Technoeconomic evaluation and life cycle assessment of bioprocesses to produce platform chemicals, polymers and fuels

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.

A Technoeconomic Evaluation of the Potential of Industrial Biotechnology for the Competitive Production of Commodity and Bulk Chemicals

<div> <div> <div> <p>Fermentation based bioprocesses are routinely developed for higher value products; however, the development of bioprocesses for larger volume chemicals has lagged. While electrification of transportation may enable significant reductions in greenhouse gas emissions in the fuel sector, the production of chemicals, by its very nature, requires a carbon feedstock. The utilization of more sustainable bioprocessing has unique potential in this sector. Despite the start- up of several bio-based chemical facilities none of these technologies have had break-out success, as measured by the construction of multiple follow on plants. A key barrier to the wide-spread adoption of large scale bio-based processes includes the potential financial return on capital spent on new facilities and, importantly, the comparative financial return for bioprocesses vs. incumbent petrochemical technology. A standard metric of a project’s financial return is the internal rate of return or IRR. Bio-based chemical processes will likely not be extensively commercialized unless they have an IRR that is competitive with petrochemical routes. </p> </div> </div> </div>

A Technoeconomic Evaluation of the Potential of Industrial Biotechnology for the Competitive Production of Commodity and Bulk Chemicals

<div> <div> <div> <p>Fermentation based bioprocesses are routinely developed for higher value products; however, the development of bioprocesses for larger volume chemicals has lagged. While electrification of transportation may enable significant reductions in greenhouse gas emissions in the fuel sector, the production of chemicals, by its very nature, requires a carbon feedstock. The utilization of more sustainable bioprocessing has unique potential in this sector. Despite the start- up of several bio-based chemical facilities none of these technologies have had break-out success, as measured by the construction of multiple follow on plants. A key barrier to the wide-spread adoption of large scale bio-based processes includes the potential financial return on capital spent on new facilities and, importantly, the comparative financial return for bioprocesses vs. incumbent petrochemical technology. A standard metric of a project’s financial return is the internal rate of return or IRR. Bio-based chemical processes will likely not be extensively commercialized unless they have an IRR that is competitive with petrochemical routes. </p> </div> </div> </div>

Technoeconomic evaluation and risk assessment of bioprocessess and bio-refineries

Το βασισμένο στο πετρέλαιο σύστημα βρίσκεται σε μια πρωτοφανή κρίση όπου τα βασικά προβλήματα εντοπίζονται στην κλιματική αλλαγή και στην εξάντληση των ορυκτών πόρων. Επιπρόσθετα η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση για καλύτερη και ευέλικτη παραγωγή προϊόντων καθώς και η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού απαιτούν καινοτόμες λύσεις σχετικά με τον τρόπο παροχής των προϊόντων και υπηρεσιών στην κοινωνία. Επομένως είναι απαραίτητη η μετάβαση προς την Βιο-οικονομία, όπου η παραγωγή και η χρησιμοποίηση των υλικών και της ενέργειας γίνονται με υπεύθυνο και φιλικό ως προς το περιβάλλον τρόπο. Ο γενικός στόχος της βιο-οικονομίας είναι η επιτάχυνση της μετατροπής των βιομηχανιών που χρησιμοποιούν ορυκτούς πόρους, σε βιώσιμες και αποδοτικές ως προς την χρησιμοποίηση των πόρων. Με αυτό τον τρόπο οι βιομηχανίες αυτές θα συνεισφέρουν μεταξύ άλλων στην μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η αξιοποίηση των πιθανών οφελών απαιτεί την οικοδόμηση υποδομών και την ανάπτυξη νέων βιο-τεχνολογιών οι οποίες θα εστιάζουν σε τρείς βασικούς άξονες: 1) την μετατροπή των τρεχουσών διεργασιών που βασίζονται σε ορυκτούς και μη ανανεώσιμους πόρους σε αποδοτικές διεργασίες ως προς την χρησιμοποίηση της ενέργειας και των πρώτων υλών, 2) την ανάπτυξη αξιόπιστων, βιώσιμων και κατάλληλων εφοδιαστικών αλυσίδων βιομάζας, υποπροϊόντων, αποβλήτων και ενός παγκόσμιου δικτύου βιο-διυλιστηρίων και 3) την υποστήριξη της αγοράς προϊόντων που βασίζονται σε βιοτεχνολογικές μεθόδους, λαμβάνοντας υπόψη τα πιθανά οφέλη και τους κινδύνους. Ο σημαντικότερος σκοπός είναι να διευρυνθούν τα όρια και ο παραγόμενος όγκος των καινοτόμων προϊόντων που βασίζονται στην βιομηχανική βιοτεχνολογία (π.χ. βιο-πλαστικά, δομικά χημικά στοιχεία, συστατικά υψηλής προστιθέμενης αξίας για φαρμακευτικά προϊόντα ή καλλυντικά και προηγμένα βιο-καύσιμα) από ανανεώσιμες ύλες βιολογικής προέλευσης (λ.χ. ειδικές καλλιέργειες, κατάλοιπα από τη γεωργία, δασοκομία, αλιεία και βιολογικά απόβλητα ). Αυτό απαιτεί την ανάπτυξη νέων τύπου βιολογικών διυλιστηρίων και των συναφών εφοδιαστικών αλυσίδων, καθώς και καινοτομίες σε καθιερωμένες βιο-βιομηχανίες με μακρά παράδοση στην επεξεργασία ανανεώσιμων βιολογικών πόρων (π.χ. βιομηχανία χαρτοπολτού και χαρτιού, αμύλου και βιομηχανία τροφίμων). Η παραγωγή χημικών και καυσίμων μέσω τεχνολογιών βιομετατροπής που χρησιμοποιούν ανανεώσιμους πόρους έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον τόσο της βιομηχανίας όσο και του ακαδημαϊκό χώρου. Αυτή η στροφή έχει οδηγήσει σε πληθώρα πειραματικών ερευνών σχετικά με τη δυνατότητα παραγωγής συγκεκριμένων ενδοκυτταρικών ή εξωκυτταρικών προϊόντων που μπορούν να χρησιμεύσουν ως βιώσιμα υποκατάστατα μη ανανεώσιμων χημικών ουσιών. Ωστόσο, η υιοθέτηση τεχνολογιών βιομετατροπής από τη βιομηχανία είναι περιορισμένη και πρόσφατα έχουν αναφερθεί ορισμένες δαπανηρές αποτυχίες κατά την επίτευξη του σταδίου παραγωγής. Οι αποτυχίες αυτές δημιουργούν την επιτακτική ανάγκη για την ανάπτυξη εργαλείων που μπορούν να υποστηρίξουν όλα τα στάδια της εμπορευματοποίησης των τεχνολογιών βιομετατροπής. Η διδακτορική αυτή διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη τέτοιων εργαλείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό του τμήματος παραγωγής και ανάκτησης βιοχημικής προέλευσης χημικών. Επιπρόσθετα, τα εργαλεία που θα αναπτυχθούν θα πρέπει να είναι σε θέση να εκτελούν ποσοτική ανάλυση επενδυτικού κινδύνου μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών βιο-μετατροπής. Ο απώτερος σκοπός είναι η δημιουργία μιας νέας μεθοδολογίας και πλαισίου που θα χρησιμοποιείται για την ανάδειξη των τεχνολογιών που μπορούν να επιτύχουν στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Για να επιτευχθεί ο σκοπός αυτός, ποσοτικές μέθοδοι θα χρησιμοποιηθούν όπως μαθηματικός προγραμματισμός, τεχνο-οικονομική ανάλυση καθώς και στατιστική ανάλυση.