Integrated refinery strategies with pyrolysis and alternatives feeds in the context of the circular economy

Abstract

Biorefineries are key elements for better use of bioresources (Zabaniotou et al., 2018). Waste biorefinery models toward sustainable circular bioeconomy are adopted by different countries. Some countries focus mainly on the so-called ‘Yellow biorefineries’, processing wheat, straw, corn stover, and wood; other countries possess vast expertise relevant to the ‘Blue bioeconomy’, which entails marine bioresources or ‘Green biotechnology’ by upgrading grass, clover, etc., while biorefineries for upgrading agroindustrial side streams, often referred to as ‘Grey biotechnology’ (Zabaniotou et al., 2018). These areas represent some of the biggest potentials for developing new technology, processes, and biobased products. Waste biorefineries are instrumental in advocating circular bioeconomy (Otles and Kartal, 2018). Food waste valorization is a goal of sustainable development, gaining high interest in resolving environmental and resources challenges (Zabaniotou and Kamaterou, 2019). In the transition to a sustainable Bioeconomy, pyrolysis-based bioenergy is finding a new impetus within the integrated biorefinery concept, which is one of the vehicles of this transition (Zabaniotou et al., 2018; Filippi et al., 2018). The screening of sustainable agroindustrial biorefinery pathways to produce biobased products and energy is a complex challenge and needs investigation. Aiming at the commercialization feasibility of the biorefining pathway, critical tools such as laboratory and pilot-scale experimental results, processes modeling, technoeconomic and market analysis needs to be included (Zabaniotou et al., 2018). Taking a new bioproduct from the lab to pilot scale and demonstration stage is very costly and resolving all bottlenecks in upscaling the processes demands a lot of research. Present Thesis’ contribution in this area is the screening for more efficient “pathways” concerning the valorization of residual biomass through pyrolysis in the biorefinery concept and their laboratory experimental documentation. The objectives of the thesis were first to review the one-process pathways reported in international literature for the valorization of 5 types of organic materials and secondly to experimentally investigate the cascade multi-process-multi product biorefinery concept for all 5 types (terrestrial and marine biomass) that are cornerstones in the transition to Circular Economy. The objective was the experimental proof of concept of various types of terrestrial and marine biomass at TRL3-4 level, towards extracting data to assist the bio-based industries in evaluating the profitability of different possible production routes and product portfolios (Sammons et al., 2008). Besides the experimental data, the case studies on biorefineries brought light to some environmental and economic issues arising. Adopting a reflexive approach, a variety of processes and products were examined, intending to add insights into the technical feasibility, concerning the conversion through differential multi-product pathways, at lab scale (Zabaniotou et al., 2018). Efficient biomass conversion in a cascade biorefinery is dependent on the range of end-products and cost-effective processing systems. The investigated pathways have their basis on the concept of optimal resource utilization. Pyrolysis was used as an upcycling method to produce biochar for closing the loop in agriculture. The methodology of the case study was followed. This