6.47 – techno-economic aspects of ethanol production from lignocellulosic agricultural crops and...

14
6.47 Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues M Galbe, O Wallberg,  and G Zacchi, Lund University, Lund, Sweden © 2011 Elsevier B.V.  All rights reserved. 6.47.1 Introduction 615 6.47.2 Which Process Steps Can Be Considered Most Important? 617 6.47.2.1 Pretreatment 618 6.47.2.2 Hydrolysis and Fermentation 621 6.47.2.3 Separate Hydrolysis and Fermentation 621 6.47.2.4 Simultaneous Saccharification and Fermentation 622 6.47.2.5 Separation of Solids and Liquids 622 6.47.3 Process Modeling 623 6.47.3.1 Effect of Various Parameters on the Energy Demand and Production Cost 624 6.47.3.2 Co-Location with Other Plants 625 6.47.3.3 Integration with Heat and Power Plant 626 6.47.3.4 Integration with 1G Ethanol 626 6.47.4 Conclusions 627 References 627 Glossary bioethanol Ethanol  produced  in a sustainable   way   from forest  or  agricultural  materials. flowsheet  design  The use of  computer  programs for  design and/or  rating  of  complex  production facilities,  usually  based on a conceptual drawing  (flow  sheet) of  the process. lignocellulosic  materials  A  common name for  materials  containing  cellulose,  hemicellulose,  and lignin, such as hardwood,  softwood, straw, and bagasse.  pretreatment   The treatment  of  materials so that  the structure is made more accessible to enzymatic  attack, as lignocellulosic  materials are by  nature  very  recalcitrant  to degradation.  process integration  The efficient  use of  heat  and power  is made possible by  utilization of, for  example,   waste heat  internally  (in the plant), or  externally  (in a nearby  plant),   which can diminish the requirement  for  expensive equipment,  such as steam boilers.  6.47.1  Introduction Efforts to decrease the utilization of  fossil fuels, such as oil or  coal, have increased during  the last  decade.  A  number  of  alternatives have been put  forward as suitable substitutes,  for  example,  bioethanol,  biogas, hydrogen,  and dimethyl ether  (DME).  Some of  these alternatives  are already  produced on an industrial  scale; however,  the production  volumes are  worldwide still  very  small compared  with the amount  of  oil-based fuels presently  used.  They  are also produced using  technologies  that  may  not  be sustainable.  In the following,  some techno-economic  aspects on the production of  bioethanol  from  various crops and residues are discussed.  It  is difficult  to design a process,   which is the most  efficient  in every  single aspect.  There are far  too many  factors affecting  the route to the desired product.   This is not  only  true for  industrial  process in general,  but  also true for  production of  bioethanol  from  various raw  materials.   As a  whole range of  starting  materials are available for  bioethanol  production,  the processes may  differ  in complexity  and efficiency.  Regarding  ethanol production,  some of  the most  important  parameters are the type, and also the cost, of  raw  material, the overall  energy  demand for  the production process,  the  value of  co-products,  and the capital cost  [1].  The design of  the plant  heavily  relies on accurate and consistent  data,  which comprise both physical  and chemical  data, as  well as cost  estimation data.  The latter  poses a problem:  it  is always best  to use data gathered from a similar  industrial-scale  plant   when designing  a new  one. However, as there are no plants producing  bioethanol  from lignocellulosic  materials in operation,  all estimations  must  be based on lab- or  pilot-plant  data. Figure 1 shows the interaction  which is required  when a new  process is designed.  Procedures  and ideas found in lab scale (1 l) need to be evaluated in a somewhat  larger  scale (10100 l), a process development  unit  (PDU),   where larger  quantities of  material  can be produced for  characterization of  products and byproducts.  In this scale, it  is also relatively  easy  to modify  a process concept,  since the  various units do not  have to be physically  connected to each other. Further  upscaling  to pilot  scale is required to, for  instance, estimate heating  or  cooling  requirements,  to study  transport  properties,  and to evaluate material  behavior  at   various positions in a plant  (>1000 l).  The final process design is established after  iterating  back  and forth between lab, PDU, and pilot  scale. Bioethanol  has been introduced on a large scale in Brazil, in the United States, and in some European countries and is projected to be one of  the dominating  renewable biofuels in the transportation sector   within the next  20  years. Interest  in lignocellulose-based  615 

Upload: clarence-yue

Post on 31-Oct-2015

51 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

economics ethanol lignocellulosic

TRANSCRIPT

Page 1: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 1/14

6.47  Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues M Galbe, O Wallberg, and G Zacchi, Lund University, Lund, Sweden © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. 

6.47.1  Introduction  615 6.47.2

 Which

 Process

 Steps

 Can

 Be

 Considered

 Most

 Important?

 617

 6.47.2.1  Pretreatment  618 6.47.2.2  Hydrolysis and Fermentation  621 6.47.2.3  Separate Hydrolysis and Fermentation  621 6.47.2.4  Simultaneous Saccharification and Fermentation  622 6.47.2.5  Separation of Solids and Liquids  622 6.47.3  Process Modeling  623 6.47.3.1  Effect of Various Parameters on the Energy Demand and Production Cost  624 6.47.3.2  Co-Location with Other Plants  625 6.47.3.3  Integration with Heat and Power Plant  626 6.47.3.4  Integration with 1G Ethanol  626 6.47.4  Conclusions  627 References  627 

Glossary bioethanol  Ethanol produced – in a sustainable  way  – from forest  or  agricultural materials. flowsheet  design  The use of  computer  programs for  design and/or  rating  of  complex  production facilities, usually  based on a conceptual drawing  (flow  sheet) of  the process. lignocellulosic  materials  A  common name for  materials containing  cellulose, hemicellulose, and lignin, such as hardwood, softwood, straw, and bagasse. 

pretreatment   The treatment  of  materials so that  the structure is made more accessible to enzymatic  attack, as lignocellulosic  materials are by  nature  very  recalcitrant  to degradation. process integration  The efficient  use of  heat  and power  is made possible by  utilization of, for  example,  waste heat  internally  (in the plant), or  externally  (in a nearby  plant), 

 which can diminish the requirement  for  expensive equipment, such as steam boilers. 

6.47.1  Introduction Efforts to decrease the utilization of  fossil fuels, such as oil or  coal, have increased during  the last  decade.  A  number  of  alternatives have been put  forward as suitable substitutes, for  example, bioethanol, biogas, hydrogen, and dimethyl ether  (DME). Some of  these alternatives are already  produced on an industrial scale; however, the production  volumes are  worldwide still  very  small compared 

 with the amount  of  oil-based fuels presently  used.  They  are also produced using  technologies that  may  not  be sustainable. In the following, some techno-economic  aspects on the production of  bioethanol from  various crops and residues are discussed. 

It  is difficult  to design a process,  which is the most  efficient  in every  single aspect.  There are far  too many  factors affecting  the route to the desired product.  This is not  only  true for  industrial process in general, but  also true for  production of  bioethanol from  various raw  materials.  As a  whole range of  starting  materials are available for  bioethanol production, the processes may  differ  in complexity  and efficiency. Regarding  ethanol production, some of  the most  important  parameters are the type, and also the cost, of  raw  material, the overall energy  demand for  the production process, the  value of  co-products, and the capital cost  [1].  The design of  the plant  heavily  relies on accurate and consistent  data,  which comprise both physical and chemical data, as  well as cost  estimation data.  The latter  poses a problem: it  is always best  to use data gathered from a similar  industrial-scale plant   when designing  a new  one. However, as there are no plants producing  bioethanol from lignocellulosic  materials in operation, all estimations must  be based on lab- or  pilot-plant  data. Figure 1 shows the interaction  which is required  when a new  process is designed. Procedures and ideas found in lab scale (1 l) need to be evaluated in a somewhat  larger  scale (10–100 l), a process development  unit  (PDU),  where larger  quantities of  material can be produced for  characterization of  products and byproducts. In this scale, it  is also relatively  easy  to modify  a process concept, since the  various units do not  have to be physically  connected to each other. Further  upscaling  to pilot  scale is required to, for  instance, estimate heating  or  cooling  requirements, to study  transport  properties, and to evaluate material behavior  at   various positions in a plant  (>1000 l).  The final process design is established after  iterating  back  and forth between lab, PDU, and pilot  scale. 

