Σχεδιασμός και τεχνοοικονομική αξιολόγηση βιοδιϋλιστηρίου για την παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων και προϊόντων προστιθέμενης αξίας

Abstract

Τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια για την αντικατάσταση των συμβατικών πρώτων υλών που προέρχονται απ’ τη βιομηχανία πετρελαίου με βιοπαραγώμενα υλικά. Μέσω των βιοδιϋλιστήριων, ολοκληρωμένων δηλαδή μονάδων παραγωγής βιοτεχνολογικών προϊόντων, επιχειρείται σταδιακά η αντικατάσταση των συμβατικών διϋλιστήριων πετρελαίου με σκοπό την χρήση πρώτων υλών που προέρχονται από καλλιέργειες ή βιομηχανικά υπολείμματα. Πολλά απ’ αυτά τα υπολείμματα προέρχονται απ’ τις βιομηχανίες τροφίμων και ένα απ’ τα σημαντικότερα σε καθημερινή μεγάλη παραγωγή αποτελεί το τυρόγαλα που συνιστά παραπροϊόν της παραγωγής τυριού. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της αποτελεσματικής αξιοποίησης του συγκεκριμένου προϊόντος ώστε να χρησιμοποιηθεί για τη παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων και άλλων προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Στη παρούσα μελέτη, αρχικά γίνεται μια πρώτη εισαγωγή στο τυρόγαλα και σε ορισμένα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του και εν συνεχεία γίνεται συλλογή δεδομένων για το σχεδιασμό ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου με πρώτη ύλη το τυρόγαλα για παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων και λοιπών προϊόντων όπως πρωτεΐνες. Ακολούθως αναπτύσσεται η θεωρία για τον προγραμματισμό του συστήματος παραγωγής ενώ γίνεται εκτενής αναφορά στη διεργασία της εξάτμισης όπου μελετήθηκε μέσω υπολογιστικών εργαλείων (GAMS, EXCEL) το κόστος με το οποίο είναι δυνατή η συμπύκνωση διαθέσιμων ποσοτήτων στη μονάδα μας. Κατόπιν, γίνεται αναλυτικά ο σχεδιασμός του βιοδιυλιστηρίου στο πρόγραμμα του ΜΑTLAB και ταυτόχρονα πραγματοποιείται τεχνοοικονομική μελέτη ώστε να εκτιμηθεί το όλο εγχείρημα. Με βάση τις παραπάνω ενέργειες, γίνεται προσπάθεια να αξιολογηθεί το συνολικό κόστος παραγωγής των λιπιδίων και των πρωτεϊνών ανά kg που παράγονται ξεχωριστά. Με μηδενική τιμή αγοράς γλυκόζης (δεδομένου ότι αξιοποιούνται ρεύματα αποβλήτων) έχει παρατηρηθεί ότι το κόστος παραγωγής μικροβιακών λιπιδίων για 10000 t/y κυμαίνεται στα 3,4$/kg ενώ η τιμή παραγωγής ή και πώλησης των πρωτεϊνών έχει αρκετές διακυμάνσεις αναλόγως την καθαρότητα του τελικού προϊόντος. Έτσι λοιπόν, αποτυπώνεται το συμφέρον ή όχι της παραγωγής των συγκεκριμένων προϊόντων ενώ στο τέλος αναφέρονται σύντομα συμπεράσματα και μελλοντικές δυνατότητες που απορρέουν απ’ τη συγκεκριμένη μελέτη, παρατηρώντας ότι παραγωγή των πρωτεϊνών αποτελεί μια συμφέρουσα παραγωγική διαδικασία σε σχέση πάντα με την εμπορική αξία τους, σε αντίθεση με την παραγωγή των λιπιδίων.

The recent years efforts are done in order to replace conventional raw materials that come from petrochemical industry with bioproduced materials. Through biorefineries, integrated production units for producing biotechnological products, it is gradually attempted the replacement of conventional oil refineries with greater purpose the use of raw materials derived from crops or industrial wastes. Many of these residues come from the food industry, and one of the most important of those, that is produced in vast amounts, is cheese whey, a cheese production by-product. The scope of this master thesis is the study of the efficient valorisation of cheese whey in order to produce microbial lipids and other high value added products. In this study, initially, after mentioning some introductory elements about cheese whey and some of its physicochemical characteristics, it is shortly described the study where the necessary data is collected for the design of the biorefinery by using cheese whey as a raw material in order to produce lipids and other valuable products like proteins. Subsequently, it is developed the theory of planning the production system and at the same time it is briefly analyzed the evaporation process through which, and by using computational tools (GAMS, EXCEL) it is tried to condense specific amounts of the production unit. Finally, the design of the biorefinery is developed in MATLAB, accompanied with a technoeconomic study in order to evaluate the whole production process. Through the above actions, the evaluation of the total production cost per kg of lipids and proteins (separately) is attempted. With zero glucose purchased price (as the byproducts streams are already available) has been observed that the production cost of microbial lipids for 10000t/y, is 3,4$/kg and the production cost and minimum selling price of proteins is varied according the purity of the final product. So, after this evaluation and the results, it is captured the interest of production each of the products and afterwards are mentioned some conclusions and future potentials that issue from this study. The results show that the proteins production, from this study, is a profitable process, in contrast with lipids production process which is quite expensive.