Biochemikalia i gospodarka o obiegu zamkniętym: optymalizacja łańcucha wartości bioproduktów

Kluczowym elementemgospodarki o obiegu zamkniętym stała się produkcja biochemikaliów z odnawialnych surowców, takich jak biomasa, pozostałości organiczne i odpady. Umożliwiła ona odejście od surowców kopalnych i wprowadzenie rozwiązań biotechnologii w odniesieniu do paliw, materiałów i chemikaliów specjalistycznych. Jako chemikalia platformowe, substancje biochemiczne takie jak kwasy tłuszczowe, aminokwasy i kwasy nukleinowe, a także cząsteczki złożone i związki wielkocząsteczkowe, są wykorzystywane do produkcji paliw, polimerów i specjalistycznych substancji chemicznych.

Pilna potrzeba optymalizacji łańcucha wartości bioproduktów wynika zarówno z potrzeby zwiększenia produkcji, jak i wpływu na gospodarkę światową. Wartość światowego rynku biochemikaliów w 2025 r. oszacowano na około 88–90 mld USD. Przewiduje się, że do 2035 r. wzrośnie ona ponad dwukrotnie, a roczna stopa wzrostu wyniesie 7–10%.

Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (MAE), produkcja chemikaliów odpowiada za około 935 milionów ton bezpośredniej emisji CO₂ rocznie. Dlatego ​​jest to jeden z sektorów, w których najtrudniej jest zredukować emisję dwutlenku węgla. Bez szerszego wykorzystania biochemikaliów i innych przyjaznych dla klimatu alternatywnych źródeł energii, emisje przemysłu chemicznego i petrochemicznego mogą osiągnąć prawie 2,8 miliarda ton ekwiwalentu CO₂ do 2030 r., co oznacza wzrost o prawie 50% w porównaniu z 2010 r. – przy założeniu kontynuacji dotychczasowej działalności.

Rozwiązaniem jest zwiększenie udziału produkcji substancji biochemicznych. Środowiskowa ocena cyklu życia wykazuje, że produkty pochodzenia biologicznego mogą zmniejszyć ślad węglowy o około 45%, w porównaniu z alternatywnymi produktami wytwarzanymi z surowców kopalnych. Wyniki różnią się w zależności od surowca, konfiguracji procesu i skali. To oznacza, że produkcja biochemikaliów staje się głównym czynnikiem zmniejszającym ślad węglowy przemysłu chemicznego, a jednocześnie promuje modele gospodarki o obiegu zamkniętym.

Globalna polityka aktywnie wspiera te zmiany. Cele klimatyczne państw azjatyckich, są w coraz większym stopniu powiązane z dekarbonizacją przemysłu i efektywnym gospodarowaniem zasobami. Chiny zamierzają osiągnąć neutralność emisyjną do 2060 roku , podczas, gdy Japonia i Korea Południowa chcą osiągnąć ten cel do 2050 r. Strategie poszczególnych państw wspierają tę politykę, poprzez wykorzystanie materiałów pochodzenia biologicznego, zaawansowanych biopaliw oraz wdrażanie produkcji opartej na obiegu zamkniętym. Wszystko to ma na celu zmniejszenie zależności od surowców kopalnych.

W Ameryce Łacińskiej, brazylijski program RenovaBio określa krajowe dążenia w zakresie dekarbonizacji dla sektora paliwowego. Biopaliwa są certyfikowane na podstawie ich wpływu na emisję gazów cieplarnianych, w całym cyklu życia, a ich producenci zobowiązani są do wykupienia kredytów dekarbonizacyjnych (CBIO) powiązanych ze zweryfikowaną redukcją emisji.

W Stanach Zjednoczonych, ustawa o redukcji inflacji (ang. Inflation Reduction Act) wspiera produkcję biopaliw, oferując specjalne ulgi podatkowe tym producentom, których paliwa charakteryzują się niską emisją gazów cieplarnianych w całym cyklu życia.

W Unii Europejskiej, dyrektywa w sprawie odnawialnych źródeł energii (RED III) ustanowiła wiążący cel, jakim jest osiągnięcie co najmniej 42,5% udziału energii odnawialnej do 2030 r., ze szczególnym naciskiem na paliwa transportowe, przemysł i zaawansowane procesy biotechnologiczne. Państwa członkowskiemuszą osiągnąć 29-procentowy udział energii odnawialnej w transporcie, albo zmniejszyć intensywność emisji gazów cieplarnianych o 14,5% , co będzie miało bezpośredni wpływ na produkcję biopaliw i chemikaliów z odnawialnych surowców oraz łańcuchy dostaw biochemikaliów. Te wymagania są dodatkowo rozszerzone o kryteria zrównoważonego rozwoju, systemy certyfikacji oraz obowiązki w zakresie sprawozdawczości dotyczącej cyklu życia, które gwarantują potwierdzoną redukcję emisji dwutlenku węgla w całym łańcuchu wartości.

