title: Integrated techno-economic and life cycle assessment – methodology development and its application to microemulsion systems
Creators: name: Wunderlich, Johannes
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
subject: life cycle assessment
subject: LCA
subject: techno-economic assessment
subject: TEA
subject: microemulsion system
subject: green chemistry
subject: integrated sustainability assessment

description: This dissertation assesses the sustainability performance of microemulsion systems (MES) as reaction media and presents methodological work to advance the assessment of early chemical technologies. MES consist of micelles which are formed by adding surfactants to a mixture of water and oil. Micelles can function as nano-reactors allowing for synthesis with hydrophobic reactants in water. The temperature-dependent multiphase behavior of MES can be exploited to separate the surfactant-rich middle phase. By selecting suitable hydrophilic ligands for the homogeneous catalyst, it can accumulate the middle-phase, thereby leveraging multiple green chemistry principles: Avoidance of hazardous organic substances, water as benign solvent, efficiency and selectivity of homogenous catalysis, waste reduction due to internal recycling of the active catalyst species. In this thesis, two MES case studies are investigated based on primary data from distinct research projects at Technische Universität Berlin. Research data was scaled-up to industrial production scenarios using process simulation. Industrial benchmark processes are modeled for comparison. The first case study describes the application of MES in a small-scale batch-wise production of the bulk fine chemical Boscalid. The three-step synthesis applies the MES in the first Suzuki-Coupling step, thereby enabling catalyst recycling for subsequent batches. The second case study is based on detailed miniplant results and describes the large-scale hydroformylation of dodecene using a highly selective rhodium catalyst at mild conditions in continuous operation. Conventionally, less efficient cobalt catalysts are applied requiring harsh conditions and oxidative catalyst deactivation. While green chemistry principles are highly useful to provide qualitative indications early in the development of chemical technologies, sustainable chemistry implies that the technologies are industrially viable. Viability can be judged by quantitatively assessing economic and environmental indicators. The tools at hand are techno-economic assessment (TEA) and life cycle assessment (LCA). In contrast to the fairly standardized LCA approach, TEA practitioners often lack methodological guidance in terms of assessment approach, indicator selection, interpretation, and reporting of results. Part of this dissertation is a contribution to the “TEA Guidelines for CO2 Utilization” which are based on both extensive literature review and expert workshops. The developed TEA guidelines derive a structured approach to all assessment phases. The approach is generically applicable to other classes of early chemical technologies. The guidelines intentionally align TEA to LCA to foster an integrated assessment considering multiple criteria. Here, a variety of options exist, and practitioners lack guidance on how to select a proper integration type with regard to their individual goals. This dissertation investigates the concepts for integrating TEA and LCA in detail. Prior work in literature and case studies have been analyzed and summarized to describe the characteristic phases of an integrated assessment. Three distinct qualitative and quantitative types of integration are defined. Finally, a guide is presented to help practitioners in selecting a suitable type according to their individual assessment purpose. On the basis of the methodological work, the MES case studies are assessed and compared regarding their economic and environmental performance. In the Boscalid case study, the MES clearly shows lower environmental impacts in comparison to the benchmark. However, its economic competitiveness can only be reached in a scenario considering significantly reduced solvent consumption, meaning that the advantages of recycled catalysts are offset by low reactant concentrations. The opposite trend can be observed for the hydroformylation case study. Here, profitability is slightly higher compared to the benchmark, but only about half of the LCA indicators are equivalent or in favor of MES. A hotspot for both TEA and LCA is the make-up rate of rhodium due to leaching which should be targeted for future optimization. The investigated case studies indicate a strong potential for the industrial viability of MES, especially considering the current mid-level technology maturity and non-optimized process and reaction designs.
