Technoeconomic evaluation and risk assessment of bioprocessess and bio-refineries

Abstract

The petroleum-based system is currently facing global crisis, such as climate change and fossil resource depletion. Moreover, the increasing demand for better and more versatile products and growing global population require innovative solutions regarding the way products and services are provided to society. Thus, the move towards a bio-based economy, where production and use of materials and energy are taking place in a responsible and environmentally friendly manner, is necessary. The overall objective is to accelerate the conversion of fossil-based industries to low carbon, resource efficient and sustainable ones. Taking advantage of these potential benefits requires building a broad knowledge base and developing relevant biotechnologies, focusing mainly on three essential elements: 1) transforming current fossil-based processes into resource and energy efficient biotechnology-based ones, 2) establishing reliable, sustainable, and appropriate supply chains of biomass, byproducts and waste streams and a wide network of biorefineries throughout world and 3) supporting market development for bio-based products and processes, taking account of the associated risks and benefits. An important goal is to expand the range and the volume of innovative products manufactured by the bio-based industries (e.g. bio-based plastics, chemical building blocks, high value ingredients for pharmaceuticals or cosmetics, advanced biofuels) from renewable biological resources (e.g. specialty crops, residues from agriculture, forestry, fisheries and the utilisation of biowaste). This will require the development of new types of biorefineries and the associated value chains as well as innovation within established bio-based industries with a long tradition of processing renewable biological resources (e.g. the pulp and paper industry, the starch and the food industry). The production of chemicals and fuels through microbial bioconversion technologies using renewable resources has attracted significant attention from both industry and academia. This attention has resulted in a plethora of experimental investigations on the potential of producing specific intracellular or extracellular products that can serve as sustainable drop-in substitutes for unsustainable chemicals derived from fossil resources. However, the adoption of bioconversion technologies from the industry has been very limited and recently a number of expensive failures to reach the production stage have been reported. These failures have resulted in a pressing need to develop tools that can support all stages of the commercialization of microbial bioconversion technologies that range from strain modification to equipment scaleup and technoeconomic analysis. This thesis aims at presenting such tools that can be used to design and simulate the biotransformation and the recovery sections of biobased chemicals. Additionally, the tools that will be developed should be able to execute quantitative risk analysis across multiple technology options and expose venture’s risks. The overall objective is to develop a novel framework which can be utilized to quantify the bio-based technologies that can successfully achieve the commercialization stage. To achieve the stated objective, quantitative methods such as mathematical programming, simulation, techno-economic analysis, and probability analysis will be used.

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.