Компания Agro2Circular нацелена на переработку отходов агропродовольственной промышленности, создание эффективной технологии ферментативной переработки сложных пластиковых отходов и плодоовощных отходов.
Agro2circular — это европейский проект, финансируемый программой ЕС по исследованиям и инновациям H2020 (GA № 101036838). Мы стремимся разработать локальное циклическое решение для переработки двух типов отходов, образующихся в агропродовольственной промышленности региона Мурсия, Испания: многослойных металлизированных пластиковых пленок из нескольких материалов и фруктов и овощей.
С этой целью было построено несколько DEMOS/пилотных заводов путем интеграции нескольких технологий, которые превратят отходы в ценные продукты, которые могут использоваться агропродовольственной промышленностью в качестве вторичного сырья. Таким образом мы замыкаем цикл.
ДЕМО 1: Переработка многослойной/многоматериальной металлизированной упаковки
В Agro2Circular мы разработали процесс предоставления решения по переработке упаковки, которая в настоящее время отправляется на свалки. Эта упаковка, получившая название ‘aseptic bag in box’, изготовлена из нескольких слоев пластика и алюминия. Решением A2C является, во-первых, сбор, резка, промывка и сушка отходов в процессе переработки GWC — этап, за которым следует новая технология оптической сортировки IRIS, способная отделить металлизированную пластиковую фракцию от неметаллизированной пластиковой фракции.
Технология расслоения ‘saperatec’ позволяет удалить алюминий из металлизированной фракции и разделить различные пластиковые слои для получения пластиковых фракций из материалов, совместимых с совместимостью (PE, PE-PA, PE-EVOH), подходящих для использования в качестве вторичного сырья в упаковочной промышленности.
Несовместимые пластиковые фракции (PE-PET) подвергаются процессу ферментативной деградации с использованием новых ферментов, разработанных EPOCH BIODESIGN. Полимеры разлагаются на свои мономеры и олигомеры ((терефталат (ТРА) и этиленгликоль (ЭГ), короткоцепочечные органические соединения), которые в дальнейшем используются в качестве вторичного сырья в биопроцессах (ДЕМО 2).
ДЕМО 1 ключевые технологии
Процесс переработки GWC был оптимизирован для облегчения последующей оптической сортировки и расслоения. Этапы резки и промывки были проверены в соответствии с потребностями и характеристиками IRIS и отдельных технологий с оценкой эффективности промывки органического загрязнения и конечного размера измельчения пластика, оптимального для эффективной сортировки.
IRIS перечислил различные возможные решения, которые можно использовать для различения металлизированных и неметаллизированных фракций. Испытания проводились с использованием трех различных методологий: а) использования NIR-HSI, основанного на использовании спектроскопической камеры для создания гиперкубов, которые можно анализировать с помощью хемометрии; b) LIBS, метод атомной спектроскопии, в котором используется анализ точечных измерений, позволяющий определить конкретный пик, связанный с присутствием алюминия в данном образце и c) измерение изменения электромагнитных токов.
Результаты показали, что метод NIR-HSI может быть хорошим решением для идентификации (и дальнейшей сортировки) целевых образцов. Что касается сортировки, IRIS работала над адаптацией цвета и скорости конвейера к перерабатывающим мощностям последней пилотной установки.
Технология saperatec основана на специально разработанных разделительных жидкостях для расслоения композиционных материалов. Типичные композиционные материалы в области применения упаковки включают алюминиевую барьерную упаковку, состоящую из полимерных слоев (обычно ПЭ, ПП, ПА, ПЭТ, ПВХ) и алюминиевой фольги или металлизации.
Жидкость для разделения имеет водную основу и содержит специальные добавки. Расслоение происходит на границе раздела алюминиевого слоя и полимерного слоя. На первом этапе адгезионные свойства снижаются, а на втором этапе слои механически разделяются. Таким образом, процесс саператека рассматривается как усовершенствованный процесс механической переработки.
