# Eco-conception de procédés de transformation

Caroline Pénicaud

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Caroline Pénicaud. Eco-conception de procédés de transformation. Séminaire InCoM 2016, INRA-CEPIA, Mar 2016, Paris, France. hal-04644059

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INRA
SCIENCE & IMPACT

# Eco-conception de procédés de transformation

## Séminaire InCoM 2016

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01
-
CONTEXT

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INRA
SCIENCE & IMPACT

CAROLINE PÉNICAUD / ECO-CONCEPTION DE PROCÉDÉS DE TRANSFORMATION

02

08 / 03 / 2016
# Sustainable Development

## From Brundtland report 1987

* Development which

* meets the needs of current generations without compromising the ability of future generations to meet their own needs

* takes equally into account the following dimensions: ecology, economy, and social

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$$I = P \cdot A \cdot T$$

Weiszäcker 1995

**IMPACT**

resource depletion,
waste
accumulation...

**PEOPLE**

size of the human population

**AFFLUENCE**

level of consumption by that population

**TECHNOLOGY**

processes used to obtain resources and
transform them into useful goods and wastes

$$ \begin{array}{l} P_{2030} = 2 \cdot P_{2008} \\ A_{2030} = 2 \cdot A_{2008} \end{array} $$

$$ \text{If } I_{2030} \sim I_{2008} \\ T_{2008} / 4 $$

$$ \Rightarrow \quad T_{2030} = \\ \downarrow \\ \text{Reality} $$

Technology is important!

$$ T_{2030} = T_{2008} / 10 $$
# Life Cycle Thinking

* Considering all the phases of the product/service's life

* « from cradle to grave »

* « from cradle to cradle »

* « from cradle to gate »

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Impact transfer: Shift of impact from one life cycle stage to another(others) one(s).

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Source: Ademe - Illustration O2 France

The impact of transformation stage has been lowered
**BUT** total impact has been increased !!!

**This is not environmental improvement...**

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# From eco-improvement to eco-innovation

From Charter & Chick 1997, Brezet & van Hemel 1997

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02

# PROCESS IMPROVEMENT

## Unit operation level

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INRA
SCIENCE & IMPACT

CAROLINE PÉNICAUD / ECO-CONCEPTION DE PROCÉDÉS DE TRANSFORMATION

08

08 / 03 / 2016
# Optimization

## Freeze-drying of lactic acid bacteria

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<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>LyoBeta special
(Telstar, Terrassa, Spain)</figcaption></figure>

### Product parameters

- Viability

- Acidifying activity

- Structure

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- Freezing (F)
  -50°C

- Primary drying (DI)
  -20°C; 0.2 mbar

- Secondary drying (DII)
  25°C; 0.2 mbar

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### Process operating conditions

- $T_{fluid}$, $T_{product}$ and $T_{cold trap}$
- Pressure

- Time

### Mathematical model

## Linear relationship

### Process apparent energy consumptions

- Main components + Fans dedicated to compressors

- General supply
# Optimization

## Freeze-drying of lactic acid bacteria

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03
PROCESS ECO-DESIGN
System level (plant, production process chain)

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INRA
SCIENCE & IMPACT

CAROLINE PÉNICAUD / ECO-CONCEPTION DE PROCÉDÉS DE TRANSFORMATION
# Life Cycle Assessment

## Freeze-drying of lactic acid bacteria

* UF : Production, protection, stabilisation et stockage de 3 kg de bactéries lactiques

* Échelle d'étude : Pilote

* ILCD 2011 method

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1 year storage -20°C

* Toutes les étapes sont contributrices sur au moins un indicateur

* Principaux contributeurs :

* Fermentation (de 3 à 94%),

* Stockage (18 à 38%),

* Lyophilisation (22 à 57 %)

Monclus et al. 2015

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# Scenarios comparison

## Freeze-drying vs freezing of lactic acid bacteria

* UF : Production, protection, stabilisation et stockage de 3 kg de bactéries lactiques

