Optimization-based Process Screening of Biorefinery Pathways at Early Design Stage

Für die Erhöhung der Nachhaltigkeit chemischer Prozesse spielt der Wandel von konventionellen zu erneuerbaren Ressourcen eine große Rolle. Das eröffnet eine Vielzahl an neuen Prozessvarianten. Eine detaillierte Auslegung aller Varianten ist aufwändig und teuer, da die erforderlichen Simulationen stark von Designparametern abhängen und es kommerzieller Simulationssoftware an Robustheit mangelt. Daher sind Screeningmethoden erforderlich zur Bewertung neuer Prozesse. Existierende Methoden sind auf die Analyse von Reaktions- oder literaturbekannter Prozesspfade beschränkt, sodass neue Pfade Simulationsstudien erfordern, was durch eine geringe Datenverfügbarkeit zu den Reaktionen und dem Fehlen fundierter Stoffdatenmodelle erschwert wird.
Um die Prozessentwicklung und -verbesserung zu beschleunigen, wird die Prozessnetzwerkflussanalyse als optimierungsbasierte Screeningmethode vorgestellt. Diese erfasst systematisch die Reaktionsdaten und identifiziert die Art, Machbarkeit und Effizienz von Trennungen, welche anhand thermodynamisch valider Trennmodelle evaluiert werden. Basierend auf Massen- und Energiebilanzen, werden die Pfade hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bewertet. Des Weiteren erlaubt die Methode eine Abschätzung des Wärmeintegrationspotentials, berücksichtigt die Biomassetransportketteund identifiziert vielversprechende Produktportfolios anhand eines pragmatischen Marktmodells. Somit ist die Methode für einzelne, mehrere parallele Produkte sowie Mischungen anwendbar.
Die Genauigkeit der Resultate wird anhand eines Vergleiches mit der Literatur,der Reaktionsnetzwerkflussanalyse und einer konzeptionellen Designstudie analysiert.Für eine komplexe Studie zur Produktion von Kraftstoffen aus Biomasse, wird die Anwendbarkeit demonstriert. Dabei ist die Produktion von Ethanol am vielversprechendsten,gefolgt von iso-Butanol. Eine profitable Produktion, insbesondere unter Berücksichtigung des Biomassetransports, ist nicht möglich. Diese wird nur durch eine Ko-Produkten von Chemikalien erzielt. Schlüsselfaktoren zur Entwicklung effizienter Bioraffinerien werden daraus abgeleitet. Dafür wird insbesondere das aktuelle sowie das theoretische Potential selektiver biotechnologischer Konversionen diskutiert.weniger anzeigen