Development of Concentration Processes to Conserve Rest Raw Materials and Process Water in onshore and off-shore Sectors for Circular Economy
Abstract
Fiskekonsum og ressursutnyttelse har ført til behovet for bærekraftige praksiser på grunn av begrensede fiskeressurser og ønske om bedre utnyttelse av fiskeavfall. Ifølge Caruso (2016) produserer fiskerier over hele verden årlig omtrent 20 millioner tonn resterende råmaterialer, der prosessvann utgjør opptil 9% av de totale resterende råmaterialene i fiskeoppdrettsindustrien. Som et resultat har det blitt en prioritet for land over hele verden, inkludert Norge, å konvertere disse råmaterialene til produkter av høyere verdi og rense prosessvannet. Oppgaven fokuserer på eksperimentering med viskositetstester av fiskeprotein og frysekonsentrasjonsprosessen for å effektivt utnytte fiskeavfall, bestemme egenskaper og sikte mot iskrystaller av høy renhet og protein utbytte. I tillegg presenterer denne studien teoretiske modeller for ulike konsentrasjoner og tørkesystemer. En økonomisk analyse blir utført for å evaluere levedyktigheten og økonomisk bærekraft for det foreslåtte konsentrasjonssystemet. Videre blir et energisystem foreslått for å dekke oppvarmings- og kjølebehovene både på land og offshore, for å støtte en sirkulær økonomisk tilnærming.
Det er avgjørende å bestemme egenskapene til fiskeprotehydrolysat ved ulike konsentrasjoner for å beregne varmebelastningen for frysekonsentrasjon. Eksperimentelle tester blir utført på tørket fiskeprotehydrolysat for å måle viskositet med et elektrometer og et viskosimeter. Fiskeprotein viser seg å oppføre seg som en Newtonsk væske ved lave konsentrasjoner, men blir en Bingham-væske ved høyere konsentrasjoner. For å korrelere de eksperimentelle funnene blir det utviklet en teoretisk empirisk modell som viser et relativt avvik på 10% for konsentrasjoner under 350 (g/L).
Frysekonsentrasjon er en viktig prosess for å konsentrere et produkt ved å lage en slurry i en krystallisator og senere separere flytende komponenter og iskrystaller med noen urenheter. Konsistensen og oppførselen til eksperimentene blir først analysert ved bruk av salt- og melkløsninger (med 0,1% fett) som erstatning for fiskeprotehydrolysat. Saltløsning brukes for å vurdere konsistens, mens melkløsning, som ligner på fiskeprotein (3,4% protein), brukes for å analysere oppførselen.
Fire forskjellige design blir konstruert, og en rekke eksperimenter blir utført. Iskonsentrasjonene for de fire designene registreres som henholdsvis 22 000 (mg/L), 19 100 (mg/L), 14 300 (mg/L) og 13 900 (mg/L). Design 4 med beger med lokk, mekanisk omrøring og et vaskestep er dermed det endelige eksperimentelle designet valgt for nåværende eksperimenter. Innføring av et vaskestep med melkløsningen resulterer i en reduksjon i melkonsentrasjonen i isen fra 34 000 mg/L til 7 000 mg/L, noe som indikerer en isrenhet på 99,7%. Det blir observert at høyest renhet og utbytte i isen oppnås ved lavere temperaturforskjeller (ΔT), lengre frysetider og høyere omrøring. Maksimal konsentrasjon som oppnås med dette systemet er 19%. Over denne konsentrasjonen amalgamerer konsentratet og iskrystallene, noe som gjør separasjon vanskelig. Så, Deretter blir det foreslått en ny modell for fremtidig konstruksjon i laboratoriet.