Bioethanol has been introduced on a large scale in Brazil, in the United States, and in some European countries and is projected to be one of  the dominating  renewable biofuels in the transportation sector   within the next  20  years. Interest  in lignocellulose-based 

615 

Page 2: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 2/14

VerificationResearch Development

EvaluationBuilding knowledge Test of configurations

Technology testsTest of ideas Optimization

Final optimizationModeling Products and byproducts

Gathering scale-up data

Lab PDU Pilot Fullscale scale scale scale

SSF

EnzymaticStarch Liquefaction Fermentation Distillation Dehydration EtOHhydrolysis

Solid separation Drying DDGS(centrifugation)

Evaporation

WWT To Recipient

616  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

Figure 1  Interaction between various levels of scale. 

ethanol production has brought  about  action on high political levels. For  example,  in  the United States of   America,  the Energy  Policy   Act  of  2005 requires blending  of  7.5 billion gallons (≈28.4 million m3) of  alternative fuels by  2012.  The major  part  of  this alternative fuel  will probably  consist  of  ethanol, and, to be able to meet  these demands, lignocellulosic  materials  will most  likely  have  to  be  utilized.  The  European  Commission  plans  to  replace  20%  of   conventional  fossil  fuels  with  alternative  fuels  in  the transport  sector  by  2020.  Already  by  the  year  2010, 5.25% (based on energy  content) is to be replaced by  renewable fuels.  Again, bioethanol is expected to be one of  the main means to achieve this goal. 

 At  present,

 bioethanol

 is

 produced

 almost 

 solely 

 from

 either 

 sugar- or 

 starch-based

 raw 

 materials

 (e.g.,

 cane

 sugar,

 corn,

 and

  wheat) often called first-generation (1G) bioethanol [2]. In a starch-based process (Figure 2), starch is liquefied at  temperatures  around  90 °C  by   adding   hydrolytic   enzymes  (α-amylases).  After   the  liquefaction  step,  further   hydrolysis  of   the  polymers  is accomplished by  addition of  glucoamylases.  The  resulting  sugar  solution  is normally   readily   fermented  to ethanol using   yeast, for  example, Saccharomyces cerevisiae. In starch-based processes, a dried co-product, distiller ’s dried grains  with solubles (DDGS) adds a  value to the overall process.  The DDGS is sold as an animal feed and contains compounds  with a high nutritional  value. 

 There is considerable experience regarding  starch-based ethanol production. In addition, since the technology  has existed for  many   years, the process has reached engineering  maturity; therefore, new  plants based on cost-estimation data and production data have a high relevance and accuracy. From a process point  of   view, the sugar-based ethanol production is simpler  than the starch based one. 

 The liquefaction step and enzymatic  hydrolysis steps are replaced by  extraction of  sugar  from sugar-containing  raw  materials, for  example, sugar  beet  and sugar  cane,  yielding  a sucrose-rich solution that  can be fermented quite readily. In the case of  sugar  cane, the juice can be accessed using  crushing  and pressing  methods.  There is no production of  DDGS in this case. 

Figure 2  Starch-based process. SSF, simultaneous  saccharification and fermentation; WWT, wastewater treatment. 

Page 3: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 3/14

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  617 

However,  future  expansion  has  to  be  based  on  bioethanol  from  lignocellulosic   materials,  that   is,  second-generation  (2G) bioethanol, such as agricultural residues (e.g.,  wheat  straw, sugar  cane bagasse, and corn stover) and forest  residues (e.g., sawdust  and thinning  rests), as  well as from dedicated crops (e.g., salix  and switch grass). Production based on these raw  materials generates 

 very  low  net  greenhouse gas emissions, thus reducing  environmental impacts.  The raw  materials are sufficiently  abundant  and also available  worldwide.  The availability  of  agricultural land for  nonfood crops places a limit  on the area of  land that  can be used for  ethanol  production  from  starch-based  materials  in  a  cost-efficient   way.  On  the  other   hand,  if   ethanol  can  be  produced  from lignocellulosic  materials, including  agricultural residues, potential conflicts between land use for  food and energy  production can be reduced.  These types of  raw  material are cheaper  than conventional starch-containing  feedstock  used for  ethanol production today. Furthermore, they  can be produced  with lower  requirements for  fertilizers and pesticides.  The composition of  lignocellulosic  materials differs from one species to another. However, the main constituents are of  the same type: about  50–60% carbohydrates in the form of  cellulose (made up of  glucose) and hemicellulose (various pentose and hexose sugars),  which also can be fermented to ethanol, and about  20–35% lignin.  Agricultural crops and hardwood contain more pentose sugars  than does softwood.  There are also  valuable components such as extractives and  fatty  acids,  which preferably  should be separated prior  to ethanol production. Lignin is a  valuable co-product   which can be used to generate heat  or  a solid fuel,  which helps improve the overall process economics. In a longer  perspective, lignin may  be used for  production of  chemicals; it  is a  very  complex  molecule,  which contains numerous aromatic  compounds of   which some have interesting  properties. In contrast  to the co-product  from starch-based ethanol production (DDGS,  which is used as animal feed), there is no real limitation for  the use of  the lignin-rich residue. 

Cellulose-containing  materials, such as forest  or  agricultural residues, have not   yet  been commercialized in the ethanol industry.  There are several reasons for  this.  The main difficulty  lies in the general structure of  lignocellulosic  materials,  which creates physical and chemical barriers such as: • 

 The complex 

 structure

 of 

 the

 materials,

  which

 makes

 hydrolysis

 (acid

 or 

 enzymatic)

 difficult.

 •  The mixture of  pentose and hexose sugars,  which can cause fermentation problems, since pentoses are not  readily  fermented. • The  formation  of   various  compounds  that   may   have  an  adverse  effect   on  fermentation  and  to  some  extent   on  enzymatic  

hydrolysis.  These compounds may  originate from the raw  material itself, for  example, extractives, or  be degradation products from  an  earlier   process  step.  The  byproducts  originate  from  carbohydrates  or   lignin,  for   example,  aromatic   compounds  or  aliphatic   acids.  Some  of   these  compounds  can  severely   inhibit  –  or   even  stop –  fermentation,  which  of   course  will  have  a profound effect  on capital and operating  costs. 

So far, no full-scale ethanol plants based on production from lignocellulosic  materials using  modern technology  have been put  in  operation.  One  of   the  major   issues  is  the  big   risk   being   the  first   to  invest   in  such  a  plant.  Experience  from  lignocellulosic  production  is  limited;  occasionally,  full-scale  plants  have  been  in  operation,  mainly   during   times  of    war.  In  Germany, concentrated  HCl  was  used  to  hydrolyze  wood  in  the  Bergius  process  for   generation  of   the  sugars.  Another   process  worth mentioning   is  the Scholler  process (dilute H2SO4),  which  was used  in a couple of  countries, such as  the  former  Soviet  Union, Japan, and also Brazil.  This limited experience makes designing  new  plants difficult, as modern process technology  requires other  sets of  data to be able to predict  capital and operational costs  with satisfactory  precision. For  instance, the byproducts from the old  and  modern  processes  are  not   necessarily   the  same.  Modern  technology   using   enzymes  does  not   require  the  same  severe conditions to produce fermentable sugars,  which is positive for  the subsequent  process steps, such as fermentation. However, as the product  pattern can be  very  different, it  is inappropriate to use old process concepts for  design of  modern full-scale processes. 

 The different  byproducts may  have a considerable  value and actually  contribute  to  the overall profit   from  the process,  whereas others  can  be  a   waste  product   that   has  to  be  treated  in   wastewater-treatment   plants  or   in  scrubbers  to  remove   various compounds. In the following, some important  issues regarding  the design on future processes for  biomass-to-ethanol production are discussed. 