Компания Epoch Biodesign сосредоточилась на разработке улучшенной ферментативной активности в отношении субстрата отходов ПЭ/ПЭТ. Пространство последовательностей ферментов огромно и сложно, и создание лучшего фермента случайным образом займет очень много времени. Вместо этого Epoch разработала платформу синтетической биологии, которая может разрабатывать и создавать тысячи вариантов ферментов и быстро тестировать их на пластиках из полиэтилена и ПЭТ. Лучшие кандидаты отбираются и используются для создания новых, улучшенных вариантов для повторного тестирования. Этот цикл проводился несколько раз с момента начала проекта, и были созданы ферменты с улучшенной активностью и стабильностью.
Начиная с потока гетерогенных отходов, CETEC работал над улучшением химических характеристик смешанных отходов ПЭ/ПЭТ, чтобы сделать их более легко атакуемыми ферментами. Это включало эксперименты с несколькими методами снижения кристалличности, снижения молекулярной массы и улучшения характеристик поверхности, таких как полярность.
Такое сочетание физического тестирования и модерации пластиковых отходов и передовой инженерии ферментов дает нам передовые возможности для создания технологии ферментативной переработки, которая управляет сложными и смешанными пластиковыми образцами и масштабирует их для переработки значительных объемов пластиковых отходов пищевой промышленности.
ДЕМО 2: Микробная биотехнология для производства строительных блоков и ингредиентов для косметической промышленности
Демонстратор 2 охватывает биотрансформацию продуктов ферментативного разложения ПЭТ (TPA и EG) и плодоовощных отходов в ценные и безопасные продукты для косметических составов.
Дрожжевые заводы по преобразованию этиленгликоль-ЭГ в гликолевую кислоту-ГА
Хотя большинство исследований сосредоточено на метаболизме бактериальной ЭГ, Миланский университет Бикокка (Италия) продемонстрировал, что дрожжи способны не только потреблять ЭГ, но и производить гликолевую кислоту (ГА) в качестве основного побочного продукта. Испытуемые дрожжи, в отличие от бактерий, могут эффективно накапливать ГА, поскольку кажутся непригодными для использования в качестве источника углерода и/или энергии. Поэтому их можно считать наиболее подходящим хозяином для этого производства.
Кроме того, было обнаружено, что сочетание дрожжей и условий процесса приводит к биоконверсии ЭГ в ГА с выходом более 75%.
Фабрики дрожжевых клеток для преобразования остаточной биомассы в микробное масло
Масличные дрожжи могут накапливать микробное масло при выращивании на фруктах и остаточной биомассе овощей. Чтобы обеспечить устойчивость экстракции масла из клеток, был протестирован ряд зеленых растворителей, и было продемонстрировано, что они хорошо работают по сравнению с традиционными растворителями. Микробное масло потенциально может заменить традиционные ископаемые источники масла, используемые в косметике, такие как жидкая нефть, парафиновое масло и белое минеральное масло. Косметика также использует преимущества масел, добываемых из растений, и хотя в некоторых случаях это также поддерживает социально значимый бизнес (как в случае с аргановым маслом), во многих других случаях это еще один источник конфликтов из-за землепользования и ресурсов.
Были собраны данные для анализа LCA, которые помогут оценить возможное промышленное внедрение этих процессов. Полученные продукты были протестированы компанией Lolo Cosmetics как конечный пользователь увлажняющих и антиоксидантных кремов.
ДЕМО 3 и 4: Извлечение ценных веществ из плодоовощных отходов
Индустриализация процессов добычи натуральных продуктов приобрела важное значение благодаря своему потенциалу соответствовать принципам экономики замкнутого цикла и устойчивости, особенно в агропродовольственном секторе. Целью DEMOS 3 и 4 является представление пилотного масштабирования маршрутов экстракции, разработанных в рамках проекта Agro2Circular (A2C), который фокусируется на повышении ценности остатков агропродовольственной продукции, особенно отходов фруктов и овощей (F&V), для восстановления биологически активных соединений и пищевых волокон, как показано на рис. 3.
