Valorization of Sugarcane Bagasse in Thailand: An Economic Analysis of Bio-ethanol Recovery via the Organosolv Method

Abstract

A comprehensive techno-economic assessment was undertaken to determine the viability of bioethanol production from sugarcane bagasse in Thailand through organosolv fractionation, incorporating three distinct catalytic systems: sulfuric acid, formic acid, and sodium methoxide. Rigorous process simulations were executed using Aspen Plus, facilitating the derivation of detailed mass and energy balances, which served as the foundational input for downstream cost modeling. Economic performance metrics, including the total annualized cost and minimum ethanol selling price, were systematically quantified for each scenario. Among the evaluated configurations, the formic acid-catalyzed organosolv system exhibited superior techno-economic attributes, achieving the lowest unit production costs of 1.14 USD/L for ethanol and 1.84 USD/kg for lignin, corresponding to an estimated ethanol selling price of approximately 1.14 USD/L. This favorable outcome was attained with only moderate capital intensity, indicating a well-balanced trade-off between operational efficiency and investment burden. Conversely, the sodium methoxide-based process configuration imposed the highest economic burden, with a TAC of 15.27 million USD/year, culminating in a markedly elevated MESP of 5.49 USD/kg (approximately 4.33 USD/L). The sulfuric acid-driven system demonstrated effective delignification performance. Sensitivity analysis revealed that reagent procurement costs exert the greatest impact on TAC variation, highlighting chemical expenditure as the key economic driver. These findings emphasize the critical role of solvent choice, catalytic performance, and process integration in improving the cost-efficiency of lignocellulosic ethanol production. Among the examined options, the formic acid-based organosolv process stands out as the most economically viable for large-scale implementation within Thailand’s bioeconomy.

มีการประเมินด้านเทคโนโลยีและเศรษฐศาสตร์อย่างครอบคลุมเพื่อพิจารณาความเป็นไปได้ของการผลิตเอทานอลชีวภาพจากชานอ้อยในประเทศไทย ผ่านกระบวนการแยกส่วนด้วยตัวทำละลายออร์กาโนซอล์ฟ (organosolv fractionation) โดยใช้ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน 3 แบบ ได้แก่ กรดซัลฟิวริก กรดฟอร์มิก และโซเดียมเมทอกไซด์ การจำลองกระบวนการอย่างละเอียดดำเนินการด้วยโปรแกรม Aspen Plus เพื่อให้ได้ดุลสมดุลมวลและพลังงาน ซึ่งถูกนำมาใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองต้นทุนในขั้นต่อไป ตัวชี้วัดด้านเศรษฐศาสตร์ เช่น ต้นทุนรวมรายปี (Total Annualized Cost: TAC) และราคาขายขั้นต่ำของเอทานอล (Minimum Ethanol Selling Price: MESP) ถูกคำนวณอย่างเป็นระบบสำหรับแต่ละสถานการณ์ จากการประเมิน พบว่าระบบออร์กาโนซอล์ฟที่ใช้กรดฟอร์มิกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยามีคุณลักษณะด้านเทคโน-เศรษฐศาสตร์ที่เหนือกว่า โดยสามารถบรรลุต้นทุนการผลิตเอทานอลต่ำสุดที่ 1.14 ดอลลาร์สหรัฐต่อลิตร และลิกนิน 1.84 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม คิดเป็นราคาขายเอทานอลประมาณ 1.14 ดอลลาร์สหรัฐต่อลิตร ผลลัพธ์นี้เกิดขึ้นโดยมีความเข้มข้นของการลงทุนในระดับปานกลาง แสดงถึงการประนีประนอมที่สมดุลระหว่างประสิทธิภาพการดำเนินงานและภาระการลงทุน

ในทางตรงกันข้าม กระบวนการที่ใช้โซเดียมเมทอกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยามีภาระทางเศรษฐกิจสูงที่สุด โดยมี TAC เท่ากับ 15.27 ล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี ส่งผลให้ MESP สูงถึง 5.49 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม (ประมาณ 4.33 ดอลลาร์สหรัฐต่อลิตร) ส่วนระบบที่ใช้กรดซัลฟิวริกแสดงประสิทธิภาพการกำจัดลิกนินได้อย่างมีประสิทธิผลการวิเคราะห์ความไว (Sensitivity analysis) พบว่าต้นทุนการจัดซื้อสารเคมีมีผลกระทบมากที่สุดต่อการเปลี่ยนแปลงค่า TAC ทำให้ค่าใช้จ่ายด้านสารเคมีเป็นตัวขับเคลื่อนต้นทุนหลัก ผลการศึกษานี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการเลือกตัวทำละลาย ประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยา และการบูรณาการกระบวนการ เพื่อปรับปรุงความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของการผลิตเอทานอลจากชีวมวลลิกโนเซลลูโลส โดยในบรรดาตัวเลือกที่ศึกษา ระบบออร์กาโนซอล์ฟที่ใช้กรดฟอร์มิกถือเป็นทางเลือกที่มีความเป็นไปได้สูงที่สุดในเชิงเศรษฐกิจสำหรับการนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมภายใต้บริบทเศรษฐกิจชีวภาพของประเทศไทย