* Échelle d'étude : Pilote

* ILCD 2011 method

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* < 5 months storage : $I_{freezing} < I_{freeze-drying}$ on all the indicators

* 9 months storage : $I_{freeze-drying} < I_{freezing}$ on half of the indicators

* > 28 months storage : $I_{freeze-drying} < I_{freezing}$ on all the indicators

Monclus et al. 2015
# Scenarios comparison

## Freeze-drying vs freezing of lactic acid bacteria

### Résultats

* Forte contribution du stockage et de la lyophilisation

* Pour un stockage > 9 mois une stabilisation par lyophilisation serait préférable

### Pistes d'améliorations

* Améliorer les performances des appareils / reconcevoir

* Fermenteur

* Lyophilisateur

* Maintien de la qualité des ferments avec des températures de stockage plus élevées

* Prise en compte simultanée des dimensions produit / procédé / environnement

* Intégration des connaissances

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04

# PROCESS ECO-INNOVATION

## System level

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INRA
SCIENCE & IMPACT

CAROLINE PÉNICAUD / ECO-CONCEPTION DE PROCÉDÉS DE TRANSFORMATION
# **Production de ferments lactiques**

## Ecole-chercheur Eco-conception INRA 2014

Comment éco-concevoir
/ re-concevoir
/ réinventer
ce système pour

produire des ferments
de qualité biologique souhaitée,
sûrs d'un point de vue sanitaire,
avec des impacts environnementaux minimums,
sans impact négatif sur la santé humaine,
et à moindre coût ?

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# **Production de ferments lactiques**

Ecole-chercheur Eco-conception INRA 2014

## **RE-QUESTIONNER LE SYSTÈME**

* Reconsidérer choix historiques à la lumière des connaissances et technologies actuelles

* Perte biodiversité et de typicité des produits

* Inclure **tous** les acteurs pour prendre en compte les avis de chacun

* Lobbys : producteurs de ferments et producteurs de lait

## **BESOIN D'UN BILAN**

* Avoir une vision globale des impacts environnementaux (ACV)

* Analyse de pratiques pour adapter modes de production en fonction de l'utilisation

* Enquête syndicats de producteurs de ferments

## **BESOIN DE RECHERCHES**

* Comprendre les **conditions de survie** des ferments autrement que sous forme déshydratée

* Comprendre le **risque sanitaire**

* Interactions pathogènes – ferments

* Développer les **méthodes multicritères** pour comparer les stratégies
# **Production de ferments lactiques**

Ecole-chercheur Eco-conception INRA 2014

## **RE-CONCEVOIR LE SYSTÈME : INNOVATION TECHNOLOGIQUE**

* Nouvelles méthodes de stabilisation / conservation à imaginer

* Atomisation ou autres pour souches thermo-tolérantes (40°C)

* Bactéries immobilisées sur copeaux de bois

* Bio-préservation (ajout d'une ou plusieurs bactéries dans le ferment pour limiter développement d'autres bactéries indésirables)

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# **Production de ferments lactiques**

Ecole-chercheur Eco-conception INRA 2014

## **RE-INVENTER LE SYSTÈME : INNOVATION ORGANISATIONNELLE**

* **Internaliser** la production de ferments chez l'utilisateur

* Repenser la **sécurité sanitaire** des ferments produits en interne

* Détection rapide (en ligne ?) de pathogènes et de la qualité du ferment

* Étudier comment se font les systèmes traditionnels pour comprendre pourquoi ça marche / ça ne marche pas et trouver des solutions pour **maintenir la qualité**

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# 05 WORKSHOP PROCESS ECO-DESIGN

4-5 February 2016, Paris

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INRA
SCIENCE & IMPACT
# Eco-design of Agri-Bio-Industry Processes

## Which outlooks and which research questions?

❖ Organizing committee

* Caroline Pénicaud, PhD, Senior Scientist, INRA, coord.