Описанные здесь процессы показывают, как экологически чистые технологии, такие как ферментативная (маршрут 1), а также микроволновая экстракция (MAE) (маршрут 2), были оптимизированы для промышленного применения.
Процесс начинается со сбора, транспортировки и предварительной обработки отходов F & V, следуя Плану управления отходами, чтобы гарантировать безопасность и безобидность сырья.
Обзор технологий и их расширение
Пилотные экстракции по этим маршрутам были основаны на предыдущих лабораторных исследованиях. Были исследованы две основные технологии: Маршрут 1 (разработанный CTNC и CITROMIL) использовал ферментативную и ультразвуковую экстракцию (последнюю отбросили, поскольку полученные результаты были аналогичны результатам, полученным при ферментативной экстракции, и последняя более эффективна с точки зрения энергопотребление и инвестиции в оборудование), в то время как Маршрут 2 (разработанный SSICA и DOMCA) был сосредоточен на сочетании ферментативной предварительной обработки с микроволновой экстракцией.
Каждый метод предлагает уникальные преимущества в извлечении биологически активных соединений, включая полифенолы, и в извлечении высококачественных пищевых волокон из органических остатков, таких как лимон, артишок, брокколи, яблоко и/или виноград.
Для Маршрута 1 метод ферментативной экстракции (EAE) использовал фермент целлюлазу для расщепления агропищевых отходов и высвобождения биологически активных соединений, таких как пищевые волокна и фенольные соединения. Этот процесс показал успех в расширении масштабов благодаря оптимизации эксплуатационных параметров, таких как соотношение твердого вещества и жидкости и дозировки ферментов.
На Маршруте 2 после ферментативной предварительной обработки использовали микроволновую экстракцию (МАЭ) для дальнейшего повышения выхода экстракции фенольными соединениями. Микроволны создают внутриклеточное давление, которое разрушает стенки растительных клеток, способствуя более быстрой экстракции по сравнению с традиционными методами. В качестве растворителей использовались водно-спиртовые растворы, соответствующие принципам зеленой химии проекта.
Стадии фильтрации, очистки и стабилизации были интегрированы в процесс экстракции обоими способами, чтобы обеспечить чистоту и сохранность экстрактов.
Результаты пилотного расширения
Масштабирование этих технологий было достигнуто за счет того, что показатели мощности превысили те, которые обычно наблюдаются на лабораторном уровне.
Например, Маршрут 1 увеличил производительность экстракции до 200 л/ч, в то время как Маршрут 2 достиг микроволновой экстракции партиями по 120 л. На Маршруте 1 EAE был особенно эффективным, производя
высокие выходы пищевых волокон, получение экстрактов с чистотой до 75% (в сухом веществе) из остатков артишоков, или фенольных экстрактов с чистотой почти 20-23% (в сухом веществе) из артишоков и виноградных отходов соответственно.
Аналогичным образом, метод МАЭ на Маршруте 2 продемонстрировал повышенную эффективность экстракции полифенолов, достигнув концентрации выше 70%, что сделало экстракты подходящими для нутрицевтических, косметических и пищевых составов.
Однако стадии стабилизации представляли проблемы, особенно связанные с высокими энергетическими потребностями сублимационной сушки и вакуумной дистилляции. В отчетах говорится, что стабилизация может стать узким местом в производственном процессе.
Экологическая и экономическая жизнеспособность
Оценки устойчивости, включая оценку жизненного цикла (LCA) и расчет затрат жизненного цикла (LCC), были включены в процесс масштабирования, чтобы обеспечить промышленную осуществимость этих технологий добычи. Этот анализ показал, что, хотя энергоемкие процессы, такие как сублимационная сушка, вносят значительный вклад в воздействие на окружающую среду, общие процессы призваны свести к минимуму использование отходов и растворителей.
Эти демонстраторы также подчеркивают адаптируемость технологий для разных матриц, позволяя их репликацию в различных регионах Европы, где есть разные представляющие интерес отходы F&V для ревальвации.
Еще одной критической проблемой было использование воды, особенно на этапе очистки волокон. Такие стратегии, как снижение дозировки окислителей и внедрение рециркуляции воды в процесс очистки, помогли оптимизировать потребление воды. Результаты показывают, что дальнейшее улучшение управления водными ресурсами и энергоэффективности будет иметь важное значение для экономического успеха этих технологий повышения ценности.
Промышленная значимость и потенциал экономики замкнутого цикла
Расширенные процессы экстракции, описанные в этой публикации, открывают значительные перспективы для повышения ценности органических остатков агропищевой промышленности. Эти процессы способствуют извлечению ценных биологически активных соединений и волокон из отходов
принципы экономики замкнутого цикла, снижение потребности в синтетических химикатах и содействие использованию возобновляемых природных ресурсов. Кроме того, гибкость путей экстракции позволяет адаптировать их к различным типам отходов, от лимона и артишока до остатков винограда.
В проекте также подчеркивается потенциальное рыночное применение полученных экстрактов с рецептурами, предназначенными для пищевой, нутрицевтической и косметической промышленности. Адаптивность процессов для различных источников отходов и возможность адаптации технологии к конкретным потребностям рынка повышают масштабируемость и коммерческую жизнеспособность процессов.
В заключение отметим, что пилотная индустриализация технологий «зеленой» добычи, разработанная в рамках проекта A2C, представляет собой жизнеспособный путь для экономики замкнутого цикла в агропродовольственном секторе. Для оптимизации использования энергии и воды необходимы дальнейшие исследования и инновации, но основа, заложенная этим проектом, демонстрирует потенциал крупномасштабного внедрения этих устойчивых технологий.
ДЕМО 5: Производство PHBV и каротиноидов из фруктов и овощей
Благодаря сочетанию свойств биоразлагаемости, биосовместимости и термопластичности полигидроксиалканоаты (ПГА) считаются перспективными природными полиэфирами для производства пластмасс на биологической основе. ПГА представляют собой класс алифатических полиэфиров, которые синтезируются многими видами микроорганизмов в качестве резервуаров для хранения углерода и энергии, обычно в условиях, ограничивающих питательные вещества. Лишь немногие организмы могут производить PHBV при кормлении только простыми сахарами, и одним из таких организмов является Галоферакс медитерраней, экстремальный галофил с универсальным метаболизмом, обеспечивающий синтез PHBV из широкого спектра субстратов.
Производство биоразлагаемого пластика PHBV из отходов
CETBIO разработала Галоферакс медитерраней клеточная фабрика по производству PHBV и каротиноидов с использованием фракций органических отходов агропищевой промышленности. Процесс был оптимизирован в масштабе 300 л, снабжая микроорганизмы лимонными отходами и яблочными отходами в качестве единственного источника углерода. WETSUS и Университет Аликанте (Испания) работали над процессом экстракции PHBV и каротиноидов с использованием экологически чистых растворителей, не содержащих хлора. Полученный PHBV был разработан и протестирован конечными пользователями из индустрии переработки пластмасс.
DEMO 10: DIS (Система интеграции данных) – технологический инструмент для эффективного управления отходами
Эффективное управление отходами вызывает растущую озабоченность во всем Европейском Союзе (ЕС), особенно в отраслях, связанных с пластмассами и органическими отходами, где большая часть их срока службы предназначена для утилизации. В рамках своих усилий по содействию устойчивому развитию Европейская комиссия представила инициативы по продвижению цикличности и обеспечению отслеживания на протяжении всего жизненного цикла отходов, от образования до переработки и производства или разработки новых вариантов их использования.
