Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την αξιοποίηση του βιοελαίου για την παραγωγή βιοκαυσίμων και χημικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, στο πλαίσιο της ανάγκης για μετάβαση σε πιο βιώσιμες μορφές ενέργειας και σε τεχνολογίες που στηρίζουν την κυκλική οικονομία. Η αυξανόμενη εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, η επιβάρυνση του περιβάλλοντος και η ανάγκη περιορισμού των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθιστούν απαραίτητη τη στροφή προς τις ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Στο πλαίσιο αυτό, η βιομάζα παρουσιάζεται ως εξαιρετικά σημαντική πρώτη ύλη, καθώς μπορεί να προέλθει από γεωργικά, δασικά, βιομηχανικά και αστικά υπολείμματα, καθιστώντας δυνατή την ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας, καυσίμων και χημικών. Η εργασία ξεκινά με την εξέταση των βασικών ειδών βιομάζας, εστιάζοντας στις αμυλούχες/σακχαρούχες, στις τριγλυκεριδικές και στις λιγνοκυτταρινούχες πηγές. Κάθε κατηγορία χαρακτηρίζεται από διαφορετικές δυνατότητες εκμετάλλευσης, αλλά και διαφορετικούς περιορισμούς. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη λιγνοκυτταρινούχο βιομάζα, η οποία, ως άφθονη και μη βρώσιμη ύλη χαμηλού κόστους, μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιοκαυσίμων δεύτερης γενιάς. Ωστόσο, η σύνθετη σύσταση της βιομάζας από κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη απαιτεί στάδια προεπεξεργασίας, ώστε να διευκολυνθεί η μετατροπή της σε χρήσιμα προϊόντα. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζει στο βιοέλαιο και τις θερμοχημικές μεθόδους παραγωγής του, εξετάζοντας κυρίως τις τεχνικές της πυρόλυσης και της υδροθερμικής υγροποίησης. Η ταχεία πυρόλυση ξεχωρίζει ως μέθοδος παραγωγής, αφού εξασφαλίζει υψηλές αποδόσεις σε βιοέλαιο, όταν οι συνθήκες θερμοκρασίας, ρυθμού θέρμανσης και χρόνου παραμονής είναι κατάλληλα ελεγχόμενες. Παράλληλα, η υδροθερμική υγροποίηση παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για πρώτες ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, επειδή δεν απαιτείται προηγούμενη ξήρανση της βιομάζας. Το βιοέλαιο που παράγεται είναι ένα σύνθετο μείγμα από φαινόλες, κετόνες, αλδεΰδες και οργανικά οξέα, γεγονός που του προσδίδει σημαντικές δυνατότητες αξιοποίησης, αλλά παράλληλα δημιουργεί και αρκετά τεχνικά εμπόδια. Ένα από τα κύρια σημεία της μελέτης αυτής αποτελεί η ανάγκη για αναβάθμιση του βιοελαίου. Οι ιδιότητες του ακατέργαστου βιοελαίου, όπως η υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου, η οξύτητα και η περιεκτικότητα σε νερό, υποβαθμίζουν τη θερμογόνο δύναμή του και καθιστούν την αποθήκευσή του δύσκολη λόγω της αστάθειάς του. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν το βιοέλαιο ακατάλληλο για άμεση χρήση, και απαραίτητη τη βελτίωση της ποιότητάς του. Για τον σκοπό αυτό εξετάζονται διαφορετικές μέθοδοι αναβάθμισης, όπως η υδρογονοαποξυγόνωση, η καταλυτική πυρόλυση, η εστεροποίηση, η απόσταξη υπό κενό, η μοριακή απόσταξη, η επεξεργασία πλάσματος, η ηλεκτροχημική υδρογόνωση, η εκχύλιση με υπερκρίσιμα ρευστά, η εκχύλιση με υπερήχους, η γαλακτωματοποίηση και οι τεχνολογίες μεμβρανών. Η υδρογονοαποξυγόνωση ξεχωρίζει ως μέθοδος, καθώς αναβαθμίζει ποιοτικά το βιοέλαιο μειώνοντας το οξυγόνο και αυξάνοντας την απόδοσή του σε ενέργεια, ωστόσο η εφαρμογή της αντιμετωπίζει περιορισμούς που σχετίζονται με την υψηλή κατανάλωση υδρογόνου, το κόστος και την απενεργοποίηση των καταλυτών. Η αξιοποίηση του αναβαθμισμένου βιοελαίου μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή διαφόρων βιοκαυσίμων, όπως βιοντίζελ, πράσινο ντίζελ, βιοβενζίνη, καύσιμα αεροπορίας, αέριο σύνθεσης και βιοϋδρογόνο. Παράλληλα, οι χημικές ενώσεις που περιέχει μπορούν να λειτουργήσουν ως πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως φαινολικές ενώσεις, οργανικά οξέα, κετόνες και άλλα χημικά ενδιάμεσα. Έτσι, το βιοέλαιο δεν θεωρείται απλώς ένα εναλλακτικό καύσιμο, αλλά μια βάση για τη δημιουργία σύγχρονων βιοδιυλιστηρίων, όπου η παραγωγή ενέργειας συνδυάζεται με την παραγωγή χημικών προϊόντων. Τέλος, εξετάζονται οι τεχνοοικονομικές προκλήσεις και οι μελλοντικές προοπτικές της αξιοποίησης του βιοελαίου. Το κόστος παραγωγής και αναβάθμισης, οι απαιτήσεις σε υδρογόνο, ο σχεδιασμός των αντιδραστήρων, η μεταφορά θερμότητας και η διάρκεια ζωής των καταλυτών αποτελούν βασικά ζητήματα που επηρεάζουν την εφαρμογή των τεχνολογιών σε βιομηχανική κλίμακα. Παρά τα εμπόδια, η δημιουργία πιο αποτελεσματικών καταλυτών, η βελτίωση των μεθόδων παραγωγής και η χρήση αποβλήτων ως πρώτων υλών μπορούν να κάνουν το βιοέλαιο μια πραγματικά βιώσιμη λύση.

