Polyhydroxyalkanoater (PHA) är en grupp av polymerer som är biobaserade, biologiskt nedbrytbara och som kan uppvisa varierande fysiokemiska egenskaper. Således har PHA potential att ersätta konventionell och fossilbaserad plast så som polypropylen (PP) och polyetentereftalat (PET). PHA framställas genom mikrobiologisk fermentering av organiskt material och innesluter sig i bakteriernas celler som sfäriska lagringsdepåer när bakterier matas med en kolkälla. PHAt kan sedan extraheras ut från bakterierna med hjälp av lösningsmedel, en metod som ger höga utvinningsnivåer men som kräver stora mängder lösningsmedel. Ska metoden vara hållbar och ha industriell relevans är det nödvändigt att lösningsmedelsåtervinning tillämpas. Industriell framställning av PHA sker idag med rena bakteriekulturer som matas med odlade sockerrika grödor. Detta leder till att konkurrens om markanvändning samt vatten- och energiresurser för främst livsmedelsproduktion uppstår. Samtidigt skapas restströmmar från industri och samhälle innehållande organiskt material och blandade bakteriekulturer vilka kan utnyttjas för att producera PHA. I detta arbete har PHA-processen modellerats i processimuleringsprogrammet CHEMCAD där data på restströmmar från skogsindustrin utnyttjas för PHA-produktion. I modellen har uppströmsprocesserna fermentering, anrikning, PHA-ackumulering och avvattning samt nedströmsprocesserna lösningsmedelsextraktion och separation inkluderats. Nedströmsprocesserna har modellerats för två fall. Ett fall där extraktion gjorts med 100 % torr biomassa (extraktionssystem 1) samt ett fall där extraktion gjorts med våt biomassa (extraktionssystem 2). Därtill implementerades intern värmeväxling vilket optimerades genom införandet av pinchanalys. Målet med projektet var att upprätta en energianalys av PHA processen, identifiera energibehovet för de enskilda PHA-processerna, analysera om lösningsmedelsextraktion görs mest energieffektivt med våt eller torr biomassa samt att utvärdera hur intern värmeväxling kan bidra till att energieffektivisera PHA-processen. Resultaten som erhölls visade att behovet av extern värme kunde minska från 49 till 13 MJ/ kg PHA och kylbehovet från 43 till 11 MJ/ kg PHA efter införandet av intern värmeväxling för extraktionssystem 1. När extraktion utfördes enligt extraktionssystem 2 minskade det externa kylbehovet från 98 till 48 MJ/kg PHA och det externa värmebehovet från 60,9 till 8,1 MJ/ kg PHA. I jämförelse med det totala specifika värme- och kylbehovet var det totala specifika elbehovet för PHA-processen lågt vilket kan ses som positivt då el är högvärdig och dyr energi. När extraktion utfördes enligt extraktionssystem 1 var det totala specifika elbehovet 3,55 MJ/ kg PHA och för extraktionssystem 2 var motsvarande siffra 4,1 MJ/ kg PHA. Störst elbehov uppstod i processen för luftning av PHA-ackumuleringstanken vilket krävde 2,8 MJ/kg PHA. / Polyhydroxyalkanoates (PHAs) is a group of biobased and biodegradable polymers which can exhibit flexible physicochemical properties. Thus, PHA has the potential to replace conventional and fossil-based plastic such as polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET). PHA is produced through microbiological fermentation by organic matter and is stored in the cells of bacteria as spherical storage depots when the bacteria are feed by a carbon source. The PHA can then be extracted from the bacteria using solvent, a method resulting in high yields of PHA but on the other hand large quantities of solvent is required and if the method will be sustainable and have industrial relevance it is necessary to apply solvent recycling in the system. Today industrial production of PHA takes place using pure bacterial cultures and cultivated sugar-rich crops. This contributes to a competition of land use and water and energy resources, mainly for food production. At the same time, waste streams are generated from industry and society containing organic material and mixed bacterial cultures which can be used to produced PHA. In this work the process for PHA production has been modelled in the process simulation program CHEMCAD using data from waste streams produced from forest industry. In the model the following upstream processes has been included; acidogenic fermentation, enrichment, PHA-accumulation, dewatering and the downstream processes solvent extraction and separation. Moreover, the downstream processes have been modelled for two cases; one case where extraction takes place using 100 % dry biomass (extraction system 1) and one case where extraction takes place using wet biomass (extraction system 2). In addition, internal heat exchanging was implemented which was optimized through the introduction of pinch analysis. The aim of the project was to establish an energy analysis of the PHA process, identify the energy needs of the individual PHA processes, analyse whether solvent extraction is made most energy efficient using wet or dry biomass and to evaluate how internal heat exchanging can contribute to make to the PHA process more energy efficient. The results obtained showed that the need for external heating and cooling could decrease from 49 to 13 MJ/ kg PHA and 43 till 11 MJ/ kg PHA after the implementation of internal heat exchanging for extraction system 1. When extraction was performed according to extraction system 2 the external cooling demand was reduced from 98 to 48 MJ/kg PHA and the externa heating demand was reduced from 60,9 to 8,1 MJ/ kg PHA. In comparison with the total specific heating and cooling demand, the total specific electricity demand for the PHA process was low, which can be seen as positive as electricity is high-value and expensive energy. When extraction was performed according to extraction system 1, the total specific electricity requirement was 3,55 MJ/ kg PHA and for extraction system 2 the corresponding value was 4,1 MJ/ kg PHA. The greatest electricity demand arose in the process of aerating the PHA accumulation reactor with 2,8 MJ/kg PHA.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kau-85623 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Elfving, Fanny |
| Publisher | Karlstads universitet, Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper (from 2013) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.003 seconds