Решение Agro2Circular Data Integration System было специально разработано для управления отходами пластмасс и органических отходов и их обработки, приведено в соответствие с законодательными требованиями ЕС и стимулирует его переход к экономике замкнутого цикла.
Эта ДЕМО-версия была разработана в сотрудничестве с CETEC и определяет отслеживаемость в цепочках создания стоимости. EVRYTHNG внедряет технологию блокчейна, Equmetrics разрабатывает технологию сбора данных, а EXUS разрабатывает технологии для больших данных и инструменты прогнозирования.
Роль отслеживания в управлении отходами
Прослеживаемость определяется ISO (Международной организацией по стандартизации) как свойство результата измерения или значения стандарта, когда оно может быть связано с указанными ссылками, обычно национальными или международными стандартами, посредством непрерывной цепочки сравнений, все с конкретными неопределенности.
В этой области инструмент Agro2Circular Traceability Tool был разработан, чтобы помочь отрасли идентифицировать материалы, происхождение, процессы, качество и отслеживаемость. Он объединяет цепочку создания стоимости многослойных пластиковых материалов и органических продуктов при их трансформации компаниями в непрерывном потоке, черчении и создании прослеживаемости в режиме реального времени, обеспечении и гарантировании всей информации с помощью технологии Blockchain в соответствии с европейским стандартом UNE 15343:2008. по отслеживанию переработки пластика и оценке соответствия и переработанного контента.
Когда дело доходит до прослеживаемости, важно различать внутреннюю и внешнюю прослеживаемость. Первый относится к отслеживаемости, необходимой для внутреннего управления компанией, тогда как внешняя отслеживаемость относится к способности отслеживать партию на протяжении всего ее жизненного цикла внутри цепочки создания стоимости. Эта прослеживаемость дифференцируется, если она образуется из конечного продукта в исходные отходы, обратная прослеживаемость или прямая, если необходимая информация поступает из отходов.
Прогнозы эффективного управления отходами LCA
Еще одним ключевым фактором эффективного управления отходами является способность системы находить лучшие альтернативы, когда дело касается экологических, экономических и социальных аспектов.
Система интеграции данных (DIS) включает в себя инструмент оценки и принятия решений, который использует машинное обучение для анализа наиболее оптимальных маршрутов определения отходов. Из-за характера технологии ей необходимо собирать предыдущие данные по каждому из процессов, чтобы иметь возможность генерировать точные прогнозы решений, которые необходимо принять.
Цифровой паспорт продукта для идентификации продукта и воздействия на окружающую среду
DIS также стремится улучшить управление отходами и их переработку, используя подход цифрового паспорта продукта (DPP). DPP — это система, которая присваивает продуктам цифровые идентификаторы, позволяя отслеживать их жизненный цикл и ключевую информацию, такую как заявления о составе и устойчивом развитии, повышая прозрачность и способствуя эффективной переработке. Наша реализация использует QR-коды, цифровые двойники и технологию блокчейна, чтобы помочь производителям, переработчикам и потребителям получить доступ к важной информации о составе продукта, использовании и обращении с ним в конце срока службы, обеспечивая правильные процессы переработки и сокращая количество отходов.
Система также направлена на борьбу с «зеленым отмыванием», предоставляя поддающиеся проверке заявления об устойчивом развитии с помощью цифровых записей, поддерживаемых блокчейном. Встраивая данные непосредственно в продукты, технология позволяет более точно сортировать пластиковые отходы, повышая скорость переработки и эффективность. Эта повышенная прозрачность решает серьезную проблему переработки, когда неперерабатываемые материалы часто попадают в потоки переработки, снижая качество переработанной продукции. Использование технологии блокчейна, децентрализованной бухгалтерской книги, гарантирует, что данные остаются безопасными и защищенными от несанкционированного доступа, повышая доверие во всей цепочке поставок и заинтересованных сторонах.
