Design and life cycle assessment of integrated organosolv based biorefinery: Simulated case studies utilizing sessile oak (Quercus petraea) coppices and industrial wood sawdust from Bursa/Turkey region

Abstract

Biyorafineriler, temelde geleneksel fosil rafinerilerine benzemekte olup hammadde olarak fosil yakıtlar yerine biyokütle kullanırlar. Biyorafineriler, biyokütleyi kimyasal ve biyolojik prosesler sayesinde biyoyakıt, biyogüç, biyokimyasal ve biyomalzemelere dönüştürürler. Literatürde biyorafinelerle ilgili birkaç sınıflandırma kabul edilmektedir. İlk olarak tanımlanan sınıflandırma hammadde/proses/ürün özelliklerine göre yapılmaktadır. Birinci nesil biyorafineriler tek hammadde kullanarak bir proseste bir ürün üretirler. İkinci nesil biyorafineriler, tek hammaddeden çeşitli prosesler sayesinde çeşitli ürün üretirler. Üçüncü nesil biyorafinerilerde çeşitli hammaddeler kullanılarak çeşitli proseslerden birden çok ürün üretilir. Bir diğer sınıflandırma, biyorafinerilerin kullandığı hammadde baz alınarak yapılmaktadır. Bu sınıflandırmada biyorafineriler, lignosellülozik hammadde biyorafinerileri, bütün-ekin biyorafinerileri, yeşil biyorafineriler, deniz biyorafinerileri ve iki platform biyorafinerileri olarak sınıflandırılmaktadır. Lignoselülozik hammadde biyorafinerileri, lignoselülozik biyokütleyi hammadde olarak kullanarak biyoyakıt, biyogüç, biyokimyasal ve biyomalzeme üretirler. Lignoselülozik biyokütle, içerisinde büyük oranda selüloz ve yanı sıra hemiselüloz ve lignin içeren tüm odunsu ve odun dışı biyokütleyi kapsar. Lignoselülozik biyokütlenin zor ayrışan yapısı nedeniyle, lignini hemiselüloz ve selüloz fraksiyonundan ayırmak için ön işlem yöntemleri uygulanmalıdır. Ayrıca, ön işlemler selülozik yapının kristalliğini azaltır, biyokütlenin yüzey alanını arttırır, hidroliz ve fermantasyon sırasında inhibitör oluşumunu önler, işlem maliyetini azaltır ve enerji tüketimini azaltır. Ön işlem yöntemlerinin genel sınıflandırması; fiziksel ön işlem, fizikokimyasal ön işlemler, biyolojik ön işlemler ve kimyasal ön işlemlerdir. Organosolv ön işlemi, lignoselülozik biyokütle için en umut verici delignifikasyon yöntemlerinden biridir. Organosolv ön işleminin diğer ön işlemlerden temel farkı, ligninin diğer ön işlem yöntemlerinde atık olarak üretilmesine rağmen, organosolv ön işleminde neredeyse saf bir biçimde elde edilmesidir ve böylelikle lignin, değeri yüksek bir kimyasal olarak üretilir ve diğer kimyasal üretimleri için hammadde olarak kullanılır. Organosolv ön işlemi, organik çözücüler, asidik ya da bazik katalizörler varlığında eş zamanlı gerçekleşen bir delignifikasyon yöntemidir. Türkiye'de biyokütlenin teknik potansiyeli çok önemlidir. Her ne kadar modern teknolojide biyokütle kullanımı yakın zamana kadar gelişmemiş ve çoğunlukla geleneksel yakma için kullanılmasına rağmen, biyokütlenin önemi günden güne ilgi çekici hale gelmiştir. Modern ormancılık, biyokütlenin biyorafineri alanında etkin bir şekilde uygulanmasını sağlar. Türkiye'de büyük ölçüde hem verimsiz hem de düşük verimli meşe baltalık ormanları mevcuttur. Modern ormancılık kavramında meşe baltalık ormanlarının kullanımı, sürdürülebilirlik için büyük öneme sahiptir. Ek olarak, gelişmekte olan ülke olması nedeniyle, Türkiye sanayisi büyük kapasiteye sahiptir. Endüstriyel üretimin hem yüksek olması hem de artmaya devam etmesi, endüstriyel atık oranının da artmasına neden olmaktadır. Özellikle odun işleme endüstrisinde, büyük miktarda lignoselülozik biyokütle kaynaklarından