. Reaktif distilasyon konfigürasyonunun toplam yıllık maliyeti ve toplam reboyler yükü, sırasıyla, 1326.4x103 $/yıl ve 3797 kW'dır. Sonuçlar, bu konfigürasyonun toplam yıllık maliyetinin ilk ve ikinci konfigürasyona kıyasla sırasıyla %26.7 ve %75 azaldığını göstermektedir. Ayrıca toplam enerji tüketiminde de sırasıyla %30 ve %80.5'lik azalma olmuştur. Bunun yanısıra konfigürasyonların çevresel etkileri, gaz emisyon miktarları ve spesifik enerji talepleri hesaplanarak incelenmiştir. Konfigürasyonların gaz emisyon miktarları, enerji tüketim miktarlarıyla doğrudan orantılı olduğundan reaktif distilasyon konfigürasyonun gaz emisyon miktarı ilk ve ikinci konfigürasyona kıyasla sırasıyla %30 ve %80.5 daha azdır. Birinci ve üçüncü konfigürasyonların IBE fermantasyon suyundan birim biyobütanol eldesi için spesifik enerji talepleri, birim bütanolün enerji içeriğinin %39 ve %27'si kadardır. Ancak ikinci konfigürasyonun enerji talebi bütanolün enerji içeriğinden %40 daha fazladır. Tüm bu sonuçlar ışığında IBE fermantasyonundan biyobütanol saflaştırma proses konfigürasyonları arasında reaktif distilasyon konfigürasyonunun ekonomik ve çevresel açıdan en iyi konfigürasyon olduğu görülmektedir. Buna ek olarak, sırf distilasyon konfigürasyonu reaktif distilasyon konfigürasyonundan daha az ekonomik olsa da uygulanabilir bir diğer konfigürasyondur. Diğer taraftan hibrit ekstraksiyon-distilasyon konfigürasyonu, diğer iki konfigürasyona göre çok daha fazla toplam yıllık maliyete sahip olmasının yanısıra bütanol saflaştırmak için bütanol içeriğinden % 40 daha fazla enerjiye ihtiyaç duymasından ötürü fizibıl bir konfigürasyon değildir. Alternatifleri arasında açıdan en iyi proses seçeneği olarak önerilen reaktif distilasyon konfigürasyonun dinamik kontrolünü sağlayacak üç ayrı kontrol yapısı tasarlanmıştır. Bu üç kontrol yapısının gürbüzlükleri besleme debisi ve besleme bileşimindeki bozanetkenlerle test edilmiştir. Tasarlanan fabrika ölçekli kontrol yapılarının amacı biyobütanol saflığının bozanetkenler karşısında ayar noktasında tutmaktır. Çalışmadaki dinamik simülasyonlar Aspen Dynamics simülatörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm seviye kontrolörleri P tipidir. Akış, basınç ve sıcaklık kontrolleri için PI kontrolörler kullanılmıştır. Sıcaklık kontrol çevrimlerine 60 saniye gecikme eklenmiş ve sıcaklık kontrolör paramatreleri ATV testi uygulandıktan sonra Tyreus-Luyben denklemleri kullanılarak ayarlanmıştır. Nominal koşullarda tüm vanalar yarı açıktır. Bozanetkenler karşısında ürün saflıklarını ayar noktasına en yakın tutan ve geçiş zamanının daha kısa olduğu etkili bir temel seviye düzenleyici kontrol sunan kontrol yapısı 3'te (CS3) üretim hızının kontrolü için besleme debisi kullanılmıştır. Tüm riflaks haznesi seviyeleri, ilgili distilat debileri manipüle edilerek kontrol edilirken kolon taban seviyeleri, taban akım debileri ayarlanarak kontrol edilmiştir. Her üç distilasyon kolonunda çalışma basınçları, kondenserlerin ısıl yükü manipüle edilerek kontrol edilmiştir. İlk kolonda besleme/riflaks oran kontrolörü kullanılmıştır. Seçilen rafın sıcaklığını kontrol etmek için reboyler ısıl yükü manipüle edilmiştir. Reaktif distilasyon kolonunda iki sıcaklığa dayalı dolaylı kontrol uygulanmıştır. Sıcaklıkların kontrolü için reboyler ısıl yükü ve riflaks debisi ayarlanmıştır. Ayrıca beslemeler arasında sitokiometrik oranın sağlanması için besleme debilerinin oranı manipüle edilerek seçilen rafın bileşimi kontrol edilmiştir. Üçüncü kolonda ise reboyler ısıl yükü ve riflaks debisi manipüle edilerek iki sıcaklık kontrolü yapılmıştır. Önerilen bu kontrol yapısı besleme debisinin ±20%'lik ve bütanol bileşiminin ±2%'lik değişimleri karşısında ürün saflıkları %0.01'den daha küçük ofsetlere sahiptir. Yapılan bütünleşik tasarım ve kontrol çalışmalarının sonucunda, önerilen reaktif distilasyon konfigürasyonunun IBE fermantasyon suyundan yüksek saflıkta alkol ürünleri elde etmeyi sağlayacak iyi bir alternatif olduğu görülmüştür. Bunlara ek olarak, önerilen konfigürasyonunun enerji tüketimini azaltmak için ısıentegrasyonlu reaktif distilasyon konfigürasyonu tasarlanmıştır. Öncelikle reaktif kolonun EG içeren taban akımı, EO beslemesini ısıtmak için sıcak akım olarak kullanılmış, bu da toplam reboyler ısıl yükünde %17'lik azalmaya neden olmuştur. Ayrıca toplam yıllık maliyeti de %18.5 azaltmıştır. Akımlar arasındaki ısı entegrasyonuna ek olarak reaktif distilasyon kolonunun (RC) kondenseri ile önderişikleştirme kolonunun (C1) reboyleri arasında da ısı entegrasyonu uygulanmıştır. Reaktif distilasyon kolonunun tepesinden alınan buharın ısı içeriği, C1 kolonunun reboylerinde alt akımın ısıtılması için kullanılmaktadır. Bu konfigürasyonda C1 kolonunda ısıtma buharına, RC kolonunda ise soğutma suyuna ihtiyaç duyulmadığından, ısı entegrasyonu enerji maliyetinde %85.5 ve toplam yıllık maliyette %67'lik düşüşe neden olmuştur. Ayrıca, ısı entegreli reaktif distilasyon konfigürasyonunun enerji tüketimi %21 azalmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, three alternative downstream process configurations are designed to obtain high-purity alcohol products from isopropanol-butanol-ethanol (IBE) fermentation broth. In order to make a fair comparison between process configurations, the same IBE fermentation