6.47.2  Which Process Steps Can Be Considered Most Important? Ethanol production from lignocellulose comprises several important  steps [3]: hydrolysis of  hemicellulose, hydrolysis of  cellulose, fermentation of  both C5- and C6-sugars, separation of  lignin, and recovery  and concentration of  ethanol and  wastewater  handling  (see Figure 3).  A  process based on enzymatic  hydrolysis and fermentation is currently  regarded as the most  promising  option for  the conversion of  carbohydrates in lignocellulosic  materials into ethanol in an energy-efficient   way, resulting  in high  yields and low  production cost.  The enzymatic  hydrolysis and fermentation either  can be run separately  (separate hydrolysis and  fermentation (SHF)) or  combined into a simultaneous saccharification and fermentation (SSF).  The latter  has so far  been shown to result  in higher  ethanol  yields than does SHF. Some of  the most  important  factors to reduce the production cost  include efficient  utilization of  the raw  material by  high ethanol  yields, high productivity, high ethanol concentration in the feed to distillation, and process integration in order  to reduce capital cost  and energy  demand.  The key  steps for  success are the conversion steps, that  is, pretreatment, enzymatic  hydrolysis, and fermentation (or  SSF) of  all sugars. It  is also crucial to design a highly  integrated process  working  at  high substrate consistency   to minimize  the energy  demand  in  the downstream processing,  for  example, distillation and evaporation.  Another  highly  important  aspect  is the full utilization of  all parts of  the raw  material. It  is likely  that  some compounds  will not  be recovered, 

Page 4: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 4/14

618  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

SSFDehydration EtOH

Enzymatic

hydrolysisFermentation Distillation

Stillage Drying Lignin pellet

Lignocellulosic

biomass PretreatmentYeast

cultivation Solids separation(filtration,

centrifugation) Combustion

(CHP)Heat, power

Liquid AD Biogas

Sludge

WWT

   T  o   R  e  c   i  p   i  e  n   t

Figure 3  Schematic representation of a lignocellulose to ethanol process. SSF, simultaneous saccharification and fermentation; AD, anaerobic digestion; WWT, wastewater treatment. 

either  as ethanol or  as solid lignin.  This opens up to introduce also a biogas-producing  step,  which besides converting  substances such as organic  acids and residual sugars also can be regarded as part  of  the  wastewater-treatment  system. By  introducing  such a step, there

 is

 also

 an

 option

 to

 use

 C5-sugars

 for 

 either 

 ethanol

 or 

 biogas

 production.

  This

 has

 to

 be

 decided

 already 

 in

 the

 design

 stage.

 6.47.2.1  Pretreatment Enzymatic  hydrolysis, using  cellulases, is regarded to be the most  attractive  way  to convert  cellulose to glucose. However, due to the recalcitrant  nature of  most  biomass species, the enzymatic  hydrolysis is  very  slow  and it  is difficult  to reach high sugar   yields if  the raw  material is not  pretreated prior  to enzymatic  hydrolysis.  The pretreatment  is perhaps the single most  crucial step as it  has a large impact   on  all  the  other   steps  in  the  process,  for   example,  enzymatic   hydrolysis,  fermentation,  downstream  processing,  and 

 wastewater  handling  in terms of  digestibility  of  the cellulose, fermentation toxicity, stirring  power, energy  demand in the downstream processes, and  wastewater-treatment  demands. 

Pretreatment  methods can (somewhat  arbitrarily) be categorized as belonging  to mechanical, biological, chemical, or  physicochemical  methods.  The  latter   two,  which  are  the  most   common,  can  be  divided  into  classes  depending   on  the  pH  of   the pretreatment.  It  is difficult   to clearly  assign a pretreatment  method to one group, because several mechanisms may  be involved to break  down the material: • Low pH  methods,  that   is, addition of  acids,  for  example, dilute acid hydrolysis and  steam treatment  with addition of  acids. Most  of   the 

hemicellulose is usually  hydrolyzed to monomer  sugars and to some extent  oligomer  sugars available in the liquid fraction after  pretreatment. Depending  on the severity, that  is, temperature, acid concentration, and residence time, a part  of  the cellulose may  also be hydrolyzed. In addition, a minor  part  of  the lignin is solubilized as phenolic  compounds, but  the major  part  remains in the solid  fraction although  redistributed.  These pretreatment  methods usually  also  result   in production of  sugar  degradation products, such as furfural and 5-hydroxymethylfurfural (HMF). 

• High  pH  methods,  for   example,  alkaline  pretreatment,  ammonia  fiber   explosion,  and wet   oxidation with  the  addition  of   alkali.  These methods result  in partial solubilization of  hemicellulose and solubilization of  the major  fraction of  the lignin.  An exception to this is the ammonia fiber  explosion (AFEX) method  where a fractionation is obtained but  both hemicellulose and lignin are still 

Page 5: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 5/14

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  619 

in the solid fraction.  The hemicellulose sugars that  are solubilized are however  obtained mainly  as oligomer  sugars.  This then requires hemicellulases acting  on both solid and dissolved hemicellulose. 

• Methods working  close to neutral conditions at  the  start  of  the pretreatment,  for  example,  steam pretreatment  and hydrothermolysis. Most  of  the hemicellulose is solubilized due to the auto-hydrolysis created by  the acids released from the hemicellulose, such as acetic  acid. However, the sugars are obtained as a mixture of  monomer  and oligomer  sugars.  This thus requires hemicellulases or  acids acting  on soluble oligomer  fractions of  the hemicellulose. 

 Therefore, depending  on  the conditions during  pretreatment,  various compounds  will be present  after  pretreatment,  which  will have a major  influence on the process design. In all methods discussed, the cellulose fraction mainly  remains in the solid fraction (except  in the  wet-oxidation method  where a large fraction ends up solubilized in the liquid) and is made more accessible for  the cellulase enzymes used during  enzymatic  hydrolysis.  The digestibility  of  the material, as  well as the amount  of  the hemicellulose sugars that  are solubilized and the extent  of  degradation that  occurs, is dependent  on the severity  of  the pretreatment.  The severity  increases  with increased temperature and residence time and  with increased catalyst  (acid or  alkaline) concentration. In summary, an efficient  pretreatment  should fulfill a number  of  requirements: It  should •  result  in high recovery  of  all carbohydrates; •  result  in high digestibility  of  the cellulose in the subsequent  enzymatic  hydrolysis; • produce no, or   very  limited amounts of, sugar  and lignin-degradation products – the pretreatment  liquid should be possible to 

ferment   without  detoxification; •  result  in high solids concentration as  well as high concentration of  liberated sugars in the liquid fraction; •  require a low  energy  demand or  be performed in a  way  so that  the energy  can be reused in other  process steps as secondary  heat; and •  require low  capital and operational cost. 

 To be successful, pretreatment  has  to be developed as an  integrated part  of   the  whole process,  including  enzymatic  hydrolysis, fermentation,  downstream  processing,  and  wastewater   treatment.  Each  pretreatment   method  has  to  be  assessed  based  on  the process  configuration  and  process  conditions  suitable  for   this  specific   pretreatment   method  [4–6].  For   instance,  the  use  of  hemicellulases in the enzymatic  hydrolysis, instead of  only  cellulases,  will be beneficial to pretreatment  methods that  result  in a large amount  of  oligomer  hemicellulose sugars. In the same  way, fermentation of  slurries from methods generating  major  amounts of  inhibitors should be performed using  adapted  yeast. Figure 4 shows some options of  how  the pretreated material may  be utilized.  The assessment  of  the pretreated material should 

thus also reflect  the process option that  is used and  what  product  is produced from the  various parts of  the fractionated raw  material. It   is  our   conviction  that   there  is  no  best   pretreatment   that   is  the  most   suitable  for   all  types  of   raw   materials  or   process 

configuration options.  The choice of  pretreatment  depends mainly  on  what  co-products are produced besides ethanol, the process configuration  including   process  integration,  as  well  as  how   the  ethanol  production  is  integrated  with  external  processes,  for  example,  heat   and  power   production  or   1G  ethanol  production.  Some  pretreatment   methods  have  been  more  commonly  investigated than others, such as steam pretreatment, dilute-acid pretreatment,  wet  oxidation and  AFEX. 

