The transition toward sustainable energy systems requires the development of environmentally benign and resource-efficient materials, including membranes used in electrochemical and humidification processes. This thesis focuses on the sustainability assessment and optimization of Cellfion’s pilot-scale production of PFAS-free((per- and polyfluoroalkyl substances-free)), cellulose-based humidifier membranes, positioning the work at the intersection of sustainable energy engineering, materials innovation, and circular economy principles.

The study begins by mapping the pilot plant’s resource consumption through a Material and Energy Flow Analysis (MEFA), quantifying inputs such as water, energy, and chemical solvents. This baseline assessment identifies critical environmental and operational hotspots, with drying emerging as the largest energy consumer, washing stages driving significant water demand, and solvent losses contributing to hazardous waste generation. A Techno-Economic Assessment (TEA) complements this analysis by linking these environmental hotspots to cost structures, revealing that while fixed costs dominate at pilot scale, solvent losses and waste disposal remain non-trivial variable costs.

To address these specific challenges (excess energy use in drying, high water consumption, and solvent wastage), a scenario-based approach is employed, developing three optimization pathways: Energy Optimization through waste-heat recovery in drying, Water Optimization via process-water recycling, and Material Reduction through improved solvent management. These scenarios are informed by analogous studies in sustainable materials manufacturing and modeled using MEFA and TEA frameworks to assess their environmental and economic impacts.

The results show that targeted circular economy interventions can achieve notable sustainability gains without increasing production costs. Specifically, the Water Optimization scenario reduced freshwater use by over 35% and lowered material intensity by 34%, the Energy Optimization scenario decreased energy intensity by approximately 7%, and the Material Reduction scenario cut hazardous solvent waste by around 30%. All scenarios maintained unit production costs within ±1% of the baseline, confirming cost neutrality. Trade-off analysis reveals minimal cross-impacts, with the most notable being a slight energy increase in the water-recycling case.

In conclusion, the integrated assessment demonstrates that PFAS-free membrane production can be made significantly more resource-efficient while retaining economic viability. The findings provide actionable guidance for Cellfion’s scale-up strategy, offering a replicable methodological framework for early-stage sustainable process design in the energy materials sector.

Övergången till hållbara energisystem kräver utveckling av miljövänliga och resurssnåla material, inklusive membran som används i elektrokemiska processer och vid befuktningssteg. Denna avhandling fokuserar på hållbarhetsbedömning och optimering av Cellfions pilotproduktion av PFAS-fria membran (d.v.s. fria från per- och polyfluorerade alkylsubstanser), som är baserade på cellulosa och används för befuktning, och placerar arbetet i skärningspunkten mellan hållbar energiteknik, materialinnovation och cirkulär ekonomis principer.

Studien inleds med en kartläggning av pilotanläggningens resursförbrukning via en material- och energiflödesanalys (MEFA), där insatsvaror som vatten, energi och kemiska lösningsmedel kvantifieras. Baslinjeanalysen identifierar de viktigaste miljö och operativa flaskhalsarna: torkningen är den största energiförbrukaren, tvättstegen kräver mycket vatten, och lösningsmedelsförluster bidrar till farligt avfall. En teknoekonomisk analys (TEA) kopplar dessa miljöhotspots till kostnadsstrukturer, och visar att även om fasta kostnader dominerar i pilotskala är lösningsmedelsförluster och avfallshantering betydande rörliga kostnader. För att hantera dessa utmaningar (hög energiförbrukning, stor vattenanvändning och farligt avfall) används en scenariobaserad metod med tre optimeringsvägar: energioptimering genom värmeåtervinning i torkningen, vattenoptimering via återvinning av processvatten, och minskning av materialförluster genom förbättrad hantering av lösningsmedel. Dessa scenarier baseras på liknande studier inom hållbar materialtillverkning och modelleras med MEFA- och TEA-ramverk för att bedöma deras miljömässiga och ekonomiska effekter.

Resultaten visar att riktade åtgärder inom cirkulär ekonomi kan ge betydande hållbarhetsvinster utan att öka produktionskostnaderna. Vattenoptimeringsscenariot minskade färskvattenanvändningen med över 35 % och reducerade materialintensiteten med 34 %. Energioptimeringsscenariot minskade energiintensiteten med cirka 7 %, och materialförlustscenariot reducerade farligt lösningsmedelsavfall med omkring 30 %. Alla scenarier bibehöll produktionskostnaderna inom ±1 % av baslinjen, vilket bekräftar kostnadsneutralitet. Trade-off-analysen visar minimala korsverkande effekter, där det mest märkbara är en liten ökning av energian.