Ph.D. study is based on 5 case studies of biorefineries using as feedstock local organic materials produced in Greece and Italy, aiming to investigate the potentialities, prospects, and challenges of the transition from a mono-process to a cascade biorefinery model, in a ‘zero-waste’ approach. The 1st case study aims to valorize the solid residue of the microalgae Dunaliella tertiolecta resulting from the extraction of its valuable components, namely beta-carotene, phytosterols and fatty acids, through pyrolysis process. More specifically, following a zero waste approach, valuable components’ extraction of the original biomass was followed by pyrolysis of its residues, targeting biofuels and biochar’s production. This work is a collaboration between our research group and the University of Foggia, Italy, and more specifically the STAR*AgroEnergy Research Group, University of Foggia, led by Prof. M. Monteleone. The microalgae cultivation, the extraction of their valuable components, the Thermogravimetric Analysis (TGA) and the characterization of the pyrolytic bio-oil were carried out in Italy by Prof. M. Francavilla and his team. Residual biomass Pyrolysis was carried out in the Laboratory of Biomass Thermochemical Conversion, AUTH. Regarding biochar’s characterization, the determination of porosity and the proximate analysis took place at the Centre for Research & Technology Hellas (CERTH) and the Ultimate Analyses was performed at B’ Chemical Engineering Laboratory by Mrs. X. Dambou. For the qualitative analysis of biochar, the techniques of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and RAMAN Spectroscopy were carried out in the laboratory of Materials Technology of the University Ecclesiastical Academy of Thessaloniki (UEATH), by Dr. Lambakis Dimitris, Scanning Electron Microscopy (SEM) by Prof. Karapanagiotis Ioannis and X-ray fluorescence analysis (XRF) by Dr. Manoudis Panagiotis. The 2nd case study concerns the valorization of the solid residue of macroalga Gracilaria gracilis resulting from the extraction of its phycobiliproteins, via the process of pyrolysis. Initially, phycobiliproteins were extracted (primary refining) from G. gracilis macroalgae, coming from Lesina lagoon in Italy. Pyrolysis of the residues generated after the extraction of R-phycoerythrin, allophycocyanin and phycocyanin from G. gracilis macroalgae was investigated for the production of bio-oil. It was revealed that the produced biooil possessed high nitrogen content, which prevents its use as biofuel. Similarly, to the 1st case study, the 2nd case study is a collaboration between the Laboratory of Thermochemical Biomass Conversion of the Chemical Engineering Department, AUTh and the STAR*AgroEnergy Research Group, University of Foggia, led by Prof. M. Monteleone. Harvesting of macroalgae from the Lasina Lagoon, Italy, Ultimate analysis of macroalgae and residual biomass after removal of phycobiliproteins, metal identification by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES Agilent 720), Thermogravimetric analysis (TGA) of biomass and Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) for the analysis of the bio-oil produced by pyrolysis were carried out by the Italian research team. The pyrolysis of macroalgae, as well as the residual biomass after phycobiliproteins’ extraction, took place in the Biomass Thermochemical Conversion Laboratory. In addition, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis of the produced bio-oil and the biochar were carried out at the University Ecclesiastical Academy