Membrane separations in biorefinery. Development of a general predictive model

Microfiltration and ultrafiltration are wide used separation techniques in chemical industry, and in particular, in bioprocesses are indicated for biomass removal (full cell harvesting) and fermentation broth clarification. The presence of a predictive model able to describe the phenomenon of membrane fouling and to provide an economic estimation of total cost could be useful in every design stage, from preliminary analysis to feasibility study, and also to final plant employment. Nevertheless, the complex mechanism of membrane fouling and the different involved phenomena hinder the development of a general predictive model. For these reasons, micro- and ultrafiltration have always been treated in a fully empirical way and each proposed model presents a strong dependency on the experimental conditions in which it was developed. During preliminary design stages for conceptual design, however, it is not always possible to proceed with the usual empirical approach where quick and less detailed evaluations are required. To overcome the limited applicability of fully empirical solutions and develop a simple and most general possible model, the filtration process is described using the Darcy equation with additive resistances. Each resistive contribution is studied and analysed, to calculate trans-membrane flux reduction curve, whose average value is considered as the main parameter for economic evaluations and as input variable of the cost function. The usual empirical parameters, in absence of experimental calibration, are treated as fuzzy variables in their respective existence intervals, since the model will be based on microorganism characteristics taken from literature, hence affected by experimental uncertainty and in some cases, different experimental conditions. Possibility theory is then applied to study the uncertainty propagation on final output variables, introduced by the empirical parameters, in terms of both flux reduction curve and total costs. The developed algorithm, implemented and tested on different computing platforms, is subsequently used to estimate the range of variability of the upper cost of filtration for a biorefinery case study (lactic acid production plant). In the end, the model output could be seen as the economic risk linked to the limited experimental knowledge, that is the measure of how the lack of practical test (so the low accuracy of empirical values) impacts on the total equipment cost. The wider availability of experimental data and the comparison with industrial cases could considerably improve the model in its technical aspects, resulting in a narrower cost interval.

Microfiltrazione e ultrafiltrazione sono tecniche di separazione ampiamente diffuse nell’industria chimica e particolarmente utilizzate nei bioprocessi per la rimozione di biomasse e la chiarificazione di brodi di fermentazione. L’esistenza di un modello predittivo in grado di descrivere il fenomeno di sporcamento della membrana e di fornire valutazioni economiche sui costi totali dell’operazione è fondamentale in ogni fase di progettazione, dalle analisi preliminari allo studio di fattibilità, all’esercizio finale dell’impianto. Tuttavia, la complessità del meccanismo di sporcamento della membrana e la diversità (spesso anche di scala) dei fenomeni coinvolti ostacolano lo sviluppo di un modello predittivo generale. Per questi motivi micro- e ultrafiltrazione sono finora state affrontate su basi pienamente empiriche e qualsiasi modello proposto presenta una forte dipendenza dalle condizioni sperimentali nelle quali è stato sviluppato. Nelle fasi di progettazione, però, non è sempre possibile procedere con il solito approccio empirico e valutazioni rapide e dettagliate sono richieste già nei primi stadi. Per superare la limitata applicabilità delle soluzioni completamente empiriche e sviluppare un modello semplice e il più generale possibile, si propone una descrizione del processo di filtrazione basata sul modello dell’equazione di Darcy con resistenze in serie. Ogni contributo resistivo è studiato e analizzato e il comportamento complessivo dell’apparecchiatura è descritto dalla curva di riduzione del flusso trans-membrana, il cui valore medio è impiegato come parametro principale per le stime economiche e come variabile d’ingresso della funzione di costo. In assenza di valutazioni sperimentali, i parametri empirici sono considerati come variabili fuzzy all’interno del rispettivo campo di esistenza (o verosimiglianza), dato che il modello caratterizza i microorganismi utilizzando i valori disponibili in letteratura, quindi affetti da incertezza epistemica e spesso ottenuti in diverse condizioni sperimentali. La teoria della possibilità è poi utilizzata per studiare la propagazione dell’incertezza sulle variabili finali di output, introdotta dai parametri empirici, sia in termini di curva di riduzione di flusso che, infine, in termini economici. L’algoritmo elaborato, implementato e testato su diverse piattaforme di calcolo, è successivamente impiegato per valutare l’intervallo di variabilità dei costi massimi per un caso di studio di bioraffineria (impianto di produzione di acido lattico). In ultima analisi, l’indicazione finale fornita dal modello si può intendere come il rischio economico dovuto alla limitata conoscenza sperimentale, ovvero quanto la mancanza di un set di esperimenti (e quindi di accuratezza dei valori empirici) impatti sul costo totale dell’apparecchiatura. La maggiore disponibilità di dati sperimentali, così come il confronto con realtà industriali, comporta un notevole miglioramento al modello nei suoi aspetti prettamente tecnici, che si traduce nella riduzione dell’ampiezza dell’intervallo di costo.