Environmental Assessment of Green Chemicals - LCA of Bio-Based Chemicals Produced Using Biocatalysis

• It is of at most importance that society reduces its impact on the environment. In the chemical industry the use of renewable resources will play a fundamental role in the transition to more sustainable chemical products. Also industrial biotechnology, i.e. the use of enzymes to convert raw material into valuable chemicals at low temperatures, leads to more sustainable processes. The research presented in this thesis has been carried out within the research programme “Greenchem - Speciality Chemicals from Renewable Resources”, which aims at developing a sustainable technology for chemical products, primarily through the use of renewable resources and the use of industrial biotechnology. The overall objective of the work presented in this thesis was to examine the environmental performance of these new, green chemicals. The method for evaluation was life cycle assessment (LCA), which means that the entire environmental impact throughout the life cycle of a product or process is investigated. The result of the LCAs presented in this thesis indicates that the implementation of renewable raw materials and biocatalytic production processes is promising from a sustainability point-of-view. However, several key parameters with a big impact on the overall environmental performance of the chemicals have been identified. For the cultivation of biomass used as raw material the key parameters identified are, the type of biomass cultivated, nitrous oxide emissions from fertiliser production, biogenic nitrous oxide emissions from soil, carbon dioxide emissions from the use of fossil fuels, and carbon dioxide emissions due to land use change. For the production process the key parameters identified are, yield, process energy demand and the source of the primary energy, solvent use, and toxicity. Also differences were identified for different types of chemicals. For bulk chemicals the production of raw material tends to have a significant impact on the overall environmental performance, and thus energy demand and the contribution to climate change and eutrophication are important. For fine chemicals and pharmaceuticals on the other hand, the contribution to the overall environmental impact originates mainly from the production process, and for these chemicals the key parameters identified for the production process are therefore often more important, as are the impact categories, energy use and toxicity. The key parameters and the methodological concerns presented can be used to facilitate LCAs of emerging technologies in the future. For the chemical industry the development of easy-to-use methods for evaluating different production options at an early stage have been identified as important. At an early-planning stage often numerous options are available and then an adapted method to decrease the number of options, still giving a reliable result, is required. The results presented in this thesis can be used to develop such a model based on the identified key parameters presented here.

• Popular Abstract in Swedish Alla kemikalier vi använder oss av och utsätter oss för påverkar både oss och den omvärld vi lever i. Under hela sin livscykel har de en påverkan på miljön, från de att man utvinner råmaterialen, när de tillverkas och när vi använder dem. Till och med efter att vi använt dem har kemikalierna en påverkan på miljön. Det gäller både schampot som följer med duschvattnet ut i avloppet, plastpåsen vi kastar i soptunnan, eller avgaserna från bilen när vi kör till jobbet. I den här avhandlingen har jag tittat på kemikaliers miljöpåverkan under hela sin livscykel. Som verktyg har jag använt mig av livscykelanalys, en metod utvecklad för att beräkna en produkts totala miljöpåverkan under hela sin livscykel. Då beräknar man vilken miljöpåverkan som kan kopplas till kemikalien, från produktionen av råmaterial, tillverkningsprocessen, användningen och slutligen från kvittblivningen. I vårt samhälle har mycket arbete gjorts för att skapa en ”renare” värld. Man försöker byta från fossila bränslen och råvaror till förnyelsebara, till exempel etanol för att driva våra bilar eller plastpåsar tillverkade av jordbruksgrödor, till exempel majs. Inom kemiindustrin försöker man utveckla miljöanpassade processer där mindre energi, mindre lösningsmedel och toxiska material behövs. Ett koncept är ”industriell bioteknik” där man använder sig av biokatalytiska processer, processer där enzym katalyserar de kemiska reaktionerna. Enzym är selektiva och fungerar vid lägre temperaturer och tryck än vad som behövs vid konventionella kemiska processer och leder därmed till både energibesparingar och minskat behov av råmaterial. Det arbete som presenteras i den här avhandlingen fokuserar på just användningen av förnyelsebar råvara och på användandet av biokatalys. Genom att göra livscykelanalyser på olika kemikalier och kemiska processer har jag försökt identifiera de parametrar som bidrar mycket till den totala miljöpåverkan. Genom att identifiera dessa kan konkreta råd ges för hur kemikalier kan produceras med mindre miljöpåverkan än idag. Under arbetets gång gjordes en indelning i bulkkemikalier samt finkemikalier och läkemedel. Bulkkemikaler är kemikalier som tillverkas i stora kvantiteter till lågt pris, till exempel polymerer, medan finkemikalier och läkemedel är dyrare att tillverka och produceras bara i mindre volymer. Denna indelning gjordes då det visade sig att för de olika typerna av kemikalier fanns stora skillnader på var i livscykeln den största påverkan på miljön sker. För bulkkemikalier är det råmaterialproduktionen och för finkemikalier och läkemedel är det ofta själva tillverkningsprocessen som bidrar mest till den totala miljöpåverkan. För produktionen av förnyelsebar råvara från odlad mark har flera parametrar identifierats. Bland annat påverkar valet av gröda miljöprestandan. För att minska miljöpåverkan bör man satsa på grödor med hög areaeffektivitet, dvs. grödor som ger hög skörd per ytenhet. Användningen av gödsel är också en viktig faktor. Både tillverkning av mineralgödsel, men även användningen leder till utsläpp som påverkar vårt klimat negativt. Ett sätt att minska denna påverkan är att införa rening av utsläppen vid tillverkningen samt att effektivisera gödslingen av åkermarken. Även användningen av de restprodukter som fås vid odling påverkar kemikaliens miljöprestanda. Ett exempel är det rapsmjöl som fås när man pressar rapsfrö får att få ut den önskade rapsoljan. Rapsmjöl kan användas för att ersätta importerat sojaprotein, som idag används som djurfoder. Slutligen påverkar också valet av odlingsmark vårt klimat. Om man odlar på mark som innehåller mycket kol leder detta till utsläpp från marken i form av koldioxid, en växthusgas som påverkar klimatet negativt. Även vid tillverkningsprocessen har flera olika parametrar identifierats. En viktig parameter är processens utbyte. Vid ett högt utbyte behövs mindre råmaterial vilket leder till att den totala miljöpåverkan från produktionen av råmaterial minskar. Ett högt utbyte leder även till att mindre avfall bildas vid processen. En annan viktig aspekt är hur mycket energi som åtgår för att driva själva processen samt vilken energikälla man använder sig av, till exempel träflis eller fossilt kol. Även användningen av lösningsmedel och av toxiska material har stor påverkan på processens miljöprestanda. Ett sätt att minska den är att byta från organiska lösningsmedel till lösningsmedel med bättre miljöegenskaper, eller om det går, helt sluta använda lösningsmedel. Resultaten som presenteras i denna avhandling kan också användas för att underlätta genomförandet av livscykelanalyser i framtiden. Kemiindustrin har uttryckt en önskan om utvecklandet av en modell som kan användas för att utvärdera olika alternativ på ett tidigt stadium i utvecklingsprocessen av nya kemikalier och kemiska processer. På ett tidigt stadium finns ofta ett stort antal alternativ att tillgå och då behövs en enkel metod för att utvärdera dessa miljömässigt och minska antalet tillgängliga alternativ. Min förhoppning är att resultatet i denna avhandling ska kunna användas för att utveckla en sådan modell och bidra till en mer hållbar kemiindustri i framtiden.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Energisystem (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Energy Systems (hsv//eng)

Nyckelord

green chemicals

industrial biotechnology

Life cycle assessment

renewable resources

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)