of Thessaloniki (UEATH), while the Biochars’ Ultimate analysis took place at the B’ Chemical Engineering Laboratory, of Chemical Engineering Department, of Aristotle University of Thessaloniki and the determination of biochar porosity at the Centre for Research & Technology Hellas (CERTH). The 3rd case study concerns the sunflower meal biorefinery and aims at the production of bioproducts and energy. This work is a collaboration between the Laboratory of Biomass Thermochemical Conversion, Chemical Engineering Department, AUTH and the Department of Food Science and Human Nutrition, Agricultural University of Athens. Initially, antioxidants, proteins, and microbial oil are obtained from the sunflower meal and consequently biochar, biooil and biogas are generated via pyrolysis of the remaining solid streams. Redesigning and evaluating of the most mass efficient process that serves more adequately the approach towards Zero Waste production is attempted. The removal of sunflower meal’s valuable components, such as proteins, was carried out at the Agricultural University of Athens. In the Laboratory of Biomass Thermochemical Conversion, at the University of Thessaloniki, three solid residues from different parts of the procedure of initial sunflower meal valorization were sent and pyrolyzed. For the characterization of biochar produced by the pyrolysis of the sunflower meal waste streams, the determination of porosity and the ultimate analysis was carried out in the B’ Chemical Engineering Laboratory, Department of Chemical Engineering, AUTH. The biochar’s elemental analysis took place in the Laboratory of Analytical Chemistry, Department of Chemical Engineering, AUTH, by Prof. Mitrakas Manasis, using the method of Atomic Absorption Spectroscopy. Qualitative analysis of produced biochars took place in the laboratories of materials technology, of the University Ecclesiastical Academy of Thessaloniki, using the method of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) by Dr. D. Lambrakis and Scanning Electron Microscopy (SEM) by Prof. Karapanagiotis Ioannis. The Proximate Analysis was carried out at CERTH. The 4th case study concerns the design of a cascade winery waste biorefinery and was studied and proposed within the framework of the Ph.D. thesis of Pavlou Alexandros, from the Laboratory of Physical Chemistry, Department of Chemical Engineering, AUTh, under the supervision of Prof. Pyrolysis of solid waste stream aimed at maximizing the biomass exploitation in the context of the approach to the "Zero Waste Production" goal. With this TRL 4 study, an integrated biorefinery flow diagram for sustainable waste management in the industrial wine sector including environmental benefits is provided. The recovery of hydrocolloids and grapeseed oil was carried out in the Laboratory of Physical Chemistry, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, under the supervision of Prof. Panagiotou Konstantinos and Dr. Pavlou Alexandros. Pyrolysis was carried out in the Laboratory of Biomass Thermochemical Conversion, AUTh. Regarding biochar characterization, the determination of porosity and the Ultimate analysis were carried out at the B’ Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, while the Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and the X-ray diffraction (XRD) technique were carried out at the Laboratory of Physical Chemistry, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki. The last “layover” of this thesis is the collaboration with the Laboratory of Applied Organic