Technoeconomic analysis of broccoli biorefineries for polyphenol extraction and biobutanol production

• Frausto-Torres, Luis Gerardo ^[1] ; Vázquez-Núñez, Édgar ^[1] ; Molina-Guerrero, Caros Eduardo ^[1]
  1. [1] Universidad de Guanajuato

     Universidad de Guanajuato

     México

     
• Localización: Renewable Energy, Biomass & Sustainability, ISSN-e 2683-2658, Vol. 4, Nº. 1, 2022, págs. 23-37
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Análisis tecnoeconómico de biorrefinerías de brócoli para la extracción de polifenoles y la producción de biobutanol
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  • español

    Los recursos fósiles dominan el suministro de energía. En 2019, el suministro total de energía en el mundo representó 606 exajulios (EJ), de los cuales los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas) tuvieron una cuota del 81% (490 EJ). El concepto de biorrefinería propone la síntesis de energías renovables como alternativa a los carburantes fósiles. Como biocombustible de segunda generación, el biobutanol tiene características sobresalientes y puede obtenerse a partir de residuos agrícolas y desechos orgánicos; sin embargo, su bioprocesamiento no es económicamente viable con las metodologías actuales. En 2021, la producción mundial de brócoli (Brassica oleracea var. Italica) fue de 25.5 millones de toneladas; siendo el quinto productor mundial, México generó 687,000 toneladas de esta hortaliza. En este trabajo se propone un diseño de producción para la síntesis de biobutanol y la recuperación de subproductos valiosos, como compuestos polifenólicos de alto valor, a partir de residuos de brócoli, abundantes en el estado de Guanajuato, México. Para la transformación del sustrato se propuso una matriz bioquímica para su composición, así como una ruta biotecnológica que sigue un camino general con el pretratamiento ácido de la biomasa, hidrólisis enzimática y fermentación acetona-biobutanol-etanol (ABE) utilizando bacterias anaerobias. La biorrefinería esbozada integra métodos convencionales en tres vías metodológicas y un modelo híbrido para el proceso aguas abajo. Con el objetivo de visualizar el rendimiento económico global y evaluar una posible reducción de los costes de producción, realizamos un análisis tecnoeconómico de la planta de biorrefinería de segunda generación diseñada. La evaluación económica se llevó a cabo utilizando SuperPro Designer® V 12.0. Los resultados confirman la enorme dependencia que este tipo de biorrefinería sufre de las demandas energéticas. Descubrimos que aplicando adaptaciones estratégicas al proceso aguas abajo se pueden reducir considerablemente los costes de explotación. Sin embargo, para alcanzar la plena eficiencia financiera en la producción de biobutanol a partir de residuos de brócoli, es necesario profundizar en la investigación y el desarrollo de métodos innovadores para separar y purificar eficientemente los productos finales, así como de metodologías novedosas para la biotransformación de la biomasa lignocelulósica descrita a lo largo de toda la ruta tecnológica. También encontramos que existe una gran oportunidad en la valorización de los abundantes residuos de brócoli generados en la región de Guanajuato.

  • English

    Fossil resources dominate the energy supply. In 2019, the total energy supply worldwide accounted for 606 exajoules (EJ), of which fossil fuels (oil, coal, and gas) had a share of 81% (490 EJ). The biorefinery concept proposes the synthesis of renewable energies as an alternative to fossil carburants. As a second-generation biofuel, biobutanol has outstanding characteristics and can be obtained from agricultural residues and organic wastes; however, its bioprocessing is not economically feasible using current methodologies. In 2021, the global production of broccoli (Brassica oleracea var. Italica) was 25.5 million tons; being the fifth top producer, Mexico generated 687,000 tons of this vegetable. In this work we propose a production design for the synthesis of biobutanol and the recovery of valuable byproducts, like high-value polyphenolic compounds, from broccoli residues, abundant in the state of Guanajuato, Mexico. For the transformation of the substrate a biochemical matrix was proposed for its composition, as well as a biotechnological route that follows a general path with the acid pretreatment of biomass, enzymatic hydrolysis, and acetone-biobutanol-ethanol (ABE) fermentation using anaerobic bacteria. The outlined biorefinery integrates conventional methods in three methodological pathways and a hybrid model for the downstream process. With the aim of visualizing the global economic performance and evaluating a possible reduction in production costs, we performed a technoeconomic analysis of the designed second generation biorefinery plant. The economic evaluation was carried out using SuperPro Designer® V 12.0. The results confirm the enormous dependence that this type of biorefinery suffers from energy demands. We found that by implementing strategic adaptations to the downstream process operating costs can be considerably reduced. However, to achieve full financial efficiency in the production of biobutanol from broccoli residues, it is necessary to deepen the research and development of innovative methods to efficiently separate and purify the final products, as well as novel methodologies for the biotransformation of the described lignocellulosic biomass along the entire technological route. We also found that there is a large opportunity in the valorization of the plentiful broccoli residues generated in the Guanajuato region.