description: Diese Dissertation bewertet das Nachhaltigkeitspotential von Mehrphasen-Mikroemulsionssystemen (MES) und stellt einen methodischen Beitrag zur Weiterentwicklung der Bewertung früher chemischer Technologien vor. MES bestehen aus Mizellen, die durch Zugabe von Tensid zu Wasser und Öl entstehen. Mizellen können als Nanoreaktoren fungieren und ermöglichen die Reaktion von hydrophoben Materialien in Wasser. Das temperaturabhängige Phasenverhalten von MES kann genutzt werden, um die tensidreiche Mittelphase eines Dreiphasensystems abzutrennen. Durch Auswahl geeigneter hydrophiler Liganden reichert sich der homogene Katalysator in der Mittelphase an und setzt damit mehrere Prinzipien der grünen Chemie um: Vermeidung von gefährlichen organischen Substanzen, Wasser als unbedenkliches Lösungsmittel, Erhöhung von Effizienz und Selektivität der homogenen Katalyse, Vermeidung von Abfall durch internes Recycling des aktiven Katalysators. Die Arbeit umfasst die Bewertung von zwei MES-Fallstudien mit industriellen Produktionsszenarien. Prozesssimulation und Scale-up basieren auf Primärdaten aus Forschungsprojekten an der Technischen Universität Berlin. Zum Vergleich wurden die industriellen Benchmark-Prozesse modelliert. Die erste Fallstudie beschreibt den Einsatz von MES in einer Batch-Produktion der Feinchemikalie Boscalid. In der dreistufigen Synthese wird das MES für die Suzuki-Kupplung eingesetzt, wodurch das Recycling des Katalysators über mehrere Batches ermöglicht wird. Die zweite Fallstudie basiert auf detaillierten Miniplant-Ergebnissen und beschreibt die großindustrielle Hydroformylierung von Dodecen unter Verwendung von hochselektiven Rhodiumkatalysatoren bei milden Bedingungen im kontinuierlichen Betrieb. Konventionell werden weniger effiziente Kobaltkatalysatoren unter intensiven Bedingungen eingesetzt. Das industrielle Potential früher chemischer Technologien kann durch eine quantitative Bewertung wirtschaftlicher und ökologischer Indikatoren beurteilt werden. Die dafür zur Verfügung stehenden Werkzeuge sind die technisch-ökonomische Bewertung (TEA) und die Ökobilanz (LCA). Im Gegensatz zum weitgehend standardisierten LCA-Ansatz fehlt es bei TEA oft an methodischer Anleitung in Bezug auf Bewertungsansatz, Indikatorauswahl und Interpretationsmöglichkeiten der Ergebnisse. Ein Teil dieser Dissertation ist ein Beitrag zu den „TEA Guidelines for CO2 Utilization“, die auf umfangreicher Literaturrecherche und Expertenworkshops basieren. Die präsentierte Methodik ist allgemein auf andere Klassen früher chemischer Technologien übertragbar. Der methodische Ansatz der TEA-Guidelines ist stark an LCA angelehnt, um eine integrierte Bewertung unter Berücksichtigung mehrerer Kriterien zu ermöglichen. Diese Dissertation untersucht die möglichen Konzepte zur Integration von TEA und LCA im Detail. Basierend auf einer explorativen Literaturanalyse werden charakteristische Phasen einer integrierten Bewertung abgeleitet. Drei unterschiedliche qualitative und quantitative Integrationstypen werden definiert. Schließlich wird ein Leitfaden erarbeitet, um die Auswahl eines geeigneten Integrationstyps entsprechend individueller Bewertungsziele und Ausgangssituationen zu ermöglichen. Auf der Grundlage der methodischen Arbeiten wurden die MES-Fallstudien hinsichtlich potenzieller wirtschaftlicher und ökologischer Vorteile bewertet und verglichen. Während die Boscalid-Fallstudie deutlich geringere Umweltauswirkungen zeigt, kann die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit nur durch Betrachtung eines Best-Case Szenarios mit deutlich reduziertem Lösungsmittelverbrauch erreicht werden. Somit werden die Vorteile des Katalysatorrecyclings im MES durch hohen Lösungsmittelverbrauch ausgehebelt. Der entgegengesetzte Trend kann für die Hydroformylierungs-Fallstudie beobachtet werden. Die Profitabilität ist zwar etwas höher als beim Benchmark, jedoch sind nur etwa die Hälfte der LCA-Indikatoren äquivalent oder vorteilhaft. Ein Treiber sowohl für TEA als auch für LCA ist der Rhodiumverbrauch. Zukünftige Prozessoptimierung in diesem Bezug ist jedoch sehr wahrscheinlich und würde auch die LCA weiter verbessern. Die untersuchten Fallstudien zeigen ein großes Nachhaltigkeitspotential von MES im industriellen Kontext auf, insbesondere unter Berücksichtigung des derzeitigen mittleren Reifegrads der Technologie und der nicht optimierten Prozess- und Reaktionsführung.