Chemistry, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki and the actualization of the 5th case study which proposes the spend coffee grounds (SCG) biorefinery. SCG is a resource rich in fatty acids, amino acids, polyphenols, minerals, and polysaccharides (Campos-Vega et al., 2015a). The recovery of polysaccharides, phenols and proteins combined with the conversion of secondary waste streams into energy and biochar via pyrolysis, shows very good potential. The recovery of polysaccharides, phenols and proteins was performed at the Laboratory of Applied Organic Chemistry, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, by Dr. Alexandra Moschona, under the supervision of Associate Prof. Assimopoulou Andreana. The residual biomass was pyrolyzed in the Laboratory of Thermochemical Biomass Conversion, while the Ultimate analysis and porosity determination took place in the B’ Chemical Engineering Laboratory, Department of Chemical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki. It is worth noting that this thesis is the result of an interdisciplinary collaboration during which - in the context of extroversion - collaborations were promoted and developed, aiming at the exchange of knowledge and ideas, always with a view to the more effective waste valorization and the approach towards the goal of zero-waste.

Ο ρόλος των βιοδιυλιστηρίων στην αποτελεσματικότερη διαχείριση των φυσικών πόρων είναι ιθύνουσας σημασίας. Μονάδες βιοδιυλιστηρίων αποβλήτων υιοθετούνται από διάφορες χώρες, στα πλαίσια μιας βιώσιμης κυκλικής βιοοικονομίας. Ορισμένες χώρες εστιάζουν κυρίως στα λεγόμενα «Κίτρινα Βιοδιυλιστήρια» τα οποία τροφοδοτούνται από σιτάρι, άχυρα, υπολείμματα αραβοσίτου και ξύλο, ενώ άλλες διαθέτουν αξιοσημείωτη τεχνογνωσία σχετικά με την εκμετάλλευση θαλάσσιων φυσικών πόρων, την λεγόμενη «Μπλε βιοτεχνολογία». Η «Πράσινη βιοτεχνολογία» αξιοποιεί αγροτικά απόβλητα όπως το γρασίδι, τα τριφύλλια κ.α. ενώ στη «Γκρι βιοτεχνολογία» αναβαθμίζονται αγροτοβιομηχανικά απόβλητα δευτερευόντων ρευμάτων. Κατά συνέπεια, οι τομείς αυτοί ανοίγουν το δρόμο για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών, διεργασιών και παραγόμενων βιοϋλικών. Τα βιοδιυλιστήρια αποβλήτων διαδραματίζουν πρωτεύοντα ρόλο στην προώθηση της κυκλικής οικονομίας. Η αξιοποίηση των αποβλήτων τροφίμων αποτελεί στόχο της βιώσιμης ανάπτυξης, κερδίζοντας όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον στην επίλυση περιβαλλοντικών ζητημάτων και προβλημάτων διαχείρισης φυσικών πόρων. Όχημα στη μετάβαση προς μια βιώσιμη Βιοοικονομία, αποτελεί η παραγόμενη από τη διεργασία της πυρόλυσης βιοενέργεια, η οποία αποκτά σημαντική δυναμική στα πλαίσια της έννοιας ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου. Η αξιολόγηση βιώσιμων οδών αγροβιομηχανικής βιοδιύλισης για την παραγωγή βιοπροϊόντων και ενέργειας είναι μια σύνθετη πρόκληση και απαιτεί έρευνα. Τα κρίσιμα εργαλεία για την πρόβλεψη της σκοπιμότητας εμπορικής αξιοποίησης των οδών βιοδιύλισης περιλαμβάνουν: πειραματικά αποτελέσματα εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας, μοντελοποίηση διεργασιών, τεχνοοικονομική ανάλυση και ανάλυση της αγοράς. Η μετάβαση ενός νέου βιοπροϊόντος από το εργαστήριο, στο στάδιο της πιλοτικής κλίμακας και της επίδειξης είναι πολύ δαπανηρή και η επίλυση όλων των σημείων συμφόρησης στην αναβάθμιση των διεργασιών απαιτεί πολλή έρευνα. Η συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι η αναζήτηση αποτελεσματικότερων «οδών» αξιοποίησης της υπολειμματικής βιομάζας στα πλαίσια ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου αλληλουχίας, μέσω της διεργασίας της πυρόλυσης και η πειραματική τους τεκμηρίωση.