Issue
Korean Chemical Engineering Research,
Vol.61, No.2, 217-225, 2023
바이오 기반 2,3-butanediol 증류 공정의 제어 및 동적 최적화
Process Control and Dynamic Optimization of Bio-based 2,3-butanediol Distillation Column
화장품, 비료 등 다양한 분야에서 사용되는 2,3-butanediol (2,3-BDO) 는 고부가가치 물질로 그 수요가 점차 증가하고 있다. 미생물의 발효로부터 생산된 2,3-BDO는 발효의 부산물을 포함하고 있을 뿐만 아니라 발효 조건에 따라 피드 조성의 변동이 심하여 생산물의 목표 순도에 도달하기 위한 분리 공정의 효율적인 운전이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 바이오 기반 2,3-BDO 증류 공정의 동적 최적화를 통해 피드의 농도가 변화할 때 하단 생산물의 2,3-BDO 농도를 99 wt% 이상으로 제어할 수 있는 최적의 제어 경로를 탐색하였다. 정상 및 동적 상태 공정 모사와 Proportional integral (PI) 제어기 설계 후 동적 최적화를 차례로 수행하였다. 그 결과 하단 생산물의 2,3-BDO 농도와 설정점 사이의 오차가 75.2% 감소하였다.
2,3-Butanediol (2,3-BDO), which is used in various fields such as cosmetics and fertilizers, is a high valueadded substance and the demand for it is gradually increasing. 2,3-BDO produced from the fermentation of microorganisms not only contains by-products of fermentation, but also varies greatly in feed composition depending on fermentation conditions, so it is difficult to efficiently operate the separation process to reach the target purity of the product. Therefore, in this study, through dynamic optimization of the bio-based 2,3-BDO distillation process, the optimal control route was explored to control the 2,3-BDO concentration of the bottom product to 99 wt% or more, when feed concentration changes. Steady and dynamic state process simulation, proportional integral (PI) controller design, and dynamic optimization were sequentially performed. As a result, the error between the 2,3-BDO concentration and the set point of the bottom product was reduced by 75.2%.