Development of Process Configurations and Simulation of Biobutanol Production Using DWSIM

Abstract

Climate change resulting from extensive greenhouse gas (GHG) emissions and the depletion of finite fossil fuels have directed the scientific community to focus on exploiting biomass for sustainable production of bioproducts and bioenergy. In particular, biobutanol has been a focus in the area of biofuel research as the alternative renewable fuel due to its ability to act as a fuel additive and better compatibility with gasoline than bioethanol. However, low product yield and high substrate cost are the two major limiting factors in the industrialization of biomass-based products. Biobutanol production using lignocellulosic biomass as feedstock through acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation addresses the high substrate cost challenge and provides energy security since the supply and production can be done domestically. Nonetheless, this process is still under optimization for maximum fermentable sugar production and final product yield. Process simulation has been used to facilitate the design of biobutanol production process. While commercial software is commonly used for process modeling, the accessibility and cost-free nature of open-source software present opportunities for effective simulation, particularly for small businesses. The objective of this study is to develop suitable process configurations for biobutanol production and to demonstrate the viability of the open-source chemical process simulator, DWSIM, version 7.3.2, in modelling biobutanol production process and its ability to scale-up laboratory results. An extensive literature review was conducted to establish process flowsheet and identify research papers with the required data to support process simulation. DWSIM was employed to model the fermentative production of biobutanol from five lignocellulosic feedstocks: hybrid poplar wood, elmwood, switchgrass, wheat straw, and pulp and paper mill side stream. The designed process consists of the following steps: pretreatment (autohydrolysis or dilute acid pretreatment), detoxification, enzymatic hydrolysis, fermentation, and distillation. In order to complete the simulation on DWSIM, additional compounds were imported into the software to represent the lignocellulose composition and the biomass pretreatment step. Chemical reactions were included to model feedstock pretreatment, hydrolysis and fermentation steps. Model validation was conducted against the results prior to configuration development. A total of six process configurations were developed with varying feedstock type and composition, pretreatment method and conditions, and content to be hydrolyzed. This study demonstrates the ability for DWSIM to simulate results from laboratory scale and estimate biobutanol production amount at an industrial level. The potential sites to locate biobutanol production plants in Canada were proposed. Finally, DWSIM performance was also analysed.

Le changement climatique résultant d'importantes émissions de gaz à effet de serre (GES) et de l'épuisement des combustibles fossiles limités a amené la communauté scientifique à se concentrer sur l'exploitation de la biomasse pour la production durable de bioproduits et de bioénergie. En particulier, dans le domaine des biocarburants, le biobutanol a fait l'objet de recherches, car c’est un carburant renouvelable alternatif qui a la capacité à agir comme additif et une meilleure compatibilité avec l'essence que le bioéthanol. Cependant, le faible rendement du produit et le coût élevé du substrat sont les deux principaux facteurs limitants de l’industrialisation des produits à base de biomasse. La production de biobutanol utilisant la biomasse lignocellulosique comme matière première par fermentation acétone-butanol-éthanol (ABE) répond au défi du coût élevé du substrat et assure la sécurité énergétique, puisque l'approvisionnement et la production peuvent être effectués au niveau régional. Néanmoins, ce procédé est toujours en cours d'optimisation pour une production maximale de sucres fermentescibles et un rendement élevé en produit final. La simulation a été utilisée pour faciliter la conception du procédé de production de biobutanol. Alors que les logiciels commerciaux sont couramment utilisés pour la modélisation des procédés, l'accessibilité et la nature gratuite des logiciels « open source » offrent des opportunités de simulation efficace, en particulier pour les petites entreprises. L'objectif de cette étude est de développer des configurations de procédé pour la production de biobutanol et de démontrer la viabilité du simulateur open source, DWSIM, version 7.3.2, dans la modélisation du procédé de production de biobutanol et sa capacité à faciliter la mise à l’échelle des résultats de laboratoire .Une revue approfondie de la littérature a été menée pour établir le diagramme de procédé et identifier les documents de recherche contenant les données requises pour la simulation. DWSIM a été utilisé pour modéliser la production de biobutanol par fermentation à partir de cinq matières premières lignocellulosiques : le bois de peuplier hybride, l'orme, le panic raide, la paille de blé et le courant secondaire des usines de pâtes et papiers. Le procédé développé comprend les étapes suivantes : prétraitement (autohydrolyse ou prétraitement acide dilué), détoxification, hydrolyse enzymatique, fermentation et distillation. Afin de compléter la simulation sur DWSIM, des composés supplémentaires ont été importés dans le logiciel pour représenter la composition lignocellulosique et l’étape de prétraitement de la biomasse. Des réactions chimiques ont été incluses pour modéliser les réactions qui ont lieu à chaque étape. Une validation du modèle a été effectuée avant le développement de la configuration. Au total, six configurations ont été développées avec différents types et composition de matières premières, méthodes et conditions de prétraitement et contenu à hydrolyser. Cette étude démontre la capacité du DWSIM à simuler des résultats de l’échelle laboratoire et à estimer la quantité de production de biobutanol au niveau industriel. Des sites potentiels pour implanter des usines de production de biobutanol au Canada ont été proposés. Finalement, la performance de DWSIM a également été analysée.