Development of Lactic and Succinic Acid Biorefinery Configurations for Integration into a Thermomechanical Pulp Mill

L'augmentation des émissions de CO2 et la diminution des ressources énergétiques d'origine fossile ont provoqué une augmentation de l'intérêt porté à la production de carburants et de produits chimiques biobasés ces dernières années. En même temps, le secteur des pâtes et papiers, qui était l'un des moteurs de l'industrie canadienne, a été confronté à une crise qui a été provoquée par un haut prix de l'énergie, une concurrence accrue de la part des pays en développement et une diminution de l'utilisation du papier. La bioraffinerie verte intégrée (BRVI), qui consiste à coupler une usine de pâtes et papiers existante à une nouvelle usine de production de produits chimiques de valeur, est apparue comme étant une solution permettant aux usines de pâtes canadiennes de redevenir compétitives grâce à la diversification de leur gamme de produits. L'acide lactique et l'acide succinique sont des produits chimiques importants de par leur haut potentiel d'application dans les industries cosmétique, agro-alimentaire et pharmaceutique. Ils sont tous les deux obtenus par des voies technologiques pétrochimique ou biochimique. Cette dernière est basée sur la fermentation de sucres par des bactéries. Ces dernières années, la voie biochimique a reçu une attention croissante, car elle offre à l'industrie chimique l'opportunité de produire des produits chimiques verts. La production économiquement compétitive de l'acide lactique et de l'acide succinique nécessite l'utilisation de sources de carbone diverses (telles que la biomasse lignocellulosique) et le développement de procédés viables. La bioraffinerie verte intégrée à une usine de pâte thermomécanique (TMP) produisant de l'acide lactique et de l'acide succinique biobasés permet non seulement l'échange de matière première mais également de chaleur. L'objectif de ce projet est de proposer les configurations de bioraffinerie de production d'acide lactique et succinique et de démontrer la faisabilité technique et la pertinence économique de la production d'acide lactique et d'acide succinique dans une bioraffinerie intégrée à une usine de pâtes thermomécanique. Quatre modèles de simulation ont été développés sur Aspen Plus lors de ce projet : (i) la production d'acide lactique biobasé avec récupération du produit final par précipitation ou (ii) électrodialyse et (iii) la production d'acide succinique biobasé avec récupération par cristallisation directe et (iv) électrodialyse. L'intégration énergétique et la conception d'un réseau d'échangeurs de chaleur (Heat Exchanger Network, HEN) des installations de production d'acide lactique et succinique ont vi été réalisées en se basant sur les résultats de simulation et des données fournies par FPInnovations. Des opportunités de réduction de la consommation des flux chauds ont été émises à partir des résultats obtenus précédemment. À la fin du projet, une analyse économique globale est effectuée en se basant sur les bilans de matière et d'énergie obtenus à partir des modèles développés.

Abstract

In recent years, with rising concerns about CO2 emission and depletion of fossil fuel, production of bio-based fuel or chemicals has attracted more attention. Meanwhile the pulp and paper industry, which used to be one of the major industries in Canada, has been confronted with a crisis in its operation during last two decades resulted from high energy price, competition with developing countries, and reduced paper demand. As an alternative to this situation, the integrated forest biorefinery (IFBR), which is a concept of coupling of an existing conventional pulp and paper mill and a new plant for the production of valuable chemicals, has appeared as a potential way to make the Canadian pulp mills competitive again by diversifying their products. Lactic acid and succinic acid are important chemicals due to their high potential for applications in the food, cosmetic, and pharmaceutical industry. Both lactic acid and succinic acid are produced by petro-chemical pathways or bio-chemical pathways, which are based on the fermentation of sugars by bacteria. In recent years, bio-chemical pathways have received increased attention as they offer an opportunity to the chemical industry to produce green chemicals. So far, the bio-based lactic or succinic acid have been produced commercially from corn starch. This starch based raw material is converted to sugars by hydrolysis. Microorganisms produce lactic or succinic acid by metabolizing the sugars during the fermentation. Pure lactic and succinic acid are obtained by recovery from the fermentation broth. Making lactic and succinic acid production economically competitive requires the use of various carbon sources (such as lignocellulosic biomass) as well as the development of viable processes. The integrated forest biorefinery (IFBR) that combines two or more processes of the production of pulp and paper and co-products such as bio-fuels or bio-chemicals allows not only the supply of raw material but also the transfer of heat. Before now many researches on the IFBR have been conducted into Kraft pulp mills as a receptor and relatively less study was done about Thermomechnical pulp (TMP) mills. The main objective of this project is to propose the configurations of biorefinery of production of lactic and succinic acid and to demonstrate the technical and economic feasibility of the integrated biorefinery composed of a TMP process and a lactic or succinic acid plant. viii In this project four simulation models on Aspen Plus were developed: bio-based lactic acid production with the recovery by precipitation and electrodialysis, and bio-based succinic acid production with the recovery by direct crystallization and electrodialsys. With the stream data of stand-alone lactic and succinic plant extracted from the results of the simulations and the stream data of TMP mill provided from FPInnovations, heat integration was performed and Heat Exchanger Network was designed. From these results, heat recovery opportunities that indicate the reduction of external hot utility (steam) were estimated. At the end of this project, a simple economic evaluation was performed based on the material balance and energy use from the simulation models.