Optimal design of a simulated-moving-bed separation process for clean production of xylitol from bamboo-hydrolysis byproducts

Abstract

Xylitol, which is one of industrially useful sugar alcohols, has received constant attention from various industries. For the clean production of xylitol, the byproducts from bamboo hydrolysis treatments for bioethanol-production purposes can be utilized as the source for xylitol. Since such bamboo-hydrolysis byproducts were reported to consist of several polyols such as xylitol, xylose, and glycerol, one essential requirement for ensuring a large-scale production of xylitol with high economic feasibility will be to secure a highly efficient process for separation of xylitol from the above-mentioned polyol mixture. To address this issue, we aimed to establish an optimal simulated-moving-bed (SMB) process that can accomplish the xylitol-separation task of interest in a continuous mode while maintaining the best performances. It was found first that the use of an ion-exchange resin of styrene-divinylbenzene copolymer in lanthanum form at 60'C was most suitable as the adsorbent conditions of the xylitol- separation SMB. Under such adsorbent conditions, the intrinsic parameters of the polyol mixture components were determined and then applied to the optimization of the xylitol-separation SMB with a standard type of configuration (2–2–2–2), which was carried out based on the standing wave design method. It was confirmed that the optimized process was successful in keeping the front and rear of each solute band within their corresponding zones under the maximized degree of adsorbent utilization, which suggested that the yield of xylitol and the removal rates of non-products could be maintained at sufficiently high levels while maximizing the SMB throughput. Further comprehensive optimizations revealed that compared to the standard configuration-based SMB, the 5–2–7–2 configuration- based SMB can more than double the xylitol product concentration as well as almost halve the desorbent usage, while maintaining the same throughput and separation capability.|산업적으로 활용성이 높은 당 알코올 중 하나인 자일리톨은 다양한 산업계에서 지속적인 관심을 받아왔다. 순도 높은 자일리톨 생산을 위해, 대나무 가수 분해를 통한 바이오 에탄올 생산 과정에서 발생한 부산물(byproducts)을 원천으로 활용하였다. 대나무 가수 분해 부산물은 자일리톨, 자일로오스, 글리세롤 등의 폴리올 혼합물로 구성되어 있다고 보고되었으며, 이로부터 자일리톨의 대량 생산이 가능한 고효율 분리 공정을 구축하고자 했다. 이에 따라, 연속적인 자일리톨 분리에 최적화된 고성능의 simulated moving bed (SMB) 공정을 개발하였다. 60'C의 컬럼 온도에서 styrenedivinylbenzene copolymer로 이루어진 La3+ form의 ion-exchange resin을 사용하는 것이 SMB 분리 공정에 사용될 흡착제로 가장 적합한 것을 발견하였다. 앞선 흡착제 조건 하에서 폴리올 혼합물에 포함된 성분의 intrinsic parameter를 결정하고, 이를 바탕으로 표준 배치 (2-2-2-2) 형식의 자일리톨 분리 SMB 공정을 최적화하였다. 최적화는 standing wave design (SWD) method에 의해 이루어졌으며, 각 solute band의 전후면이 해당 zone 내에서 거동하는 것을 확인함으로써 최적화가 잘 이루어졌음을 검증할 수 있었다. 또한, 이는 처리량 (throughput)을 최대화하면서 자일리톨 수율과 불순물들의 제거 비율을 높은 수준으로 유지할 수 있었다. 더 나아가, 5-2-7-2 배치를 기반으로 추가적인 SMB 공정 최적화 설계를 통해 표준 형태의 SMB 공정과 비교해 자일리톨 생산물의 농도를 2 배 이상 증가시켰을 뿐 아니라, 탈착제(desorbent) 사용량을 거의 절반 가까이 감소시킬 수 있었다.