Dilute-acid pretreatment  is performed by  soaking  (or  by  spraying) the material using  a dilute acid solution and then by  heating  to temperatures between 140 and 200 °C for  a certain time (from several minutes up to an hour). Sulfuric  acid, at  concentrations usually  below  4  wt.%, has been of  most  interest  in such studies as it  is inexpensive and effective.  The hemicellulose is hydrolyzed and the main part  is usually  obtained as monomer  sugars. It  has been shown that  materials that  have been subjected to severe acid hydrolysis may  be harder  to ferment  because of  the presence of  toxic  substances. 

 Alkaline pretreatment  is performed at  lower  temperature and pressure than acid hydrolysis. Soaking  of  the material in an alkaline solution, such as sodium, potassium, or  ammonium hydroxide, followed by  heating, leads to swelling  of  the pores in the material. 

 This results in an increase  in the internal surface area, and a decrease  in the degree of  polymerization and crystallinity.  Alkaline pretreatment  breaks the bonds between lignin and carbohydrates and disrupts the lignin structure,  which makes the carbohydrates more accessible to enzymatic  attack.  This pretreatment  method is more effective on agricultural residues and herbaceous crops than on  wood materials, as  these materials  in general contain  less  lignin. For   woody  materials,  the concentration of  alkali has to be increased considerably, thus the procedure is more like a Kraft  pulping  process. 

 Another   approach  is  to  use  an  organic   solvent,  such  as  methanol,  ethanol,  acetone,  ethylene  glycol,  triethylene  glycol,  and phenol,  with the addition of  inorganic  acid catalysts (H2SO4 or  HCl).  These so-called organosolv  processes dissolve the lignin  which is recovered in the organophilic  phase.  These methods require total recovery  of  the solvent  for  both economic  and environmental reasons, besides,  the solvent  may  be  inhibitory   to  the enzymatic  hydrolysis and  fermentation steps.  A  special case  is  the use of  ethanol as the solvent  as it  is produced in the same process, and this facilitates the recovery. 

Steam pretreatment  is one of  the most   widely  used methods for  pretreatment  of  lignocellulose materials. In reality, it  is a chemical method  very  similar  to dilute-acid hydrolysis, although usually  performed at  higher  dry  matter  content  in a steam environment.  The raw  material is usually  treated  with high-pressure saturated steam at  typical temperatures between 160 and 240 °C for  1–20 min, after  

 which the pressure is released.  The acid can either  be present  in the raw  material or  be added, such as H2SO4 or  SO2, to enhance the hydrolysis. Most  agricultural residues and some types of  hardwood contain enough organic  acids (mainly  acetic  acid) to act  as catalysts for  the hemicellulose hydrolysis, the so-called auto-hydrolysis.  The latter  usually  starts at  neutral pH and ends at  a pH around 3.5–4 depending  on how  much acid is released.  The addition of  an acid to reduce the pH considerably, often below  2, results in an increased 

Page 6: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 6/14

Biomass

SSFEthanol

Enzymatic hydrolysis and Butanol

Reactor fermentation Lactic acidOther

Slurry Enzymatichydrolysis

Fermentation

Filter

Solids

Heat andPower

Electricity and heat

Pulping Pulp

Liquid EthanolButanol

FermentationLactic acidOther

FurufuralReactions Organic acids(levulinic, formic, etc)

PolymersSeparation

(building blocks)

Biogas

620  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

Figure 4  Some alternative routes for utilization of pretreated biomass. 

recovery  of  hemicellulose sugars, and also improves the subsequent  enzymatic  hydrolysis of  the solid residue.  This may  also cause further   degradation  if   very   severe  pretreatment   conditions  are  used.  Steam  pretreatment   has  been  widely   tested  in  pilot-scale equipment, for  example, in the NREL  pilot  plant  in Golden, Co (the United States) and in the SEKAB pilot  plant  in Örnsköldsvik  (Sweden). It  is also used in a demonstration-scale ethanol plant  at  Iogen in Ottawa (Canada), Inbicon in Kalundborg  (Denmark), and 

 Abengoa in Salamanca (Spain), and is considered to be close to commercialization.  Wet-oxidation pretreatment  involves the treatment  of  the biomass  with  water  and air, or  oxygen, at  temperatures between 120 

and 200 °C, sometimes  with the addition of  an alkali catalyst.  This method is suited for  materials  with low  lignin content, because the  yield has been shown to decrease  with increased lignin content, and also because a large fraction of  the lignin is oxidized and solubilized.  As  with many  other  delignification methods, the lignin cannot  be used as a solid fuel,  which considerably  reduces the income from byproducts in large-scale production. 

 AFEX  is also an alkaline method,  which, similarly  to the steam pretreatment  process, operates at  high pressures.  The biomass is treated  with liquid ammonia about  10–60 min at  moderate temperatures (below  100 °C) and high pressure (above 3 MPa). Up to 2 kg  of  ammonia is used per  kilogram of  dry  biomass.  The ammonia  is recycled after  pretreatment  by  reducing  the pressure, as ammonia is  very   volatile at  atmospheric  pressure. During  pretreatment, only  a small amount  of  the solid material is solubilized, that  is, almost  no hemicellulose or  lignin is removed.  The hemicellulose is degraded to oligomer  sugars and deacetylated,  which is a probable reason  for   the hemicellulose not  becoming  soluble. However,  the structure of   the material  is changed resulting   in an increased  water-holding  capacity  and a higher  digestibility. Like the other  alkaline pretreatment  methods,  AFEX  performs best  on agricultural  waste, but  has not  proved to be efficient  on  wood, due to its higher  lignin content.  According  to Sun et  al., the  AFEX  process does not  produce inhibitors that  may  affect  downstream biological processes. 

 A  high severity  in the pretreatment  is often required to enhance the enzymatic  digestibility  of  cellulose.  The reason  why  cellulose becomes more accessible for  enzymatic  attack  is still not  fully  understood. Many  structural parameters have been studied, such as crystallinity  and pore-size distribution, but   the relations between digestibility  and  these  factors are somewhat   inconclusive and ambiguous. It  is, however, established that  the removal of  hemicellulose enhances the enzymatic  digestibility  of  the cellulose fibers. However,  more  severe  conditions  during   pretreatment   will  cause  greater   degradation  of   hemicellulose  sugars.  The  optimum conditions  are  often  a  compromise  between  very   high  digestibility   and  high  yield  of   hemicellulose  sugars,  that   is,  low   sugar  degradation.  The recovery  of  monomer  sugars after  pretreatment   varies; typically, almost  all glucose is recovered,  while more than 

Page 7: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 7/14

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  621 

70–80% of  the hemicellulose sugars usually  are recovered.  While most  of  the hemicellulose usually  is found in the liquid, cellulose is recovered in the solid phase after  pretreatment. 

 The overall ethanol  yield also depends on the concentration of  inhibitors,  which influence the fermentability.  These compounds include both substances present  in the raw  material, for  example, acetic  acid from the hemicellulose, extractives, or  compounds formed during  pretreatment, such as the sugar  degradation products furfural and HMF, and lignin degradation products.  The concentrations of  these and all other  inhibitory  substances in the fermentation step depend on the configuration of  the preceding  process steps. 

For  most  of  the raw  materials, the pretreatment  conditions resulting  in the highest  glucose  yield differ  from those  yielding  the maximum  yield of   xylose.  This  would suggest  a two-stage pretreatment, such as using  steam, in  which the first  stage is performed at  low  severity  to hydrolyze the hemicellulose, and the second stage at  a higher  degree of  severity, in  which the solid material from the first  step is pretreated again.  This  would result  in a high  yield both of  hemicellulose sugars and of  high digestibility  of  cellulose. Major  drawbacks are, however, the higher  capital cost  and the higher  energy  demand.  The overall ethanol production cost  is  very  much dependent  on the  way   the two pretreatment  steps are performed.  The key  issue is  whether  the pressure  is released or  not  between the two steps, and also on the dry  matter  concentration after  the second step. 

