Upstream processing Producing high quality feedstocks Luuk - - PowerPoint PPT Presentation

Luuk ¡van ¡der ¡Wielen ¡and ¡Solange ¡Mussa3o, ¡ ¡ Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Upstream ¡processing ¡

Producing ¡high ¡quality ¡feedstocks ¡

An ¡integrated ¡(bio)process ¡

Raw ¡biomass ¡does ¡not ¡fit ¡in ¡a ¡reactor ¡

Pretreatment ¡(and ¡hydrolysis) ¡of ¡biomass ¡

1G ¡-­‑ ¡(dissolved) ¡sugars ¡and ¡starch ¡ ¡

• Revision ¡of ¡‘classical’ ¡agrofood ¡

¡processing, ¡to ¡include ¡use ¡of ¡ ¡lignocellulosics ¡for ¡non-­‑food ¡ ¡products. ¡

• Pretreatment ¡is ¡required ¡for ¡

¡both ¡1G ¡and ¡2G: ¡hydrolysis ¡ ¡(depolymerisaPon) ¡of ¡the ¡ ¡sugar ¡ ¡polymers. ¡

• Oils/lipids, ¡proteins, ¡nutrients ¡

¡require ¡dedicated ¡recovery ¡ ¡routes ¡ 2G ¡-­‑ ¡lignocellulosics ¡

Upstream ¡processing ¡is ¡feedstock ¡prepara:on ¡

1. Size ¡modificaPon ¡and ¡selecPon ¡ 2. Opening ¡the ¡biomass ¡structure ¡ 3. DepolymerisaPon ¡ ¡(when ¡necessary ¡for ¡starch ¡/ ¡lignocellulosics) ¡ ¡ 4. ExtracPon ¡of ¡fermentable ¡sugars ¡and ¡other ¡intermediates ¡ 5. Further ¡condiPoning ¡ 6. Conversion ¡(when ¡necessary) ¡and ¡purificaPon ¡ ¡ ¡ Note: ¡technology ¡base ¡is ¡comparable, ¡but ¡not ¡idenPcal ¡to ¡convenPonal ¡ ¡ agro-­‑food ¡processing. ¡

Milling ¡and ¡grinding ¡ Cu3ers ¡and ¡choppers ¡ Slicers, ¡mulchers ¡and ¡shredders ¡ More ¡advanced ¡(Tilby ¡etc.) ¡ Sieves ¡ Gravity ¡and ¡centrifugal ¡ Wind ¡si]ers ¡ Electro-­‑methods ¡ Selec:on ¡ Reduc:on ¡

Size ¡modificaPons ¡also ¡used ¡to ¡form ¡larger ¡pellets ¡

• 1. ¡Size ¡reduc:on ¡and ¡selec:on ¡-­‑ ¡methods ¡

• 1. ¡Size ¡reduc:on ¡and ¡selec:on ¡– ¡aspects ¡

1. Removal ¡of ¡undesired ¡objects ¡(knives, ¡stones, ¡etc) ¡ 2. Storage ¡of ¡biomass ¡is ¡o]en ¡limited ¡ ¡ 3. TransportaPon ¡to/within ¡processing ¡plant ¡(flows ¡on ¡conveyers, ¡in ¡pipes) ¡ 4. StandardisaPon ¡to ¡accommodate ¡limited ¡flexibility ¡of ¡mechanical ¡handling ¡ ¡ 5. OperaPonal ¡robustness ¡and ¡wear ¡ 6. Mechanical ¡handling ¡~ ¡kJ/ton ¡material: ¡power ¡costs, ¡energy ¡dissipaPon ¡ (temperature ¡sensiPvity) ¡

• 2. ¡Opening ¡biomass ¡structure ¡
• 1. Use ¡and ¡efficiency ¡of ¡chemicals ¡and ¡power ¡
• 2. Sugar ¡yield ¡ ¡
• 3. Byproducts ¡are ¡potenPal ¡inhibitors ¡
• 4. Strong ¡feedstock/seasonal ¡dependence ¡

1. Thermal ¡treatment ¡“explosion” ¡with ¡steam, ¡NH3, ¡CO2, ¡others ¡ 2. Base ¡(NaOH, ¡NH3) ¡or ¡acid ¡(HCl, ¡H2SO4) ¡catalysis ¡ 3. Solvent ¡extracPon ¡of ¡lignin ¡ 4. (Wet) ¡oxidaPon ¡ ¡ 5. Biological, ¡by ¡fungal ¡acPvity ¡ Categories ¡ Issues ¡

