Technical and economic aspects of furfural and ethanol co-production from sugarcane bagasse and harvest residues, annexed to a sugar mill
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Lignocellulose biomass has potential to reduce the consumption of fossil resources.
Furfural and ethanol are some of the most promising bioproducts that can be produced from
lignocellulose biomass, with the potential to replace fossil-based products. Commercial
furfural production is performed in a one-stage process, where furfural is recovered in the
vapour phase leaving the reactor. Furfural may also be produced using a two-stage process,
whereby lignocelluloses are fractionated into hemicellulose-rich hydrolysate and cellu-lignin
solid residues, followed by conversion of the solubilised hemicelluloses into furfural in a
subsequent process unit. Conditions of the one-stage furfural process reduce biomass
recalcitrance but tend to degrade cellulose components and produce yeast inhibitors. In
contrast, conditions in the two-stage furfural process minimise cellulose degradation, while
increasing enzymatic susceptibility of residual biomass.
Most studies that consider ethanol production from the cellu-lignin residues from the
one-stage furfural process include washing and/or chemical pretreatments prior to
fermentation, which increases processing costs. Conversely, residual solids from steam
explosion applied in the first stage of the two-stage process, do not require further
pretreatment prior to fermentation, in cases where inhibitor resistant yeast strains are used.
However, furfural produced from the hemicellulose hydrolysate in the second stage of this
process is often recovered and purified using organic solvents that will negatively affect the
environment.
Therefore, this study compared the technical and economic differences between the
one-stage and two-stage methods of co-producing furfural and ethanol from sugarcane
lignocelluloses. One-stage furfural production was achieved in the temperature range of 170-
200ºC and acid doses of 0-2 wt.% H2SO4 using sugarcane bagasse, with unwashed solid esidues used for ethanol production. Pretreated lignocelluloses from the two-stage furfural
production process were similarly assessed for ethanol production. Mass and energy balances
for alternative biorefinery scenarios co-producing furfural and ethanol in the one-stage or
two-stage configurations, were obtained with Aspen Plus® V8.8 process simulations, using
experimental data either collected in this study or published. The internal rate of return (IRR)
of the most promising one-stage furfural and ethanol co-production biorefinery was 12.78%,
while the equivalent two-stage biorefinery obtained an IRR of 13.59%. The lowest minimum
ethanol selling prices (MESPs) achieved by the one-stage furfural and ethanol co-production
biorefineries were 1.14 US$/L and 2.54 US$/L at a desired IRR of 15 and 20%, respectively.
The two-stage furfural and ethanol co-production biorefinery achieved economic indicators
that were improved by 36-51%, as demonstrated by the lowest MESPs 0.73 US$/L and 1.25
US$/L (at IRRs of 15 and 20%, respectively), in comparison to the one-stage furfural and
ethanol co-production biorefinery. One-stage furfural production resulted in significant
degradation of cellu-lignin residues, which negatively affected ethanol yield, and the
profitability. Improvements in ethanol production due to preservation of cellu-lignin residues
in the two-stage furfural production process provided economic benefits. However, the
economic potential of furfural and ethanol co-production remained significantly hindered by
process energy demands, in the context of energy self-sufficient biorefinery reliant on available feedstock for energy supply. These energy demands decrease the financial viability