broth, which is recovered by adsorption and gas stripping as in-situ recovery methods, is utilized as a feed stream. The fermentation broth, containing two homogeneous and one heterogeneous azeotropes, is highly dilute. Therefore, the downstream separation process of IBE fermentation broth is very energy intensive. The purpose of this thesis is to propose an energy-efficient process configuration and develop a heat-integrated version of the proposed configuration to further reduce the energy requirement and capital cost. In addition, the examination of controllability of the proposed process configuration and its heat-integrated version by dynamic simulations is also aimed. The steady-state designs of alternative configurations are compared in terms of economic and gas emissions. Optimization of the design parameters for alternative process configurations are done based on economic analysis. Total annual cost (TAC) is used as the objective function of economic optimization. The minimum value of the objective function is searched by using sequential iterative optimization method that can be defined as a grid search method. In addition to the economic evaluation, gas emissions of the configuration are calculated as an important metric for environmental evaluation. Pure distillation configuration has eight distillation columns and one decanter. Firstly, a significant amount of water present in the fermentation broth is taken away from the mixture by a preconcentration column. Then, water in homogeneous azeotropes and water in heterogeneous azeotrope are removed by extractive distillation and decanter-distillation systems, respectively. In this configuration, butanol, isopropanol (IPA) and ethanol are obtained in high purity. On the other hand, hybrid extraction-distillation configuration includes extraction, extractive distillation and conventional distillation units to separate butanol from IBE fermentation broth. In this configuration, a consecutive extractor and extractive distillation system is utilized to remove excess amount of water. In order to take away IBE mixture from water, too much solvent is required in this configuration. Therefore, capital and operating costs of this configuration are high due to the liquid circulating in the downstream units. In reactive distillation configuration, a significant part of water in the fermentation broth is removed by a preconcentration column, and the rest of water is consumed in the reactive distillation by an ethylene oxide-water reaction which forms ethylene glycol. This configuration reduces the energy consumption, operating and capital cost significantly compared to other two configurations. Based on the results, the reactive distillation configuration is selected as the proposed configuration since it is more economical and has less gas emissions compared to alternative configurations. Once the final steady-state designs are completed and the results are examined, then the dynamic controllability of the proposed configuration for downstream separation of IBE fermentation is investigated. Dynamic simulation of the process is created and three plantwide control structures are designed for the proposed process. The results of plantwide control structures are examined in terms of robustness. The robustness of control structures is tested against disturbances in feed flowrate and feed composition. Keeping biobutanol purity at its set-point against disturbances is the main aim of the designed plantwide control structures. The responses against the disturbances show that the control structure including dual temperature control for reactive distillation and biobutanol purification columns provides a robust control. Lastly, a heat-integrated version of the most energy efficient and economical alternative, reactive distillation configuration, is developed. Heat integration between condenser and reboiler of the columns is applied to reduce the energy consumption of the reactive distillation configuration in addition to process-to-process heat transfer between product and feed streams. The results show that the heat-integrated reactive distillation configuration provides remarkable reduction in costs and energy consumption.
Benzer Tezler
- Toplam kalite yönetimi ve Türkiye perspektifi
Başlık çevirisi yok
ERGÜN ÖZTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. CENGİZ GÜNGÖR
- Üretim kaynakları planlaması
Başlık çevirisi yok
H.MELEK TEZGEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. FÜSUN ÜLENGİN
- Investigation of CO2 adsorption performance of spinel oxide & metal-organic structures
Spınel oksıt & metal-organık yapıların CO2 adsorpsıyon performansının araştırılması
DİLARA KÜÇÜKAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Optimization of cultivation conditions and engineering by random mutagenesis for high lipid production in Schizochytrium sp. S31
Schizochytrium sp. S31'in üretim koşullarının iyileştirilmesi ve rastlantısal mutasyon ile geliştirilmesiyle yüksek oranda lipid eldesi
NURCAN VARDAR
Doktora
İngilizce
2016
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER
PROF. MELEK TÜTER
- Tek silindirli içten yanmalı bir motorda sıkıştırma ve yanma periyodlarının bilgisayarla modellenmesi
Başlık çevirisi yok
MURAT EMİROĞLU