 Also the origin of  the raw  material, especially  for  agricultural residues, may  affect  the pretreatment  results.  This is important  to keep in mind  when comparing  results from different  studies on the same type of  raw  material. 6.47.2.2  Hydrolysis and Fermentation 

 Two process concepts have been more frequently  investigated regarding  ethanol production from lignocellulosic  materials.  The main difference between the two is the  way  in  which the cellulose chain is broken apart; either  dilute-sulfuric  acid or  cellulolytic  enzymes are used to hydrolyze  the cellulose molecules.  The raw  material is  treated  with 0.1–3% (w/w) H2SO4  at  temperatures normally  ranging  from 160 to 200 °C. It  may  be advantageous to perform dilute-acid hydrolysis in two steps, as the hemicellulose fraction is more easily  degraded than is the cellulose fraction.  A  disadvantage of  the dilute-acid process is the somewhat  low  ethanol  yield and the necessity  of  using  expensive construction materials that  are resistant  to corrosion by  acid at  high temperatures.  The acid must  also be neutralized,  which leads to the formation of  large amounts of  gypsum, CaSO4, or  other  compounds that  have to be disposed of. 

Enzymatic  hydrolysis [7] and fermentation can be performed either  separately, the so-called SHF, or  combined, the so-called SSF. Enzymatic  hydrolysis is performed using  cellulases, that  is, a mixture of   various endoglucanases and cellobiohydrolases,  which attack  the amorphous areas of  cellulose and cleave cellobiose units from both ends of  the cellulose chain, respectively.  They  are supplemented  with β-glucosidase,  which cleaves cellobiose into two glucose molecules.  The enzymes are end product-inhibited, that  is, most  cellulases are inhibited by  cellobiose and β-glucosidase is inhibited by  glucose, so the buildup of  any  of  these products affects cellulose hydrolysis negatively.  Also, some of  the compounds formed during  pretreatment  are toxic, for  example, sugar- or  lignin-degradation  products,  and  can  cause  inhibition  of   the  cellulolytic   enzymes.  It   should  be  noted  that   the  addition  of  hemicellulases as  well, for  example,  xylanases, can have a higher  effect  on the improvement  of  cellulose hydrolysis  than on the increase of  hemicellulose sugars, in case low  amounts of  hemicellulose remain in the solid fraction after  pretreatment.  This means that  the pretreatment  severity  can be decreased in case hemicellulases are added to the enzymatic  hydrolysis. It  must  be pointed out  that  most  assessments of  pretreatment   of   various  raw  materials  found  in  literature are based on enzymatic  hydrolysis (or  SSF) 

 without  the addition of   xylanases. Depending  on the enzyme load, results showing  a  yield based on the glucose content  in the raw  material of  more than 90% are common. 

Fermentation is performed using  a microorganism, usually   yeast,  which converts sugar  to ethanol.  The most  commonly  used  yeast  for  ethanol fermentation today  is Saccharomyces cerevisiae, also called baker ’s  yeast. It  has a high ethanol tolerance and has also been shown to be rather  tolerant  to inhibitors produced during  pretreatment  of  biomass. However, it  only  ferments hexose sugars, that  is, glucose, mannose, and, under  certain circumstances, galactose, but  it  is not  capable of  fermenting  pentose sugars, such as 

 xylose and arabinose,  which are the main constituents of  most  hemicellulose  variants. SSF can also be preceded by  a prehydrolysis to diminish the  viscosity  in the SSF step, as is usual in the starch-based 1G ethanol 

production.  Whichever  configuration is chosen, it  is important  to maintain a high concentration of  carbohydrates in the hydrolysis step in order  to reach a high concentration of  ethanol in the fermentation  vessel.  This is important  primarily  to diminish the energy  demand for  distillation of  ethanol, and for  evaporation of  the stillage stream, in case this is included in the process. Figure 5 shows the overall energy  demand for  a plant  based on 200 000 tons  yr –1 of  spruce as function of  the  water-insoluble solids concentration. 

 The shape of  the curve is the same for  other  configurations also, although the absolute  value of  the energy  demand may   vary. 6.47.2.3  Separate Hydrolysis and Fermentation SHF has the advantage that  each of  the two steps can be optimized separately  concerning  temperature and pH, and also regarding  the design of  the equipment  including  stirring. Cellulases usually  have a maximum activity  around 50 ºC or  higher,  whereas most  fermenting  microorganisms,  for  example, S.  cerevisiae, do not   tolerate  temperatures  above around 37 ºC. Conventional ethanol fermentation  is  usually   performed  below   35 ºC.  It   is  thus  obvious  that   running   the enzymatic   hydrolysis  at  50 ºC  results  in  a higher   productivity   than  when  running   it   at   35 ºC.  However,  at   the  temperature  for   maximum  activity,  the  enzymes  are  also deactivated  faster   than at   lower   temperatures.  This means  that  although  the enzymatic  hydrolysis  is faster  at  50 ºC, it  may   very  

 well be so that   the sugar   yield after  a 48- or  72-h hydrolysis is higher  at  40 ºC, or  even lower   temperatures, due to the enzyme deactivation. 

Page 8: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 8/14

622  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

10

12

14   P  r  o  c  e  s  s   h  e  a   t   d  u   t  y

   M   J   l  –   1   e

   t   h  a  n  o   l

16

18

20

22

24

26

28

80

85

90

95

100

105

110

115

120

   P  r  o   d  u  c   t   i  o  n  c  o  s   t   (   %

   o   f   b  a  s  e  c  a  s  e   )

5 7 9 11 13 15

WIS concentration during SSF (%)

Figure 5  Overall process heat duty (- - - -) and relative ethanol production cost (—) as a function of the WIS concentration in SSF for the proposed ethanol production process. 

 An advantage of  SHF is that  the fermentation is performed  with a  liquid broth, instead of  a slurry  containing  solid material  which is the case in SSF,  which facilitates the mass transfer  and makes it  possible to recycle the  yeast  after  fermentation by  filtration or  centrifugation. 

 The main drawback  of  SHF is that  the cellulases are end product-inhibited, that  is, the productivity  decreases  with increasing  sugar  concentration.  This is especially  noticeable  when hydrolysis is performed at  high consistency,  which is a prerequisite to obtain high ethanol concentration in the subsequent  fermentation step.  The enzymes may  also be inhibited by  the inhibitors present  in the pretreated biomass slurry  such as sugar- and lignin-degradation products. Inhibition from these compounds can be even larger  than the end-product   inhibition  in  the hydrolysis of  steam-pretreated SO2-impregnated spruce.  In general, using  SHF,  the enzymatic  hydrolysis is slower  due to product  inhibition, so the residence time  will also be longer  in comparison  with SSF, thus the reactor  

 volume needs to be larger.  This  will add to the capital cost.  Another  drawback  is the loss of  sugars in the separation of  solids and liquids after  enzymatic  hydrolysis.  This may  be diminished 

by   washing,  which, on the other  hand,  will lead to dilution of  sugars even if  a countercurrent   washing  system is used.  This is avoided  when SSF is employed as the ethanol is separated from the slurry  by  stripping  in a distillation column. 6.47.2.4  Simultaneous Saccharification and Fermentation 

 The main advantage of  SSF is that  the sugars formed by  enzymatic  hydrolysis are converted by  the  yeast  as soon as they  are released.  This maintains a low  concentration of  sugars in the broth,  which alleviates the end-product  inhibition of  the cellulases and also diminishes the risk  for  infections. If  pentose sugars are present, such as  xylose, and the fermenting  organism is incapable to ferment  pentose sugars, there is usually  an increased risk  for  lactic  acid formation, as lactic  acid bacteria are able to utilize, for  instance,  xylose 

 when the glucose concentration is low. In this case, the  yeast  cells are suffering  from limitation in substrate (pentose fermentation is covered in another  article in this book). 

