Integration of a microalgae-utilizing biorefinery into a pulp and paper mill

Abstract

Traditional pulp and paper industry in Western countries is in transition phase due to increased costs and competition, decreased prices and changes in consumption habits. Biorefineries — factories that process biomass into variety of products — are seen as one way to extend the product portfolio and to open up new business opportunities. The main objective of this study is to present and evaluate a microalgae-utilizing biorefinery that is integrated into a traditional pulp and paper mill in order to produce high-value algal products, fertilizer and biogas. Microalgae has been considered because their biomass productivity is very high, valuable products can potentially be extracted out of the algae, they utilize carbon dioxide from the mill in their growth and they can utilize process waters as their growth medium. Initial data from a Scandinavian pulp and paper mill is used as a basis for calculations. Flows and product yields are estimated using mass balances and a program is written to do the computations. Calculation results indicate that the proposed process is technically viable, but verification of starting values is necessary in order to draw definite conclusions. Solubility of nitrogen after waste activated sludge digestion seems to be restricting algae production and thus feasibility of the proposed process: given values allow 0.53 kg/d ω-3 fatty acid, 2.8 t/d methane and 88 t/d fertilizer production from 30 t/d waste activated sludge and 87 t/d ash input, while more relaxed assumptions that are considered to reflect real situation better enable 190 kg/d ω-3 fatty acid, 4.0 t/d methane and 90 t/d fertilizer production. Further research is needed on the digestion process and algae growth properties. Also, sensitivity analysis, evaluation of different process options and economic assessment are required in order to find out an optimal configuration and estimate the economic feasibility.

Perinteinen länsimainen sellu- ja paperiteollisuus on muutostilassa suuremman kilpailun, lisääntyneiden kustannusten, madaltuneiden hintojen ja muuttuneiden kulutustottumusten vuoksi. Eräänä ratkaisuna ongelmaan tunnistetaan biojalostamot: tehtaat, jotka muokkaavat biomassaa moniksi tuotteiksi. Nämä voisivat osaltaan laajentaa tuotteiden kirjoa tehtaalla ja luoda uusia mahdollisuuksia yritystoiminnalle. Tämän tutkimuksen päätavoite on esitellä sellu- ja paperitehtaaseen integroitava mikroleviä hyödyntävä biojalostamo sekä arvioida tuotteiden saantoja prosessissa. Esitelty biojalostamo tuottaa korkean jalostusarvon levävalmisteita, lannoitetta ja biokaasua. Prosessissa käytetään mikroleviä, koska niiden biomassan tuotanto on suuri ja arvokkaita tuotteita voidaan erottaa massasta; lisäksi levät hyödyntävät tehtaalta saatavaa hiilidioksidia ja prosessivesiä kasvussaan. Suoritetut laskutoimitukset perustuvat lähtötietoihin pohjoismaiselta sellu- ja paperitehtaalta. Massavirtoja ja tuotteiden saantoja arvioidaan massataseilla, joiden ratkaisemista varten on kirjoitettu tietokoneohjelma. Tulokset osoittavat, että esitetty prosessi on teknisesti toteutettavissa, mutta tarkempien johtopäätösten tekeminen edellyttää lähtötietojen varmistamista. Typen liukoisuus biolietteen mädätyksen jälkeen vaikuttaa rajoittavan leväntuotantoa ja samalla prosessin kannattavuutta: lähtötietojen perusteella prosessi voi tuottaa 0.53 kg/d ω-3 -rasvahappoja, 2.8 t/d metaania ja 88 t/d lannoitetta 30 t/d:sta biolietettä ja 90 t/d:sta tuhkaa, kun todenmukaisempana pidetyillä lähtöarvoilla saavutetaan 190 kg/d ω-3 -rasvahappojen, 4.0 t/d metaanin and 90 t/d lannoitteen tuotanto. Lisää tutkimusta tarvitaan mädätysprosessiin ja levien kasvuominaisuuksiin liittyen. Näiden lisäksi on tarkasteltava tulosten herkkyyttä, arvioitava eri prosessivaihtoehtoja ja tarkasteltava prosessia taloudelliselta kannalta, jotta voitaisiin löytää ihanteellinen prosessivaihtoehto ja laskea tämän taloudellinen kannattavuus.