The pressing global challenges, including global warming and climate change, the Russia-Ukraine war, and the Covid-19 pandemic, all are indicative of the necessity of a transition from fossil-based systems toward bioenergy and bioproduct to ensure our plans for sustainable development. Such a transition, however, should be thoroughly engineered, considering the sustainability of the different elements of these systems. Advanced sustainability tools are instrumental in realizing this important objective. The present work critically reviews these tools, including techno-economic, life cycle assessment, emergy, energy, and exergy analyses, within the context of the bioenergy and bioproduct systems. The principles behind these methods are briefly explained, and then their pros and cons in designing, analyzing, and optimizing bioenergy and bioproduct systems are highlighted. Overall, it can be concluded that despite the promises held by these tools, they cannot be regarded as perfect solutions to address all the issues involved in realizing bioenergy and bioproduct systems, and integration of these tools can provide more reliable and accurate results than single approaches.

This manuscript explores the imperative role of biomass in shaping the global bioeconomy, necessitated by escalating energy demands and the consequent environmental challenges posed by fossil fuel dependency. This paper delineates the diverse forms of biomass — from lignocellulosic materials to organic waste and algae — each holding distinct chemical compositions and applications within the bioeconomy. Investigating biomass conversion technologies (i.e. thermochemical, biochemical and chemical) provides a comprehensive understanding of their merits and limitations in energy production and resource optimisation. Specifically, it delves into pyrolysis, gasification, hydrothermal liquefaction, torrefaction, anaerobic digestion and transesterification, elucidating their mechanisms and contributions to energy generation and biofuel production. Moreover, the study incorporates bibliometric analysis, depicting thematic clusters in biomass research and highlighting the evolving trends in its application within the bioeconomy. The primary focus of studies within the initial cluster revolves around utilising biomass for a global bioeconomy through thermochemical conversion methods. Overall, this review underscores the indispensable role of biomass as a renewable and adaptable resource, pivotal in steering the transition towards a sustainable bio-based economy amid global environmental and socio-economic challenges.

The co-gasification of biomass feedstocks with coal offers a promising approach to enhancing syngas quality while mitigating the environmental impacts of traditional coal gasification. However, experimental determination of the optimal biomass/coal blending ratio and operational parameters is often resource-intensive. To address this challenge, modeling techniques are invaluable for optimizing biomass-coal co-gasification. This study aims to develop a machine learning (ML) model to optimize biomass-coal co-gasification. Additionally, an evolutionary algorithm is employed for multi-objective optimization, targeting maximum H2 production and optimal performance for the Fischer-Tropsch process. A comprehensive dataset from reputable literature sources, covering a wide range of biomass/coal blending ratios under various process conditions, was compiled. The dataset underwent statistical analysis, and mechanistic discussions were included to elucidate the effects of each parameter on the process. Among the four ML models applied, gradient boosting regression demonstrated the best performance during the testing phase, achieving an R2 exceeding 0.92 and MAE and RMSE values lower than 2.92 and 3.39, respectively. For H2 production, optimal results were observed with steam yields and temperatures near 1480 °C, while air and temperatures around 1570 °C yielded the best outcomes for the Fischer-Tropsch process. A biomass/coal blending ratio between 50 % and 70 % was found to be suitable for almost all gasifying agents under both criteria. The process was also analyzed techno-economically based on optimal conditions, revealing that steam exhibits superior techno-economic performance compared to other gasifying agents.