Process Synthesis of Seaweed-Based Integrated Biorefineries via Biochemical Conversion Platform

Abstract

Macroalgae are a valuable energy source that can be transformed into numerous products most notably fuels and chemicals due to their high content of carbohydrates, proteins, and vitamins. This study evaluates optimal designs for biofuels and biochemicals production from brown algae species Saccharina japonica via biochemical platform i.e. sugar platform and volatile fatty acid platform. Furthermore, this study investigates optimal designs for integrated biorefineries to compare their economics and environmental performance with standalone biorefinery designs. A superstructure-based process synthesis approach was used to develop optimization models that can investigate optimal design based on several objective functions such as net present value, yield, and CO2 emissions. The developed models provide clear guidance on multi-criteria analysis consisting of technical (yields, operating conditions, and bottlenecks), economical (capital costs, energy consumption, minimum product selling price, maximum seaweed price), and environmental aspects (carbon dioxide emissions, water footprint, and cradle to gate life cycle assessment) of biorefinery. Chapter one elaborates the motivation for this work. First, biorefinery concepts are explained to present an overview of possible raw materials and conversion routes that can be used to produce biofuels and biochemicals. Social- and technical-challenges of producing biofuels from first- and second-generation biomass are then highlighted. The benefits of macroalgae, particularly of Saccharina japonica as a biorefinery feedstock are described. The main challenges of the seaweed-based biorefinery are then defined and role of process system engineering to address the major challenges and supporting the development of biorefinery are explained. Finally, literature review in the context of process synthesis and design of biorefinery is presented, therefore, highlighting literature gaps and the scope of the PhD thesis. Chapter two explains the methodology used for synthesis and design of biorefinery. A superstructure-based optimization framework is presented by elaborating (1) different steps of framework, (2) objectives of each step, (3) input needed at each step to perform analysis, and (5) outputs from each step. The applied framework can perform optimization under deterministic and stochastic conditions. A strategy to quantify economic risk is discussed and the mathematical formulation of the optimization framework is outlined. Afterwards, techno-economic and environmental assessments methodologies are explained. Finally, input data used for techno-economic assessment including factors to determine total capital investment and total cost of manufacturing, equipment cost, chemicals costs, and utility costs are detailed. Chapter three presents the development of a mixed-integer linear programming model to provide decision support for investigating optimal design for integrated biorefinery producing bioethanol and proteins through the sugar platform. The developed superstructure and its mathematical formulation are outlined. Two objective functions were studied: maximization of yield and maximization of net present value. Minimum ethanol selling price and maximum seaweed price were determined to evaluate the economic viability of an optimal design. Sub-optimal process designs were also investigated, and sensitivity analysis was performed to identify major cost drivers for economic improvement. Finally, potential goals and research targets were proposed based on the results of sensitivity analysis for potential improvements to plant economics. Chapter four demonstrates strategies to utilize all emissions from macroalgal biorefinery through sugar platform. Indeed, the presented superstructure is an extension of the one described in the previous chapter. The central idea of optimization in this chapter is (1) to improve overall process economics and environmental profile by utilizing waste streams through process integration and (2) to compare the process economics- and environmental-indicators with standalone process design of biorefinery. The optimization model was formulated as a mixed-integer nonlinear programming model and solved for two different objective functions: maximization of net present value and minimization of CO2 emissions. Process economic indicators were determined. A comprehensive sensitivity analysis model followed by a Monte Carlo simulation model was formulated to find the key drivers of biorefinery. Finally, economic risk assessment was performed to quantify economic risk based on minimum ethanol selling price. Chapter five evaluates optimal designs, economics, and environmental performance of the mixed acids and mixed alcohols production through the volatile fatty acid platform. Seventeen designs alternatives were used to develop a superstructure. Mixed-integer nonlinear programming model was developed. Process integrations were incorporated into the model to maximize the sustainability of biorefinery. The effect of uncertainties on the process economics was investigated, and future targets were proposed for potential improvements to plant economics. Chapter six presents a strategy of bio-succinic acid production through optimization of a superstructure that contains multiple biomass sources and technology alternatives. A mixed-integer linear programming model was developed that performs optimization under deterministic and stochastic conditions. Besides, the optimization model also performs economic risk assessment and cradle-to-gate life cycle assessment. The main reason for this chapter is to investigate optimal process design of bio-succinic acid that can be integrated with standalone bio-refineries to improve their economics. Besides, all three generations of biomass are studied to find optimal process design using the best feedstock. Chapter seven provides a summary of this work and concludes with a comparison of all the process designs based on their economic and environmental merit.