of furfural production compared to alternative potential co-products.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lignosellulose biomassa het potensiaal om die verbruik van fossielhulpbronne te verminder. Furfuraal en etanol is van die mees belowende bioprodukte wat geproduseer kan word uit lignosellulose biomassa, met die potensiaal om fossielgebaseerde produkte te verplaas. Kommersiële furfuraalproduksie word uitgevoer in ’n een-stap proses, waar furfuraal herwin word uit die dampfase wat die reaktor verlaat. Furfuraal kan ook geproduseer word deur ’n twee-stap proses te gebruik, waar lignosellulose gefraksioneer word in hemisellulose-ryke hidrolisaat en sellulignienvastestofresidu’s, gevolg deur omsetting van die oplosbaar- gemaakte hemisellulose na furfuraal in ’n opvolgende proseseenheid. Kondisies van die een- fase furfuraalproses verminder biomassa weerspannigheid maar neig om sellulosekomponente te verminder en gisinhibeerders te produseer. In kontras, kondisies in die twee-fase furfuraalproses minimeer sellulose afbreking, terwyl ensimatiese vatbaarheid van residuele biomassa verhoog word. Meeste studies wat etanolproduksie vanuit die sellulignienresidu’s van die een-stap furfuraalproses oorweeg, sluit wassery en/of chemiese voorbehandeling voor fermentasie in, wat proseskostes verhoog. Omgekeerd, residuele vastestowwe van stoomontploffings toegepas in die eerste stap van die twee-stap proses het nie verdere voorbehandeling nodig voor fermentasie nie, in gevalle waar inhibeerder-bestande gislyne gebruik word. Furfuraal geproduseer uit die hemisellulose hidrolisaat in die tweede stap van hierdie proses, word egter gereeld herwin en gesuiwer deur organiese oplosmiddels te gebruik wat die omgewing negatief beïnvloed. Daarom het hierdie studie die tegniese en ekonomiese verskille tussen die een-stap en twee- stap metodes van ko-produksie van furfuraal en etanol uit suikerriet lignosellulose vergelyk. Een-stap furfuraalproduksie is bereik in die temperatuurbestek van 170 - 200 °C en suurdosisse van 0 — 2 wt.% H2SO4 deur suikerrietbagasse te gebruik, met ongewaste vastestofresidu’s gebruik vir etanolproduksie. Voorbehandelde lignosellulose uit die twee- stap furfuraalproses is ook gebruik vir etanolproduksie. Massa- en energiebalanse vir alternatiewe bioraffinadery scenario’s wat furfuraal en etanol in die een-stap en twee-stap konfigurasies ko-produseer, is verkry met Aspen Plus® V.8.8 prosessimulasies deur eksperimentele data te gebruik wat óf in die studie versamel, óf gepubliseer is. Die interne opbrengskoers (IRR) van die mees belowende een-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery was 12.78% terwyl die ekwivalente twee-stap bioraffinadery ’n IRR van 13.59% verkry het. Die laagste minimum etanol verkoopspryse (MESPs) bereik deur die een- stap furfuraal en etanol bioraffinaderye was 1.14 US$/L en 2.54 US$/L by ’n gewenste IRR van 15 en 20%, onderskeidelik. Die twee-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery het ekonomiese indikators bereik wat met 36 — 51% verbeter het, soos gedemonstreer deur die laagste MESPs 0.73 US$/L en 1.25 US$/L (by IRRs van 15 en 20%, onderskeidelik), in vergelyking met die een-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery. Een-stap furfuraalproduksie het beduidende afbreking van sellulignienresidu’s tot gevolg gehad, wat etanolopbrengs en winsgewendheid negatief beïnvloed het. Verbeteringe in etanolproduksie as gevolg van preservering van sellulignienresidu’s in die twee-stap furfuraalproduksieproses het ekonomiese voordele verskaf. Die ekonomiese potensiaal van furfuraal en etanol ko- produksie bly egter beduidend verhinder deur prosesenergievereistes, in die konteks van beperkte energieverskaffing in ’n energie self-onderhoudende bioraffinadery. Hierdie energievereistes verminder die finansiële lewensvatbaarheid van furfuraalproduksie in vergelyking met alternatiewe potensiële ko-produkte.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lignosellulose biomassa het potensiaal om die verbruik van fossielhulpbronne te verminder. Furfuraal en etanol is van die mees belowende bioprodukte wat geproduseer kan word uit lignosellulose biomassa, met die potensiaal om fossielgebaseerde produkte te verplaas. Kommersiële furfuraalproduksie word uitgevoer in ’n een-stap proses, waar furfuraal herwin word uit die dampfase wat die reaktor verlaat. Furfuraal kan ook geproduseer word deur ’n twee-stap proses te gebruik, waar lignosellulose gefraksioneer word in hemisellulose-ryke hidrolisaat en sellulignienvastestofresidu’s, gevolg deur omsetting van die oplosbaar- gemaakte hemisellulose na furfuraal in ’n opvolgende proseseenheid. Kondisies van die een- fase furfuraalproses verminder biomassa weerspannigheid maar neig om sellulosekomponente te verminder en gisinhibeerders te produseer. In kontras, kondisies in die twee-fase furfuraalproses minimeer sellulose afbreking, terwyl ensimatiese vatbaarheid van residuele biomassa verhoog word. Meeste studies wat etanolproduksie vanuit die sellulignienresidu’s van die een-stap furfuraalproses oorweeg, sluit wassery en/of chemiese voorbehandeling voor fermentasie in, wat proseskostes verhoog. Omgekeerd, residuele vastestowwe van stoomontploffings toegepas in die eerste stap van die twee-stap proses het nie verdere voorbehandeling nodig voor fermentasie nie, in gevalle waar inhibeerder-bestande gislyne gebruik word. Furfuraal geproduseer uit die hemisellulose hidrolisaat in die tweede stap van hierdie proses, word egter gereeld herwin en gesuiwer deur organiese oplosmiddels te gebruik wat die omgewing negatief beïnvloed. Daarom het hierdie studie die tegniese en ekonomiese verskille tussen die een-stap en twee- stap metodes van ko-produksie van furfuraal en etanol uit suikerriet lignosellulose vergelyk. Een-stap furfuraalproduksie is bereik in die temperatuurbestek van 170 - 200 °C en suurdosisse van 0 — 2 wt.% H2SO4 deur suikerrietbagasse te gebruik, met ongewaste vastestofresidu’s gebruik vir etanolproduksie. Voorbehandelde lignosellulose uit die twee- stap furfuraalproses is ook gebruik vir etanolproduksie. Massa- en energiebalanse vir alternatiewe bioraffinadery scenario’s wat furfuraal en etanol in die een-stap en twee-stap konfigurasies ko-produseer, is verkry met Aspen Plus® V.8.8 prosessimulasies deur eksperimentele data te gebruik wat óf in die studie versamel, óf gepubliseer is. Die interne opbrengskoers (IRR) van die mees belowende een-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery was 12.78% terwyl die ekwivalente twee-stap bioraffinadery ’n IRR van 13.59% verkry het. Die laagste minimum etanol verkoopspryse (MESPs) bereik deur die een- stap furfuraal en etanol bioraffinaderye was 1.14 US$/L en 2.54 US$/L by ’n gewenste IRR van 15 en 20%, onderskeidelik. Die twee-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery het ekonomiese indikators bereik wat met 36 — 51% verbeter het, soos gedemonstreer deur die laagste MESPs 0.73 US$/L en 1.25 US$/L (by IRRs van 15 en 20%, onderskeidelik), in vergelyking met die een-stap furfuraal en etanol ko-produksie bioraffinadery. Een-stap furfuraalproduksie het beduidende afbreking van sellulignienresidu’s tot gevolg gehad, wat etanolopbrengs en winsgewendheid negatief beïnvloed het. Verbeteringe in etanolproduksie as gevolg van preservering van sellulignienresidu’s in die twee-stap furfuraalproduksieproses het ekonomiese voordele verskaf. Die ekonomiese potensiaal van furfuraal en etanol ko- produksie bly egter beduidend verhinder deur prosesenergievereistes, in die konteks van beperkte energieverskaffing in ’n energie self-onderhoudende bioraffinadery. Hierdie energievereistes verminder die finansiële lewensvatbaarheid van furfuraalproduksie in vergelyking met alternatiewe potensiële ko-produkte.
Description
Keywords
Biorefinery Techno-economics, UCTD, Furfural, Ethanol, Lignocellulose, Biomass, Sugar mills, Residues, Agricultural