Forskjellige alternativer for konsentrasjonssystemet og tørkesystemet blir undersøkt for å rense den lette fasen av prosessvannet med fokus på å finne en energieffektiv løsning. Frysekonsentrasjon identifiseres som et gunstig alternativ på grunn av lavt energiforbruk og evnen til å resirkulere avkjølt vann, noe som resulterer i energisparing. På grunn av begrensningene ved frysekonsentrasjon for å oppnå høye konsentrasjoner, blir fordampningsbaserte konsentrasjonssystemer analysert som et alternativ. Tidligere forskning utført av en masterstudent undersøkte spesifikke konsentrasjonssystemer, der et mekanisk dampkomprimeringssystem blir valgt som den mest levedyktige løsningen. Derfor blir de gjenværende fordampningsbaserte systemene, omvendt osmose-systemet, og ulike tørkemetoder undersøkt for å utforske ytterligere alternativer.
Resultatene som er oppnådd fra forskjellige kombinasjoner av konsentrasjonssystemer og tørkesystemer, viser at frysekonsentrasjonssystemet koblet med mekanisk dampkomprimering (MVC) etterfulgt av tromletørking er en levedyktig og effektiv løsning. Først, sammenlignet med fordampningsbaserte konsentrasjonssystemer og omvendt osmose, viser det seg at et mekanisk dampkomprimeringssystem er et egnet valg på grunn av høy ytelsesforhold, energieffektivitet og lavere miljøpåvirkning. Det krever imidlertid et større varmeoverføringsareal, noe som er et kostnadshensyn. For systemet designet under optimaliserte forhold, blir ytelsesforholdet for MVC funnet å være 7,1, med en spesifikk energiforbruk på 17 kWh/m^3 og et varmeoverføringsareal på 658 m^2/(kg/s). Omvendt osmose viser et lavere spesifikt energiforbruk på 9 kWh/m^3, men har ulempen med høye ekstrakostnader. Derfor blir mekanisk dampkomprimering brukt ved høyere konsentrasjonsnivåer etter å ha brukt frysekonsentrasjonsmetoden. Videre, blant alle direkte tørkemetoder, viser trommeltørking det laveste energiforbruket på 1,46 (kWh/kg vann). Betydelige mengder energi kan spares ved tørking av proteiner med høyere konsentrasjoner. Alle energisystemberegninger blir utført ved hjelp av EES-programvare.
Utforming av en effektiv og kostnadseffektiv krystallisator, sammen med et passende energisystem, er viktig. For å oppnå dette målet blir flere steg tatt. Først blir det foreslått et teoretisk design for krystallisatoren, med tanke på innsiktene som er oppnådd fra tidligere eksperimenter. En 3D-modell som bruker SolidWorks-programvare blir utviklet for visuell representasjon av en laboratorieskala krystallisator, som tillater praktisk implementering og eksperimentering. Videre blir en statisk og dynamisk modell av et CO2-forsterkersystem presentert. Den statiske modellen blir validert med EES-modellen, og fryselastprofiler blir generert for den dynamiske modellen. Dette systemet bidrar til å dekke oppvarmingsbehovene for ulike prosesser, inkludert hydrolyseprosessen, samt kjølebehovene for frysing av fisk og konsentrering av fiskeprotehydrolysat. CO2-forsterkersystemet blir grundig analysert, og potensielle forbedringer og optimaliseringer blir diskutert med sikte på å maksimere ytelsen og energieffektiviteten.
Simuleringer for den teoretiske krystallisatoren blir utført ved hjelp av EES, SolidWorks og Ansys-programvare, mens energisystemsimuleringene bruker EES og Dymola-programvare. Simuleringsresultatene for krystallisatoren understreker betydningen av å øke den totale varmeoverførings koeffisienten, redusere kjølemiddeltemperaturen og forbedre impellorrotasjonen for å redusere kjøle tiden for slurryen. Spesifikt blir den totale varmeoverføringskoeffisienten bestemt til å være 39 W/m2K når glykol brukes som varmeoverføringsvæske. Videre indikerer simuleringresultatene for energisystemet en ytelseskoeffisient (COPhp) på 2,59 for EES-modellen og 3,03 for Dymola-modellen for varmepumpen. Innføringen av en ejektor økte COP for den statiske Dymola-modellen med 1,7%. Videre analyseres to tilfeller for å evaluere effekten av ulike fryselastforhold på system-COP. I tillegg observeres en COPvac på 0,79 for dampabsorpsjonssystemet .
