• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 10. 2019 | Katrine Meyn

Konceptuelt design af biobaserede værdikæder – for en bæredygtig fremtid

Kemiteknik01. 10. 2019 By Katrine Meyn

En Process Systems Engineering-strategi, der faciliterer overgangen til en cirkulær økonomi.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 7, 2019 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Nikolaus I. Vollmer1, Krist V. Gernaey1, Solange I. Mussatto2 og Gürkan Sin1
1 Process and Systems Engineering Center (PROSYS), DTU Kemiteknik
2 Biomass Conversion and Bioprocess Technology Group, Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet

Verden står ved en skillevej, og antallet af studier, der bevidner dette, stiger dag for dag. I kølvandet på en voksende verdensbefolkning og stigende efterspørgsel på fødevarer, energi og forbrugsgoder, opstår problemer, der har en stor effekt på verdens klima. Dette udgør betydelige bæredygtighedsudfordringer for mange ressourcer. For at forebygge en forværring af denne situation, har FN udgivet deres “2030 Sustainable Development Agenda”, der udpeger 17 mål for en mere bæredygtig fremtid [1]. Blandt disse er det mål nr. 12 – ”ansvarlige forbrugs- og produktionsmønstre” – der særligt kræver, at verdens industrier tager ansvar og udvikler bæredygtige løsninger. Dette er tæt forbundet med begrebet ”cirkulær økonomi” og værdikædekonceptet.
Værdikæder er på en makroøkonomisk skala defineret som bindeleddene mellem produktet på den ene side og råvarerne, som bruges i produktionen af det endelige produkt, på den anden side. I de nuværende produktionsmønstre er disse værdikæder klassisk lineære, når det kommer til at bruge fossile ressourcer som råvarer til energi, brændstof og produkter som plastik. Dette skyldes, at et større slutprodukt af disse værdikæder er kuldioxid (CO2).
I modsætning til dette implementerer cirkulære værdikæder princippet ”den enes affald er den andens guld”. Ved at bruge spildstrømme og produkter fra andre industrielle sektorer som råvarer kan de respektive værdikæder blive cirkulære. I en bioøkonomisk kontekst, hvor man bruger rester fra landbrugs- og skovindustrier eller andre genanvendelige råvarer, bliver disse værdikæder ikke alene cirkulære, men også CO2-neutrale og dermed også bæredygtige. Ved at erstatte de nuværende kemiske produktionsprocesser med bioteknologiske alternativer kan de nuværende CO2-udledninger, der forårsages af industrien, blive reduceret dramatisk.

Når vi producerer forskellige produkter og energi fra en enkelt genanvendelig råvare, kan vi forøge bæredygtigheden af produktionsprocessen yderligere ved at maksimere procesintegration- og intensivering. Resultatet kaldes et integreret bioraffinaderi [2]. Procesintegration og procesintensivering bidrager betydeligt til adskillige af FN’s bæredygtighedsmål og kan derfor betragtes som essentielle for biobaserede værdikæder i en bæredygtig fremtid.
Selvom bæredygtighedspotentialet er tydeligt, er der adskillige økonomiske forhindringer: På det overordnede procesniveau er det mest prominente spørgsmål, hvilket design der skal realiseres i praksis. Dette involverer beslutninger om valg af cellefabrikker i den bioteknologiske proces, udformning af downstream-processerne og valg af den ofte dyre forbehandlingsproces. På procesanlægsniveauet bliver man også nødt til at gennemføre optimering af de anvendte processer, og dette bestemmer det endelige udvalg af produkter, som produceres ud fra råvarerne. Ydermere inkluderer dette driftsoptimering af selve processerne. På et globalt niveau skal der træffes beslutninger om valg af råvarer og de respektive markeder for råvarer og produkter. Dertil skal variation af råvaretilgængelighed og af slutprodukternes pris inkluderes i analysen. Kun ved at adressere alle disse spørgsmål, på de tre nævnte niveauer, vil de påkrævede værdikæder blive robuste og dermed økonomisk leve- og bæredygtige.

En systematisk designtilgang
Fra et Process Systems Engineering-perspektiv (PSE) kræver disse overvejelser en systematisk designtilgang. Dette kan opnås ved at anvende high-end PSE-koncepter sammen med viden fra bioprocesteknologi og cellefabriksdesign [3].
Initiativet ”Fermentation-based manufacturing” (FBM) på Danmarks Tekniske Universitet søger at kombinere de sidste to elementer for at bidrage synergistisk til en ny biobaseret økonomi [4]. PSE-tilgangen fremmer disse synergier på flere skalaer, og fremmer også interaktionen mellem skalaerne ved at foreslå egnede op- og nedskaleringsstrategier.
Denne tilgang er implementeret i et softwareværktøj i tre trin: procesdesign, procesoptimering og værdikædeoptimering. Den første systematiske softwareimplementering af disse trin er ækvivalent til en ”digital tvilling” af dette bioraffinaderi.

