SUSTAINABLE PRODUCTION OF FISH PROTEIN HYDROLYSATES: OVERALL SYSTEM ARCHITECTURE AND FOOTPRINT

Abstract

Nå for tiden er det en voksende interesse for å bruke restmaterialer fra fiskeproduksjon på en mer økonomisk måte. Fiskeproteinet hydrolysat (FPH) blir produsert av avfallet og får økende bruksområder i mat- og legemiddelindustrien. Produksjonen og stabilisering av FPH med konvensjonelle vannfjerningsmetoder som spraytørking og fordampning er energi-intensive. For at prosessen skal bli mer bærekraftig, må hele prosesskjeden fra restmaterialet til FPH energi optimaliseres. Dette fører til at klimagassutslipp og miljøpåvirkning tilknyttet produksjonen reduseres betydelig. I denne oppgaven blir derfor prosesskjeden for FPH undersøkt fra start til slutt med tanke på totalt oppvarmingsbehov, kjølebehov og energibruk.

Forskjellige metoder for konsentrert frysing og tørkemetoder blir studert på detaljnivå for å identifisere prosesskombinasjoner med lavt energibruk. Det ble observert at tørkeprosessen bruker mellom 1,53 til 1,8 kWh per kg vann fjernet. Konsentrering før tørkestegene reduserer det totale energiforbruket. Metoder som frysekonsentrering, tre-stegs fordamping og mekanisk rekompresjon (MVR) bruker mindre energi. I resultatene ble det observert at ved å fryse vannet ved bruk av frysekonsentrering, brukes det (0,076 kWh/kg vann) 273 kJ/kg av vann fjernet som er mindre energi. I den mekaniske rekompresjons-syklusen var det gjennomsnittlige energibehovet på 150 kJ/kg for fordampet vann (0,04 kWh/kg vann) siden prosessen benytter energigjenvinningsprinsippet.

Varmepumper dekker behovet for oppvarming og kjøling, som reduserer energibehovet. Potensialet for energigjenvinning av varme og kulde ble undersøkt ved å simulere et 2-stegs transkritisk CO2-system i Dymola & EES. Effektfaktoren eller COP til den transkritiske varmepumpesyklusen er 3.5. Høytemperatur-varmepumpe ble også undersøkt som et alternativ til fordampningsmetoder. Ved å integrere varmepumper med spraytørkingsproesessen kan energiforbruket reduseres med nærmere 50 %.

Energistudien indikerer at produksjon av hydrolysatene med energieffektivt utstyr i konsentreringsstadiet resulterer i en energireduksjon på 60%. Dessuten er de beregnede CO2-utslippsnivåene i et lavere område. Investeringsanalysen resulterte i en tilbakebetalingstid på 4,8 til 5,7 år for prosesser med frysekonsentrasjon og forskjellige tørkere, 3,4 til 4,2 år for prosesser med tre-trinns fordamper- og tørkeralternativer og 2 til 2,2 år for prosesser med MVR- og tørketromskombinasjoner. En sensitivitetsanalyse ble deretter gjennomført og 3D-modeller av prosessen er fremstilt i SOLIDWORKS.

Oppgavearbeidet ble presentert og publisert på den 7. IIR-konferansen om bærekraft og kjølekjeden og sikret prisen for beste papir for forskningsarbeidet.

Nøkkelord: Fiskeprotein hydrolysate, Energibruk, Bærekraftig produksjon, CO2 varmpepumper, Prosessoptimalisering, Frysekonsentrering, Fordampningsprosess, Høytemperatur varmepumper Tørkemetoder, Økonomisk analyse.

Nowadays, there is a growing interest to use the fish rest raw materials in a more economical way. The Fish Protein Hydrolysates (FPH) produced from the rest raw materials have increasing application in the food and medicine industry. The production and stabilization of final FPH using conventional moisture removal techniques like spray drying and evaporation are energy-intensive. Process sustainability requires energy optimization in the process chain involved in the production of FPH, which greatly reduces greenhouse gas emissions and its environmental impacts. Hence, in this research work, the most efficient and energy-saving techniques for FPH production are investigated from cradle-to-gate in-terms of overall heating, cooling demand and energy demands.

Different alternatives in concentrating and drying steps are studied in detail to identify the process combinations with less energy use. It was observed that the process with direct drying consumes significant energy between 1.53 to 1.8 kWh/kg of water removal. Concentrating before the drying stages helps to reduce the overall energy demands. Methods like freeze concentration (FC), three-stage evaporator (MSE/3SEV) and mechanical vapor recompression (MVR) evaporators consume less energy. In the results, it was observed that freezing the water using a freeze concentrator, takes less energy of around (0.076 kWh/kg water) 273 kJ/kg of water. Two-stage system ‘TWICE’ was studied as a process for achieving maximum concentration in freeze concentration. In comparing the different processes, the mechanical vapor recompression cycle, requires the lowest energy of around 150 kJ/kg of evaporated water (0.04 kWh/kg water), since the process works on the energy recovery principle.

Heat pump application covers heating and cooling demands which significantly reduces the overall energy needs. The energy recovery solutions are investigated with integrated heat recovery using a transcritical two-stage CO2 system in Dymola & EES. The simulation results have the heat pump COP of 3.5. Also, the High-Temperature Heat Pumps (HTHP) were studied as an alternative for evaporation techniques. When integrating heat pumps with the spray drying process, significant energy reduction of up to 50% was achieved.

The energy study indicates, when producing the hydrolysates with energy-efficient equipment at the concentrating stage results an energy reduction of 60%. Also, the calculated CO2 emissions levels are in a lower range. The investment analysis resulted a payback time of 4.8 to 5.7 years for processes with freeze concentration and different dryers, 3.4 to 4.2 years for processes with three-stage evaporators and dryers and 2 to 2.2 years for processes with MVR and dryer’s combinations. Finally, the economic sensitivity analysis has been carried out and the process representation is presented in 3D schemes modelled in SOLIDWORKS.

The thesis work was presented and published at the 7th IIR conference on sustainability and the cold chain and secured best paper award for the research work.

Keywords: Fish protein hydrolysates, Energy demands, Sustainable production, CO2 Heat pumps, process optimization, Freeze concentration, Evaporation process, High-Temperature Heat Pumps, Drying methods, Economic Analysis.