Et alternativt energisystem med solenergipaneler (PV) er designet på Helioscope-programvare for å møte energibehovet til konsentrasjonssystemet og CO2-forsterkersystemet samtidig som det reduserer CO2-utslippene når systemet blir drevet av en ikke-fornybar strømkilde. Overgangen fra en kullbasert strømkilde til vannkraft kan resultere i en betydelig reduksjon på 34% i CO2-utslippene. Implementering av et PV-system kan også føre til en 9% reduksjon i utslippene. For landbaserte applikasjoner er solcellesystemet designet for å dekke 65% av energibehovet, og gir en bærekraftig og miljøvennlig løsning. Tidspunktet for avkastning for det foreslåtte konsentrasjonssystemet viser seg å være 5,4 år. Økonomisk sensitivitet blir også utført for å redusere avkastningstiden. Et utkast til gjennomgangsartikkel om bruk av frysekonsentrasjonsmetoder for fiskeproteiner blir også presentert mot slutten av rapporten.
Nøkkelord: Resterende råmaterialer, prosessvann, rengjøringsteknologi, konsentrasjonsmetoder, energieffektivitet, frysekonsentrasjon, krystallisator design, separasjons teknikker, tørkemetoder, kjølesystemer, RSW-system, energibehov, varmepumpesystem, økonomisk analyse. Fish consumption and resource utilization has emerged the need for sustainable practices due to limited fish resources and the desire for better utilization of fish waste. According to Caruso (2016), the world's fisheries produce approximately 20 million tons of residual raw materials annually, with process water making up to 9% of the total rest raw materials in the fish farming industry. Consequently, converting these raw materials into higher-value products and purifying process water has become a priority for countries worldwide, including Norway. The thesis report focuses on the experimentation on viscosity tests of fish protein and the freeze concentration process to effectively utilize fish waste, determining properties and aiming for high-purity ice crystals and protein yield. Additionally, this study presents theoretical models for different concentrations and drying systems. An economic analysis is conducted to evaluate the feasibility and financial viability of the proposed concentration system. Furthermore, an energy system is proposed to fulfill the heating and cooling requirements for both onshore and offshore sector, in order to support a circular economy approach.
Determining the properties of fish protein hydrolysates at different concentrations is crucial for calculating the heat load for freeze concentration. Experimental tests are carried out on dried fish protein hydrolysates to measure viscosity with electro-meter and a cup viscosity meter. Fish protein is found to behave as a Newtonian fluid at low concentrations, but transforms into a Bingham fluid at higher concentrations. In order to correlate the experimental findings, a theoretical empirical model is developed that demonstrate a relative error of 10\% for concentrations below 350 (g/L).
Freeze concentration is a key process for concentrating a product by making slurry in crystallizer and later separating liquid component and ice crystals with some impurities. Consistency and behavior of the experiments are initially analyzed using salt and milk solutions (with 0.1% fat) as substitutes for fish protein hydrolysates. Salt solution is used to assess consistency, while milk solution, which closely resembles fish protein (3.4% protein), is employed to analyze behavior.
Four different designs are constructed, and a series of experiments are conducted. The ice concentrations for the four designs are recorded as 22,000 (mg/L), 19,100 (mg/L), 14,300 (mg/L), and 13,900 (mg/L) respectively. Consequently, design 4 with lid beaker, mechanical stirring and washing step is the final suitable experimental design chosen for current experiments. Introducing this washing step with the milk solution results in a decrease in milk concentration within the ice from 34,000 mg/L to 7,000 mg/L, indicating an ice purity of 99.7%. It is observed that the highest purity and yield in the ice are achieved through lower temperature differences (ΔT), longer freezing times, and higher stirring. The maximum concentration achieved with this system is 19%. Beyond this concentration, the concentrate and ice crystals amalgamate, making separation difficult. So, a new model is proposed for future construction in the laboratory.