biri olan endüstriyel odun talaşı üretilir. Türkiye'deki biyorafineriler, genellikle tek bir ürün (biyoetanol ya da biyodizel) üreten birinci nesil biyorafinerilerdir. Üçüncü nesil yani aynı anda bir çok ürün üreten biyorafineriler henüz kurulmamıştır. İkinci ve üçüncü nesil biyorafinerilerin geliştirilmesi, fosil yakıt tüketimini azaltır, fosil bağımlılığını azaltır ve enerji güvenliğini arttırır, yeni sanayi sektörü ve pazarlar yaratır, yeni iş imkanı sağlar, sürdürülebilirliğe ve döngüsel ekonomiye katkıda bulunur. Sürdürülebilirlik terimi, "gelecek nesillerin kendi gereksinimlerini karşılayabilme kapasitesinden ödün vermeden mevcut koşullarını sağlayan kalkınma" olarak tanımlanmaktadır ve insan faaliyetinin çevresel, sosyal ve ekonomik boyutları ile dengede olmalıdır. Döngüsel ekonomi, sürdürülebilir kalkınma için ürünleri, bileşenleri ve malzemeleri her zaman en büyük fayda ve değerlerinde muhafaza etmeyi amaçlayan ve beşikten mezara yaklaşımını kabul eden bir araçtır. Döngüsel ekonomi yaklaşımında, yenilenebilir hammadde kullanması, aynı anda birden çok ürün elde edilmesi ve atık yönetimi içermesi nedeniyle biyorafinerilerin potansiyeli büyüktür. Sürdürülebilir kalkınmaya ve döngüsel ekonomiye katkıda bulunmak için, biyorafinerilerdeki engellerin aşılması gerekir. Biyorafineri verimliliğinin arttırılması ve aynı hatta birden fazla üretim yapılması, engellerin üstesinden gelmek için kilit faktörlerdir. Bu amaçla, entegre biyorafineriler ön plana çıkmaktadır. Entegre biyorafineriler, hammadde ve ürün entegrasyonu, ısı ve güç entegrasyonu, su entegrasyonu, altyapı, proses sentezi ve yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD), hassasiyet analizi, tedarik zinciri ve stratejik planlama, politika ve çevresel entegrasyon gibi proses entegrasyonlarını içeren biyorafinerilerdir. Organosolv ön işlem yöntemini kullanan entegre biyorafinerilere entegre organosolv bazlı biyorafineriler denilmektedir (EOBB). Proses simülasyonu hem proses sentezi hem de hassasiyet analizini kapsaması nedeniyle entegre biyorafinerde kullanılan temel bir araçtır. Proses simülasyonu, gerçek koşullara yakın karmaşık proseslerin tasarlanmasına olanak sağlar. Proses simülasyonuna ek olarak YDD, proses entegrasyonu için başka bir ana araçtır. Prosesin çevresel etkileri YDD çalışmaları ile belirlenir. Proses simülasyonu ile ayrıntılı kütle ve enerji akış verileri elde edilir ve bu veriler YDD çalışmasında da kullanılabilir. YDD çalışması, üretimin her adımının çevresel etkilerini ortaya koymaktadır ve yüksek etkilenen kategoriler tespit edilebilmektedir ve bu kategorilerdeki çevresel etkileri azaltmak için yeniden tasarlama yapılabilmektedir. Bu tez çalışmasının amacı EOBB'yi tasarlamak, simüle etmek ve simüle edilmiş EOBB'nin çevresel etkilerini belirlemektir. Bu amaçla, Bursa / Türkiye bölgesinden sapsız meşe korusu (SMK) ve endüstriyel odun talaşı (EOT) gibi iki farklı hammadde; biyoetanol, organosolv lignin, furfural, asetik asit, biyoısı ve biyogüç gibi farklı ürünler üretmek için kullanılmıştır. Buna göre, yerel hammaddeler (SMK ve EOT) hammadde ve nakliye maliyetini düşürmek için seçilmiş, kojenerasyon ve atık su arıtma prosesleri de atık miktarını azaltmak ve atıklardan biyoısı ve biyogüç üretmek için EOBB'ye entegre edilmiştir. Daha sonra, EOBB'nin simüle edilmiş durum çalışmalarının çevresel sürdürülebilirliğini belirlemek için YDD çalışmaları yapılmıştır. YDD çalışması sonuçları, EOBB proses ve ürünlerinin çevresel etkilerinin karşılaştırmasına olanak