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

• Prof. ¡Luuk ¡van ¡der ¡Wielen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Towards ¡an ¡integrated ¡bioprocess ¡

Introduc)on ¡to ¡week ¡5 ¡

An ¡integrated ¡(bio)process ¡

2 ¡

Economics ¡

• ¡Revenues ¡= ¡output ¡x ¡product ¡price ¡
• ¡OPEX ¡related ¡to ¡use ¡and ¡waste ¡of ¡materials ¡
• ¡feedstock/water/auxiliary ¡materials ¡ ¡
• ¡waste/emissions, ¡when ¡not ¡recycled ¡
• ¡CAPEX ¡related ¡to ¡equipment ¡investment ¡

Main ¡objec8ve ¡in ¡design ¡ ¡

• ¡Balance ¡CAPEX ¡and ¡OPEX ¡
• ¡OpKmizaKon! ¡... ¡It ¡is ¡not ¡straighOorward ¡

$ ¡

• utput ¡

costs ¡ Revenues ¡

Margin ¡

Taxes ¡& ¡legisla8on ¡

OPEX ¡

downstream ¡

OPEX ¡

fermenta8on ¡

OPEX ¡

upstream ¡

CAPEX ¡

fermenta8on ¡

CAPEX ¡

upstream ¡

CAPEX ¡

downstream ¡

CAPEX ¡distribu8on ¡

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

80% ¡of ¡ CAPEX ¡ 80% ¡of ¡ CAPEX ¡

Produc8on ¡volume ¡[kT/yr] ¡ Cost ¡ price ¡($/lb) ¡

0,001 ¡ 0,1 ¡ 10 ¡ 1000 ¡ 10000 ¡ 0,01 ¡ 0,1 ¡ 1 ¡ 10 ¡ 100 ¡ 1000 ¡ 1000 ¡ 0,1 ¡ 1 ¡ 10 ¡ 100 ¡ 1000 ¡

Product ¡concentra8on ¡from ¡reactor ¡[kg/m3] ¡ Biopharmaceu8cals ¡ Ac8ve ¡ingredients ¡ Biobulk ¡products ¡ Petrochemicals ¡

a0er ¡Cooney, ¡‘84 ¡

Water ¡separaKon ¡is ¡the ¡ largest ¡cost ¡contributor! ¡ ¡

OPEX ¡distribu8on ¡ ¡

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 ¡

mass ¡balance ¡

• 1. ¡mass ¡balance ¡

(overall, ¡phase, ¡local) ¡

¡

• 2. ¡phase ¡and ¡reacKon ¡

equilibria ¡(K’s) ¡

¡

• 3. ¡hydrodynamics ¡

¡

• 4. ¡mass ¡transfer ¡and ¡

reacKon ¡rate ¡(k’s) ¡

in ¡ ¡ equilibrium ¡ ¡

• ut ¡
• ut ¡

¡ rate ¡ ¡ in ¡

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. ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡y1 ¡= ¡K ¡* ¡x1 ¡

¡ At ¡equilibrium, ¡K ¡is ¡the ¡ra8o ¡between ¡ ¡ aroma ¡concentra8ons ¡in ¡beans ¡and ¡water. ¡

ConcentraKon ¡of ¡aroma ¡ ¡ in ¡coffee ¡beans ¡ ConcentraKon ¡of ¡ ¡ aroma ¡in ¡hot ¡water ¡ The ¡mass ¡distribuKon ¡coefficient ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡y1 ¡= ¡K ¡* ¡x1 ¡

¡

Coffee ¡produc8on ¡as ¡an ¡equilibrium ¡process ¡ ¡

beans ¡ coffee ¡ x1 ¡ y1 ¡

Dis8lla8on ¡column ¡ L V ¡

Unit ¡ ¡

• pera)on ¡

x0 ¡ x1 ¡ y1 ¡ y2 ¡

Important ¡concept: ¡equilibrium ¡stage ¡

bocom ¡ product ¡ top ¡ ¡ product ¡

feed ¡

“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 ¡? ¡

Typical ¡Dutch ¡Ques8on ¡

beans ¡ ¡ B ¡x0 ¡ ¡ hot ¡water ¡ exhaust ¡beans ¡ ¡ B ¡x1 ¡ coffee ¡ ¡ L1 ¡y1 ¡ hot ¡water ¡ exhaust ¡beans ¡ B ¡x2 ¡ coffee ¡L2 ¡y2 ¡ mass ¡ balances ¡ ¡ for ¡aroma: ¡

1 1 1 1 1 1 1

Bx Bx L y y Kx x 1 x L K /B 1 = + = = +

1 2 2 2 2 2 2 1 2

Bx Bx L y y Kx x 1 x L K /B 1 = + = = +

Answer ¡(I) ¡

exhaust ¡beans ¡ B ¡x1 ¡ hot ¡water ¡ waste ¡beans ¡ B ¡x2 ¡ coffee ¡L2 ¡y2 ¡ shame ¡ CombinaKon ¡of ¡flows ¡and ¡K ¡is ¡important: ¡ ¡ this ¡is ¡the ¡separa/on ¡factor ¡for ¡aroma ¡

2 1 2

x 1 1 x L K /B 1 = < +

Answer ¡(II) ¡

fresh ¡beans ¡ B ¡x0 ¡ ¡used ¡beans ¡ B ¡x1 ¡ hot ¡water ¡flow ¡ ¡ L ¡ exhaust ¡beans ¡ B ¡x2 ¡ dilute ¡coffee ¡ ¡ L ¡y2 ¡ strong ¡coffee ¡ ¡ L ¡y1 ¡

y ¡= ¡K ¡x ¡+ ¡mass ¡balances ¡for ¡aroma ¡

Answer ¡(III) ¡

See ¡you ¡next ¡unit! ¡