March 2011 Dr. Mariano Mar/n  

PostDoctoral Research Fellow Chemical Engineering Department 

Carnegie Mellon University Currently 

Assistant professor at University of Salamanca (Spain) 

Advisor: Prof. Ignacio E. Grossmann 

Introduction

The  first  genera/on  of  biofuels  from  corn  or  vegetable  oil  can  be produce under profitable and energy favorable scenarios with the help of mathema/cal programming [1]. Their drawback is that they present some ethical dilemmas due to its competence with the food market.   Thus,  the  second  genera/on  of  biofuels  are  a  promising    and  flexible source  of  fuels  for  the  transporta/on  sector  [2]    However  their produc/on  process  is  s/ll  under  development  and  mathema/cal programming  techniques  are  a  powerful  tool  to  help  synthesize environmentally friendly and profitbale flowsheets. 

[1] Karuppiah, R.; Peschel, A., Grossmann, I.E., Mar=n, M., Mar>nson, W., Zullo, L, (2008) “AICHE Journal. 54, 6, 1499‐1525 [2] Cole DE. (2007) Issues facing the Auto Industry: Alterna>ve Fuels, Technologies, and Policies ACP Mee>ng Eagle Crest Conference Center 

Method

We  use  ma thema/ca l programming  techniques  to accomplish  the  synthesis  of the produc/on of:   hydrogen,  bioethanol,  Ft‐diesel  from  Switchgrass,  a lignocellulosic  raw  material, and    biodiesel  from  cooking  oil or algae oil, see figure 

Method

Our main  concern  is  the  op/miza/on  of  energy  and water  consump/on. We propose a two stage method [3]:   1.‐Energy  op/miza/on:  Superstructure  and  parameter  op>miza>on including economic evalua>on to select the flowsheet out of a large number of alterna/ves for each biofuel and the opera>ng condi>ons   2.‐Water op/miza/on: We design the op>mal water network [4,5]. 

[3] Grossmann, I.E., Mar>n, M.  (2010) Chinese J. Chem. Eng, 18 (6) 914‐922 [4] Ahmetovic, E.; Mar=n, M.; Grossmann, I.E. (2010) Ind. Eng. Chem Res.  49 (17) 7972‐ 7982   [5] Mar=n, M.; Ahmetovic, E.;  Grossmann, I.E. (2010) I&ECR doi: 10.1021/ie101175p 

Results

Op/mal flowsheet for the produc/on of ethanol from hydrolysis of Switchgrass              60Mgal/yr; $48MM/yr 

Results

Op/mal flowsheet for the produc/on of ethanol via gasifica/on of Switchgrass  

           60Mgal/yr;  $25MM/yr 

Results

Op/mal flowsheet for the produc/on of biodiesel from algae  

         70MMgal/yr,  $28MM/yr 

Results

Op/mal flowsheet for the produc/on of biodiesel from algae oil  

         72Mgal/yr;  $29MM/yr 

Results

Op/mal flowsheet for the produc/on of biodiesel from cooking oil  

         72Mgal/yr;  $48MM/yr   

Table 1.‐ Summary of results [6‐10] 

A  C  B D  F  E 

Results

[6] Mar=n, M., Grossmann, I.E. (2011) AIChE J. DOI: 10.1002/aic.12544 [7] Mar=n, M., Grossmann, I.E. Energy op>miza>on of Hydrogen produc>on from biomass. Rev. Submited to Comp. Chem. Eng. [8] Mar=n, M., Grossmann, I.E. Energy op>miza>on of lignocellulosic bioethanol produc>on via Hydrolysis to be submieed AIChE J. [9] Mar=n, M., Grossmann, I.E. Process op>miza>on of FT‐ Diesel produc>on from biomass. To be submieed [10] Mar=n, M., Grossmann, I.E. Process op>miza>on bioDiesel produc>on from cooking oil and Algae. To be submieed 

(*) kg instead of gal

Conclusions

‐‐Biomass and waste are promising raw material for biofuels.   ‐‐The number of biofuels is large: hydrogen, bioethanol, biodiesel, green gasoline and diesel, biomethanol….  ‐‐Mathema/cal programming techniques offer a powerful tool to synthesize bioprocesses to make them economically afrac/ve and environmentally friendly.  ‐‐It is feasible to produce second genera/on of biofuels economically, but further development is required in purifica/on and reac/on technologies to increase water recycle and reuse and increase the yield of the processes.