* Violaine Athès, PhD, Professor, AgroParisTech

* Catherine Bonazzi, PhD, Research Director, INRA

* Fernanda Fonseca, PhD, Research Director, INRA

* Benoît Gabrielle, PhD, Professor, AgroParisTech

* Geneviève Gésan-Guiziou, PhD, Research Director, INRA

* Hedi Romdhana, PhD, Associate Professor, AgroParisTech

* Gwenola Yannou-Le Bris, PhD, Associate Professor, AgroParisTech

❖ Sponsors

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INRA
SCIENCE & IMPACT

AgroParisTech
INSTITUT DES SCIENCES ET INDUSTRIES DU LIVRE ET DE L'ENVIRONNEMENT
PARIS INSTITUTE OF TECHNOLOGY FOR LIVRE, FOOD AND ENVIRONMENTAL SCIENCES

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ASTRÉA
Agricoaches • École des Tèrrains • École d'Agronomie

île de France

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ÉCOTROPÉLIA

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❖ About 60 participants coming from 16 countrys

* Austria

* Belgium

* Canada

* Denmark

* Finland

* France

* Germany

* Greece

* Ireland

* Italy

* Luxembourg

* Netherlands

* Spain

* Sweden

* Switzerland

* Turkey
# Eco-design of Agri-Bio-Industry Processes

## Conference (1 day)

* Session 1 – Environmental assessment for eco-design of agri-bio-industry processes

* 1.1. Life Cycle Assessment, multicriteria assessment method as a reference

* 1.2. Thermodynamic methods (MFA, SEA, Exergy, Eco-exergy)

* 1.3. Round table: Potentials, limits and complementarities of these methods for the eco-assessment of processes

* Session 2 – Eco-design strategies applied to agri-bio-industry processes

* 2.1. Environmental assessment tools coupled to process engineering tools to compare process scenarios

* 2.2. Numerical strategies for process on-line monitoring and process redesign

* 2.3. Decision support tools

* 2.4. Round table: Potentials, limits and complementarities of these approaches for process eco-design and eco-innovation

## Workshop (1/2 day)

* Presentation of the COST FOODMC (Alberto Tonda) + General discussion

* Working groups

* Sustainability assessment of agri-bio-industry processes

* Integration of agri-bio-industry processes into a sustainable value chain

* General discussion

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COST about eco-design of agri-food processes to be submitted in September 2016
# COST – Topics of interest

## Design strategy

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* Different **design strategies** as a function of the objective (optimization, re-think the whole system...)

* **Tools:** (simplified) LCA, simulators that can be adapted to take into account environmental indicators...

* **Innovation** (disruptive innovations or technologies as well as organizational innovation): still a bottleneck because of a lack of data at early stage of project development, a lack of resources and timing issues.

* Formalization and sharing of sustainable design strategies => high levels of eco-efficiency

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# COST – Topics of interest

## Assessment

Sustainability pillars

People

Planet

Profit

Product

Criteria

Indicators

Calculation methods

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From Recchia et al. 2011

* Choice, calculation, harmonization, prioritization and selection procedures for **criteria and indicators**

* Calculation methods

* Allocation rules

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# COST – Topics of interest

## Data

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### Indicators

### Calculation methods

### Data

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### Data collection and gathering strategies

* From lab to industry but also post-retail, including waste quantification

* Ensure the transfer of R&D data to pilot-plant or industrial scales

* Variability / uncertainty

### Stakeholder's interactions

* From all stages of the agri-bio chain (production at farm and field levels; processing; retail; consumption)

* Security of the data and know-how / contractualization

* Development of adequate tools for promoting exchanges and sharing of data (participatory practices)
# COST – link with FoodMC

## Scientific aspects

* Modeling

* Coupling between simulators and assessment tools

* Optimization

* Knowledge integration

* Multicriteria analysis

## In practice

* Case studies

* Workshops, training schools

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Thank you!