Biomateriały pełnią rolę podstawowych "prefabrykatów" dla szerokiej gamy produktów pochodzenia biologicznego, które są już obecne na światowych rynkach energii i materiałów. Dzięki nim stało się możliwe przetwarzanie surowców odnawialnych na produkty końcowe o różnych właściwościach, w zależności od przebiegu procesu i wymagań danego zastosowania. W gospodarce o obiegu zamkniętym, stanowią one podstawę łańcucha wartości bioproduktów .

Przemysł chemiczny odpowiada za około 10% globalnej przemysłowej emisji CO₂ , więc w procesie przejścia na zwiększenie wykorzystania surowców pochodzenia biologicznego, coraz większy nacisk kładzie się na sposób wprowadzania materiałów odnawialnych do instalacji produkcyjnych. Bioprocesy pozwalają zdekarbonizować przemysłowe łańcuchy wartości, wykorzystując surowce pochodzenia biologicznego, zamiast polegać na ciągłym dopływie paliw kopalnych.

W tych procesach, kluczową role odgrywają substancje biochemiczne, które można wprowadzić do produkcji szerokiej gamy paliw i półproduktów, wykorzystywanych na późniejszych etapach. To w oczywisty sposób sprzyja bardziej odpowiedzialnej i przyjaznej dla klimatu produkcji.

W produkcji opartej na materiałach pochodzenia biologicznego, surowce odnawialne są przetwarzane na półprodukty, które mogą służyć do wytworzenia wielu różnych gotowych wyrobów. Co więcej, można je wykorzystywać wielokrotnie. Takie podejście pomaga "zamknąć obieg węgla", poprzez ponowne wykorzystanie materiałów na kolejnych etapach procesu i w kolejnych zastosowaniach, a także poprawia ogólną wydajność procesu i przyczynia się do zmniejszenia emisji w całym cyklu życia.

W praktyce można to osiągnąć poprzez połączenie fermentacji, ukierunkowanej przemiany chemicznej oraz dalszego przetwarzania. W procesie fermentacji, biomasa lub odpady organiczne są przekształcane w półprodukty, które następnie, w odpowiednich procesach chemicznych są przerabiane pod kątem konkretnych zastosowań, oraz oddzielane i oczyszczane. Połączenie tych procesów pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów, a jednocześnie jeszcze bardziej zmniejsza negatywny wpływ na środowisko.

Substancje biochemiczne umożliwiają efektywne wykorzystanie odpadów i pozostałości w łańcuchach wartości w przemyśle chemicznym. Jednak przetwarzanie odpadów rolniczych lub odpadów organicznych na wartościowe surowce wiąże się ze znacznym stopniem złożoności procesów. Zarządzanie zmiennością surowców ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania wydajności procesu i uniknięcia strat.

Skład odpadów może być bardzo zróżnicowany. Aby takie odpady przekształcić w produkty przemysłowe o wysokiej czystości, konieczna jest staranna kontrola i precyzyjne przetwarzanie.

Wykorzystanie chemikaliów platformowych umożliwia producentom wytwarzanie różnych produktów końcowych w ramach tego samego procesu biochemicznego. Pojedynczy produkt pośredni, taki jak kwas bursztynowy lub kwasy tłuszczowe, można skierować do produkcji paliw, rozpuszczalników lub polimerów, w zależności od aktualnych potrzeb rynku.

Taka elastyczność pozwala firmom dostosowywać produkcję, bez konieczności zmiany podstawowych procesów. Przy wykorzystaniu tych samych zasobów, można przechodzić od produkcji paliw na dużą skalę do wytwarzania specjalistycznych chemikaliów o wyższej wartości. W rezultacie, produkcja jest mniej zależna od jednego rynku i potrafi lepiej zareagować na zmieniający się popyt.

Nie można oceniać wpływu produkcji biochemikaliów na środowisko, biorąc pod uwagę tylko wyodrębnione przypadki udoskonalonych procesów. Środowiskowa ocena cyklu życia (ang. life cycle assessment, LCA) to uporządkowany sposób ilościowego określania emisji oraz zużycia energii i zasobów w całym łańcuchu wartości – od pozyskiwania surowców po końcową produkcję.