sağlamaktadır. Ek olarak, literatürde bulunan en uygun ve ilgili organosolv bazlı biyorafineri çalışması ile YDD karşılaştırması sunulmuştur. Bu tez çalışması, hem EOBB proses simülasyonunu hem de YDD çalışmasını içerdiği için, literatürde yapılan ve bilinen ilk çalışmadır. Ayrıca, biyorafineriler ile ilgilenen herkes için yol gösterici olacaktır. Bu çalışma, biyorafineriler hakkında detaylı bir literatür araştırmasıyla başlamıştır. Literatür araştırmalarına göre ön işlem yöntemi olarak organosolv ön işlemi seçilmiştir. Bu nedenle, entegre organosolv bazlı biyorafineri tasarımı ve simülasyonu için Aspen Plus V8.8 simülasyon yazılımı kullanılmıştır. Entegre organosolv bazlı biyorafineri tasarımında, organosolv ön işlemi, furfural üretimi, asetik asit geri kazanımı, enzim üretimi, şekerleşme ve fermentasyon, distilasyon, atık su arıtma ve kojenerasyon prosesleri kullanılarak biyoetanol, organosolv lignin, furfural, asetik asit, biyoısı ve biyogüç üretimi tasarlanıp simüle edilmiştir. Bursa bölgesinden elde edilen SMK, Durum Çalışması 1 (CS-1)'in hammaddesi olarak kullanılmıştır. Durum Çalışması 2'de (CS-2), SMK ve EOT karışımı, hammadde olarak seçilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, CS-1'de 1160 kg/saat biyoetanol, 908 kg/saat organosolv lignin, 340 kg/saat furfural, 122 kg/saat asetik asit, 7495 kW biyoısı ve 2139 kW biyogüç üretilmiştir. CS-2'de sonuçlar sırasıyla 1155 kg/s, 894 kg/s, 358 kg/s, 135 kg/s, 7223 kW, 2064 kW olarak bulunmuştur. Aspen Plus simülasyon yazılımı, tüm akışlar için tüm kütle ve enerji dengelerini sunmaktadır. Aspen Plus'tan elde edilen sonuçlar, Ecoinvent veritabanındaki veriler ve literatürde bulunan veriler ile birlikte biyorafinerilerin çevresel etkilerini belirlemek için SimaPo V8.1.1.16 YDD yazılımında kullanılmıştır. Amaç ve kapsam tanımı, sistem sınırları, yaşam döngüsü envanteri tanımlanmıştır. YDD çalışmasında, enerji bazlı çevresel etki paylaşımı yöntemi ve niteliksel YDD seçilmiştir. 1 ton kuru hammadde, temel birim olarak seçilmiştir. Sistem sınırı, 1 ton kuru ham madde için ham madde taşımacılığından üretiminin bitimine olarak seçilmiştir. Literatür çalışmalarına dayanarak, çevresel etkileri belirlemek için ReCiPe orta nokta yöntemi ve ReCiPe son nokta yöntemleri seçilmiştir. YDD sonuçlarına göre durum çalışmalarında proses karşılaştırılması yapılmış ve CS-1 ve CS-3 için insan sağlığı kategorisindeki en yüksek etkiler organosolv ön işleminden, CS-2 için kojenerasyon prosesinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Tüm EOBB simülasyonlarının karşılaştırması yapıldığında, CS-2 insan sağlığı üzerinde en yüksek etkiye sahipken, CS-3'ün ekosistem ve kaynaklar kategorisi üzerinde en büyük etkisi vardır. Aspen Plus simulasyonu ve YDD çalışması EOBB'ye genel bir bakış yapılmasına ve teknolojik iyileştirmeler yapılmasına olanak sağlamıştır. Bu teknolojik iyileştirmeler, çevresel etkileri azaltmaya yöneliktir. Ekodizayn yaklaşımı benimsenmiştir. YDD sonuçlarına göre organosolv ön işlemi ve kojenerasyon prosesi çevre üzerinde en büyük etkilere sahiptir. Harcanılan su miktarının ve elektriğin azaltılması, daha verimli kurutucuların seçimi organosolv ön işleminde, yakılan madde nem içeriğinin düşürülmesi, verimli ve uygun fırın seçimi, reaktör ve hava arasında ısı transferini sağlayan ısı değiştiricinin verimli hale getirilmesi kojenerasyon prosesinde yapılacak değişikliklerdir. Bu değişiklikler, EOBB'yi düşük karbon ekonomisinde yeşil teknoloji kullanımına daha uygun hale getirir.

