Life cycle assessment of a new microcrystalline cellulose technology
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-05-21
Department
Major/Subject
Creative Sustainability in Materials and Chemical Engineering
Mcode
CHEM3056
Degree programme
Master's Programme in Creative Sustainability (CS)
Language
en
Pages
74 + 3
Series
Abstract
Climate change pressurizes to find new and more sustainable ways of producing and consuming. Bio-based products are important in this transition as they can replace fossil-based products in various applications. Microcrystalline cellulose (MCC) is one value-added product, which is conventionally produced with strong acid hydrolysis from wood pulp. It can replace many synthetic and less sustainable products in different applications, such as in pharmaceutical and in food sectors, fastening the transition to a sustainable economy. However, the traditional manufacturing process of MCC has several issues, such as usage of significant amounts of acid, operation with low consistency and lack of chemical recovery. AaltoCell™ is a new technology of producing MCC which has the potential to lower the environmental impacts caused by MCC production. In the AaltoCell™ technology, MCC is produced with weak acid hydrolysis at a high consistency, high temperature, and using short retention time, and the preliminary studies suggest that it has a lower global warming potential (GWP) than the traditional technology. Nordic Bioproducts Group (NBG) is launching the first ever AaltoCell™ technology-based MCC mill in Lappeenranta, and to compare the environmental impacts of the AaltoCell™ technology and traditional MCC production technology, a comparative cradle-to-gate Life Cycle Assessment (LCA) study was conducted focusing on the GWP impact category. The traditional technology-based MCC mills and products to be compared to the AaltoCell™-process were based on literature, public documents, calculations, and assumptions. The results showed that the AaltoCell™ technology has a lower GWP than the traditional technologies. The GWP value of the AaltoCell™ process (434.6 kg CO2 eq/tonMCC) was 72% smaller than in the second lowest case, which was USA (1566.6 kg CO2 eq/tonMCC). In addition, in almost all other impact categories, the values of the AaltoCell™ process were the lowest. The main difference in GWP between the AaltoCell™ process and the other cases was the use of different raw material/pulp. Especially the use of sulfite pulp increased the GWP significantly. Other factors that resulted in the AaltoCell™ process having the lowest GWP, were usage of renewable electricity in drying instead of natural gas, utilizing renewable electricity in the whole process and having a short transportation distance for the pulp. Acid and water use, and neutralization had only a small impact to GWP. It is important to note that the results from the Lappeenranta mill utilizing AaltoCell™ technology were considered to be accurate because they were provided by NBG. However, as the traditional technologies were based on literature, public documents, calculations, and assumptions, they cause uncertainty in the results. Other companies and mills were contacted to provide information about their processes and LCA calculations, but none provided further details.Ilmastonmuutos paineistaa meitä löytämään uusia ja kestävämpiä tapoja tuottaa ja kuluttaa. Biopohjaiset tuotteet ovat tärkeä osa tätä siirtymää, koska ne voivat korvata fossiilipohjaisia tuotteita erilaisissa sovelluksissa. Mikrokiteinen selluloosa (MCC) on yksi lisäarvoa tuova tuote, jota valmistetaan perinteisesti vahvalla happohydrolyysillä puusellusta. Se voi korvata monia synteettisiä ja vähemmän kestäviä tuotteita erilaisissa sovelluksissa, kuten lääke- ja elintarviketeollisuudessa, nopeuttaen siirtymistä kestävään talouteen. MCC:n perinteisessä valmistusprosessissa on kuitenkin useita ongelmia, kuten suurien happomäärien käyttö, toiminta alhaisella sakeudella ja kemikaalien talteenoton puute. AaltoCell™ on uusi MCC:n valmistusteknologia, jolla on potentiaalia vähentää MCC:n tuotannon aiheuttamia ympäristövaikutuksia. AaltoCell™-teknologiassa MCC valmistetaan heikolla happohydrolyysillä korkeassa sakeudessa, korkeassa lämpötilassa ja lyhyellä retentioajalla, ja alustavien tutkimusten mukaan sillä on alhaisempi ilmaston lämpenemispotentiaali (GWP) kuin perinteisellä teknologialla. Nordic Bioproducts Group (NBG) lanseeraa kaikkien aikojen ensimmäisen AaltoCell™-teknologiaan perustuvan MCCtehtaan Lappeenrantaan, ja AaltoCell™-teknologian ja perinteisen MCC:n valmistusteknologian ympäristövaikutusten vertaamiseksi, tehtiin vertaileva elinkaariarviointi-tutkimus kehdosta portille (cradle-to-gate) keskittyen GWP-vaikutusluokkaan. AaltoCell™-prosessiin vertailtavat perinteisiin teknologioihin perustuvat MCC-tehtaat pohjautuivat kirjallisuuteen, julkisiin asiakirjoihin, laskelmiin ja oletuksiin. Tulokset osoittivat, että AaltoCell™-teknologiaan perustuvalla Lappeenrannan tehtaalla on pienempi GWP kuin perinteisillä teknologioilla. AaltoCell™-prosessin GWP-arvo (434,6 kg CO2 ekv/tonMCC) oli 72 % pienempi kuin USA:lla (1566,6 kg CO2 ekv/tonMCC), jolla oli toiseksi alhaisin GWP-arvo. Lisäksi lähes kaikissa muissa vaikutusluokissa AaltoCell™-prosessin arvot olivat alhaisimmat. Suurin ero GWP:ssä AaltoCell™-prosessin ja muiden tapausten välillä oli erilaisen raaka-aineen eli sellun käyttäminen. Erityisesti sulfiittisellun käyttäminen nosti GWP:tä merkittävästi. Muita tekijöitä, jotka tekivät AaltoCell™-prosessin GWP:stä alhaisimman, olivat uusiutuvan sähkön käyttäminen kuivauksessa maakaasun sijaan, uusiutuvan sähkön hyödyntäminen koko prosessissa ja sellun lyhyt kuljetusetäisyys. Hapon ja veden käytöllä sekä neutraloinnilla oli vain pieni vaikutus GWP:hen. On tärkeää huomata, että AaltoCell™-prosessin tuloksia pidettiin tarkkoina, koska tehtaan tiedot saatiin suoraan NBG:ltä. Perinteiset teknologiat perustuivat kuitenkin kirjallisuuteen, julkisiin asiakirjoihin, laskelmiin ja oletuksiin, jotka aiheuttavat epävarmuutta tuloksiin. Muihin yrityksiin ja tehtaisiin otettiin yhteyttä saadakseen tietoja heidän prosesseistaan ja LCA-laskelmistaan, mutta yksikään tehdas ei antanut lisätietoja.Description
Supervisor
Hughes, MarkThesis advisor
Vanhatalo, KariKeywords
AaltoCellTM, microcrystalline cellulose, MCC, life cycle assessment, LCA, global warming potential