Process design, techno-economic and environmental impact assessment of novel biorefineries for the sustainable production of bio-based and biodegradable products
Authors: Ιωαννίδου Σοφία-Μαρία 
Published: October 2023

Η αναδιάρθρωση των συμβατικών βιομηχανικών διεργασιών σε καινοτόμες και βιώσιμες βιοδιεργασίες είναι ιδιαίτερα επιτακτική, δεδομένης της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης που προκαλεί η χρήση ορυκτών πόρων. Η ανάγκη μετάβασης στην εποχή της κυκλικής βιο-οικονομίας όπως και της αντικατάστασης των ορυκτών πόρων από ανανεώσιμες πρώτες ύλες έχει οδηγήσει, τόσο την επιστημονική κοινότητα όσο και τη βιομηχανία, σε πολυάριθμες μελέτες αξιολόγησης των διεργασιών παραγωγής βιογενών προϊόντων. Η βιώσιμη παραγωγή χημικών ουσιών και βιοπολυμερών θα πρέπει να στηρίζεται στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πρώτων υλών, στο πλαίσιο ανάπτυξης καινοτόμων βιοδιυλιστηρίων.Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει καινοτόμα αποτελέσματα όσον αφορά στην αξιολόγηση ανάπτυξης βιώσιμων βιοδιυλιστηρίων αξιοποιώντας διαφορετικά απόβλητα και παράπλευρα ρεύματα για την παραγωγή βιογενών προϊόντων και πολυμερών. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της αειφορίας διαφορετικών βιοδιεργασιών και βιοδιυλιστηρίων παραγωγής ηλεκτρικού οξέος και πολυ(ηλεκτρικού βουτυλεστέρα) (PBS) από ανανεώσιμες πρώτες ύλες μέσω σχεδιασμού διεργασιών, τεχνο-οικονομικής μελέτης, περιβαλλοντικής αποτίμησης κύκλου ζωής, εκτίμησης και ποσοτικοποίησης κινδύνου επενδύσεων, κοινωνικής αξιολόγησης και οικονομικής αποτίμησης κύκλου ζωής.Αρχικά, αξιολογήθηκε η βιώσιμη παραγωγή του PBS από σιρόπι γλυκόζης από καλαμπόκι, σπάδικες καλαμποκιού και πούλπα ζαχαρότευτλου (SBP) μέσω σχεδιασμού της διεργασίας, τεχνο-οικονομικής αξιολόγησης, περιβαλλοντικής και οικονομικής αποτίμησης κύκλου ζωής. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης παραγωγής του PBS συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα του πολυστυρενίου (GPPS), δηλαδή του συμβατικού πλαστικού που δύναται να αντικαταστήσει. Η παραγωγή PBS στο πλαίσιο ανάπτυξης βιοδιυλιστηρίου, χρησιμοποιώντας το SBP ως πρώτη ύλη και λαμβάνοντας υπόψη την ταυτόχρονη ανάκτηση των πηκτινών, μπορεί να οδηγήσει σε ένα ιδιαίτερα ανταγωνιστικό κόστος παραγωγής, επιτυγχάνοντας ελάχιστη τιμή πώλησης $1.37/kgPBS για ετήσια παραγωγή 50,000 t βιοπολυμερούς. Αναφορικά με την περιβαλλοντική αξιολόγηση, οι δείκτες “Δυναμικό Οξίνισης”, “Δυναμικό Ευτροφισμού” και “Δυναμικό Τοξικότητας στον Άνθρωπο” είναι χαμηλότεροι όταν χρησιμοποιείται το SBP ως πρώτη ύλη. Το συνολικό κόστος που προέκυψε για την παραγωγή PBS από την οικονομική αποτίμηση κύκλου ζωής ($1.72/kgPBS) είναι μικρότερο από το αντίστοιχο του GPPS ($2.04/kg), θεωρώντας τιμή πώλησης της πηκτίνης $4/kg. Η εκτίμηση κινδύνου επενδύσεων μέσω της μεθοδολογίας Monte-Carlo έδειξε ότι το PBS μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας το SBP ως πρώτη ύλη και να επιτευχθεί τιμή πώλησης ίση με αυτή του GPPS ($1.72/kg) με πιθανότητα κερδοφορίας 100%, θεωρώντας τιμή πώλησης της πηκτίνης $4/kg.Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε τεχνο-οικονομική και περιβαλλοντική αξιολόγηση της διεργασίας παραγωγής ηλεκτρικού οξέος (SA), χρησιμοποιώντας ένα γενετικά τροποποιημένο στέλεχος της ζύμης Yarrowia lipolytica και την καινοτόμο τεχνολογία που βασίζεται στη χρήση ενός ηλεκτροχημικού βιοαντιδραστήρα για ταυτόχρονη παραγωγή και διαχωρισμό του SA. Ως πρώτη ύλη για την παραγωγή SA χρησιμοποιήθηκε το οργανικό κλάσμα των αστικών στερεών αποβλήτων (OFMSW) ως ανανεώσιμη πρώτη ύλη. Η ελάχιστη τιμή πώλησης του SA (MSP SA, $2.70-3.71/kg) για ετήσια παραγωγή 50,000 t χρησιμοποιώντας τον ηλεκτροχημικό βιοαντιδραστήρα ήταν λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη MSP SA που μπορεί να επιτευχθεί με την συμβατική βιοδιεργασία, ανάλογα με το ύψος του τέλους διαχείρισης του OFMSW ($0-35/tOFMSW). Η εκτίμηση κινδύνου επενδύσεων έδειξε ότι η πιθανότητα κερδοφορίας είναι πάνω από 90% όταν θεωρηθεί τιμή πώλησης SA ίση με την αντίστοιχη σημερινή τιμή ($2.94/kg) και αντίστοιχα τέλος διαχείρισης του OFMSW $70/tOFMSW. Η περιβαλλοντική αποτίμηση κύκλου ζωής πραγματοποιήθηκε για την διεργασία παραγωγής SA με τη χρήση ηλεκτροχημικού βιοαντιδραστήρα, θεωρώντας τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται είτε από το δίκτυο είτε από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά), και συγκρίθηκε με τη συμβατική βιοδιεργασία. Η χρήση ανανεώσιμης πηγής ενέργειας όταν εφαρμόζεται η τεχνολογία του ηλεκτροχημικού βιοαντιδραστήρα οδήγησε σε χαμηλότερες τιμές των δεικτών “Δυναμικό θέρμανσης του πλανήτη” (0.81 CO2-eq/kgSA), “Δυναμικό εξάντλησης των αβιοτικών πόρων” (15.73 CO2-eq/kgSA), “Δυναμικό Οξίνισης” (0.25 g PO4-eq/kgSA) και “Δυναμικό Ευτροφισμού” (1.87 g SO2-eq/kgSA) συγκριτικά με τη συμβατική βιοδιεργασία. Ωστόσο, ο δείκτης “Δυναμικό Τοξικότητας στον Άνθρωπο” (0.29 kg DCB-eq/kgSA) ήταν υψηλότερος λόγω των πρώτων υλών (π.χ. βαρέα μέταλλα) και των βοηθητικών παροχών (π.χ. ηλεκτρική ενέργεια) που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των φωτοβολταϊκών.Ακολούθως αξιολογήθηκε η βιωσιμότητα ενός βιοδιυλιστηρίου με βάση το OFMSW με σκοπό την ανάκτηση λιπιδίων και πρωτεϊνών και στη συνέχεια τη βιοτεχνολογική παραγωγή SA μέσω ζύμωσης με τη χρήση του βακτηρίου Actinobacillus succinogenes. Οι τιμές πώλησης των προϊόντων προστιθέμενης αξίας που παράγονται από το βιοδιυλιστήριο καθώς και το ύψος του τέλους διαχείρισης του OFMSW επηρέασαν ιδιαίτερα το εύρος του MSP SA ($1.13-2.39/kg) για ετήσια παραγωγή 60,000 tSA. Στην περίπτωση του βιοδιυλιστηρίου, όταν χρησιμοποιούνται 1000 kg OFMSW επιτυγχάνεται 35% μείωση των εκμπομπών διοξειδίου του άνθρακα αν συγκριθεί με συμβατικές διεργασίες για την παραγωγή 105 kg φυτικού ελαίου, 87 kg φυτικής πρωτεΐνης και 206.4 kg πετροχημικού ηλεκτρικού οξέος, λαμβάνοντας ταύτοχρονα υπόψη και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα που προκύπτουν από χώρους υγειονομικής ταφής του OFMSW.