The concept of biorefineries is similar to conventional fossil refineries except it uses biomass as a feedstock instead of fossil fuels. Biorefineries convert biomass to biofuel, biopower, biochemical and biomaterial via chemical and biological processes. The several classifications of biorefinery have accepted by authorities. Firstly, biorefineries classified into feedstock/process/product specialties. First generation biorefineries use one feedstock in one process and produce one product. Second generation biorefineries convert one feedstock in multiple processes and produce more than one product. Third generation biorefineries use various feedstocks in different processes and produce several products. The other classification based on the feedstock of biorefineries. In this classification contains lignocellulosic feedstock biorefinery (LCF), whole crop biorefinery, green biorefineries, marine biorefinery, and the biorefinery two platforms concept. Lignocellulosic feedstock biorefineries convert lignocellulosic biomass for producing biofuels, biopower, biochemicals, and biomaterials. Lignocellulosic biomass covers both woody and non-woody biomass which includes mainly polymeric glucan (cellulose), polymeric other sugars (hemicellulose), and lignin. According to the recalcitrant structure of lignocellulosic biomass, pretreatment methods have to apply to separate lignin from hemicellulose and cellulose fraction. Additionally, pretreatment methods decrease the crystalline structure of cellulose, improve the biomass surface area, prevents the inhibitor production during hydrolysis and fermentation, decrease the cost of the process and reduce the consumption of conventional energy. The general classification of pretreatment methods is physical pretreatment, physicochemical pretreatments, biological pretreatments, and chemical pretreatments. Organosolv pretreatment is one of the most promising delignification methods for lignocellulosic biomass. The main difference of organosolv pretreatment is obtaining lignin nearly pure form, although lignin is a waste product for other pretreatment methods. Therefore, lignin is produced as a high-value chemical and used as a feedstock for chemical production. Organosolv pretreatment is a simultaneous delignification method in existence with organic solvents and acidic or basic catalysts. The technical potential for biomass in Turkey is crucial. Although the biomass usage in modern technology has not been developed until recently and used mostly in conventional combustion, the importance of biomass is appreciated. Modern forestry provides the biomass application in biorefineries. The oak coppice forests, both unproductive or low productive oak coppice forests, have mostly available in Turkey. In the concept of modern forestry, the usage of oak coppice forest has great importance for sustainability. Additionally, due to being a developing country, the industry of Turkey has a huge capacity. While industrial production is high and getting increase, the number of industrial by-products have great capacity. Especially on the wood processing industry, a large amount of industrial wood sawdust is generated that is one of the sources of lignocellulosic biomass. The existing biorefineries that are first generation biorefineries in Turkey produce only one fuel, especially bioethanol or biodiesel, individual. However, third generation biorefinery is not built yet. Development of second and third generation biorefineries reduces fossil fuel consumption, decreases fossil dependency and improves energy security, creates new industrial sector and markets, provides new job opportunity for natives and contributes to sustainability and circular economy. In the term of sustainability is "development that provides the demands of the present without compromising the capability of future generations to meet their own demands" and must be in balance with environmental, social and economic dimensions of human activity. The circular economy is one of the tools for sustainable development and aimed to preserve products, components, and materials at their greatest utility and value at all times approach to cradle-to-grave. In the circular economy concept, biorefineries have great potential and attention for using renewable raw materials, producing multiple products at the same line and containing waste management. The barriers on biorefineries have to be overcome to contribute to sustainable development and the circular economy. Increasing biorefinery efficiency and producing multiple productions on the same line are vital factors to overcome the barriers. Through this purpose integrated biorefineries come to the forefront. Integrated biorefineries cover biorefineries which include process integration such as feedstock and product integration, heat and power integration, water integration, infrastructure process synthesis, and life cycle assessment (LCA), sensitivity analysis, supply chain, and strategic planning, policy and environmental integration. The