Technoeconomic evaluation and life cycle assessment of bioprocesses to produce platform chemicals, polymers and fuels
Authors: Μουτουσίδη Ελένη 
Published: December 2021

Η εξάρτηση των σύγχρονων κοινωνιών από τους περιορισμένους και συνεχώς εξαντλούμενους ορυκτούς πόρους έχει οδηγήσει σε μια πρωτοφανή παγκόσμια κρίση με σοβαρές επιπτώσεις όπως η κλιματική αλλαγή. Οι επιδράσεις αυτών των καταστροφικών αλλαγών είναι παρούσες στην καθημερινή μας ζωή και ενισχύονται με το πέρασμα του χρόνου όσο δεν λαμβάνονται σοβαρές ενέργειες και αλλαγές στον τρόπο ζωής μας. Η επιστημονική κοινότητα και η βιομηχανία βρίσκουν συνεχώς καινοτόμες και βιώσιμες λύσεις σχετικές με τον τρόπο με τον οποίο προϊόντα και υπηρεσίες παρέχονται στην κοινωνία. Μια από αυτές τις λύσεις είναι η μετάβαση προς μια βιώσιμη ‘οικονομία’ που θα βασίζεται στην αξιοποίηση της βιομάζας. Σε μια τέτοια οικονομία, οργανική ύλη, όπως βιομάζα, μετατρέπεται σε υλικά (όπως βιοπλαστικά, διάφορα χημικά, υψηλής αξίας συστατικά που χρησιμοποιούνται στη φαρμακοβιομηχανία και στη βιομηχανία των καλλυντικών καθώς και προηγμένα βιοκαύσιμα) και ενέργεια μέσω φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών, περιορίζοντας έτσι την εξάρτηση από τους μη ανανεώσιμους πόρους. Η παραγωγή χημικών μέσω μικροβιακής ζύμωσης, με τη χρήση ανανεώσιμων πόρων, έχει συγκεντρώσει την προσοχή και η ανάπτυξη της στην αγορά είναι ραγδαία. Η ανάγκη για βιώσιμα προϊόντα έχει οδηγήσει σε πολλές πειραματικές διερευνήσεις για τη δυνατότητα παραγωγής διαφορετικών προϊόντων που μπορούν να συγκριθούν ή ακόμη και να αντικαταστήσουν τα ισοδύναμα προϊόντα τους που προέρχονται από την αξιοποίηση ορυκτών πόρων. Ωστόσο, παρά την γενική πεποίθηση, τα βιοχημικά δεν είναι από τη φύση τους βιώσιμα με βάση αποκλειστικά και μόνο το γεγονός ότι παράγονται από ανανεώσιμες πηγές. Για πραγματικά βιώσιμες διεργασίες, πρέπει να διεξάγονται πλήρεις περιβαλλοντικές αξιολογήσεις σε αρχικά στάδια της ανάπτυξης και του σχεδιασμού συγκεκριμένων διεργασιών οι οποίες θα καλύπτουν όλα τα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας. Η ενσωμάτωση της περιβαλλοντικής απόδοσης των προϊόντων είναι απαραίτητη στα εργαλεία λήψης αποφάσεων τα οποία στις περισσότερες περιπτώσεις λαμβάνουν υπόψιν τους μόνο οικονομικά κριτήρια για την επίτευξη της βιωσιμότητας. Αυτή η ενσωμάτωση στοχεύει επίσης στην υιοθέτηση εφικτών τεχνολογιών βιομετατροπής στη βιομηχανία. Η διατριβή αυτή στοχεύει στην παρουσίαση εμπεριστατωμένων τεχνοοικονομικών αξιολογήσεων και αποτιμήσεων κύκλου ζωής βιοδιεργασιών για την παραγωγή επιλεγμένων χημικών, πολυμερών και καυσίμων αξιοποιώντας προϊόντα αγροτικών καλλιεργειών ως πρώτη ύλη. Οι δύο αυτές αξιολογήσεις θα είναι δείκτες της οικονομικής και περιβαλλοντικής βιωσιμότητας και θα βοηθήσουν στην ταυτοποίηση περιοχών που χρειάζονται αναθεώρηση ή βελτιστοποίηση. Ο συνολικός στόχος είναι η ανάπτυξη ενός πλαισίου που ενσωματώνει τεχνοοικονομικές και περιβαλλοντικές αποτιμήσεις στην ανάπτυξη βιοδιεργασιών.Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο εισάγει τις προκλήσεις των σημερινών κοινωνιών και παρουσιάζει τις τρέχουσες εξελίξεις των βιοπροϊόντων. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι στόχοι της διατριβής.