 Another  advantage of  SSF  is  the capability   of   the  yeast   to partly  detoxify   the slurry.  These  two effects  result   in an  increased enzymatic  hydrolysis productivity  also compared to enzymatic  hydrolysis performed at  higher  temperatures.  This leads to higher  overall ethanol productivity,  which means a lower  total reactor   volume. It  has also been shown in several studies that  the ethanol 

 yield is higher  after  SSF than after  SHF for  both softwood and agricultural residues;  yields between 80% and 85% based on the potentially  available sugars are common [8]. 

 The main drawback   with SSF is that  the  yeast  after  SSF is difficult  to recover  as it  is mixed  with the residual solid, that  is, mainly  lignin. In spite of  this,  we consider  SSF to be a better  option than SHF for  most  raw  materials.  The use of  SSF is also cost  effective as it  reduces the number  of  reactors. 6.47.2.5  Separation of Solids and Liquids Separation of  the liquid fraction from the solids and recovery  of  the produced ethanol are operations that  can affect  the overall production cost  to a high degree. Regarding  the solids, several options are available depending  on the dry-matter  content  of  the slurry. In some instances, decanter  centrifugation can be utilized to separate the solid residue from the liquid. It  may  be possible to 

Page 9: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 9/14

 

0

1

1

2

2

  α    (   k

  g  m  –   1   )   ×

   1   0  –   1   2

3

3

4

4

5

80 °C

50 °C

25 °C

0 100 200 300 400 500 600 700

ΔP (kPa)

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  623 

Figure 6  Specific filtration resistances as a function of applied pressure drop over filter cake for a slurry from SSF of spruce (experiments performed at 25, 50, and 80 °C). reach dry-matter  contents around 40% or  higher, but  this is highly  depends on the material.  The advantage of  using  centrifugation is the rather  compact  footprint  of  the equipment, and also the potential to have a high throughput. However, if  the material is difficult  to separate, there is a risk  that  the solids  will end up having  a high liquid content,  which have a great  impact  on the energy  balance in the plant, since the lignin-rich residue needs to be rather  dry  to be usable for  incineration.  The recovery  of  solids in a centrifuge is also affecting  the overall production cost. If  the liquid contains too much solids, there  will be a loss of  potential solid fuel,  which again  will be negative for  the process. 

 Another  option is to use filter  separation, for  example, a filter  press. In this type of  equipment, the slurry  is separated using  a mechanical filter  cloth. Filtering  requires large areas (or   volumes, if  the filter  assembled as a stack), especially  if  the material to be filtered has a low  filterability.  The filtration rate is to a great  extent  affected by  the slurry  itself; some lignocellulosic  raw  materials 

 yield a material,  which, under  certain circumstances,  is extremely  difficult   to  filter.  The filter-cake resistance becomes  very  high, causing  the filtration rate to decrease. If  such a material is filtered, the filtration area required  will be huge, and, as a result, the capital cost  for  filter  equipment  increase. Figure 6 shows an example of  filtration of  a slurry  from SSF of  spruce. In general, the specific  filtration

 resistance

 increases

  with

 the

 applied

 pressure

 over 

 the

 filter 

 cake,

 but 

 decreases

 if 

 the

 filtration

 is

 performed

 at 

 a higher 

 temperature,  which is in agreement   with most  filtration procedures, since the  viscosity  becomes lower. 

6.47.3  Process Modeling  As stated previously, there are several different  possible layouts of  a lignocellulose-to-ethanol process.  A  flowsheet  of  the process is presented  in  Figure 3.  The  process  can  be  modified  in  a  number   of   ways  depending   on  the  choice  of   pretreatment   method, fermentation layout  (SHF or  SSF), evaporation, and/or  anaerobic  digestion. In any  case, the layout  is  very  complex   with a significant  amount  of  dependencies between the unit  operations  which constitutes the process. Since no lignocellulose-to-ethanol plant  has been constructed and operated in modern times, and research usually  is directed toward studies of  individual unit  operations  within the process,  there  is a need  for  a tool  that  can evaluate different  combinations of  the available unit  operations.  A  possible  tool responding  to such a need is flowsheeting/process modeling  combined  with cost  estimations. 

Flowsheeting  programs, for  example,  Aspen Plus, HYSYS, and ChemCad, may  be used to perform rigorous material and energy  balance calculations,  with the use of  detailed equipment  models, to determine the flow  rates, composition, and energy  flow  for  all streams  in  the  process.  Because  of   their   flexibility,  the  programs  have  many   advantages  when  comparing   different   process configurations or  scenarios in terms of  overall efficiency, minimum energy  demand, or  lower  production cost. In addition, they  provide a powerful tool to perform sensitivity  analyses, due to the ease of  changing  a certain parameter. 

Process simulations  cannot  replace experiments, but  constitute a useful tool in the planning  and evaluation of  experiments. Furthermore,  they   highlight   factors  that   are  sometimes  neglected  in  experimental  studies,  for   example,  the  amounts  of  chemicals  needed  in  the  process  (catalyst   in  pretreatment,  acid/base  for   pH  adjustment,  nutrients,  and,  not   least,  enzymes and  yeast),  which constitute a significant  contribution to the production cost.  The overall demand of  steam, process  water, and cooling   water  are other  important  factors. Optimization of  ethanol production from lignocellulosic  feedstock  requires a model that   includes  all  the  major   process  steps,  since  changing   the  conditions  in  one  process  step  is  likely   to  affect   other   parts  of  

Page 10: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 10/14

624  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

the  process.   Although  no  full-scale  plant   based  on  enzymatic   hydrolysis  has   yet   been  built,  most   of   the  process  steps (e.g.,  distillation,  evaporation,   drying,  and  incineration)  are  considered  to  be  technically   mature,  that   is,  their   operational performance  is  well  known.  Of   course,  the  application  of   these  unit   operations  in  a  lignocellulose-to-ethanol   plant   still requires  to  be  verified  on  pilot   scale  before  a  full-scale  plant   can  be  constructed.  However,  the  ethanol  process  includes other   process  steps,  which  are  associated   with  greater   uncertainties   regarding   design  and  performance  on  full  scale.  This  is definitely  true for  the pretreatment  step, irrespective of  the pretreatment  method chosen, or  how  it  is configured. It  also applies to enzymatic  hydrolysis  or  SSF at  high solids concentrations, as  well as solid–liquid separation for  recovery  of  lignin. In many  techno-economic   evaluations   of   the  lignocellulose-to-ethanol   process  that   have  been  performed  during   the  past   10  years, 

 Aspen Plus from  Aspen  Technologies  has been used [9, 10]. 6.47.3.1  Effect of Various Parameters on the Energy Demand and Production Cost Process modeling  of  ethanol production from spruce using  a process concept  based on SO2-catalyzed steam pretreatment  followed by  SSF, as shown in Figure 3, has been used to illustrate the effect  of   various process parameters on the energy  demand and on the ethanol production cost. 

 The ethanol  yield is the single most  important  parameter  in reducing  the cost  of  ethanol production as it  affects both the raw  material and capital costs. High energy  efficiency, achieved by  process integration, is also of  great  importance for  the process to be economically   feasible.  In most  techno-economic  evaluations of  ethanol production,  live steam for  the process is generated  in a steam boiler  by  burning  part  of  the solid residue. From the excess solids it  is possible to generate heat  and electricity  or  fuel pellet  that  can be marketed to improve the process economics.  Thus, the energy  demand of  the process determines the amount  of  solid residue that  adds to the income as a co-product  and, therefore, it  is  very  important  for  the process to be energy  efficient. 

 The heat  duty  of  the process depends to a large extent  on the process configuration. For  the process alternative mentioned above, the heat  duty  of  the energy-demanding  process steps is shown in Figure 7.  The  white bars represent  the primary  steam demand,  while the gray  bars represent  the amount  of  secondary  steam that  is generated in each process step.  The overall process heat  duty, that   is,  the  total  energy   demand  in  the  form  of   boiler-generated  steam,  is  the  sum  of   the  black   bars.  Distillation  (including  preheating  of  the SSF broth) and evaporation account  for  the major  part  of  the process primary  energy  demand.  The contributions from pretreatment  and drying,  with the latter  assumed to  work  as a steam dryer, are comparatively  small, due to the generation of  secondary  steam in these process steps. 