integrated biorefineries that used organosolv pretreatment are named as integrated organosol based biorefinery (IOBB). Process simulation is a fundamental tool due to cover both process synthesis and sensitivity analysis. It provides to design complicated processes close to actual conditions. In addition to process simulation, LCA is another main tool for process integration. LCA studies determine the environmental impacts of the process. In the combination of process simulation and LCA, it provides to obtain detailed material, and energy flow rates. These data could be used in the LCA study. LCA study reveals the environmental impacts of every step of production and high impacted categories can be determined and these categories are redesigned to reduce environmental impacts. The aim of this thesis research is designing and simulating IOBB and determine the environmental impacts of simulated IOBB. For this purpose, two different feedstocks such as sessile oak coppice (SOC) and industrial wood sawdust (IWS) from Bursa/Turkey region are used to produce different products such as bioethanol, organosolv lignin, furfural, acetic acid, bioheat, and biopower. Accordingly, local feedstocks (SOC and IWS) are selected for reducing the cost of feedstock and reducing pollutant that occurred by transportation, cogeneration and wastewater treatment processes are integrated to IOBB for reducing the waste quantity and producing bioheat and biopower from waste. Then, to conduct LCA studies to determine the environmental sustainability of simulated case studies of IOBB. LCA results allow determining the contribution of process and products on environmental impacts. Additionally, LCA comparison with the most accessible and related organosolv based biorefinery that found in the literature is presented. To contain both process simulation and LCA of IOBB, this thesis research is the first study to our knowledge. Additionally, there is any existed biorefinery, and this study will be the first in Turkey. In the end, it will be a guiding light to all concerned about biorefineries. The study begins with detailed literature research about biorefineries. According to literature studies, organosolv pretreatment method was selected as a pretreatment method. Therefore, for designing and simulating IOBB, Aspen Plus V8.8 simulation software was used. In order to present IOBB approach, organosolv pretreatment, furfural production, acetic acid recovery, enzyme production, saccharification and fermentation, distillation, wastewater treatment, and cogeneration processes were designed and simulated to produce bioethanol, organosolv lignin, furfural, acetic acid, bioheat, and biopower. In Aspen Plus simulation software, two different case studies were simulated. The SOC from Bursa region was used as feedstock of Case Study 1 (CS-1). In Case Study 2 (CS-2), the mixture of SOC and IWS was selected as feedstock. According to simulation results, 1160 kg/h of bioethanol, 908 kg/h of organosolv lignin, 340 kg/h of furfural, 122 kg/h of acetic acid, 7495 kW of bioheat and 2139 kW of biopower were produced in CS-1, while the results were 1155 kg/h, 894 kg/h, 358 kg/h, 135 kg/h, 7223 kW, 2064 kW in CS-2, respectively. Aspen Plus simulation software presents all material and energy balances for all streams. The results which were obtained from Aspen Plus, the Ecoinvent database, and literature, are used in SimaPo V8.1.1.16 LCA software to determine the environmental impacts of biorefineries. Goal and scope definition, system boundaries, Life Cycle Inventory (LCI) have been defined. Energy based allocation method and attributional LCA are selected in the LCA study. System boundary covers from feedstock transportation to end of production for 1 ton of dry feedstock. Based on the literature studies, ReCiPe midpoint method and endpoint methods were selected to determine environmental impacts. According to LCA results, the highest impacts for CS-1 and CS-3 which is found in the literature is occurred from organosolv pretreatment and for CS-2 are occurred from the cogeneration process. To compare case studies, while CS-2 has the highest impact on human health, CS-3 has the highest impact on the ecosystem and resources categories. Aspen Plus simulation software and LCA results allow an overview to IOBB and provide to make technological improvements. These improvements enable the reduction of environmental impacts. Therefore, the eco-design approach is adopted. According to results organosolv pretreatment and cogeneration processes have major impacts on the environment and the modifications to reduce water and electricity consumption, and more efficient dryer selection on organosolv pretreatment process and reduce the water content in combusted feedstock, greener oven selection, and effective heat transfer between the reactor and air on the cogeneration process will reduce environmental impacts. This modification introduces the eco-design approach of IOBB and provides IOBB green technology and low carbon economy.