Comparison of downstream processes for the recovery of acetone-butanol-ethanol from aqueous solutions

Abstract

Biobutanol is produced via Acetone-Butanol-Ethanol [ABE] fermentation, which is one of the oldest industrial processes. Prior to the 1950s, all butanol was produced via this process, although product inhibition during fermentation caused high production costs. Petrochemically produced butanol changed the market price and the biotechnological production was not competitive anymore. The goal of this work was the investigation of in-situ recovery processes during fermentative production of bio butanol to obtain an improved downstream process. Laboratory work coupled with calculations in the simulation program Aspen Plus were performed to examine influencing process parameters as well as energy demand during product purification. Besides membrane processes such as membrane distillation (MD) and pervaporation (PV), a hybrid process of gas stripping and adsorption is proposed for this application. First binary, ternary and quaternary model solutions were investigated in the MD and PV laboratory setup stacked with polypropylene [PP] and polydimethylsiloxane [PDMS] standard membranes. For the simulation in Aspen Plus it was further necessary to program an user-defined MD and PV unit operation model based on the laboratory experiments which can be implemented in a larger flowsheet. In a next step sensitivity analysis as well as a hybrid process of membrane separation and distillation was examined. Results showed that the pervaporation with commercial PDMS membranes and distillation process has energy savings of around 50 % compared to standard distillation when purifying butanol from an aqueous solution. Vacuum membrane distillation configuration offers highest fluxes, but still product concentration in permeat is low and does not decrease the specific energy demand of the overall process compared to standard distillation. Investigation of polyoctylmethyl siloxane [POMS] membrane was performed to obtain even higher selectivities. Results showed that POMS membrane increases selectivities compared to PDMS membranes and in contact with fermentation broth even a higher enrichment was observed. The energy demand of the coupled pervaporation and distillation process could further be decreased by 80 % when using POMS membrane. However a decrease of transmembrane flux was monitored. As an alternative to membrane separation processes and to overcome membrane fouling a novel hybrid process of gas stripping, condensation and adsorption is proposed. Main advantage is the transfer of the products into the gas phase via gas stripping. Subsequent adsorption step represents a workaround of total condensation, which is a very energy intensive process. The single separation steps do not have a high enrichment, but the hybrid configuration offers higher separation factors compared to results obtained during pervaporation. Therefore this hybrid process is a possible alternative to the investigated thermal membrane separation processes.

Biobutanol wird während der Azeton-Butanol-Ethanol Fermentation hergestellt, welche einen der ältesten industriellen Prozesse darstellt. Vor den 1950er Jahren wurde jegliches Butanol in dieser Fermentation produziert, obwohl Produktinhibierung während der Fermentation hohe Produktionskosten forderte. Günstiges Butanol der petrochemischen Industrie veränderte den Markt und die biotechnologische Herstellung war nicht mehr wirtschaftlich. Das Ziel dieser Arbeit war es Insitu-Abtrennprozesse während der fermentativen Biobutanol Produktion zu untersuchen um einen optimierten Prozess zu erhalten. Experimentelle Arbeiten in Verbindung mit Berechnungen im Simulationsprogramm Aspen Plus wurden durchgeführt um Prozessbedingungen als auch den Energieaufwand der Prozessschritte zu analysieren. Neben thermischen Membranprozessen wie Membrandestillation (MD) und Pervaporation (PV) wird auch ein neuartiger Hybridprozess, bestehend aus Gasstrippen und Adsorption, für diesen Einsatz vorgestellt. Zu Beginn wurden binäre, ternäre und quaternäre Modellösungen im MD und PV Versuchsstand bestückt mit Polypropylene [PP] und Polydimethylsiloxan [PDMS] Standardmembranen untersucht. Um die Prozesse in Aspen Plus berechnen zu können, war es im nächsten Schritt notwendig benutzerbasierende MD und PV Prozesseinheiten zu programmieren. Diese konnten in einem größeren Fließbild verknüpft werden um Sensitivitätsanalysen als auch den gekoppelten Prozess von Membranabtrennung und Destillation zu berechnen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der gekoppelte Pervaporation und Destillationsprozess 50 % Energieersparnisse gegenüber reiner Standarddestillation liefert, wenn Butanol aus einer wässrigen Lösung mit einer kommerziellen PDMS Membran aufgereinigt werden soll. Vakuummembrandestillation hingegen, überzeugt mit höheren transmembranen Flüssen und geringerem Vakuum. Jedoch genügt die erreichbare Butanol Konzentration im Permeat nicht den Energiebedarf des Gesamtprozesses zu verringern. Zusätzlich wurde ein weiteres Membranmaterial - POMS [polyoctylmethyl siloxane] - untersucht um noch höhere Anreicherungen zu erhalten. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die POMS Membran bei Einsatz in der Fermentationsbrühe sogar noch höhere Anreicherungen der Produkte im Permeat ermöglicht. Der Energieaufwand des gekoppelten PV und Destillationsprozesses bei Verwendung von einer POMS Membran könnte um 80 % verringert werden. Es wurde jedoch eine Verringerung des transmembranen Flusses festgestellt. Als Alternative zu den unstersuchten Membranprozessen und um die Problematik des Foulings an der Membran zu umgehen wurde eine neuartige Prozesskombination aus Gasstrippen, mäßiger Kondensation und Adsorption untersucht. Großen Vorteil dabei liefern die Überführung der Produkte in die Gasphase während des Gasstrippens und die Umgehung des Kondensationsschrittes bei tiefen Temperaturen um das gesamte Produkt abzutrennen. Dadurch wird die Fermentation selbst nur gering beeinflusst und Fouling durch die Mikroorganismen kann verhindert werden. Die einzelnen Abtrennschritte selbst führten zu gemäßigte Anreicherungen der Produkte, deren Kombination hingegen lieferte höhere Abtrennfaktoren als die Pervaporation erreichte. Die hybride Prozessvariante bietet daher eine potentielle Alternative zu den untersuchten Membrantrennprozessen.