Different alternatives for the concentration system and drying system are examined theoretically to purify the light phase of process water with a focus on finding an energy-efficient solution. Freeze concentration is identified as a favorable option due to its lower energy consumption and the ability to recycle cooled water, resulting in energy savings. Due to limitations of freeze concentration in achieving high concentrations, evaporator-based concentration systems are analyzed as an alternative. Previous research conducted by master student investigated specific concentration systems, in which a mechanical vapor compression system is chosen as the most viable solution. Therefore, the remaining evaporator-based systems, reverse osmosis system and various drying methods are examined to explore additional options.
Results obtained from various combinations of concentration and drying systems demonstrate that the freeze concentration system coupled with mechanical vapor compression (MVC) followed by drum drying is a viable and effective solution. First, comparing the evaporator-based concentration system and reverse osmosis, mechanical vapor system proves to be a suitable choice due to its high performance ratio, energy efficiency, and lower environmental impact. However, it does require a larger heat transfer area, which is a cost consideration. For the system designed under optimized conditions, the performance ratio of MVC is found to be 7.1, with a specific power consumption of 17 kWh/m^3 and a specific heat transfer area of 658 m^2/(kg/s). On the other hand, reverse osmosis exhibits a lower specific power consumption of 9 kWh/m^3 but has drawback of high additional costs. Therefore, mechanical vapor compression is employed at higher concentration levels after initial using the freeze concentration method. Moreover, among all the direct drying methods, drum drying exhibits the lowest energy consumption of 1.46 (kWh/kg of water). Notably, a significant amount of energy can be saved by drying proteins at higher concentrations. All energy system calculations are performed using EES software.
Design of an efficient and cost-effective crystallizer, along with an appropriate energy system is important. To achieve this objective, several steps are taken. Firstly, a theoretical design for the crystallizer is proposed, taking into account the insights gained from previous experiments.The 3D model using SolidWorks software is developed for visual representation of a lab-scale crystallizer, allowing for practical implementation and experimentation. Furthermore, a static and dynamic model of a CO2 booster system is presented. Static model is validated with EES model and freezing load profiles are generated for dynamic model. This system serves to fulfill the heating demands of various processes, including the hydrolysis process, as well as the cooling requirements for freezing fishes and concentrating fish protein hydrolysates. The CO2 booster system is thoroughly analyzed, and potential improvements and enhancements are discussed, aiming to maximize its performance and energy efficiency.
Simulations for the theoretical crystallizer are conducted using EES, SolidWorks, and Ansys software, while the energy system simulations utilized EES and Dymola software. Crystallizer simulation results highlight the significance of increasing the overall heat transfer coefficient, reducing the refrigerant temperature, and enhancing the impeller rotation to decrease the cooling time of the slurry. Specifically, the overall heat transfer coefficient is determined to be 39 W/m^2K when glycol is employed as the heat transfer fluid. Moreover, the simulation results for the energy system indicate a coefficient of performance (COPhp) of 2.59 for the EES model and 3.03 for the Dymola model for the heat pump. The introduction of an ejector increased the COP of the Dymola static model by 1.7%. Furthermore, two cases are analyzed to evaluate the effect of different freezing load conditions on the system COP. Additionally, a COPvac of 0.79 is observed for the vapor absorption system .
Alternative energy system of solar photovoltaic (PV) system has been designed on Helioscope software to meet the energy demand of the concentration system and CO2 booster system while also reducing CO2 emissions when the system is powered by a non-renewable electricity source. Transitioning from a coal-based electricity source to hydro-power can result in a significant reduction of 34% in CO2 emissions. Additionally, implementing a PV system can lead to a 9% decrease in emissions. For onshore applications, the solar PV system is designed to cover 65% of the energy demand, providing a sustainable and environmentally friendly solution. Pay-off period for the proposed concentration system is found to be 5.4 years. Economic sensitivity is also carried out to decrease pay-off time. Draft of review article written on use of freeze concentration methods for fish proteins is also presented towards the end of report.
Keywords: Rest raw materials, Process water, cleaning technology, Concentration methods, Energy efficiency Freeze concentration, Crystallizer design, Separation techniques Drying methods, Refrigeration system, RSW system, Energy demand, Heat pump system, Economic analysis.