거대 조류는 탄수화물, 단백질 및 비타민의 함량이 높기 때문에 바이오 연료 및 화학 물질과 같은 여러 제품으로 전환될 수 있는 귀중한 자원이다. 이 연구는 생화학적 플랫폼, 즉 당 플랫폼 및 휘발성 지방산 플랫폼을 이용하여 갈조류인 다시마로부터 바이오 연료와 화학 물질을 생산하는 최적의 바이오 리파이너리 설계를 평가한다. 또한, 이 연구는 통합 바이오 리파이너리의 최적의 설계를 조사하여 경제성과 환경성 측면에서 독립형 바이오 리파이너리와 비교한다. 최적화 모델을 개발하는데 상부구조 공정 합성 접근법이 사용되었고, 최적설계를 조사하기 위해 순현재가치, 수율, 이산화탄소 배출 등의 몇가지 목적함수가 사용되었다. 개발된 모델은 바이오 리파이너리의 기술적, 경제적, 환경적 측면의 분석에 대한 분명한 가이드 라인을 제공한다. 1 장은 이 연구의 동기에 대해 자세히 설명한다. 우선 바이오 연료와 화학 물질 생산에 사용될 수 있는 원료와 전환 경로의 개요를 제시하기 위해 일반적인 바이오 리파이너리 개념이 설명된다. 이 때 1 세대 및 2 세대 바이오 연료 생산이 직면한 사회적 및 기술적 과제 또한 강조된다. 그리고 나서 바이오 리파이너리 공급 원료로서의 거대 조류, 특히 다시마의 이점이 기술되며, 주요 과제를 해결하고 바이오 리파이너리의 개발을 지원하는 공정 시스템 공학의 역할이 설명된다. 마지막으로 바이오 리파이너리의 공정 합성 및 설계와 관련한 문헌 검토를 통해 현행 연구의 간극이 확인되고 이 연구의 범위가 설명된다. 2 장은 이 연구에서 바이오 리파이너리의 합성 및 설계에 사용된 방법론을 서술한다. 상부 구조 기반 최적화 프레임 워크는 다음의 순서로 설명된다: (1) 서로 다른 프레임 워크 단계, (2) 각 단계의 목표, (3) 분석을 수행하기 위해 각 단계에서 필요한 입력, (4) 각 단계의 출력. 이 최적화 프레임 워크는 결정적 조건을 물론 확률적인 조건에서도 최적화를 수행할 수 있다. 경제적 위험을 정량화하는 전략이 논의되며 최적화 프레임 워크의 수학식 역시 요약되었다. 기술 경제 및 환경 평가 방법론의 설명엔 총 자본 투자 및 총 제조 비용, 장치 비용, 화학 물질 비용 및 유틸리티 비용을 결정하는 요소를 포함하여 기술 경제 평가에 사용되는 상세한 입력 데이터가 포함되어 있다. 3 장에서는 당 플랫폼을 이용하여 바이오 에탄올 및 단백질을 생산하는 통합 바이오 리파이너리의 최적 설계를 조사하고 의사 결정을 지원하기 혼합 정수 선형 계획법 모델이 제공된다. 이를 위해 개발된 공정의 상부구조와 수학식 또한 요약되었다. 수율 극대화와 순현재가치의 극대화라는 두 가지 목적 함수가 연구되었다. 최적의 디자인의 경제적 생존 가능성을 평가하는 척도로서 최소 에탄올 판매 가격과 최대 해조류 가격이 결정되었다. 이 연구에서는 차선의 공정 설계도 조사되었으며, 경제성 개선을 위해 주요 비용 변동인자를 파악하기 위한 감도 분석 또한 수행되었다. 마지막으로, 공장의 경제성을 개선시키는 잠재적 요인과 민감도 분석 결과를 바탕으로 향후의 개선방향이 제시되었다. 4 장은 3장에서 제시된 상부 구조를 확장하여 거대 조류 바이오 리파이너리에서 당 플랫폼을 통해 모든 배출물을 활용하는 전략을 설명한다. 이 장에서 최적화의 중심 아이디어는 (1) 공정 통합을 통해 모든 폐기물 흐름을 이용하여 전체 공정의 경제적, 환경적 프로파일을 개선하고, (2) 개선된 공정 경제적, 환경적 지표를 독립형 바이오 리파이너리와 비교하는 것이다. 최적화 모델은 혼합 정수 비선형 계획법 모델로 수식화되었으며, 순현재가치의 극대화와 CO2 배출의 최소화라는 두 가지 목적 함수가 사용되었다. 이 장에서는 공정의 경제적 지표가 결정되었고, 바이오 리파이너리 경제성의 주요 변동요인을 찾기 위해 Monte Carlo 모사 후 포괄적인 민감도 분석 모델 또한 개발되었다. 마지막으로, 공정의 경제적 위험을 정량화하기 위해 최소 에탄올 판매 가격을 기준으로 경제적 위험 평가가 수행되었다. 5 장은 휘발성 지방산 플랫폼을 이용해 혼합 유기산 및 혼합 알코올을 생산하는 최적 설계의 경제적 환경적 성능을 평가한다. 이를 위한 공정의 상부 구조를 개발하는데 총 17 개의 공정 설계 대안이 사용되었으며, 이를 토대로 혼합 정수 비선형 계획법 모델이 개발되었다. 이 때 바이오 리파이너리의 지속 가능성을 극대화하기 위해 공정 통합이 모델에 고려되었다. 이를 이용하여 공정 경제성에 대한 불확실성의 영향이 조사되었고, 공장 경제성의 잠재적 개선을 위한 미래의 목표 또한 제시되었다. 6 장에서는 여러 바이오 매스 원료와 기술적 대안이 포함된 상부 구조의 최적화를 이용하여 바이오 숙신산의 생산 전략을 제시한다. 이 장의 주요 목적은 경제성을 향상시키기 위해 독립형 바이오 리파이너리와 통합될 수 있는 바이오 숙신산 공정의 최적 설계를 조사하는 것이다. 이 때, 최적의 바이오 매스 원료를 사용하는 최적의 공정 설계를 찾기 위해 3 세대 바이오 매스 모두가 조사되었다. 이를 위해 결정적, 확률적 조건에서 최적화를 수행하는 혼합 정수 선형 프로그래밍 모델이 개발되었는데, 이 최적화 모델은 경제적 위험 평가 및 cradle-to gate 전과정 평가도 수행한다. 마지막으로 7 장은 이 논문의 주요 결과를 요약하고 경제적, 환경적 장점에 근거한 모든 공정 설계를 비교한 결론을 제시한다.