Techno-Economic Analysis of Extractive Butanol Fermentation by Immobilized Cells with Large Extractant Volume

Abstract

Terdapat beberapa tantangan fermentasi Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) untuk digunakan dalam skala industri antara lain rendahnya rendemen butanol, tingginya kebutuhan energi untuk pemisahan dan pemurnian, dan persaingan gula dengan kebutuhan pangan sebagai substrat. Penelitian ini mempelajari aspek teknik dan ekonomi dari fermentasi ABE menggunakan sel amobil dengan volum ekstraktan besar. Keseluruhan proses produksi dirancang menggunakan bahan baku jerami padi yang dihidrolisis tak sempurna untuk menghasilkan campuran selobiosa, glukosa, xilosa, dan arabinosa. Gula konsentrat kemudian diumpankan ke fermentasi fed-batch ekstraktif menggunakan sel amobil. Akhirnya, ekstraktan diperoleh kembali dan produk dimurnikan dengan kolom distilasi. Dengan mengevaluasi desain proses ini untuk kapasitas skala kecil 238 kg-butanol dan aseton/hari, kebutuhan energi adalah 41,3 MJ/kg-butanol dan aseton dan biayanya adalah 1,91 $/kg-butanol dan aseton. Meskipun biayanya lebih tinggi daripada butanol yang dihasilkan oleh proses petrokimia sebesar 1,08 $/kg-butanol, biayanya dapat berkurang jika skalanya ditingkatkan.There are several challenges for ABE fermentation to be used in an industrial scale including the low of butanol yield, the high energy requirement for separation and purification, and the competeness of sugar with food demand as substrat. In this study, techno-economical aspects of ABE fermentation by using immobilized cells with large extractant volume were studied. Overall production process was designed using rice straw as raw material which is semi-hydrolyzed to produce cellobiose, glucose, xylose, and arabinose mixture. Concentrated sugar was then fed to extractive fed-batch fermentation using immobilized cells. Finally, extractant was recovered and products were purified by distillation column. By evaluating this process design for the small scale capacity of 238 kg-butanol and acetone/day, the energy requirement was 41.3 MJ/kg-butanol and acetone and the cost was 1.91 $/kg-butanol and acetone. Although the cost was higher than butanol produced by petrochemical process of 1.08 $/kg-butanol, it may reduce if the scale is increased.