This thesis examines the utilization of biooil for the production of biofuels and high value-added chemicals, in the context of the need to transition to more sustainable forms of energy and technologies that support the circular economy. The growing dependence on fossil fuels, the environmental impact, and the need to reduce greenhouse gas emissions make a shift toward renewable raw materials essential. In this context, biomass is considered as an extremely important raw material, which can be derived from agricultural, forestry, industrial, and municipal waste, enabling the simultaneous production of energy, fuels, and chemicals. The study begins by examining the main types of biomass, focusing on starchy/sugar, triglyceride, and lignocellulosic sources. Each category is characterized by different exploitation possibilities, but also by different limitations. Particular emphasis is placed on lignocellulosic biomass, which, as an abundant, low-cost, non-edible material, can be used to produce second-generation biofuels. However, the complex composition of this type of biomass—consisting of cellulose, hemicellulose, and lignin—requires pretreatment steps to facilitate its conversion into useful products. The study then focuses on bio-oil and the thermochemical methods used for its production, examining primarily the techniques of pyrolysis and hydrothermal liquefaction. Fast pyrolysis stands out as a production method, as it ensures high yields of bio-oil when the conditions of temperature, heating rate, and residence time are properly controlled. At the same time, hydrothermal liquefaction is of particular interest for raw materials with high moisture content because no prior drying of the biomass is required. The bio-oil produced is a complex mixture of phenols, ketones, aldehydes, and organic acids, a fact that gives it significant potential for utilization but also creates several technical challenges. One of the main points of this study is the need for upgrading bio-oil. The properties of crude bio-oil, such as its high oxygen concentration, acidity, and water content, reduce its calorific value and make it difficult to store due to its instability. These characteristics make the bio-oil unsuitable for direct use and make it necessary to improve its quality. For this purpose, different upgrading methods are examined, such as hydrodeoxygenation, catalytic pyrolysis, esterification, vacuum distillation, molecular distillation, plasma treatment, electrochemical hydrogenation, supercritical fluid extraction, ultrasound extraction, emulsification, and membrane technologies. Hydrodeoxygenation stands out as a method because it improves the quality of bio-oil by reducing its oxygen content and increasing its energy yield; however, its application faces limitations related to high hydrogen consumption, cost, and catalyst deactivation. The utilization of upgraded bio-oil can lead to the production of various biofuels, such as biodiesel, green diesel, bio-gasoline, aviation fuels, synthesis gas, and biohydrogen. At the same time, the chemical compounds it contains can serve as precursors for the synthesis of high-value-added products, such as phenolic compounds, organic acids, ketones, and other chemical intermediates. Thus, bio-oil is not considered merely an alternative fuel, but rather a basis for the development of modern biorefineries, where energy production is combined with the production of chemical products. Finally, the techno-economic challenges and future prospects of bio-oil utilization are examined. Production and upgrading costs, hydrogen requirements, reactor design, heat transfer, and catalyst lifespan are key issues that affect the implementation of these technologies on an industrial scale. Despite the obstacles, the development of more effective catalysts, improvements in production methods, and the use of waste as raw materials can make bio-oil a truly sustainable solution.