Lignocellulosic Biobutanol Production via ABE Fermentation and Syngas-Based Mixed Alcohol Synthesis: A Technological and Economic Comparison

Abstract

The phasing-out and eventual replacement of petrochemical fuels and chemicals with renewable alternatives poses several challenges. Currently, biofuels are largely based on food crops, laying claim to valuable arable land and possibly also contributing to increased food prices. This is not a sustainable practice in the long term, and the question arises about what feedstocks should be used instead. An achievable answer to this question is lignocellulosic biomass. Widely available and abundant, lignocellulose is a main constituent in all plants, and may be converted into fuels and useful chemicals by a several methods. Butanol, the four-carbon alcohol, has a variety of applications in chemical industry, and is also being touted by several researchers as a promising biofuel. For a long time prior to the introduction of petrochemical butanol, Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation was the number one method for butanol production, utilizing starch and sugar feedstocks. After dwindling due to unfavourable process economics, this production method has regained some of its relevance due to concerns about the environment and finite fossil fuel resources. There are two primary pathways for biobutanol production. One is biochemical, utilizing microorganisms to ferment biomass and convert it into products. The ABE process is chief among these. The other pathway is thermochemical processing. Arguably, a main alternative among the technologies of this pathway is syngas-based mixed alcohol synthesis. The scope of this thesis is to scrutinize these alternatives – the ABE process and the syngas-based mixed alcohol synthesis process – and to compare their technical and economic viabilities. To this end, an extensive literature review has been conducted. Through the literature review, it was found that lignocellulosic ABE fermentation is a viable technology for production of biobutanol as a bulk chemical, though not yet for biofuel purposes. In particular, process economics are hampered by the fermentation bacterias’ sensitivity to inhibitory compounds from essential lignocellulose pretreatment, and by the toxicity of butanol. Mitigative measures include genetic and metabolic engineering of fermentation bacteria to enhance tolerance of inhibitors and butanol, development of novel product recovery techniques, improved reactor designs and upstream processing regimes tailored to each feedstock and fermentation bacteria. For the thermochemical process, it was found that conversion of biomass to syngas via gasification is potentially easier and considerably faster than the upstream processing of the ABE fermentation. However, optimization of the process for biomass utilization is still underway, and much research is needed in the area of syngas purification to provide a sufficiently clean substrate for mixed alcohol synthesis. Mixed alcohol synthesis is not commercially proven, and needs extensive research and development to achieve commercialization. Key categories of improvement include catalyst selectivity and reactor design.

Utfasingen og den eventuelle erstatningen av petrokjemiske brensler og kjemikalier med fornybare alternativer byr på flere utfordringer. I skrivende stund er biodrivstoff i hovedsak basert på jordbruk i konkurranse med mat, som legger beslag på dyrebar matjord og kanskje også bidrar til økte matvarepriser. Dette er ingen bærekraftig løsning på sikt, og spørsmålet melder seg om hvilke råmaterialer som kan brukes i stedet. Et nærliggende svar på dette spørsmålet er lignocelluloseholdig biomasse. Lignocellulose er hovedbestanddel i alt plantemateriale, og er dermed bredt tilgjengelig. Biomassen kan omdannes til brensler og nyttige kjemikalier på mange måter. Butanol, alkoholen med fire karbonatomer, er bredt anvendt i kjemisk industri, og løftes også frem av mange forskere som et lovende biobrensel. Lenge før petrokjemisk butanol ble standarden utgjorde ABE-fermentering av stivelses- og sukkerholdige råstoffer den foretrukne metoden for butanolproduksjon. Etter å ha mistet sin posisjon grunnet prosessøkonomiske svakheter har metoden nå gjenvunnet noe av sin relevans grunnet klimahensyn og bekymringer angående krympende reserver av fossil energi. Innen produksjonsmetoder for biobutanol finnes to hovedkategorier. Den ene er biokjemisk, og bruker mikroorganismer til fermentering av biomasse som omdannes til produkter. ABE-prosessen er den fremste blant disse. Den andre kategorien er termokjemisk prosessering. Hovedalternativet blant disse er trolig syngas-basert alkoholsyntese. Målet med denne oppgaven er å studere disse alternativene – ABE-prosessen og prosessen med alkoholsyntese basert på syngas – og å sammenligne deres tekniske og økonomiske gjennomførbarhet. Med dette mål for øyet har en omfattende litteraturstudie blitt utført. Litteraturstudien viste at ABE-fermentering av lignocellulose er egnet for produksjon av biobutanol til bruk i kjemisk industri, men at prosessen foreløpig ikke er økonomisk egnet til biobrenselformål. Særlige prosessøkonomiske hindre er fermenteringsbakterienes ømtålighet overfor skadelige stoffer som oppstår under den nødvendige forbehandlingen av biomassen, samt overfor den giftige butanolen. Mulige tiltak er genmanipulering av fermenterings-bakterier for å øke deres motstandsdyktighet, utvikling av nye teknikker for utvinning av butanol fra fermenteringsbrygget, bedre reaktordesign samt forbehandling tilpasset hvert enkelt råmateriale og hver enkelt art av fermenteringsbakterie. Den termokjemiske prosessens omdanning av biomasse til syngas via gassifisering er potensielt enklere og raskere enn all den nødvendige forbehandlingen for ABE-fermenteringen. Denne metoden for biomassekonvertering er imidlertid fortsatt under utvikling, og mye forskning trengs innen rensing av syngas før man får et tilstrekkelig rent råstoff til bruk i alkoholsyntese. Syntese av blandede alkoholer er ikke kommersielt utviklet, og trenger omfattende forskning og utvikling for å bli det. Sentrale aspekter som må forbedres inkluderer katalysatorens selektivitet, samt reaktordesign.