 The  energy   demand  of   the  distillation  step,  in  which  the  ethanol  in  the  mash  from  fermentation  is concentrated,  is  highly  dependent  on the ethanol feed concentration, as shown in Figure 8.  The distillation step normally  consists of  a stripper  column, in 

 which  the ethanol  is separated  from all solid and nonvolatile compounds, and a rectification column,  in  which  the ethanol  is concentrated close to the azeotropic  point.  The implementation of  heat  integration, for  instance, by  using  the overhead  vapor  from the stripper  as heat  source in the reboiler  of  the rectification column, significantly  reduces the energy  demand. Nevertheless, it  is of  great  importance to obtain a high ethanol concentration in the distillation feed. In a starch-based process, the ethanol concentration in the stream entering  the distillation step is normally  above 8% (w/w). In a lignocellulose-based process, however, the aim has 

Process heat duty (MJ l–1 ethanol)

–6 –4 –2 0 2 4 6 8 10

Primary

Secondary

Overall

Pretreatment

Preheating of mash

Distillation

Evaporation

Drying

Figure 7  Heat duties of the energy-demanding process steps in the proposed ethanol production process. 

Page 11: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 11/14

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  625 

0

5

10

15

20

25

30

   E  n  e  r  g  y   d  e

  m  a  n   d   (   M   J   l  –   1   e

   t   h  a  n  o   l   )

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ethanol feed concentration (% (w/w))

Figure 8  Energy demand in the distillation step, where ethanol is concentrated to 94 wt.%, as a function of the ethanol feed concentration. The step was assumed to consist of two stripper columns (25 trays each) and a rectification column (35 trays) heat integrated by operating at different pressures. The inlet feed temperature was increased from 80 °C to the boiling temperature before entering each stripper column. 

been to reach at  least  4–5% (w/w) ethanol. In addition, a high ethanol concentration results in a high concentration of  nonvolatile compounds,  which also leads to a decrease in energy  demand in the evaporation step. 

Recirculation  of   process  streams  is  one  way   of   reducing   the  overall  energy   demand,  which  results  in  a  decrease  in  overall production cost. Recirculation of  part  of  the stream after  distillation back  to  the fermentation step  would result  in an increased concentration of   nonvolatiles  and  thus a  reduction  in  the energy  demand  in  the  evaporation  step. Recirculation  of   part   of   the stream  before  distillation  would  also  result   in  an  increase  in  the  ethanol  concentration  and  thus  a  reduction  in  the  energy  demand in both the distillation and evaporation steps.  This is true for  both the SSF and SHF configurations. However, it  is even more beneficial to increase the substrate concentration in the SSF step.  This results in reduced  water  consumption,  which greatly  reduces  the energy  demand for  distillation and evaporation, provided  the ethanol  yield  is maintained at  a high  level. Based on this, one of  the main objectives of  several experimental studies performed during  recent   years has been to increase the substrate concentration  in  SSF.  Figure  5  shows  the  process  heat   duty   (in  MJ  l–1)  and  the  overall  production  cost   as  functions  of   the 

 Water-insoluble solids (WIS) concentration in SSF.  The reduction in production cost  is due to an increase in co-product  credit  and a reduction  in  the  fixed capital cost. 

Process simulations clearly  demonstrate the potential reductions in production cost  and energy  demand that  can be obtained by  running  SSF at  higher  substrate concentrations. However, given the large number  of  compounds involved, and because they  may  act  synergistically, it  is impossible to predict  the impact  of  increased concentrations on the performance of  the  yeast  and enzymes using  process models. Effects on parameters such as productivity  (yield and residence time) as  well as  yeast  and enzyme dosages have to be determined experimentally, preferably  on pilot  scale. 

Savings in energy  demand can also be accomplished by  changes in the process design. Evaporation is the traditional, but  energy-demanding,  way  to concentrate the  water-soluble, nonvolatile components in the stillage stream in both 1G and proposed 2G plant  designs.  To reduce the energy  requirements for  evaporation, multiple evaporation effects (five stages) are used.  The layout  of  the evaporation  has  a significant   effect   on  the  overall process  heat   duty.  In  a  traditional  multiple-effect   evaporator   system,  a  large proportion of  the energy  supplied ends up as latent  heat  in the  vapor  phase leaving  the last  effect  in the evaporator.  This  vapor  is normally  condensed using  cooling   water.  Another  option is to compress the  vapor, thereby  raising  the temperature to a level at  

 which the latent  heat  can be utilized.  The  vapor  can then be used as a heating  medium to replace primary  steam.  Another   very  attractive option  would be  to replace evaporation by  anaerobic  digestion,  in  which a  large part  of   the organic  

material (unfermented sugars, acids,  yeast, etc.) is converted to biogas mainly  consisting  of  methane and carbon dioxide. Some more difficultly  digested compounds  would thereafter  have to be treated in a traditional  wastewater-treatment  plant  in order  to reduce  the  organic   loading   on  the  recipient.  The  implementation  of   biogas  production  has  been  estimated  to  reduce  the production  cost   by   about   7%.  The  performance  of   such  a  system  is  dependent   on  a  number   of   parameters  such  as  the composition  of   the  feed,  residence  time,  temperature,  etc.   A   crucial  question  is  also  how   to  handle  the  sludge  from the  anaerobic   digestion.  Further   investigation  is  required  since  very   limited  data  regarding   the  performance  of   this  kind  of  system  have  been  published. 6.47.3.2  Co-Location with Other Plants One  approach  to  reduce  the  production  cost   is  integration  of   ethanol  production  with  another   suitable  plant,  for   example,  a combined heat  and power  plant, a starch-based ethanol plant, or  a pulp and paper  mill. One of  the benefits in combining   with a heat  and power  plant  is that  the syrup or  lignin residue can be used for  steam production  without  prior  drying.  Another  option is to integrate  cellulosic   ethanol  production  with  starch-based  ethanol  production  to  utilize  the  whole  agricultural  crop.  This  will 

Page 12: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 12/14

626  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing 

increase the production capacity  drastically, and it  may  also help to boost  the ethanol concentration resulting  from the lignocellulosic  process, if  the ethanol-containing  streams can be distilled in the same distillation units.  This can have a beneficial effect  on the energy  demands in the distillation and evaporation steps. It  might  be an economic  disadvantage if  the residue cannot  be used for  animal  feed  (DDGS).  However,  it   will  still  have  a  fuel  value,  which  will  help  improve  the  economics  of   the  overall  process. 

 The biorefinery  concept  is also an interesting  option. Using  chemical and biological transformations, the raw  material is processed to produce ethanol and, for  example, modified lignin, specialty  chemicals, and maybe biogas, adding   value to the main product. In this case, the income from other  products improves the overall process economics. 6.47.3.3  Integration with Heat and Power Plant Integration of  cellulose-based ethanol production  with a combined heat  and power  plant  (Figure 3) has been estimated to reduce the ethanol production cost  by  up to 20% for  conditions prevailing  in Sweden and it  is the main strategy  pursued in the Swedish cellulose-to-ethanol  effort.  Live  steam  required  in  the  ethanol  process  can  be generated  by   burning   a  part   of   the  solid  residue (together   with  the  concentrated  liquid  from  evaporation  of   the  stillage  and  possibly   some  biogas  generated  in  wastewater  treatment). Depending  on the  various co-products, that  is, pellets, electricity, and district  heating  the energy  efficiency, defined as the energy  output  in the products (ethanol, pellets, excess electricity, and/or  district  heating) divided by  the energy  input,  vary  from 53% to 92% [11]. From an energy  point  of   view, the district  heating  alternative is most  attractive as it  utilizes a large part  of  the low-temperature  waste heat  from the process. However, this option restricts the location to the  vicinity  of  larger  cities of  the plant  as there must  be a demand for  the surplus heat. 6.47.3.4  Integration with 1G Ethanol One promising  alternative is to integrate 2G cellulosic  ethanol production  with 1G starch-based or  sugar-based ethanol production to use the  whole agricultural crop. Examples of  agricultural residues are corn stover,  wheat  straw, sugar  cane bagasse, and trash. 