Αρχικοί στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν η ανασκόπηση στη διεθνή βιβλιογραφία των μεθόδων αξιοποίησης «σε ένα στάδιο» 5 τύπων βιομάζας και η πειραματική διερεύνηση της έννοιας του ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου «πολλαπλών διεργασιών-πολλαπλών προϊόντων» και για τους 5 αυτούς τύπους (χερσαίας και θαλάσσιας) βιομάζας που αποτελούν τους ακρογωνιαίους λίθους στη μετάβαση προς μια κυκλική οικονομία. Στόχος ήταν επίσης, η πειραματική απόδειξη της έννοιας αυτής σε επίπεδο TRL3-4 για τους διάφορους τύπους χερσαίας και θαλάσσιας βιομάζας, αποσκοπώντας στην άντληση δεδομένων που θα βοηθήσουν τις βιομηχανίες βιοϋλικών να αξιολογήσουν την κερδοφορία των διαφόρων πιθανών «γραμμών παραγωγής σε συνδυασμό με την παραγωγή ποικίλων προϊόντων. Ακολουθώντας μια αναστοχαστική προσέγγιση, διερευνήθηκαν διάφορες διεργασίες και προϊόντα, με αποτέλεσμα να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την εφικτότητα σε εργαστηριακή κλίμακα, εκείνης της μετατροπής που οδηγεί στην παραγωγή πολλαπλών προϊόντων. Η αποτελεσματική μετατροπή της βιομάζας σε ένα βιοδιυλιστήριο πολλών σταδίων εξαρτάται κατά κύριο λόγο από το φάσμα των διαφόρων τελικών προϊόντων. Οι στρατηγικές που μελετήθηκαν βασίστηκαν στην αρχή της βελτιστοποιημένης αξιοποίησης των πόρων. Στην παρούσα διατριβή ακολουθήθηκε η μεθοδολογία της μελέτης περίπτωσης. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή βασίζεται σε 5 μελέτες περίπτωσης βιοδιυλιστηρίων πηγών βιομάζας που αφθονούν στην Ελλάδα και αποσκοπεί στο να αποκαλύψει τις δυνατότητες, τις προοπτικές και τις προκλήσεις που αναδύονται κατά τη μετάβαση από μία απλή διεργασία αξιοποίησης της βιομάζας, σε ένα βιοδιυλιστηρίου πολλών διεργασιών και προϊόντων. Η 1η μελέτη περίπτωσης αποσκοπεί στην αξιοποίηση, μέσω πυρόλυσης, του στερεού υπολείμματος του μικροφύκους Dunaliella tertiolecta που προκύπτει μετά την εκχύλιση των πολύτιμων συστατικών του, και πιο συγκεκριμένα του β-καροτενίου, φυτοστερολών και λιπαρών οξέων. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια ενός βιώσιμου βιοδιυλιστηρίου, την εξαγωγή των πολύτιμων συστατικών της αρχικής βιομάζας ακολούθησε η πυρόλυση των υπολειμμάτων της, με στόχο την παραγωγή βιοκαυσίμων και εξανθρακώματος. Πρόκειται για μια συνεργασία μεταξύ της ερευνητικής μας ομάδας και του πανεπιστημίου της Foggia, της Ιταλίας και πιο συγκεκριμένα την ερευνητική ομάδα STAR*AgroEnergy Research Group, του Πανεπιστημίου της Φότζια, της οποίας ηγείται ο καθ. M. Monteleone. Η καλλιέργεια των μικροφυκών, η εκχύλιση των πολύτιμων συστατικών τους, η Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TGA) καθώς και o χαρακτηρισμός του βιοελαίου της πυρόλυσης πραγματοποιήθηκαν στην Ιταλία από τον καθ. M. Francavilla. H πυρόλυση πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Θερμοχημικής Μετατροπής της Βιομάζας, του ΑΠΘ. Όσον αφορά στον χαρακτηρισμό του εξανθρακώματος, από τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, ο προσδιορισμός του πορώδους και η Προσεγγιστική ανάλυση (proximate analysis) έλαβαν χώρα στο ΕΚΕΤΑ, η Ολοκληρωτική ανάλυση (ultimate analysis) στο Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ, από την κα Ξ. Ντάμπου. Για την ποιοτική ανάλυση του εξανθρακώματος, στα εργαστήρια τεχνολογίας υλικών, της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης, πραγματοποιήθηκαν οι τεχνικές της Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και της Φασματοσκοπίας RAMAN από τον Δρ. Λαμπάκη Δημήτρη, της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) από