MultiBio: Environmental services from a multipurpose biorefinery

Abstract

MultiBio project aimed to establish and demonstrate a novel multipurpose biorefinery cascade concept, producing three renewable biobased products: 1) biohydrogen, 2) biopolymers and 3) protein rich meal ingredients for fish farming. The cascade concept exploits the ability of a bacterium (Caldicellulosiruptor saccharolyticus) to transform nutrients present in low-value waste process waters of the pulp and paper industry, to high-value products hydrogen gas, organic acids and microbial biomass. The organic acid rich effluent will then be managed in an open culture microbial process used to achieve discharge water quality objectives and to produce polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers. Moreover, since C. saccharolyticus protein content is more than 63% of cell dry weight, their potential in formulation of fish feed was evaluated.  A fiber sludge containing, CTMP residual stream was found to be a possible feedstock for the MultiBio process concept. Due to safety risks the demo-scale experiments of biohydrogen gas technology were moved from Biorefinery demo plant (Örnsköldsvik) of 40 m3 capacity to ATEX classified pilot-scale facility with 0.4 m3 capacity. Hence, bacterial biomass enough for the large-scale fish feed ingredient could not be produced. Lab-scale experiments with Caldicellulosiruptor cells as fish feed ingredient showed promising results as a protein-rich, sustainable fish feed ingredient. In addition, PHA biopolymer also showed favourable results as fish food ingredient for experiments at Gårdsfisk AB. Lab-scale experimental tests showed that the surplus activated sludge from the mills wastewater treatment could currently accumulate PHA to about 20 % of its dry weight. Mass balance evaluations based on realistically achievable expectations indicated a PHA biopolymer production potential of 3 600 tons of PHA per year from available organic residuals and for the two evaluated mills combined.  The MultiBio concept has a positive climate impact in comparison with current treatment and moves developments in a positive direction to achieve 7 of the 10 Swedish environmental goals. Through a detailed feasibility analysis, a natural progression in next steps in scenarios were suggested for PHA production. The MultiBio cascade process can be implemented with further necessary development with good business potential and a positive effect on climate change. However, biohydrogen technology needs further developments before this cascade process concept can be implemented. Alternatively, a scenario with only biopolymer technology shows already a significant business potential and even larger positive effect on climate change. A successful next step in demonstration of the PHA biopolymer production scenario may lead to it being implemented within the next few years. Furthermore, MultiBio has attracted a lot of attention regionally and nationally but also internationally with a total of 65 media listings. A licentiate thesis and three university degree projects linked to the project have been completed. Overall, the MultiBio project has successfully achieved its goals and objectives.MultiBio syftade till att etablera och demonstrera ett nytt bioraffinaderi-kaskadkoncept med tre förnybara biobaserade produkter: 1) bioväte, 2) biopolymerer och 3) proteinrika foderingredienser för fiskodling. Kaskadkonceptet utnyttjar förmågan hos en bakterie (Caldicellulosiruptor saccharolyticus) att omvandla näringsämnen som finns i massa- och pappersindustrins lågvärdiga processavloppsvatten till högvärdiga produkter vätgas, organiska syror och mikrobiell biomassa. Det utgående vattnet, rikt på organiska syror, hanteras sedan i en bioprocess med blandad mikrobiell kultur som används för att rena processvattnet och samtidigt producera biopolymerer av typen polyhydroxyalkanoater (PHA). Eftersom C. saccharolyticus proteininnehållet är mer än 63 % av celltorrvikt, utvärderades deras potential för beredning av fiskfoder. En fiberslam-innehållande CTMP-restström visade sig vara en lämplig råvara för konceptet. På grund av säkerhetsrisker flyttades demoskalaexperimenten av biovätgasteknik från Biorefinery-demoanläggning (Örnsköldsvik) med 40 m3 kapacitet till ATEX-klassificerad pilotskaleanläggning med 0,4 m3 kapacitet. Därför kunde inte tillräckligt med bakteriebiomassa för den storskaliga fiskfoderingrediensen produceras. Experiment i laboratorieskala med Caldicellulosiruptor-celler som fiskfoderingrediens visade lovande resultat som en proteinrik, hållbar fiskfoderingrediens. Dessutom visade PHA-biopolymeren gynnsamma resultat som fiskfoderingrediens för experiment på Gårdsfisk AB. Experimentella test i laboratorieskala visade att bioslammet från bruken kunde ackumulera PHA till cirka 20 % av dess torrvikt. Massbalansbedömningar baserade på realistiska förväntningar indikerade en produktionspotential på 3 600 ton PHA per år från tillgängligt organiskt avfall vid de två ingående bruken.  MultiBio-konceptet har en positiv klimatpåverkan jämfört med nuvarande behandling och har potential att bidra i rätt riktning för att uppnå 7 av de 10 svenska miljömålen. Genom en detaljerad genomförbarhetsanalys föreslogs scenarier med en stegvis implementering. MultiBio-kaskadprocessen kan implementeras med ytterligare nödvändig utveckling med god affärspotential och en positiv effekt på klimatförändringen. Men bioväte-tekniken behöver vidareutvecklas innan detta kaskad-koncept kan implementeras. Samtidigt visar ett scenario med enbart biopolymerteknologi redan nu en signifikant affärspotential och ännu större positiv effekt på klimatförändringen. En framgångsrik demonstration av det senare scenariot med endast PHA-produktion kan leda till att det genomförs inom de närmaste åren. Dessutom MultiBio har rönt stor uppmärksamhet regionalt och nationellt men även internationellt med totalt 65st medianoteringar. En licentiatavhandling och tre examensarbeten har färdigställts kopplat till projektet. Sammantaget har MultiBio framgångsrikt uppnått sina syften och mål.This report summarizes key developments made within the project MultiBio (Dnr 2017-03286) that was financed by Vinnova. MultiBio (Dnr 2017-03286