 Taking   it   further,  the  two  methods  could  be  integrated  at   some  suitable  point   in  a  plant   to  share  some  common  process equipment. Figure 9  shows  some  possible  integration  schemes  for  a  starch-based  1G  plant.  Due  to  the  similarities  in  the  two processes, several points for  process integration exist.  The easiest  point   would be after  fermentation and solid residue separation before  the  distillation  as  the  two  processes   would  have  separate  and  dedicated  equipments  for   pretreatment,  hydrolysis, and  fermentation. However, by  combining  material streams  further   upstream,  the equipment  cost   for   adding  a 2G  technology  into an existing  1G plant  could be lower  and the energy  demand could be decreased. 

PretreatmentLignocellulosicbiomass

2 G plant

1 G plant

SSF

Liquefaction

Enzymatic

Hydrolysis Fermentation

SSF

1 2 3

EnzymaticHydrolysis

Fermentation Distillation

Dehydration EtOH

Drying

ADLiquid

Stillage

Solids separation(filtration,

centrifugation)

Lignin pellet

Heat, power

Biogas

Sludge

WWT

   T  o   R  e  c   i  p   i  e  n   t

Combustion(CHP)

Starch

Figure 9  Integration of first- and second-generation bioethanol production (1, 2, and 3 denote some possible integration points). 

Page 13: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 13/14

Techno-Economic Aspects of  Ethanol Production  from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues  627 

Integration of  the two concepts can be beneficial for  both processes.  As an example, the 2G ethanol production has an energy  surplus  in the form of   lignin,  which can be used  in  the  whole plant.  It   is also usually  difficult   to reach high sugar  and ethanol concentrations in the 2G ethanol production,  while starch- or  molasses-based ethanol production require dilution of  the sugar. By  combining  the process flows at  some point  in the plant, the energy  situation in the distillation can be improved compared to two stand-alone plants.  Also, the energy  demand for  evaporation of  the stillage stream  when applicable (not  shown in Figure 9), can be diminished  for  some of   the process configurations.  The demand  for  addition of  nutrients  will also be  lower, since  the 1G  raw  material contains sufficient  levels of  many  of  the required elements. 

Integration may  also alleviate some of  the inhibitory  effects occurring  from the formation of  toxic  compounds in the pretreat

ment  step. If  the process streams are mixed prior  to fermentation, the lignocellulosic  streams  will be diluted by  the starch-based streams.  To summarize,  we believe that  integration of  1G and 2G bioethanol production combined  with Combined heat  and powder  

(CHP) and biogas production (see Figure 9) results in higher  ethanol  yield, lower  energy  demand, and lower  production cost  than by  using  a stand-alone 2G ethanol production.  To define the most  optimal  way  of  integration requires detailed studies, for  example, by  flowsheeting  calculations based on reliable experimental data. 

6.47.4  Conclusions In  summary,  substantial  progress  has  been  achieved  in  the  field  of   lignocellulosic   fuel  ethanol  production,  especially   within research. However, the transition into a mature industrial technology  requires further  research and development  efforts to cope  with the major  research challenges summarized below: • To produce ethanol at  a high concentration.  The most  obvious  is  to perform enzymatic  hydrolysis or  SSF at  high dry-matter  

concentration.  This requires improvement  of  enzymatic  hydrolysis  with efficient  enzymes, reduced enzyme production cost, and novel technology  for  high solids handling.  Another  important  factor  is to utilize all the sugars available in the pretreated material, that  is, including  pentose fermentation.  This  will lead both to a higher  ethanol concentration and to a lower  production cost. 

• Development  of  robust  fermenting  organisms,  which are more tolerant  to inhibitors and ferment  all sugars in the raw  material in concentrated hydrolysates at  high productivity  and  with high ethanol concentration. 

• The increase in concentration of  inhibitory  compounds  with increased dry  matter  may  lead to a decreased ethanol  yield.  To cope  with this, an option is to separate the solid and liquid fractions and only  use the solid fraction, that  is the cellulose, for  ethanol production.  The  liquid  could  then  be  used  for   other   applications,  for   example,  biogas  production,  where  it   may   be  diluted 

 without  negative effects in the product  recovery  as the biogas is obtained in the gas phase. • Extension of  process integration to reduce the number  of  process steps and the energy  demand and to reuse process streams to 

eliminate the use of  freshwater  and to reduce the amount  of   waste streams. • Process integration  with other  types of  industrial processes, for  example, a combined heat  and power  plant  or  1G ethanol plant, 

 which  will reduce the production cost  further.  This may  result  in higher  ethanol concentrations to the distillation step compared  with a stand-alone 2G plant. 

• Integration of  1G and 2G plants also benefit  from a decreased requirement  for  addition of  nutrients since the meal, or  molasses, already  contain some compounds.  Also, it   will be easier  to cope  with inhibitors since the streams from the 1G plant  dilute the 2G process streams. 

Finally, one of  the most  important  issues is to  verify  all process steps in an integrated  way  in pilot  and/or  demo scale. Not  only  critical process steps such as pretreatment  and SSF have to be  verified at  large scale but  also more technical issues such as filtration of  lignin and the influence of  process integration and recycling  of  process streams on fouling. 

References [1]  Roehr M (ed.) (2001) The  Biotechnology  of  Ethanol . Weinheim: Wiley-VCH. [2]  Jacques K, Lyons TP, and Kelsall DR (ed.) (1999) The  Alcohol  Textbook , 3rd edn. Nottingham: Nottingham University Press. [3]  Galbe M and Zacchi G (2000) A review of the production of ethanol from softwood. Applied  Microbiology  and  Biotechnology  59: 6618–6628. [4]  Elander RT, Dale BE, Holtzapple M, et  al. (2009) Summary of findings from the Biomass Refining Consortium for Applied Fundamentals and Innovation (CAFI): Corn stover

pretreatment. Cellulose  16: 4649–4659.[5]  Olsson L (ed.) (2007) Advances  in  Biochemical  Engineering  Biotechnology . Berlin: Springer. [6]  Sousa LD, Chundawat SPS, Balan V, and Dale BE (2009) ‘Cradle-to-grave’ assessment of existing lignocellulose pretreatment technologies. Current  Opinion  in  Biotechnology  

20: 3339–3347. [7]  Jorgensen H, Kristensen JB, and Felby C (2007) Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentable sugars: Challenges and opportunities. Biofuels  Bioproducts  and 

Biorefining  1: 2119–2134.[8]  Olofsson K, Bertilsson M, and Lidén G (2008) A short review on SSF – an interesting process option for ethanol production from lignocellulosic feedstocks. Biotechnology  for  

Biofuels  1: 7 (doi:10.1186/1754-6834-1-7). 

Page 14: 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

7/16/2019 6.47 – Techno-Economic Aspects of Ethanol Production from Lignocellulosic Agricultural Crops and Residues

http://slidepdf.com/reader/full/647-techno-economic-aspects-of-ethanol-production-from-lignocellulosic 14/14

628  Wastes  from Agriculture, Forestry and Food Processing [9]  Wooley R, Ruth M, Glassner D, and Sheehan J (1999) Process design and costing of bioethanol technology: A tool for determining the status and direction of research and 

development. Biotechnology  Progress  15: 794–803. [10]  Sassner P, Galbe M, and Zacchi G (2007) Techno-economic aspects of a wood-to-ethanol process – energy demand and possibilities for integration. Chemical  Engineering  

Transactions  12: 447–452. [11]  Sassner P and Zacchi G (2008) Integration options for high energy efficiency and improved economics in a wood-to-ethanol process. Biotechnology  and  Biofuels  1: 4 

(doi:10.1186/1754-6834-1-4).