Environmental Assessment of Green Chemicals - LCA of Bio-Based Chemicals Produced Using Biocatalysis

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Alla kemikalier vi använder oss av och utsätter oss för påverkar både oss och den omvärld vi lever i. Under hela sin livscykel har de en påverkan på miljön, från de att man utvinner råmaterialen, när de tillverkas och när vi använder dem. Till och med efter att vi använt dem har kemikalierna en påverkan på miljön. Det gäller både schampot som följer med duschvattnet ut i avloppet, plastpåsen vi kastar i soptunnan, eller avgaserna från bilen när vi kör till jobbet. I den här avhandlingen har jag tittat på kemikaliers miljöpåverkan under hela sin livscykel. Som verktyg har jag använt mig av livscykelanalys, en metod utvecklad för att beräkna en produkts totala miljöpåverkan under hela sin livscykel. Då beräknar man vilken miljöpåverkan som kan kopplas till kemikalien, från produktionen av råmaterial, tillverkningsprocessen, användningen och slutligen från kvittblivningen. I vårt samhälle har mycket arbete gjorts för att skapa en ”renare” värld. Man försöker byta från fossila bränslen och råvaror till förnyelsebara, till exempel etanol för att driva våra bilar eller plastpåsar tillverkade av jordbruksgrödor, till exempel majs. Inom kemiindustrin försöker man utveckla miljöanpassade processer där mindre energi, mindre lösningsmedel och toxiska material behövs. Ett koncept är ”industriell bioteknik” där man använder sig av biokatalytiska processer, processer där enzym katalyserar de kemiska reaktionerna. Enzym är selektiva och fungerar vid lägre temperaturer och tryck än vad som behövs vid konventionella kemiska processer och leder därmed till både energibesparingar och minskat behov av råmaterial. Det arbete som presenteras i den här avhandlingen fokuserar på just användningen av förnyelsebar råvara och på användandet av biokatalys. Genom att göra livscykelanalyser på olika kemikalier och kemiska processer har jag försökt identifiera de parametrar som bidrar mycket till den totala miljöpåverkan. Genom att identifiera dessa kan konkreta råd ges för hur kemikalier kan produceras med mindre miljöpåverkan än idag. Under arbetets gång gjordes en indelning i bulkkemikalier samt finkemikalier och läkemedel. Bulkkemikaler är kemikalier som tillverkas i stora kvantiteter till lågt pris, till exempel polymerer, medan finkemikalier och läkemedel är dyrare att tillverka och produceras bara i mindre volymer. Denna indelning gjordes då det visade sig att för de olika typerna av kemikalier fanns stora skillnader på var i livscykeln den största påverkan på miljön sker. För bulkkemikalier är det råmaterialproduktionen och för finkemikalier och läkemedel är det ofta själva tillverkningsprocessen som bidrar mest till den totala miljöpåverkan. För produktionen av förnyelsebar råvara från odlad mark har flera parametrar identifierats. Bland annat påverkar valet av gröda miljöprestandan. För att minska miljöpåverkan bör man satsa på grödor med hög areaeffektivitet, dvs. grödor som ger hög skörd per ytenhet. Användningen av gödsel är också en viktig faktor. Både tillverkning av mineralgödsel, men även användningen leder till utsläpp som påverkar vårt klimat negativt. Ett sätt att minska denna påverkan är att införa rening av utsläppen vid tillverkningen samt att effektivisera gödslingen av åkermarken. Även användningen av de restprodukter som fås vid odling påverkar kemikaliens miljöprestanda. Ett exempel är det rapsmjöl som fås när man pressar rapsfrö får att få ut den önskade rapsoljan. Rapsmjöl kan användas för att ersätta importerat sojaprotein, som idag används som djurfoder. Slutligen påverkar också valet av odlingsmark vårt klimat. Om man odlar på mark som innehåller mycket kol leder detta till utsläpp från marken i form av koldioxid, en växthusgas som påverkar klimatet negativt. Även vid tillverkningsprocessen har flera olika parametrar identifierats. En viktig parameter är processens utbyte. Vid ett högt utbyte behövs mindre råmaterial vilket leder till att den totala miljöpåverkan från produktionen av råmaterial minskar. Ett högt utbyte leder även till att mindre avfall bildas vid processen. En annan viktig aspekt är hur mycket energi som åtgår för att driva själva processen samt vilken energikälla man använder sig av, till exempel träflis eller fossilt kol. Även användningen av lösningsmedel och av toxiska material har stor påverkan på processens miljöprestanda. Ett sätt att minska den är att byta från organiska lösningsmedel till lösningsmedel med bättre miljöegenskaper, eller om det går, helt sluta använda lösningsmedel. Resultaten som presenteras i denna avhandling kan också användas för att underlätta genomförandet av livscykelanalyser i framtiden. Kemiindustrin har uttryckt en önskan om utvecklandet av en modell som kan användas för att utvärdera olika alternativ på ett tidigt stadium i utvecklingsprocessen av nya kemikalier och kemiska processer. På ett tidigt stadium finns ofta ett stort antal alternativ att tillgå och då behövs en enkel metod för att utvärdera dessa miljömässigt och minska antalet tillgängliga alternativ. Min förhoppning är att resultatet i denna avhandling ska kunna användas för att utveckla en sådan modell och bidra till en mer hållbar kemiindustri i framtiden.