Skip to main content
SUPERVISOR
کیخسرو کریمی (استاد راهنما) مرضیه شفیعی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Farshid Nazemi
فرشید ناظمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Simulation, Design, and Techno-economic Aspects of Nizimuddinia zanardini Brown Macroalgae Biorefining
The present study aims to investigate the economic and process feasibility of multiple biorefinery pathways based on a natural and widely available brown macroalga, Nizimuddinia zanardini. In the first pathway, named “biofuel scenario”, the seaweed is used for large-scale energy and fuel production by converting all fermentable ingredients, including mannitol and glucan, to bioethanol, and employing the waste streams to produce electricity. In the second pathway, named “biorefinery scenario”, a full cascading biorefinery approach was applied to co-produce highly valuable chemicals, including alginate, mannitol, and protein. Moreover, bioethanol and fertilizer were produced from the remaining organics and inorganics, respectively. Both scenarios were simulated by Aspen Plus® and the simulation results were used in a cash flow analysis, by which multiple economic indices were calculated. In the biofuel scenario, bioethanol and electricity were produced at the rate of 35,000 ton/year and 26 MW, respectively. While in the biorefinery scenario, 59,000 ton sodium alginate, 40,000 ton mannitol, 47,000 ton protein, 120,000 ton fertilizer, and 19,000 ton bioethanol were produced annually. Moreover, in the biofuel scenario, hot utility, cold utility and electricity were utilized at the rate of 29.8 MW, 76.6 MW, and 10.3 MW, respectively. While in the biorefinery scenario, 69.5 MW hot utility, 57.6 MW cold utility, and 59.9 MW electricity were demanded. In addition, in the biofuel scenario, total capital investment (TCI), total operating costs (TOC), and total annual sales (TAS) were 261.7 million US dollar (M$), 57.3 M$/year, and 24.9 M$/year, respectively. On the other hand, in the biorefinery scenario, higher values were obtained for the TCI (522.5 M$), TOC (100.2 M$/year), and TAS (315 M$/year). The maximum allowable dry seaweed price was calculated for the biorefinery scenario as 374 $ per tonne of dry weight, which could be used to set a seaweed cultivation cost goal in the future studies. Minimum ethanol selling price (MESP) was 2.5 $ per liter for the biofuel scenario, which was significantly higher than MESP reported for well-known lignocellulosic biomass resources, showing that third-generation biofuel from seaweed had a lower economic potential compared to the second-generation biofuel. In the biofuel scenario, the major MDSP contributers were capital recovery charge and ethanol product credit. While the main contributers to MDSP of the biorefinery scenario were alginate product and mannitol product credits, showing the importance of producing high-value chemicals in the seaweed biorefinery. Finally a sensitivity analysis of multiple process and economic parameters was applied on the MDSP of each scenario. In the biofuel scenario, MDSP altered significantly by changing the bioethanol production rate, illustrating that the ethanol production rate played a pivotal role in the economics of a plant producing a large volume of biofuel from seaweed. While in the biorefinery scenario, changes in alginate composition in the feedstock can considerably affect the MDSP, and in turn, the project's economics. Among different economic parameters, changes in the percentage of initial investment, and the internal rate of return, substantailly altered MDSP of both scenarios. Based on the profitability indices, it was concluded that the seaweed had a low economic potential for large-scale biofuel production owing to the low ethanol production yield from seaweed carbohydrates. To outcome this obstacle, studies should be performed on commercializing microorganisms capable of producing ethanol at a high rate, especially from those carbohydrates that are exclusively available in the seaweed structure. On the other hand, a cascading biorefinery based on seaweed feedstock showed promising economic performance, producing large volumes of high-value biobased chemicals.Therefore, the ever-increasing human demand for chemical products can be addressed sustainably by establishing cascade biorefineries based on seaweed feedstock, which is the largest unexploited renewable carbon resource on the planet.
