Sustainable production of ethyl levulinate by levulinic acid esterification obtained from Colombian rice straw

Abstract

E-fuels are synthetic fuels produced from renewable sources that have garnered attention because of their potential to reduce environmental impacts in the transport sector. Ethyl levulinate is a fuel additive that can address issues associated with traditional fuels. This product can be obtained from agro-industrial wastes such as rice straw. Therefore, the aim of this study was to assess the technical, economic, and environmental feasibility of producing ethyl levulinate from Colombian rice straw. Aspen Plus v12 and life cycle assessment methodology were used for evaluating the process through the cultivation to the biorefinery stage. A base scenario was analyzed, with an overall yield of 0.115 kg ethyl levulinate/kg rice straw and a total energy consumption of 133.2 kWh/kg of ethyl levulinate produced. A carbon footprint of 2.71 kg CO2-eq/kg Ethyl levulinate was observed, which primarily ascribed to the use of steam derived from fossil fuels. An alternative scenario was proposed by implementing two changes to reduce the environmental impacts. First, steam was generated by the solid hydrolyzed residue combustion, and second, the paddy rice yield was increased to 5.7 t/ha. Reductions of 58.5% and 25.4% in the carbon footprint and ozone depletion were respectively obtained from these improvements. A class V economic assessment is performed for the alternative scenario, yielding a net present value of 18.7 MUSD, payback period of 5 years, and return on investment of 19.6%. Hence, the production of Ethyl levulinate from rice straw is a feasible alternative to boost the e-fuel market while upgrading agro-industrial waste into valuable products.

Los combustibles electrónicos son combustibles sintéticos producidos a partir de fuentes renovables que han llamado la atención debido a su potencial para reducir el impacto ambiental en el sector del transporte. El levulinato de etilo es un aditivo para combustible que puede abordar los problemas asociados con los combustibles tradicionales. Este producto se puede obtener a partir de residuos agroindustriales como la paja de arroz. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar la factibilidad técnica, económica y ambiental de producir levulinato de etilo a partir de paja de arroz colombiano. Se utilizó Aspen Plus v12 y la metodología de evaluación del ciclo de vida para evaluar el proceso desde el cultivo hasta la etapa de biorefinería. Se analizó un escenario base, con un rendimiento global de 0,115 kg de levulinato de etilo/kg de paja de arroz y un consumo energético total de 133,2 kWh/kg de levulinato de etilo producido. Se observó una huella de carbono de 2,71 kg CO2-eq/kg de levulinato de etilo, que se atribuye principalmente al uso de vapor derivado de combustibles fósiles. Se propuso un escenario alternativo mediante la implementación de dos cambios para reducir los impactos ambientales. En primer lugar, se generó vapor mediante la combustión de residuos sólidos hidrolizados y, en segundo lugar, el rendimiento del arroz con cáscara se incrementó a 5,7 t/ha. Con estas mejoras se obtuvieron reducciones del 58,5% y del 25,4% respectivamente en la huella de carbono y el agotamiento del ozono. Se realiza una evaluación económica clase V para el escenario alternativo, arrojando un valor presente neto de 18,7 MUSD, un período de recuperación de 5 años y un retorno de la inversión del 19,6%. Por lo tanto, la producción de levulinato de etilo a partir de paja de arroz es una alternativa viable para impulsar el mercado de combustibles electrónicos y al mismo tiempo convertir los residuos agroindustriales en productos valiosos.