Fermentation Acceleration by Separation Technology: Expanded Scale Tests

Aanleiding

Bio-based fermentative production of fuels and fine chemicals are often limited in product titre and overall productivity, while requiring significant downstream processing efforts. Dit leidt tot hoge kapitaal- en operationele uitgaven. Economische concurrentie met petrochemicaliën en fossiele brandstoffen is moeilijk en vervanging door bio-based alternatieven is dus beperkt.

Process- en reactorinnovaties zijn nodig als bio-based chemische en brandstofproductie mogelijk moet worden gemaakt. DAB's Fermentation Acceleration by Separation [FAST] technology platform is een innovatieve procesoplossing voor fermentaties. FAST verhoogt de volumetrische productiviteit, beperkt de algehele producttoxiteit van fermentatie en duwt fermentatie meer naar continue bedrijfsmodi.

Het FAST-concept is haalbaar gebleken door de eerste fermentatieprototype-pilotreactor bij de Bioprocess Pilot Facility (BPF) in Delft en maakte deel uit van het TKI-project genaamd AMBIC, en het BBEG-innovatieproject genaamd Sunior. Tijdens deze projecten werd butanol als jetbrandstofcomponent geïdentificeerd als een hoog potentieel molecuul voor FAST (DAB, WFBR, SkyNRG).

Doelstelling

Onze directe doelstelling binnen DEI+ is om het FAST-reactorconcept te piloteren voor de productie van bio-based chemicaliën en brandstof door fermentatie en de prestatieverbetering te valideren. Twee bio-based (bulk) chemicaliën zijn al geselecteerd om het FAST-systeem te valideren.

Het programma is opgezet om tot 3 andere chemicaliën binnen het pilotprogramma op te nemen. Door de algehele reactorproductiviteit te verhogen, zal bio-based productie van brandstoffen en chemicaliën mogelijk worden gemaakt. Het FASTest-project zal een solide basis leggen om de luchtvaartsector en Nederland te helpen met enkele van hun belangrijkste uitdagingen, die ook deel uitmaken van de doelstellingen van het DEI+-programma. Dit project zal:

1. bijdragen aan de EU-doelstellingen voor hernieuwbare energie (biofuel Flight path 2020) & EC en IATA CO2-reductieambities;
2. het grootste klimaatprobleem van een belangrijke Europese industrie aanpakken dat momenteel niet veel significante alternatieven heeft;
3. de afhankelijkheid van fossiele kerosine verminderen, wat de regionale leveringszekerheid en prijsstabiliteit verbetert;
4. bijdragen aan regionale economische ontwikkeling (bijv. werkgelegenheid, innovatie).

Korte omschrijving

De activiteiten in het FASTest-project zijn verdeeld in 4 werkpakketten (WP) die met elkaar verbonden zijn. Deze workflow leidt tot de kwalificatie van de best presterende stam die zal worden gepilot in de verbeterde pilotreactor.

• WP1: Het conceptueel ontwerp waarbij 5 stammen voorlopig worden gescreend op basis van ontwerp, gedetailleerde oplosmiddelkeuze en het vooruitzicht van de downstream verwerking. Van de 5 stammen zullen 5 conceptuele ontwerpen worden ontwikkeld. 2-3 kandidaten zullen worden geselecteerd voor labvalidatie in WP2.
• WP2: Stamselectie tijdens R&D-ontwikkeling van oplosmiddeloverlay-experimenten. 2 stammen, uit deze WP, zullen worden geselecteerd voor FAST-fermentaties, waarbij de haalbaarheid van grootschalige productie met de FAST-technologie op pilot-schaal in WP3 wordt beoordeeld.
• WP3: Piloting van een FAST100L. Validatie van WP2, procesfermentaties in de FAST 1.0 en/of FAST 2.0.
• WP4: Bestaat uit engineering en pilot-schaal productie van een FAST 2.0 operationele pilotreactor.

Resultaat

Aan het einde van 2020 en van het FASTest-project:

1. 4-5 conceptuele ontwerpen voor bio-based brandstof en chemicaliën met FAST-technologie zullen worden uitgevoerd met nadruk op oplosmiddel/overlay selectie. Het CO2-reductiepotentieel van de nieuwe processen zal worden bepaald voor deze modellen.
2. Tot 5 ontwerpen zullen worden gevalideerd op stam en oplosmiddel door lab haalbaarheid/beoordeling.
3. De bio-based chemische productieprocessen voor twee processen, waarschijnlijk butanol en m-cresol of vergelijkbare verbindingen, zullen volledig worden getest binnen het FAST-pilotsysteem.
4. Een FAST-systeem zal worden ontworpen en geplaatst om de haalbaarheid van het FAST-concept voor bio-based brandstoffen en chemicaliën aan te tonen, om een snellere transitie naar een bio-based circulaire economie mogelijk te maken.