Resumen de A holistic framework to guide decision-making in the valorisation of biorefinery side-streams from a circularity and sustainability point of view
- español
Esta tesis se enfoca en mejorar la toma de decisiones de la industria sobre el diseño y la escalabilidad de procesos para valorizar efluentes dentro del contexto de la bioeconomía circular y la sostenibilidad.
Se centra en la industria de biocombustibles y busca identificar el efluente más prometedor entre el aceite de maíz y la vinaza de la producción de bioetanol, y la harina de colza de la producción de biodiesel. Además, se busca seleccionar el proceso de valorización adecuado y configurar una biorrefinería en cascada para implementar dicho proceso. Envien Group, un importante productor de biocombustibles en Europa Oriental, ha sido utilizado como caso de estudio.
Tras revisar el estado actual de los enfoques para evaluar la circularidad, se observó una falta de soluciones adecuadas para respaldar la toma de decisiones. Por lo tanto, se desarrolló un nuevo marco de evaluación de circularidad y sostenibilidad basado en tres niveles. Este marco utiliza un enfoque de Análisis de Decisión Multicriterio, combinado con el Método Battelle, adaptándose incrementalmente a las diferentes etapas del desarrollo tecnológico. El Nivel 1 se centra en la caracterización de los efluentes y revisa la literatura existente sobre su disponibilidad, mientras que los Niveles 2 y 3 utilizan datos recopilados a escala de laboratorio y piloto, respectivamente. Este marco integra tanto información cualitativa como cuantitativa, proveniente del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y de la evaluación tecnoeconómica, junto con detalles específicos del proceso y de la empresa.
A partir de los resultados del primer nivel, la vinaza procedente de la producción de bioetanol fue excluida debido a su alto contenido de agua y menor concentración de compuestos valiosos junto con una menor disponibilidad a futuro. Para los subproductos restantes (aceite de maíz y harina de colza) se estudiaron a escala de laboratorio diferentes procesos de valorización. En el segundo nivel, se examinaron siete escenarios de valorización para la harina de colza y cinco para el aceite de maíz, usando el Índice de Potencial de Sostenibilidad (SPI por sus siglas en inglés) como métrica de comparación. El SPI (basado en aspectos técnicos, ambientales y económicos) permitió identificar la recuperación de proteínas de la harina de colza a través de la extracción alcalina como el escenario más sostenible para la escalabilidad en planta piloto. Posteriormente, utilizando datos de dicho ejercicio de escalado, el tercer nivel evaluó el Índice de Potencial de Circularidad y Sostenibilidad (CirSusPI por sus siglas en inglés) para escenarios que representaban diferentes configuraciones de planta así como precios de mercado para los productos resultantes del proceso de valorización estudiado. La métrica CirSusPI se calculó añadiendo a los aspectos anteriores del SPI los de circularidad y sociales, identificando la producción de torta seca de bajo contenido en proteína, aislado de proteína y concentrado de ácido sinápico (con este último al precio máximo) como el escenario más relevante para la implementación de una biorrefinería comercial.
Se realizó un análisis económico avanzado para explorar opciones financieras para la implementación comercial del diseño de biorrefinería seleccionado. Se consideraron dos esquemas financieros:
Subvención Pública y participación de un Fondo Público, además del capital propio de la empresa. El análisis sugiere que la inclusión de estos esquemas financieros motiva a los accionistas a desarrollar proyectos de mayor escala, lo que potencialmente aumenta los retornos de la inversión a largo plazo y reduce el riesgo operativo.
La principal novedad del trabajo realizado ha sido la oportunidad de tomar decisiones basadas en un enfoque holístico, considerando no sólo aspectos ambientales y económicos, sino también técnicos, sociales y de circularidad. De esta manera, el uso del marco desarrollado podría ser un paso relevante hacia el avance de la bioeconomía circular.
- English
This thesis addresses the gap in industry decision-making regarding technology design and scaling-up for valorising side-streams within the circular bioeconomy and sustainability frameworks, alongside technical considerations. Side-streams, typically underutilized as animal feed, present an opportunity for full biomass valorisation and the creation of high-value products. Focused on the biofuels industry, the investigation aims to identify the most promising side-stream among corn oil, thin stillage from bioethanol, and rapeseed meal from biodiesel production, considering valuable compound recovery and optimal valorisation processes within a cascading biorefinery configuration. Envien Group, a prominent biofuels producer in Central Eastern Europe, serves as a case study for this research.
After a review of the state-of-the-art regarding circularity assessment approaches, the absence of a suitable solution was identified. Consequently, a novel 3-Tier assessment framework, incorporating circularity, sustainability and technical aspects, was developed. This framework employs a MultiCriteria Decision Analysis approach with a Battelle Method dimension and operates incrementally to accommodate varying stages of technology development. Tier 1 relies on side-streams characterization and literature, while Tiers 2 and 3 use lab and pilot scale data, respectively. The framework integrates qualitative and quantitative information from Life Cycle Assessment and Techno-Economic Analysis exercises together with details from the process and company.
From Tier 1 analysis, thin stillage was excluded due to high water content and lower concentration of valuable compounds, together with worse perspectives for future availability. The remaining side-streams (corn oil and rapeseed meal) underwent further lab scale study. Tier 2 examined seven valorisation scenarios for rapeseed meal and five for corn oil. The calculation of the Sustainability Potential Index (SPI) for each scenario (based on technical, environmental and economic aspects) allowed identifying protein recovery from rapeseed meal through alkaline extraction as the most sustainable scenario for scale-up at pilot plant. Then, using data from such scaling-up exercise, Tier 3 assessed the configuration of a biorefinery plant for that valorisation process implementation. The Circularity and Sustainability Potential Index (CirSusPI) was calculated for scenarios linked to different plant configurations and product market prices (adding to the previous aspects the circularity and social ones) identifying the production of three products (from the four potential products) with one at its maximum price as the most relevant scenario for further commercialisation.
As a final step, an advanced economic analysis was conducted in to support financial planning towards the commercial implementation of the selected biorefinery design. Two financial schemes (Investment Grant and participation of a Public Fund) were studied as additional capital sources to using just equity (company private own funds). The analysis suggested that incorporating these schemes into the financing plan incentivises shareholders to pursue larger-scale projects, potentially leading to higher returns in the long run and de-risking this kind of operation.
Briefly, this research introduces a comprehensive framework for decision-making regarding side-stream valorisation, incorporating circularity and sustainability considerations together with technical aspects. Main novelty of the carried-out work has been the opportunity of making decisions based on a holistic approach, considering not only environmental and economic aspects, but also technical, social and circularity ones. This way, the use of the developed framework could be a relevant step toward advancing the circular bioeconomy.