Rozpatrując cały łańcuch wartości, środowiskowa ocena cyklu życia pomaga określić miejsca, w których produkcja biochemikaliów ma wymierny wpływ, a także w spójny sposób porównywać technologie oparte na surowcach biologicznych i paliwach kopalnych. W przypadku zastosowania bioproduktów w całym łańcuchu, środowiskowa ocena cyklu życia pomaga w podejmowaniu świadomych decyzji, zachowaniu zgodności z przepisami i raportowaniu dotyczącym zrównoważonego rozwoju w produkcji biochemicznej.

Biodiesel powstaje z biochemikaliów pozyskiwanych z olejów roślinnych, olejów odpadowych, tłuszczów zwierzęcych i pozostałości, takich jak produkty uboczne przemysłu drzewnego lub procesów oleochemicznych. Można go używać w konwencjonalnych silnikach Diesla, jako samodzielne paliwo lub, jako mieszankę z tradycyjnym olejem napędowym. Produkcja biodiesla opiera się zazwyczaj na reakcjach transestryfikacji, które przekształcają tłuszcze i oleje bogate w kwasy tłuszczowe w użyteczne składniki paliwa.

Jako odnawialne paliwo transportowe, biodiesel przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych w całym cyklu życia i wspiera zgodność z przepisami ukierunkowanymi na obniżenie intensywności emisji dwutlenku węgla w sektorze transportu.

Bioetanol powstaje w wyniku fermentacji cukru, skrobi lub surowców lignocelulozowych. Jest szeroko stosowany jako domieszka benzyny w infrastrukturach dystrybucji paliw wielu krajów. Zastępując częściowo składniki pochodzenia kopalnego, bioetanol w paliwie pomaga zmniejszyć ogólną emisję zanieczyszczeń związanych z transportem drogowym i poprawia udział odnawialnych źródeł energii w zużyciu paliw płynnych.

Poliaktyd (PLA) jest polimerem biodegradowalnym otrzymywanym z surowców naturalnych, takich jak skrobia kukurydziana lub trzcina cukrowa. Powstaje w wyniku przetwarzania biochemicznego półproduktu (kwasu mlekowego) uzyskanego w drodze fermentacji.

PLA jest najczęściej wykorzystywany do produkcji:

• opakowań,
• tekstyliów/włókien,
• dóbr konsumpcyjnych,
• filamentów do druku 3D.
• Wybrane zastosowania w przemyśle

Chociaż biochemikalia pomagają w produkcji paliw i materiałów o niższej zawartości węgla, ich wpływ na środowisko i ekonomię zależy od wydajności produkcji na dużą skalę. Przetwarzanie odnawialnych surowców w produkty o wysokiej czystości wymaga stabilnych i wieloetapowych procesów, w tym takich jak: przygotowanie surowca, konwersja biochemiczna lub katalityczna oraz dalsze oczyszczanie.

W miarę zwiększania skali produkcji, nawet niewielkie wahania właściwości surowca lub parametrów procesu mogą zmniejszyć wydajność konwersji i wpłynąć na jakość produktu. Precyzyjne pomiary temperatury, pH, czy bilansu składników odżywczych, mają zatem ogromne znaczenie dla niezawodnej produkcji na dużą skalę.

Przyrządy do pomiaru w bioreaktorach i technologie analityczne zastosowane bezpośrednio w procesie dostarczają dane procesowe w czasie rzeczywistym, co pozwala na monitorowanie reakcji biochemicznych, wykrywanie odchyleń na wczesnym etapie i odpowiednie dostosowanie warunków procesu. Ciągła widoczność przebiegu procesu pomaga ograniczyć jego zmienność, poprawić wydajność konwersji i zapewnić stabilną produkcję na dużą skalę.

Odpowiednia kontrola procesu może ograniczyć straty surowców, obniżyć zapotrzebowanie na energię i zminimalizować produkcję niezgodną ze specyfikacją, a jednocześnie pomagać w przestrzeganiu przepisów i zgodności z zasadami zrównoważonego rozwoju. Zatem, niezawodna aparatura kontrolno-pomiarowa odgrywa ważną rolę w efektywnym zwiększaniu skali produkcji biochemikaliów i umożliwia wybór bardziej odpornych modeli produkcji o obiegu zamkniętym.

Przejście na produkcję o obiegu zamkniętym rodzi ważne pytania dotyczące zachowania się surowców odnawialnych w instalacjach produkcji przemysłowej. Poniższe odpowiedzi dotyczą typowych problemów związanych ze stabilnością procesu, zmiennością surowców i produkcją biochemikaliów na dużą skalę.