τον καθ. Καραπαναγιώτη Ιωάννη και της Φθορισιμετρίας Ακτίνων-Χ (XRF) από τον Δρ. Μανούδη Παναγιώτη. Η 2η μελέτη περίπτωσης αφορά στην αξιοποίηση, μέσω πυρόλυσης, του στερεού υπολείμματος του μακροφύκους Gracilaria gracilis που προκύπτει μετά την εκχύλιση των φυκομπιλιπρωτεϊνών του. Αρχικά πραγματοποιήθηκε εκχύλιση των φυκομπιλιπρωτεϊνών (πρωτογενής διύλιση) από τα μακροφύκη Gracilaria gracilis που προέρχονται από τη λιμνοθάλασσα Lesina της Ιταλία και στη συνέχεια η αξιοποίηση των υπολειμμάτων που προέκυψαν. Η ταχεία πυρόλυση των υπολειμμάτων της εκχύλισης των μακροφυκών Gracilaria gracilis διερευνήθηκε για την παραγωγή βιοελαίου που περιείχε υψηλή περιεκτικότητα σε αζωτούχες ενώσεις, γεγονός που εµποδίζει τη χρήση του ως βιοκαύσιµο. Όπως και με τα μικροφύκη, πρόκειται για συνεργασία μεταξύ του Εργαστηρίου Θερμοχημικής Μετατροπής Βιομάζας του τμήματος Χημικών Μηχανικών, ΑΠΘ και της ερευνητικής ομάδας STAR*AgroEnergy Research Group, του Πανεπιστημίου της Φότζια, της οποίας ηγείται ο Καθ. Monteleone Μ.. H συγκομιδή των μακροφυκών από τη λίμνη Lasina Lagoon της Ιταλίας, η ολοκληρωτική ανάλυση (Ultimate analysis) των μακροφυκών και της υπολειμματικής βιομάζας μετά την απομάκρυνση των φυκομπιλιπρωτεϊνών, η ταυτοποίηση μετάλλων με τη μέθοδο της Φασματομετρίας Οπτικής Εκπομπής Επαγωγικού Πλάσματος (ICP-OES Agilent 720), η Θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) της βιομάζας και η Αέρια Χρωματογραφία – Φασματομετρία μάζας (GC-MS) για την ανάλυση του παραγόμενου από την πυρόλυση βιοελαίου πραγματοποιήθηκαν από την ερευνητική ομάδα της Ιταλίας. Η πυρόλυση των μακροφυκών καθώς και της υπολειμματικής βιομάζας μετά την απομάκρυνση των φυκομπιλιπρωτεϊνών έλαβε χώρα στα Εργαστήριο Θερμοχημικής Μετατροπής Βιομάζας. Επιπλέον, αναλύσεις με Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) του παραγόμενου βιοελαίου και του εξανθρακώματος πραγματοποιήθηκαν στην Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης, ενώ η ολοκληρωτική ανάλυση των εξανθρακωμάτων έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ και ο προσδιορισμός του πορώδους τους στο ΕΚΕΤΑ. Η 3η µελέτη περίπτωσης αφορά στο βιοδιυλιστήριο ηλιόπιτας και στοχεύει στην παραγωγή βιοπροϊόντων και ενέργειας. Αποτελεί συνεργασία του Εργαστηρίου Θερμοχημικής Μετατροπής της βιομάζας του τμήματος Χημικών Μηχανικών ΑΠΘ με το Τμήμα Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής του Ανθρώπου, του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Αρχικά λαμβάνονται από την ηλιόπιτα αντιοξειδωτικά, πρωτεΐνες, αλλά και μικροβιακό έλαιο και στη συνέχεια με την πυρόλυση του αλεύρου, παράγεται εξανθράκωμα, βιοέλαιο και βιοαέριο επανασχεδιάζοντας και αξιολογώντας την αποδοτικότερη διαδικασία που συγκλίνει περισσότερο στην ανάγκη για Μηδενική Παραγωγή Απορριμμάτων (Zero Waste).Στο Γεωπονικό Πανεπιστήμιο πραγματοποιήθηκε η απομάκρυνση των πολύτιμων συστατικών της ηλιόπιτας, όπως οι πρωτεΐνες. Στο εργαστήριο Θερμοχημικής Μετατροπής της Βιομάζας, του ΑΠΘ στάλθηκαν και πυρολύθηκαν στερεά υπολείμματα από τρία σημεία της διαδικασίας απομάκρυνσης των πολύτιμων συστατικών της ηλιόπιτας. Για τον χαρακτηρισμό του παραγόμενου από την πυρόλυση της υπολειμματικής ηλιόπιτας εξανθρακώματος, από τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, ο προσδιορισμός του πορώδους και η Ολοκληρωτική ανάλυση (ultimate analysis) πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ. H στοιχειακή ανάλυση των εξανθρακωμάτων (Elemental Analysis) έλαβε χώρα στο εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Α.Π.