Αξιολογήθηκαν επίσης τέσσερα βιοδιυλιστήρια τα οποία αξιοποιούν το OFMSW για την ταυτόχρονη παραγωγή βιογενών επιφανειοδραστικών ουσιών και ενός από τα παρακάτω βιογενή προϊόντα, ήτοι γαλακτικό οξύ (LA), ηλεκτρικό οξύ (SA), συγκολλητικές ουσίες (HMAs) ή πολυουρεθάνες (PUDs). Τα LA και SA παρήχθησαν μέσω μικροβιακών ζυμώσεων χρησιμοποίωντας υδρόλυματα πλούσια σε σάκχαρα και θρεπτικά συστατικά μετά την ενζυμική υδρόλυση του OFMSW, ενώ οι βιογενείς επιφανειοδραστικές ουσίες παρήχθησαν από τα λιπίδια και τις πρωτεΐνες που περιέχονται στο υπολείπομενο στερεό του OFMSW μετά την ενζυμική υδρόλυση. Το βιογενές SA αντικατέστησε το πετροχημικό SA και το αδιπικό οξύ στην παραγωγή των PUDs. Η παραγωγή των HMAs και PUDs μπορεί να είναι κερδοφόρα όταν οι βιογενείς επιφανειοδραστικές ουσίες πωλούνται ως προϊον συμπαραγωγής στο προτεινόμενο βιοδιυλιστήριο με τιμή πώλησης $4.1/kg, οδηγώντας σε MSP ίση με $2.92/kgHMAs και $1.95/kgPUDs, θεωρώντας τέλη διαχείρισης OFMSW $35/t και ετήσιες παραγωγές SA και LA στις οποίες έχει επιτευχθεί οικονομία κλίμακος. Θεωρώντας τα LA και SA ως τελικά προϊόντα με ταυτόχρονη παραγωγή βιογενών επιφανειοδραστικών ουσίών με τιμή πώλησης $4.1/kg, τα MSP είναι $1.58/kgLA και $2.14/kgSA. Κατά την περιβαλλοντική αξιολόγηση εκτιμήθηκαν πέντε διαφορετικοί δείκτες θεωρώντας τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται είτε από το δίκτυο είτε από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά). Τα προτεινόμενα βιοδιυλιστήρια οδήγησαν σε 25-35% εξοικονόμηση των εκμπομπών διοξειδίου του άνθρακα ανά κιλό βασικού προϊόντος (ή 0.95-2.06 kg CO2-eq/kg dry OFMSW) κατά τη σύγκριση τους με συμβατικές διεργασίες παραγωγής των τελικών προϊόντων και τους διαφορετικούς τρόπους διαχείρησης του OFMSW (υγειονομική ταφή και κομποστοποίηση).Τέλος, πραγματοποιήθηκε τεχνο-οικονομική και περιβαλλοντική αξιολόγηση ενός καινοτόμου βιοδιυλιστηρίου, που αξιοποιεί τα τρία παράπλευρα ρεύματα που παράγονται κατά την διεργασία οινοποίησης, για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος με ταυτόχρονη παραγωγή γιγαρτέλαιου, φαινολικού εκχυλίσματος, άλατος τρυγικού οξέος και εκχυλίσματος πηκτινών. Οι τιμές πώλησης των προϊόντων προστιθέμενης αξίας που παράγονταν από το βιοδιυλιστήριο, ανάλογα με τις τελικές εφαρμογές τους, επηρέασαν σημαντικά το εύρος του MSPSA ($1.23-2.76/kgSA) για ετήσια παραγωγή 60,000 tSA. Οι τιμές των δεικτών “Δυναμικό θέρμανσης του πλανήτη” και “Δυναμικό εξάντλησης των αβιοτικών πόρων” κατά την αξιολόγηση της ανάπτυξης του βιοδιυλιστηρίου ήταν 1.47 kg CO2-eq και 25.2 MJ ανά κιλό ξηρής πρώτης ύλης (OFMSW), αντίστοιχα. Η εκτίμηση κινδύνου επενδύσεων έδειξε ότι το προτεινόμενο βιοδιυλιστήριο μπορεί να είναι κερδοφόρο σε όλα τα διαφορετικά σενάρια που μελετήθηκαν.