Biobutanol has received significant attention as a renewable gasoline substitute and as a chemical feedstock owing to its high energy content, low volatility, and low water solubility. Low volumetric productivity caused by the toxicity of butanol in batch fermentation stands as one of the major obstacles to commercialization. In this paper, continuous biobutanol fermen-tation integrated with ex-situ adsorption recovery of butanol is investigated as a way to over-come this limitation. In this integrated system, the spatial segregation of the adsorption system and the fermentation process enables continuous biobutanol production without the need to stop the fermentation. Since the adsorption column needs to be switched periodically owing to the limited capacity of the adsorbent, the overall operation follows a cyclic pattern and the fermentation process converges to a cyclic steady-state (CSS). In this study, a dynamic model of the integrated process is constructed and used for dynamic simulation to determine the sys-tem’s cyclic steady state. Major operating variables are optimized through grid search for giv-en feed concentrations and weighting factors based on the predicted CSS behavior designing an operation strategy that satisfies given requirements.
바이오부탄올은 부탄올의 높은 에너지 함량, 낮은 휘발성, 낮은 물 용해도 와 낮은 부식성 때문에, 신재생에너지로써 가솔린 첨가제 및 대체제로 각광받고 있을 뿐만 아니라 많은 화학물질의 원료로 쓰이고 있다. 일반적으로, 바이오부탄올은 Clostridia 종을 이용한 acetone-butanol-ethanol (ABE) 발효를 통해 생산될 수 있다. ABE 발효의 주요 문제점은 배양액 내의 부탄올 농도가 일정 수준 이상에 도달하면, 부탄올의 독성에 의해 세포 성장 및 생산물 생산이 중단된다는 것이다. 배양액 내의 낮은 부탄올 농도는 수율 및 체적생산성을 감소시키고 높은 recovery 비용이 발생하며, 결과적으로 공정의 자본 비용과 운전 비용을 높여 바이오부탄올 상용화의 가장 큰 장애물이다. 본 연구에서는 발효 공정과 부탄올의 recovery 시스템을 통합하는 발효 전략 개선을 통해 ABE 발효의 문제점을 극복하고 발효 공정의 효율을 높이고자 하였다. 많은 recovery방법들 중 가장 에너지 효율적이라고 알려진 흡착 방법을 채택하여 발효 공정과 통합하였다. 발효와 흡착 공정의 통합 방법으로는 하나의 생물반응기 내에서 발효와 흡착이 동시에 일어나는 in-situ product recovery (ISPR)과 생물반응기 외부에서 흡착이 진행되는 ex-situ product recovery (ESPR) 방법이 존재한다. ISPR 시스템은 흡착제가 포화되면 발효를 중단해야 하는 반면, ESPR 시스템은 생물반응기 외부의 흡착탑 교체를 통해 흡착제가 포화되어도 발효를 진행할 수 있다. 따라서, ESPR 시스템을 통해 바이오부탄올의 연속 생산을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 체적 생산성 증가 및 recovery비용이 감소한다. 발효와 흡착 공정이 통합된 ESPR 시스템은 주기적으로 흡착탑을 교체해주기 때문에 cycle이 진행되면서 연속하는 cycle이 같은 동특성을 갖는 cyclic steady-state (CSS)에 도달하게 된다. 이러한 특성은 시스템의 디자인 및 운전 최적화에 중요한 요소이지만, ESPR 시스템에 대한 연구가 거의 진행되지 않아 이해와 체계적인 접근이 부족한 상태이다. 본 연구에서는 연속 바이오부탄올 생산을 위한 발효/흡착 통합공정 시스템의 CSS 분석과 CSS에서의 최적화를 진행하였다.
