Sustainable process development for biorefineries

Abstract

Die Menschheit steht vor der größten Herausforderung seit Anbeginn des Anthropozäns. Die Fortschritte der letzten Jahrhunderte, beginnend mit der industriellen Revolution, haben viele beeindruckende Meilensteine erreicht und zu dem Wohlstand und Reichtum geführt, welchen wir heute vor allem in den Industrieländern kennen. Diese Fortschritte waren getrieben durch den teilweise unbesonnenen Konsum von fossilen Energiequellen und Produkten. Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wuchs durch die ersten, deutlichen Umweltauswirkungen wie dem Ozon-Loch, das Bewusstsein unserer selbstzerstörerischen Auswirkungen auf unser Klima und unsere Umwelt. Heute ist der Menschheit klarer als je zuvor, wie existenzbedrohend zum einen die bevorstehen Umweltkatastrophen und zum anderen die limitierten Rohstoffe sind. Die Herausforderung heute, ist es rasch den Wandel zu einer nachhaltigen Entwicklung und Lebensweise zu erreichen, mit einer gleichermaßen gesicherten Lebensgrundlage für jetzige und zukünftige Generationen. Dafür gilt es Produkte und Energie aus nachhaltigen Quellen zu gewinnen und die Auswirkungen auf unsere Umwelt in einem Maß zu halten, sodass es zu keiner irreversiblen Zerstörung unseres Lebensraumes kommt.Ein vielversprechender Lösungsansatz ist eine bio-basierte Industrie, in welcher aus nachwachsenden Rohstoffen ähnliche Produkte wie aus der Erdöl-Raffinerie, sowie neue und innovative Produkte, gewonnen werden können. Das Konzept Bioraffinerie setzt Biomasse in eine Vielzahl an Produkten um und soll die fossil basierte Produktion ersetzen. Eine Industrie basierend auf nachwachsenden Rohstoffen bleibt jedoch auch nicht ohne Auswirkungen auf die Umwelt und es gilt diese möglichst früh zu erkennen um die Probleme nicht zu verschieben. Daher ist eine Analyse der Umweltwirkung bei der Entwicklung von Bioraffineriekonzepten essenziell für eine Entwicklung in Richtung einer nachhaltigen Lebensweise.Die Ökobilanz ist eine Methode zur ganzheitlichen Betrachtung von Umwelteinflüssen eines Produktes, Prozesses oder Produktsystems. Es ist ein flexibles Werkzeug, um die komplexen Vorgänge zu analysieren und sichtbar zu machen. In dieser Arbeit wird die Ökobilanz eingesetzt, um die Umweltwirkung von drei unterschiedliche Bioraffineriekonzepten zu untersuchen und diese Ergebnisse werden analysiert und gegenübergestellt um als Entscheidungshilfe in die Technologie- bzw. Prozessentwicklungen einfließen zu können.Im ersten Schritt wurde eine umfassende Literaturstudie zur Erfassung und Analyse von Ökobilanzen von Bioraffinerien durchgeführt. Es wurden neun wichtige Aspekte für Bioraffinerie-Ökobilanzen identifiziert und zehn Bioethanol Studien wurden anhand dieser Aspekte und deren Ergebnissen analysiert, um die Hotspots in der Prozesskette zu definieren. Darauffolgend wurden Bioraffinerien aus unterschiedlichen Entwicklungsstadien und Produktkategorien ausgewählt und mittels Ökobilanz untersucht: Bio-Plastik Bioraffinerie (Material, mittlere Entwicklungsstufe), Biogas Bioraffinerie (Energie, hohe Entwicklungsstufe) und die innovative Lignin Nanopartikel Bioraffinerie (hochwertige spezielle Produkte, niedrige Entwicklungsstufe). Bei der Biogasanlage wurde gezeigt, dass eine Vermeidung von Emissionen durch Ersetzen von gängigen Produkten oder Prozessen ebenso wichtig ist, wie eine Emissionsreduktion durch Prozessoptimierung. In vier Anwendungsbeispielen in der Plastik Industrie wurden konventionelle fossil-basierte Kunststoffe mit bio-basierten Kunststoff-Alternativen verglichen. Bei der Lignin Nanopartikel Bioraffinerie wurden 24 Szenarien in sechs Einflusskategorien analysiert und ein Zielkonflikt zwischen Lösungsmittelrückgewinnung und dafür thermisch notweniger Energie identifiziert. Es wurde die Ökobilanz-Umwelteinfluss-Berechnung hinsichtlich der Robustheit mit Sensitivitäts- und Ungenauigkeit-Analysen betrachtet und insgesamt 31 Umwelteinfluss-Methoden in drei Umwelteinfluss-Kategorien mit 86 Unterkategorien wurden analysiert und verglichen.Bioraffinerien erzielten bei der globalen Klimaerwärmung bessere Ergebnisse, jedoch konnten erhöhte Auswirkungen in anderen Bereichen aufgezeigt werden (Eutrophierungspotential und Versäuerungspotential). Die Vorteile sind abhängig von den Rahmenbedingungen und den lokalen Gegebenheiten. Eine Umweltauswirkungsbetrachtung in der Prozessentwicklung konnte helfen die Auswirkung der unterschiedlichen Prozessparameter zu verstehen und so eine Hilfestellung zu geben bei der Entscheidungsfindung für die Weiterentwicklung der Prozesse. Es wurde aufgezeigt wo die Ökobilanzierung noch weiterentwickelt werden kann und worauf bei einer Ökobilanz im Bereich der Prozessentwicklung und der Bioraffinerie geachtet werden muss.