پژوهش حاضر با هدف بررسی امکان سنجی فرایندی-اقتصادی پالایش زیستی جلبک قهوه‌ای نیزیمودینیا زنردینی (گونه ای فراوان از جلبک‌های طبیعی خلیج فارس و دریای عمان) به منظور تولید انرژی و مواد شیمیایی با ارزش انجام شده است. دو سناریو متفاوت برای احداث یک پالایشگاه زیستی بر مبنای جلبک نیزیمودینیا زنردینی از لحاظ فرایندی و اقتصادی بررسی شده است. در سناریو اول، که فرایند تولید سوخت‌های زیستی نامیده شده است، پتانسیل فرایندی-اقتصادی جلبک قهوه‌ای به منظور تولید بیواتانول و برق در مقیاس بالا مورد بررسی قرار گرفته است. در این فرایند، ابتدا کلیه ترکیبات قندی با قابلیت تبدیل به بیواتانول طی واکنش هیدولیز و تخمیر به بیواتانول تبدیل و باقیمانده ترکیبات آلی برای تولید برق سوزانده می‌شوند. در سناریو دوم، که فرایند تولید مواد با ارزش نامیده شده است، پتانسیل فرایندی و اقتصادی جلبک قهوه‌ای برای تولید مواد زیستی با ارزش، از جمله آلژینات، مانیتول و پروتئین بررسی شده است. هر دو سناریو توسط نرم افزار Aspen Plus شبیه سازی شده و نتایج شبیه سازی در آنالیز جریان پول مورد استفاده قرارگرفته است. در ادامه شاخص‌های اقتصادی مختلف برای هر فرایند محاسبه شده است. ظرفیت کارخانه برای هر دوسناریو برابر با 500.000 تن جلبک خشک در سال در نظر گرفته شده است. در سناریو اول، 35.000 تن بیواتانول و 26 مگاوات برق تولید شد. در سناریو دوم، 59.000 تن در سال سدیم آلژینات، 40.000 تن در سال مانیتول، 47.000 تن در سال پروتئین، 120.000 تن در سال کود شیمیایی و 19.000 تن در سال بیواتانول تولید شد. همچنین، در سناریو اول، 8/29 مگاوات یوتیلیتی گرم، 6/76 مگاوات یوتیلیتی سرد و 3/10 مگاوات برق مصرف شد. در سناریو دوم، 5/69 مگاوات یوتیلیتی گرم، 6/57 یوتیلیتی سرد و 9/59 مگاوات برق مصرف شد. در سناریو اول، هزینه‌ی سرمایه گذاری کل برابر با 7/261 میلیون دلار، هزینه‌های عملیاتی کل برابر با 3/57 میلیون دلار در سال و فروش سالیانه کل برابر با 9/24 میلیون دلار در سال می‌باشد. در سناریو دوم، هزینه ی سرمایه گذاری کل برابر با 5/522 میلیون دلار، هزینه های عملیاتی کل برابر با 2/100 میلیون دلار در سال و فروش سالیانه کل برابر با 7/315 میلیون دلار در سال محاسبه شده است. با مقایسه شاخص‌های سودآوری، فرایند تولید مواد با ارزش (سناریو دوم) در مقایسه با فرایند تولید سوخت های زیستی (سناریو اول) از پتانسیل اقتصادی به مراتب بالاتری برخوردار می‌باشد. حداکثر قیمت جلبک خشک مجاز برای خرید برای سناریوی دوم، 374 دلار به ازای هر تن جلبک خشک محاسبه شد. حداقل قیمت مجاز فروش اتانول تنها برای سناریوی اول محاسبه شده است. حداقل قیمت مجاز برای فروش اتانول در این فرایند 5/2 دلار به ازای هر لیتر بیو اتانول محاسبه شد که به طور قابل توجهی بالاتر از قیمت گزارش شده برای منابع زیست توده لیگنوسلولزی است. این امر نشان می دهد که تولید سوخت زیستی نسل سوم از جلبک قهوه‌ای از پتانسیل اقتصادی کمتری نسبت به تولید سوخت زیستی از خوراک لیگنوسلولزی (تولید سوخت زیستی نسل دوم) برخوردار است. در نهایت، آنالیز حساسیت پارامترهای متفاوت فرایندی و اقتصادی بر روی فاکتور MDSP برای سناریو اول و دوم انجام شد. در سناریو اول، فاکتور نرخ تولید اتانول از جلبک بیشترین تاثیر را بر فاکتور MDSP و در نتیجه اقتصاد فرایند داشت. در حالیکه در سناریو دوم، تغییرات در ترکیب درصد آلژینات در خوراک بیشترین تاثیر را بر فاکتور MDSP داشت.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی