PHA-framställning från restströmmar med lösningsmedelsextraktion : En energianalys på PHA-produktion med och utan intern värmeintegrering vid extraktion på torr och våt biomassa

Sammanfattning: 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.