利用SuperPro设计器对发酵生产1,3丙二醇(PDO)的工艺建模与技术经济评价(TEA)
1,3-丙二醇，通常缩写为PDO，是一种无色的粘性有机化合物。PDO可用于粘合剂、涂料、化妆品和药品的配方;作为溶剂;作为防冻液或传热液。此外，由于PDO有两个羟基，在其3碳主链的两端各有一个，它可以作为单体合成各种聚合物，特别是聚酯、聚氨酯和聚醚[1]。特别吸引人的是与对苯二甲酸(或对苯二甲酸二甲酯)共聚物的生产，称为聚对苯二甲酸三甲基酯(PTT)。PDO的奇数碳原子使PTT具有锯齿状结构，这赋予了该聚合物独特的物理和化学性能，如良好的拉伸和拉伸恢复特性。此外，ptt面料柔软，易染色，耐污性高，吸水率低，耐洗性好。它们还具有相当的抗紫外线和低静电电荷[2]。然而，由于PDO[3]的高成本，PTT的广泛应用受到了阻碍。
所有的商业PDO都是由石油衍生物进行化学合成，遵循以下两种方法之一:基于丙烯醛水合作用的Degussa法(已售给杜邦公司)，或基于环氧乙烷氢甲酰化的Shell法。这些路线的缺点是产率低、温度和压力条件危险、能源消耗大、不可再生和有毒原料的消耗、昂贵的催化剂以及有毒中间体的产生。然而，在2000年，杜邦公司和Genencor公司开发了一种从葡萄糖发酵生产PDO的微生物工艺。为了实现这一目标，他们设计了一种大肠杆菌菌株，通过引入从酿酒酵母中提取的酶，将葡萄糖转化为甘油，以及从肺炎克雷伯菌中提取的酶，将甘油转化为PDO。
在学术文献中，有关于可持续生产PDO的各种途径的研究，包括发酵或催化(化学)途径。特别是，许多研究集中在微生物从甘油中生产PDO。当以甘油作为唯一的碳源厌氧生长时，大多数细菌通过两种途径代谢:一种是氧化的，另一种是还原的。在氧化分支中，甘油首先转化为二羟基丙酮(DHA)，然后转化为丙酮酸，最后转化为醋酸盐、乙醇或其他发酵产物;在这个过程中，会产生还原性当量(NADH)。另一方面，在还原分支中，甘油首先转化为3-羟丙醛(HPA)，然后转化为1,3-丙二醇。最后一步是还原性反应，需要NADH;因此，氧化分支产生的还原当量为还原途径提供营养。
本例的模型大致基于杜邦Tate & Lyle生物产品的工艺，在这个模型中，PDO的生物合成依赖于重组大肠杆菌菌株的发酵，该菌株可以将葡萄糖转化为PDO，这种细菌发酵是在补料分批模式下进行的，该模型的生产目标是23000吨PDO/年。
生产过程分为四个部分:培养基制备、发酵、分离、纯化。
整个过程的批处理时间大约是190.3小时(大约8天)，这是指从某批的开始(即发酵培养基的准备)到某批的结束(纯产品的产生)所经过的时间。然而，批处理周期时间只有24小时，因为这个过程中的单个工序要比整个批处理时间短得多，而且在这个过程的某些部分使用了多个(交错)设备项目。通过SuperPro软件的设备占用图表（EOC）识别调度瓶颈(占用时间最长的设备项目)，并进行适当的调整，以减少流程批处理部分的周期时间，从而提高其吞吐量。例如，从下图可以看出，在该工艺的发酵环节中，生产发酵罐(FR-201和FR-201b)的发酵过程最长，持续时间约为2天，连续批次之间的间隙最小。因此，它们是目前发酵环节的瓶颈。
SuperPro Designer进行全面的成本分析，估算资本(CAPEX)和运营(OPEX)成本，并生成以下三种相关报告(通过报告菜单):经济评估报告(EER)、现金流量分析报告(CFR)和分项成本报告(ICR)。表4显示了经济评价报告的摘要。通过ReportsOptions，可以生成各种格式的报告(例如，PDF、RTF、XLS等)。在当前的例子中，模拟了一个每年生产约23000吨PDO的工厂，总资本投资估计约为5460万美元，而年运营成本估计为4340万美元。由此产生的单位生产成本是每公斤产品1.86美元。
假设PDO的售价为2美元/公斤，毛利率为6.9%;投资回报率13.3%;回收期是7。5年。这些指标表明，考虑到PDO是一种商品化学品，因此预计利润率相对较低，这种PDO生产工艺在经济上是可行的。