Procesdesigntrinnet resulterer i en optimal proces for en bestemt mængde råvarer og en mængde produkter. Til dette udvikles mekanistiske modeller for alle mulige procestrin baseret på tilgængelig viden om hvert procestrin. Disse procestrin inkluderer forbehandlingen, fermenteringen og adskillige downstream-operationer til at udskille produktet fra fermenteringsvæsken. Eftersom mekanistiske modeller kan blive temmelig komplekse, vil hver model blive konverteret til en datadreven tvilling, dvs. en surrogatmodel. Disse surrogatmodeller er baseret på Machine Learning-teknikker og kan let blive implementeret i en såkaldt superstruktur. Superstrukturen tillader simulering af alle teoretisk mulige kombinationer af enhedsoperationer for at finde den optimale konfiguration for processen. Derefter optimeres den med det mål at maksimere produktionen af de ønskede produkter.
Procesoptimeringstrinnet skal optimere processen, både på niveauet af den enkelte enhedsoperation og på anlægsniveau. På dette stadie er yderligere procestrin inkluderet for at tage højde for muligheden for at producere flere forskellige produkter fra én enkelt råvare. Det er en iterativ procedure, hvor procesdesign bliver evalueret for alle mulige proceskonfigurationer. Ydermere inkluderer optimeringen af processen også en videre integrering og intensivering af procesnetværket for at forbedre den overordnede ydelse af anlægget, der designes. Efterfølgende kan man udlede en strategi over, hvordan man skal drive og regulere denne proces. Fremtidig drift og regulering er vigtige faktorer, som skal tages i betragtning, inden man starter konstruktionen af det faktiske anlæg.
Værdikædeoptimeringstrinnet afslutter udviklingen af den digitale tvilling: Dette inkluderer muligheden for at undersøge brugen af forskellige råvarer, afhængig af hvor anlægget skal placeres. Derudover bliver fluktuerende markedspriser for både råvarer og produkter taget i betragtning. Optimering af hele værdikæden ved brug af robuste kriterier skaber en løsning, som er økonomisk holdbar selv under usikre driftsbetingelser.

Arbejdet med den digitale tvilling
Den komplette digitale tvilling tilbyder dermed udførelsen af scenarieanalyser. Med vurderingen af produktionen af et bestemt produkt for et bestemt marked, tilbydes der forslag og konklusioner om potentielt lovende forretningsstrategier for virksomheder, der kan fortælle en virksomhed, hvor de skal fokusere kernen af et bioraffinaderi for at opnå den mest effektive værdikæde, og hvilke der er de mulige markeder for råvarerne og produktet.
Ydermere kan usikkerheds- og sensitivitetsanalyse bidrage med information om kritiske procesparametre og facilitere op- og nedskalering af en mulig implementering. Opskalering er som regel det mest kritiske skridt i konstruktionen af et nyt anlæg, og derfor vil robuste strategier øge succesraten af den praktiske implementering af et bioraffinaderi. Dertil kan det tilføjes, at risikovurdering kan illustrere mulige ulemper ved den undersøgte løsning og foreslå yderligere pointer til overvejelse af det foreslåede koncept til et bioraffinaderi. Dette involverer yderligere iterationer gennem de forskellige udviklingstrin (procesdesign, procesoptimering, værdikædeoptimering) i takt med, at anlægget gentagne gange optimeres på procesdesignstadiet med øget robusthed. Afsluttende kan det nævnes, at omkostnings- og dimensioneringsberegninger af anlægsmateriale og -udstyr fuldender den økonomiske vurdering af scenariet.
Overordnet set har det udviklede softwareværktøj et lovende potentiale til konceptuelt design og studie af forskellige bæredygtige værdikæder. Således giver det pålidelig information til beslutningstagning i en tekno-økonomisk og derudover også politisk kontekst. Det præsenterede koncept forventes at kunne facilitere omstillingen til en cirkulær, biobaseret økonomi. Ved denne nye udvikling af ingeniør softwareværktøjer håber vi på at kunne promovere FN’s bæredygtighedsmål og bane vejen for en mere bæredygtig fremtid for os alle.

Referencer
1. https://sustainabledevelopment.un.org/about .
2. Mussatto, Dragone, in S. Mussatto (Ed.) Biomass Fractionation Technologies for a Lignocellulosic Feedstock Based Biorefinery, Elsevier, 2016, 1-22.
3. Gargalo et al., Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, Vol. 56 (41), 11870-11893.
4. http://www.fbm.dtu.dk.

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop23. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi17. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi09. 06. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I år fejrer man internt i IUPAC 20-året for offentliggørelsen af The Red Book (i det følgende blot "RB2005") med anbefalinger vedrørende

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    MRPC modtager “Innovation in Vacuum Busch Award”

  • DENIOS ApS

    Dette er, hvad der sker, når batterier bryder i brand

  • MD Scientific

    Ny generation af LENS MALS-detektorer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions præsenterer den intelligente TYR PLUS kapselblæser

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Laboranter er nysgerrige på ny teknik

  • DENIOS ApS

    Sådan udnytter du den stille periode i sommerferien

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sommer vedligeholdelsestips til din vakuumpumpe: 6 gode anbefalinger

  • DENIOS ApS

    Så er det sidste chance

  • DENIOS ApS

    Sikker tøndehåndtering starter her

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays Aarhus 2025 – SOLD OUT

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

  • Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

    09.06.2025

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik