Exploring the use of plant factories for the production of biomass for the biorefining industry
Date
2023-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The use of a plant factory is typically associated with the cultivation of edible biomass for local markets within the urban environment. This dissertation explored the use of plant factories to produce biomass and value-added compounds for the biorefining industry. The dissertation helped to frame the debate regarding the expansion of plant factory applicability to the greater biorefining value chain. Firstly, a conceptual model of a plant factory system boundary was developed, which considered all the drivers and variables that can influence the economic feasibility of plant factories. This model was used to guide the review of technological interventions within the plant factory system boundary and to understand the importance of selecting appropriate technologies. Thereafter, each sub-system of the plant factory was investigated to determine its impact on overall system performance. The expansion of plant factory cultivation beyond the food market also required a re-evaluation of the crop selection process of plant factories. Therefore, a multi-criteria crop selection process was developed and applied to multipurpose crops. This process helped to identify biorefining markets and products. The crop selection process was used to evaluate the suitability of crops by using the combined scores from plant factory cultivation indicators and market-specific crop indicators. This process led to the conclusion that the appropriate selection of plant factory crops was also significantly dependent on market-specific criteria. Additionally, the plant factory system was evaluated for its potential to be integrated with external industries by considering the plant factory as an open-loop system that interacted with the surrounding environment. This approach led to the identification of multiple resource and waste streams originating from the plant factory system. These streams were considered potential points of integration with external industries. Lastly, the information gathered regarding plant factory technology, crop selection for biorefining markets and the industrial integration potential of plant factories was used to evaluate the economic feasibility of plant factory scenarios. From these scenarios, it was shown that plant factories could achieve economic feasibility while producing biomass for the food market and had significant potential in the biopharmaceutical market when accumulating adequate levels of biopharmaceutical products within the plants grown in the plant factories. Furthermore, this dissertation provided a novel interpretation of the plant factory system boundary, expanded the crop selection process to include plant factory and end-user market considerations and explored the industrial symbiosis potential of plant factories to show the benefits of the industrial integration system approach. These contributions were used to evaluate the economic feasibility of novel plant factory scenarios and demonstrated the economic feasibility of expanding the use of plant factories beyond the food market.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die verhandeling handel oor die gebruik van binnenshuise strukture, met behulp van kunsmatige beligting, vir die groei van plante, hierna verwys as plantfabrieke. Die gebruik van plantfabrieke word gewoonlik geassosieer met die groei van eetbare gewasse vir omliggende markte binne stedelike gebiede. Die verhandeling het die gebruik van plantfabrieke ondersoek om gewasse en samestellings, soos biofarmaseutiese produkte vir die bioraffineringsbedryf, te produseer en het gehelp om ‘n raamwerk op te stel rondom die debat rakende die uitbreiding van plantfabrieke se vermoëns om waarde toe te voeg tot die bioraffineringsbedryf. Eerstens was ‘n konseptuele model van ‘n plantfabriek ontwikkel om die omvang van die sisteem te bepaal en het invloede en veranderlikes, wat die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke kan beïnvloed, in ag geneem. Die model was gebruik as ‘n gids gedurende die literatuuroorsig van die tegnologiese ingrypings binne die omvang van die plantfabriek se sisteem en om ‘n beter insig te kry oor die belangrikheid van om die gepaste tegnologieë te kies. Elke substelsel van die plantfabriek was ondersoek om te bepaal wat elkeen se impak op die algehele sisteem se werksverrigting was. Die uitbreiding van die gebruik van plantfabrieke, buite die voedselmark, het ook ‘n herevaluering benodig van die plantfabriek se gewaskeuses. Daarvolgens was ‘n multi-kriteria gewaskeuseproses ontwikkel en toegepas op veeldoelige gewasse. Die proses het gehelp om bioraffineringsmarkte en produkte te identifiseer en was gebruik om die geskiktheid van gewasse te bepaal deur om die gekombineerde tellings van plantfabriek gewaskeuse-aanwysers en markspesifieke gewaskeuse-aanwysers te gebruik. Die proses het gelei tot die gevolgtrekking dat die gepaste keuse van gewasse vir plantfabrieke ook hewig afhanklik was van markspesifieke kriteria. Verder was die plantfabrieksisteem geëvalueer vir die potensiaal om geïntegreer te word met eksterne nywerhede deur om die plantfabriek te ag as ‘n sisteem wat nie geïsoleerd was nie. Hierdie benadering het gelei tot die identifisering van verskeie hulpbronne en afvalstrome wat vanaf tipiese plantfabrieksisteme afkomstig was en hierdie strome was in ag geneem as potensiële punte van integrasie met eksterne nywerhede. Die inligting wat ingesamel was rakende die plantfabriek se moontlike tegnologieë, gewaskeuses vir bioraffineringsmarkte en die potensiaal van industriële integrasie met plantfabrieke was gebruik om die ekonomiese haalbaarheid van plantfabriekscenario’s te bepaal. Gebaseer op hierdie scenario’s, was dit bepaal dat plantfabrieke ekonomiese haalbaarheid bereik het terwyl dit die voedselmark gedien het en dit het merkwaardige potensiaal binne die biofarmaseutiese mark getoon terwyl die plante wat binne ‘n plantfabriek gegroei was genoegsame vlakke van biofarmaseutiese produkte ontwikkel het. Hierdie verhandeling het ‘n oorspronklike interpretasie van die plantfabrieksisteem se omvang gebied, die gewaskeuses uitgebrei om plantfabrieke en bioraffineringsmarkte se behoeftes in ag te neem en het die potensiaal van industriële simbiose vir plantfabrieke ondersoek. Hierdie bydraes was gebruik om die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke te evalueer en het die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke gedemonstreer buite die ruimte van die voedselmark.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die verhandeling handel oor die gebruik van binnenshuise strukture, met behulp van kunsmatige beligting, vir die groei van plante, hierna verwys as plantfabrieke. Die gebruik van plantfabrieke word gewoonlik geassosieer met die groei van eetbare gewasse vir omliggende markte binne stedelike gebiede. Die verhandeling het die gebruik van plantfabrieke ondersoek om gewasse en samestellings, soos biofarmaseutiese produkte vir die bioraffineringsbedryf, te produseer en het gehelp om ‘n raamwerk op te stel rondom die debat rakende die uitbreiding van plantfabrieke se vermoëns om waarde toe te voeg tot die bioraffineringsbedryf. Eerstens was ‘n konseptuele model van ‘n plantfabriek ontwikkel om die omvang van die sisteem te bepaal en het invloede en veranderlikes, wat die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke kan beïnvloed, in ag geneem. Die model was gebruik as ‘n gids gedurende die literatuuroorsig van die tegnologiese ingrypings binne die omvang van die plantfabriek se sisteem en om ‘n beter insig te kry oor die belangrikheid van om die gepaste tegnologieë te kies. Elke substelsel van die plantfabriek was ondersoek om te bepaal wat elkeen se impak op die algehele sisteem se werksverrigting was. Die uitbreiding van die gebruik van plantfabrieke, buite die voedselmark, het ook ‘n herevaluering benodig van die plantfabriek se gewaskeuses. Daarvolgens was ‘n multi-kriteria gewaskeuseproses ontwikkel en toegepas op veeldoelige gewasse. Die proses het gehelp om bioraffineringsmarkte en produkte te identifiseer en was gebruik om die geskiktheid van gewasse te bepaal deur om die gekombineerde tellings van plantfabriek gewaskeuse-aanwysers en markspesifieke gewaskeuse-aanwysers te gebruik. Die proses het gelei tot die gevolgtrekking dat die gepaste keuse van gewasse vir plantfabrieke ook hewig afhanklik was van markspesifieke kriteria. Verder was die plantfabrieksisteem geëvalueer vir die potensiaal om geïntegreer te word met eksterne nywerhede deur om die plantfabriek te ag as ‘n sisteem wat nie geïsoleerd was nie. Hierdie benadering het gelei tot die identifisering van verskeie hulpbronne en afvalstrome wat vanaf tipiese plantfabrieksisteme afkomstig was en hierdie strome was in ag geneem as potensiële punte van integrasie met eksterne nywerhede. Die inligting wat ingesamel was rakende die plantfabriek se moontlike tegnologieë, gewaskeuses vir bioraffineringsmarkte en die potensiaal van industriële integrasie met plantfabrieke was gebruik om die ekonomiese haalbaarheid van plantfabriekscenario’s te bepaal. Gebaseer op hierdie scenario’s, was dit bepaal dat plantfabrieke ekonomiese haalbaarheid bereik het terwyl dit die voedselmark gedien het en dit het merkwaardige potensiaal binne die biofarmaseutiese mark getoon terwyl die plante wat binne ‘n plantfabriek gegroei was genoegsame vlakke van biofarmaseutiese produkte ontwikkel het. Hierdie verhandeling het ‘n oorspronklike interpretasie van die plantfabrieksisteem se omvang gebied, die gewaskeuses uitgebrei om plantfabrieke en bioraffineringsmarkte se behoeftes in ag te neem en het die potensiaal van industriële simbiose vir plantfabrieke ondersoek. Hierdie bydraes was gebruik om die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke te evalueer en het die ekonomiese haalbaarheid van plantfabrieke gedemonstreer buite die ruimte van die voedselmark.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.