Mankind is facing the greatest challenge since the beginning of the Anthropocene. The progress of the last centuries, starting with the industrial revolution, has reached many impressive milestones and led to the prosperity and wealth we know today, especially in the industrialized countries. These advances were driven by the sometimes reckless consumption of fossil energy sources and products. Since the second half of the 20th century, the awareness of our self-destructive effects on our climate and environment grew due to the first clear environmental effects such as the ozone hole. Today, humanity is more aware than ever of the threat to our existence posed by impending environmental catastrophes on the one hand and limited raw materials on the other. The challenge today is to quickly achieve the change to a sustainable development and way of life, with an equally secure livelihood and prosperity for current and future generations. This means obtaining products and energy from sustainable sources and keeping the impact on our environment at a level that does not lead to irreversible destruction of our habitat.A promising approach is a bio-based industry, in which renewable raw materials can be used to produce products similar to those from petroleum refineries, as well as new and innovative products. The biorefinery concept converts biomass into a variety of products and is intended to replace fossil-based production. However, an industry based on renewable resources is not without environmental impacts and it is important to identify them as early as possible in order not to postpone the problems. Therefore, an analysis of the environmental impact during the development of biorefinery concepts is essential for a development towards a sustainable way of life.Life cycle assessment (LCA) is a method for the holistic consideration of environmental impacts of a product, process or product system. It is a flexible tool to analyze and visualize the complex processes. In this work, LCA is used to investigate the environmental impact of three different biorefinery concepts and these results are analyzed and compared to be used as decision support in technology or process development.In the first step, a comprehensive literature study was conducted to collect and analyze life cycle assessments of biorefineries. Nine important aspects for biorefinery LCAs were identified and ten bioethanol studies were analyzed based on these aspects and their results to define the hotspots in the process chain. Subsequently, biorefineries from different technological readiness levels (TRL) and product categories were selected and investigated by means of LCA: Bio-Plastic Biorefinery (material, medium TRLs), Biogas Biorefinery (energy, high TRLs) and the innovative lignin nanoparticle Biorefinery (high value special products, low TRLs). In the case of the biogas plant, it was shown that avoiding emissions by replacing common products or processes is just as important as reducing emissions by optimizing processes. In four application examples in the plastics industry, conventional fossil-based plastics were compared with bio-based plastic alternatives. In the case of the lignin nanoparticle biorefinery, 24 scenarios were analyzed in six impact categories and a trade-off was identified between solvent recovery and the thermal energy required for this. The LCA environmental impact calculation was considered in terms of robustness with sensitivity and imprecision analyses and a total of 31 environmental impact methods in three environmental impact categories with 86 subcategories were analyzed and compared.Biorefineries achieved better results in global warming potential, but increased impacts in other areas could be shown (eutrophication potential and acidification potential). The benefits depend on the framework and local conditions. An environmental impact assessment in the process development could help to understand the impact of the different process parameters and thus give guidance in decision making for the further development of the processes. It was shown where the LCA method could be further developed and what to consider in LCA in the field of process development and biorefinery.