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Hybrid Prediction-Driven High-Throughput Sustainability Screening for Advancing Waste-to-Dimethyl Ether Valorization

持续性 吞吐量 工艺工程 响应面法 过程(计算) 环境科学 生化工程 计算机科学 废物管理 工程类 机器学习 生态学 电信 生物 操作系统 无线
作者
Dániel Fózer,Philippe Nimmegeers,András József Tóth,Petar Sabev Varbanov,Jiří Jaromír Klemeš,Péter Mizsey,Michael Zwicky Hauschild,Mikołaj Owsianiak
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (36): 13449-13462 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c01892
摘要

Assessing the prospective climate preservation potential of novel, innovative, but immature chemical production techniques is limited by the high number of process synthesis options and the lack of reliable, high-throughput quantitative sustainability pre-screening methods. This study presents the sequential use of data-driven hybrid prediction (ANN–RSM–DOM) to streamline waste-to-dimethyl ether (DME) upcycling using a set of sustainability criteria. Artificial neural networks (ANNs) are developed to generate in silico waste valorization experimental results and ex-ante model the operating space of biorefineries applying the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and sewage sludge (SS). Aspen Plus process flowsheeting and ANN simulations are postprocessed using the response surface methodology (RSM) and desirability optimization method (DOM) to improve the in-depth mechanistic understanding of environmental systems and identify the most benign configurations. The hybrid prediction highlights the importance of targeted waste selection based on elemental composition and the need to design waste-specific DME synthesis to improve techno-economic and environmental performances. The developed framework reveals plant configurations with concurrent climate benefits (−1.241 and −2.128 kg CO2-eq (kg DME)−1) and low DME production costs (0.382 and 0.492 € (kg DME)−1) using OFMSW and SS feedstocks. Overall, the multi-scale explorative hybrid prediction facilitates early stage process synthesis, assists in the design of block units with nonlinear characteristics, resolves the simultaneous analysis of qualitative and quantitative variables, and enables the high-throughput sustainability screening of low technological readiness level processes.
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