Theoretical heat and electricity consumption of microalgae cultivation and downstream processing in an integrated biorefinery system

Abstract

A structural change in the forest industry has occurred in Finland, as a large proportion of pulp and paper production has been moved to other regions of the world, providing competitive manufacturing and resources. In order to stay competitive and viable, the industry should revise its business strategy with novel products and determine different approaches for complementing traditional production. One approach would be to use process integration, which is the core of Bio Refine Tech Project. One aim of this project is to utilise industrial secondary streams of heat, flue gas and waste water in algae production in order to produce ω-3 fatty acids.

This thesis is a part of Bio Refine Tech Project, and it aims to determine theoretical heat and electricity requirements in algae cultivation and downstream processing for biomass and oil production. The heat and electricity requirements are estimated based on data from literature and calculations using assumed process conditions. In addition, energy requirements of different unit operations are compared using four case studies with different process set-ups.

The excess heat available from a pulp and paper mill seems to be enough to produce algae biomass and oil in Finnish conditions during summer time, but not in winter. In addition, electricity costs (0,6 – 2,8 eur/kg biomass and 3,2 - 13,5 eur/kg oil) seem to remain below the product values, thus making the process seem profitable in terms of heat and electricity expenses in summer. However, these results give only an energy-based aspect and do not include other costs.

The most energy demanding unit-operations in algae processing appear to be cultivation in a photobioreactor (PBR) and pumping which cover the most heat and electricity consumptions, as the cultivation requires a large surface area and volume, and it occurs outside. In order to attain energy-based profitable algae manufacturing in Finnish climate conditions all year round, further research is needed on the cultivation set-up. For instance, a photobioreactor covered with a greenhouse would be one option.

Suomen metsäteollisuuden rakenne on muuttunut viimeisen kymmenen vuoden aikana, sillä suuri osa sellu- ja paperituotannosta on siirretty maihin, joilla on kilpailukykyisiä raaka-aineita, ja jotka pystyvät halvempaan tuotantoon. Jotta Suomen metsäteollisuus pysyisi kilpailukykyisenä, se tarvitsee uusia lähestymistapoja liiketoimintaansa sekä vaihtoehtoisia tuotteita täydentämään perinteistä tuotantoaan. Yksi lähestymistapa on prosessi-integraatio, joka on Bio Refine Tech -projektin perusta. Tämän projektin yksi tavoite on kasvattaa mikrolevää käyttäen teollisuuden lämpö-, savukaasu- ja jätevesisivuvirtoja, ja tuottaa ω-3 rasvahappoja elintarviketeollisuudelle.

Tämä työ on osa Bio Refine Tech -projektia, ja sen tavoitteena on määrittää mikrolevien kasvatukseen ja jatkokäsittelyyn kuluvaa sähkön ja lämmön osuutta, kun tuotetaan leväbiomassaa ja -öljyä. Sähkön ja lämmön kulutukset arvioidaan käyttäen kirjallisuuslähteitä sekä laskennallisesti käyttäen arvioituja prosessiolosuhteita. Lisäksi eri yksikköoperaatioiden energiankulutuksia vertaillaan neljässä eri tutkimustapauksessa, joissa on eri prosessilaitteistot.

Paperi- ja sellutehtaan ylijäämälämpö näyttää riittävän mikroleväbiomassan ja -öljyn tuotantoon Suomen olosuhteissa kesäaikaan, mutta ei talviaikaan. Lisäksi sähkön kustannukset (0,6 – 2,8 eur/kg biomassaa ja 3,2 - 13,5 eur/kg öljyä) näyttävät jäävän alle lopputuotteiden markkinahintojen. Prosessin voitaisiin täten arvioida olevan kannattava sähkön ja lämmön kulutuksen kannalta kesällä. Nämä tulokset tosin perustuvat energianäkökulmaan eivätkä sisällä muita kustannuksia.

Suurin osa lämmöstä ja sähköstä kuluvat levän kasvatukseen fotobioreaktorissa (Photobioreactor, PBR) ja nesteiden pumppaamiseen, koska leväkasvatus vaatii suuren pinta-alan ja tilavuuden ja tapahtuu ulkona. Jotta mikrolevän kasvatus olisi kannattavaa ympäri vuoden, lisätutkimusta tarvitaan ainakin kasvatuslaitteistosta. fotobioreaktorin voisi esimerkiksi sijoittaa kasvihuoneeseen.