• 2. ¡Opening ¡biomass ¡structure ¡– ¡comparing ¡routes ¡

• 1. Acid ¡catalysis ¡– ¡depolymerizes ¡(concentraPon ¡dependent), ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

but ¡also ¡leads ¡to ¡more ¡contaminants ¡(furanic ¡components) ¡

• 2. Base ¡catalysis ¡– ¡less ¡contaminants ¡formed ¡(acePc) ¡
• 3. Enzyma:c – ¡special ¡enzyme ¡cocktails ¡for ¡different ¡starch ¡

and ¡biomass ¡types ¡

• 3. ¡Depolymerisa:on ¡

Upstream ¡processing ¡is ¡feedstock ¡prepara:on ¡

1. Size ¡modificaPon ¡and ¡selecPon ¡ 2. Opening ¡the ¡biomass ¡structure ¡ 3. DepolymerisaPon ¡ ¡(when ¡necessary ¡for ¡starch ¡/ ¡lignocellulosics) ¡ ¡ 4. ExtracPon ¡of ¡fermentable ¡sugars ¡and ¡other ¡intermediates ¡ 5. Further ¡condiPoning ¡ 6. Conversion ¡(when ¡necessary) ¡and ¡purificaPon ¡ ¡ ¡

• 4. ¡‘Extrac:on’ ¡of ¡sugars ¡
• O6en ¡integrated ¡with ¡previous ¡pretreatment/hydrolysis ¡steps ¡
• Preferably ¡in ¡a ¡countercurrent ¡flow ¡ ¡
• Starches ¡are ¡usually ¡recovered ¡first ¡(as ¡solids), ¡and ¡then ¡hydrolysed ¡(‘liquefacDon’) ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Beet ¡(diffusion ¡tower) ¡ Cane ¡(mills ¡cascade) ¡sugar ¡extrac:on ¡

1. Size ¡modificaPon ¡and ¡selecPon ¡ 2. Opening ¡the ¡biomass ¡structure ¡ 3. DepolymerisaPon ¡ ¡(when ¡necessary ¡for ¡starch ¡/ ¡lignocellulosics) ¡ ¡ 4. ExtracPon ¡of ¡fermentable ¡sugars ¡and ¡other ¡intermediates ¡ 5. Further ¡condiPoning ¡ 6. Conversion ¡(when ¡necessary) ¡and ¡purificaPon ¡ ¡ ¡ Specific ¡for ¡type ¡of ¡feedstock ¡ ¡

Upstream ¡processing ¡is ¡feedstock ¡prepara:on ¡

Examples ¡of ¡upstream ¡processes ¡

1. ¡Sugar ¡– ¡beet ¡and ¡cane ¡ 2. ¡Starch ¡ 3. ¡Vegetable ¡oils ¡and ¡proteins ¡(palm ¡and ¡soy) ¡ 4. ¡Lignocellulosics ¡from ¡bagasse ¡and ¡straw ¡ ¡ 5. ¡Lignocellulosics ¡from ¡pulp ¡& ¡paper ¡

Processing ¡sugar ¡beet ¡

evapora:on ¡ evapora:on ¡ clarifica:on ¡ stabilisa:on/ ¡ clarifica:on ¡

‘extrac:on’ ¡in ¡mills ¡~ ¡ ¡ ¡ 50% ¡CAPEX ¡+ ¡energy ¡

to ¡fermenter ¡

Sugar ¡cane ¡

Corn ¡– ¡wet ¡milling ¡process ¡

Lignocellulosic ¡processes ¡are ¡coming ¡…. ¡

…and ¡their ¡engineering ¡approach ¡is ¡similar ¡to ¡starch ¡processes ¡ ¡ ¡-­‑ ¡integrated ¡in ¡exisPng ¡biorefineries ¡ ¡-­‑ ¡newly ¡designed ¡ ¡

Sugar ¡cane ¡bagasse ¡

ConstrucPon ¡ ¡ Granbio ¡(Alagoas, ¡Brazil) ¡ OperaPon, ¡started ¡2014 ¡

Corn ¡stover ¡

ConstrucPon ¡ ¡ DSM-­‑POET ¡(Emmetsburg, ¡USA) ¡ OperaPon ¡

Hydrolysis ¡of ¡wood ¡to ¡pulp, ¡for ¡paper ¡ produc:on ¡

Upstream ¡is ¡integral ¡part ¡of ¡whole ¡process ¡

1. Many, ¡many ¡technical ¡opPons ¡ 2. Comparable ¡overall ¡process ¡structure ¡ 3. Coming ¡decade ¡will ¡reveal ¡the ¡best ¡combinaPons ¡ ¡ 4. Key ¡numbers: ¡ ¡ energy ¡ ¡ chemicals ¡ enzymes ¡ per ¡ …ton ¡of ¡biomass ¡ …sugar ¡yield ¡ …byproduct ¡profile ¡ feedstock ¡ process ¡ product ¡

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