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

Luuk ¡van ¡der ¡Wielen ¡(and ¡dr. ¡Marcel ¡O3ens) ¡ ¡ Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Process ¡integra-on ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡

Flowshee(ng ¡

Op-on ¡1: ¡close ¡to ¡reality ¡-­‑ ¡US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡

[A] ¡cell ¡removal ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

General ¡PDO ¡steps ¡

[A] ¡Membranes ¡(microfiltraOon) ¡ [B] ¡Membranes ¡(ultrafiltraOon) ¡ [C] ¡Ion ¡exchange ¡(sorpOon) ¡ EvaporaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡ DisOllaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡ MARKET ¡

US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡

FERMENTER ¡

Comparing ¡conceptual ¡op-ons ¡

[A] ¡cell ¡removal ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

General ¡PDO ¡steps ¡

Membranes ¡(microfiltraOon) ¡ Membranes ¡(ultrafiltraOon) ¡ Ion ¡exclusion ¡(sorpOon) ¡ EvaporaOon ¡(energy ¡integraOon) ¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡

MARKET ¡

US ¡6 ¡479 ¡716 ¡(2002)

FERMENTER ¡

Full ¡defini-on ¡of ¡a ¡process ¡

• 2. Stream table

Gives ¡stream ¡composiOon, ¡ size, ¡condiOons ¡(T,P) ¡and ¡ ¡ ¡

• ther ¡derivaOve ¡properOes ¡

(eg. ¡enthalpy) ¡

• 1. Flowsheet

Shows ¡order ¡of ¡equipment, ¡ connecOng ¡streams, ¡and ¡ condiOons ¡(T,P) ¡of ¡streams ¡

• 3. Cycle diagram

Indicates ¡when ¡each ¡unit ¡is ¡ acOve ¡in ¡batch ¡or ¡hybrid ¡ process ¡ This ¡informaOon ¡allows ¡techno-­‑economic ¡analysis ¡of ¡a ¡process, ¡ ¡ and ¡calculaOon ¡of ¡its ¡environmental ¡footprint ¡through ¡life ¡cycle ¡analysis ¡

Not ¡required ¡for ¡our ¡ conOnuous ¡PDO ¡ process ¡

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 ¡

cool ¡ crystallizer ¡ crystal ¡ slurry ¡ crystal ¡ product ¡ centrifuge ¡ solvent ¡ ¡ make-­‑up ¡ waste ¡ extractor ¡ feed ¡ recycle ¡stream ¡ Let’s ¡convert ¡ this ¡back ¡to ¡a ¡ block ¡scheme ¡ to ¡observe ¡how ¡ streams ¡are ¡ modified ¡

• 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 ¡ from ¡centrifuge ¡ to ¡unit ¡II ¡ waste ¡stream ¡ feed ¡streams ¡ to ¡process ¡ extractor ¡

α12k ¡

Split ¡factor ¡of ¡compound ¡k ¡ from ¡unit ¡I ¡to ¡II ¡

Split ¡factor ¡scheme ¡

recycle ¡stream ¡ waste ¡stream ¡ cool ¡ crystallizer ¡ extractor ¡ centrifuge ¡

• 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 ¡

• In ¡matrix ¡form: ¡[A] ¡* ¡m ¡= ¡B ¡

¡Can ¡be ¡solved ¡with ¡g’s ¡and ¡α’s ¡known: ¡m ¡= ¡[A]-­‑1 ¡* ¡B ¡

¡

Mathema-cs ¡(for ¡constant ¡split ¡factors) ¡

• Equa-ons ¡for ¡ ¡‘A’ ¡per ¡opera-on ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Out ¡= ¡ ¡In ¡ ¡+ ¡Produc-on ¡ ¡unit ¡I ¡(extractor): ¡ ¡m1A ¡= ¡ ¡ ¡α31Am3A ¡+ ¡g1A ¡+ ¡g7A ¡ ¡unit ¡II ¡(crystallizer): ¡m2A ¡= ¡ ¡ ¡α12Am1A ¡ ¡unit ¡III ¡(centrifuge): ¡m3A ¡= ¡ ¡ ¡α23Am2A ¡

¡

Another ¡example: ¡glycine ¡crystallisa-on ¡

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

Specifica-ons ¡ ¡

• Glycine ¡crystal ¡producOon: ¡2000 ¡ton/year ¡
• Feed ¡composiOons: ¡ ¡ ¡x[0..3] ¡= ¡[x0

sat, ¡ ¡0, ¡ ¡1-­‑x0 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 ¡

• 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 ¡

In ¡reality, ¡not ¡all ¡constants ¡are ¡constant ¡ ¡

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 ¡ secOon ¡ ¡ 100 ¡ ClarificaOon ¡ secOon ¡ ¡200 ¡ PurificaOon ¡ secOon ¡ 300 ¡

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

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

From ¡the ¡ fermenter ¡ Water ¡recycle ¡ from ¡evapora-on ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Clarifica-on ¡sec-on ¡-­‑ ¡200 ¡

Water ¡recycl microfiltra-o From ¡clarifica-on ¡

Flowsheet ¡for ¡1,3 ¡PDO ¡ Purifica-on ¡sec-on ¡– ¡300 ¡ ¡

The ¡full ¡1,3PDO ¡process ¡

Good ¡luck ¡with ¡the ¡PDO ¡case! ¡