Θ., από τον καθ. Μήτρακα Μανασή, με τη μέθοδο της Φασματοσκοπίας Ατομικής Απορρόφησης. Ποιοτική ανάλυση των εξανθρακωμάτων έλαβε χώρα στα εργαστήρια τεχνολογίας υλικών, της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης, με τη μέθοδο της Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR) από τον Διδ. Λαμπάκη Δ. και Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) από τον καθ. Καραπαναγιώτη Ι.. Στο ΕΚΕΤΑ έγινε η Προσεγγιστική Ανάλυση (Proximate Analysis) του εξανθρακώματος. Η 4η μελέτη περίπτωσης αφορά στο σχεδιασμό βιοδιυλιστηρίου αποβλήτων οινοποιείου. Στο βιοδιυλιστήριο στεμφύλων (απόβλητα οινοποιείου) που μελετήθηκε και προτάθηκε στα πλαίσια της εκπόνησης της Διδακτορικής Διατριβής του Παύλου Αλέξανδρου, του Εργαστηρίου Φυσικής Χημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών ΑΠΘ, υπό την επίβλεψη του Καθ. Παναγιώτου Κωνσταντίνου, προσαρτήθηκε η διεργασία της πυρόλυσης των παραγόμενων στερεών αποβλήτων, στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση της αξιοποίησης της βιομάζας στα πλαίσια της προσέγγισης του στόχου της «Μηδενικής Παραγωγής Αποβλήτων». Με την παρούσα μελέτη στο TRL 4, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο διάγραμμα ροής στα πλαίσια της αλληλουχίας βιοδιυλιστηρίων για τη βιώσιμη διαχείριση αποβλήτων, στον βιομηχανικό τομέα του κρασιού, με περιβαλλοντικά οφέλη. Η ανάκτηση των υδροκολλοειδών και του ελαίου από τα κουκούτσια των σταφυλιών πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικοχημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών Α.Π.Θ. υπό την επίβλεψη του καθ. Παναγιώτου Κωνσταντίνου και του Διδ. Παύλου Αλέξανδρου. H πυρόλυση πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Θερμοχημικής Μετατροπής της Βιομάζας, του ΑΠΘ. Όσων αφορά στον χαρακτηρισμό του εξανθρακώματος, από τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, ο προσδιορισμός του πορώδους και η Ολοκληρωτική ανάλυση (Ultimate analysis) έγινε στο Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ, ενώ η Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) η τεχνική της Φθορισιμετρίας Ακτίνων-Χ (XRF) Εργαστήριο Φυσικοχημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών Α.Π.Θ..Τελευταίος σταθμός της παρούσας διατριβής αποτελεί η συνεργασία με το Εργαστήριο Οργανικής Χημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών Α.Π.Θ. και η εκπόνηση της 5ης μελέτης περίπτωσης η οποία εξετάζει το βιοδιυλιστήριο αλληλουχίας των υπολειμμάτων χρησιμοποιημένου καφέ (SCG). Τα υπολείμματα χρησιμοποιημένου καφέ είναι ένας πόρος πλούσιος σε λιπαρά οξέα, αμινοξέα, πολυφαινόλες, μέταλλα και πολυσακχαρίτες. Η ανάκτηση πολυσακχαριτών, φαινολών και πρωτεϊνών σε συνδυασμό με τη μετατροπή των δευτερευόντων ρευμάτων αποβλήτων σε ενέργεια και εξανθράκωμα, παρουσιάζει πολύ καλές πιθανότητες βιωσιμότητας. Στο Εργαστήριο Οργανικής Χημείας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών Α.Π.Θ. έλαβε χώρα η ανάκτηση πολυσακχαριτών, φαινολών και πρωτεϊνών από την Διδ. Μοσχονά Αλεξάνδρα, υπό την επίβλεψη της Αναπληρώτριας Καθ. Ασημοπούλου Ανδρεάνας. Η υπολειμματική βιομάζα πυρολύθηκε στο Εργαστήριο Θερμοχημικής Μετατροπής της Βιομάζας, ενώ η ολοκληρωτική ανάλυση και ο προσδιορισμός του πορώδους έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ.Αξίζει να σημειωθεί ότι η παρούσα διατριβή είναι αποτέλεσμα διεπιστημονικής συνεργασίας κατά την οποία - στα πλαίσια της εξωστρέφειας - προωθήθηκαν και αναπτύχθηκαν συνεργασίες που στόχευαν στην ανταλλαγή γνώσεων και ιδεών με γνώμονα πάντα την αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των αποβλήτων και την προσέγγιση του στόχου προς τη Μηδενική Παραγωγή Αποβλήτων.