Στο κεφάλαιο 2 γίνεται η επισκόπηση των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη διατριβή. Αρχικά, παρουσιάζονται οι θεμελιώδεις αρχές του προκαταρκτικού βιομηχανικού σχεδιασμού με βάση τις οποίες αναπτύσσονται τα εργαλεία, ώστε να αξιολογούνται τα τεχνικά και οικονομικά χαρακτηριστικά των χημικών βιολογικής προέλευσης με αποδεκτή ακρίβεια. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα σημαντικότερα βήματα της αποτίμησης κύκλου ζωής καθώς και μια ανάλυση των βασικών κατηγοριών επιπτώσεων. Τέλος, παρουσιάζεται μια σύνοψη των μεθόδων που συνδυάζουν τεχνοοικονομικές και περιβαλλοντικές αποτιμήσεις. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση πιθανών διαγραμμάτων ροής των διεργασιών που περιγράφουν την παραγωγή ορισμένων επιλεγμένων χημικών ουσιών σε ευρεία κλίμακα από ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Αναλυτικότερα, γίνεται ο σχεδιασμός των διεργασιών του τμήματος της παραγωγής και ανάκτησης, για την παραγωγή 1,4-βουτανεδιόλης, αιθανόλης, ισοβουτανόλης, γαλακτικού οξέος, μεθυλο-αιθυλο-κετόνης, των πολυμερών PHB και PLA, μικροβιακού ελαίου και ηλεκτρικού οξέος. Πραγματοποιείται εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση για τη λήψη των απαραίτητων δεδομένων σχεδιασμού και των συγκεκριμένων συνθηκών λειτουργίας κάθε χημικής ουσίας που μελετήθηκε. Η καινοτομία έγκειται στο γεγονός ότι λαμβάνονται υπόψη σημαντικές λεπτομέρειες του σχεδιασμού και των πιο σημαντικών λειτουργικών παραμέτρων των βιο-διεργασιών.Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η εκτεταμένη περιβαλλοντική εκτίμηση για τα επιλεγμένα χημικά, για τρεις διαφορετικές πρώτες ύλες με τη χρήση της μεθόδου αποτίμησης κύκλου ζωής (LCA). Οι κατηγορίες επιπτώσεων που εξετάζονται λεπτομερώς είναι η υπερθέρμανση του πλανήτη, η οξίνιση και ο ευτροφισμός με σκοπό την αναγνώριση των διεργασιών που συνεισφέρουν περισσότερο στις συνολικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η αναγνώριση των συγκεκριμένων διεργασιών και ροών που έχουν το σημαντικότερο ποσοστό των επιπτώσεων είναι κρίσιμη όταν μέσω αυτών γίνονται βελτιστοποιήσεις με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης των βιοδιεργασιών. Κάποιες άλλες σημαντικές κατηγορίες που εξετάστηκαν είναι η εξάντληση των φυσικών πόρων και τρείς κατηγορίες οικοτοξικότητας. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αρχικά η μετατροπή δώδεκα εκτιμώμενων περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε χρηματικές μονάδες. Οι εκχρηματισμένες επιπτώσεις συγκρίνονται με την ελάχιστη τιμή πώλησης των επιλεγμένων χημικών καθώς και τιμή πώλησης στην αγορά αποκαλύπτοντας ότι μόνο μια τεχνοοικονομική ή περιβαλλοντική αποτίμηση δεν είναι αρκετή για την εκτίμηση της συνολικής βιωσιμότητας ενός προϊόντος. Τέλος, γίνεται η ενσωμάτωση του υπολογισμένου περιβαλλοντικού κόστους στην ελάχιστη τιμή πώλησης, για κάθε επιλεγμένο χημικό με σκοπό την εξέταση της κατάταξής τους.Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα κύρια συμπεράσματα καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα που έχουν στόχο την επιπλέον βελτίωση της βιωσιμότητας των προϊόντων που βασίζονται στη βιοτεχνολογία.