Puun uudet biojalosteet
Lieksan puuakatemia seminaari Lieksan kulttuurikeskus 20. - 21.5.2014 Puun uudet biojalosteet Ari Pappinen Itä-Suomen yliopisto Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta – Joensuu Puun koostumus • Puu kostuu pääosin sokereista (selluloosa ja hemiselluloosa) ja polyfenoleista (ligniini) – Selluloosa muodostuu glukoosista muodostuvista polymeereistä => kuitukimppuja = selluloosakuitu – Hemiselluloosa muodostuu pääosin joko glukoosin polymeereistä (esim. kuusi) tai xyloosista (lehtipuut) – Ligniini on kuituja yhteen sitova amorfinen sidosaine (liima-aine) • Puu on vahva komposiittirakenne eli Lignoselluloosa = ligniinin, selluloosan ja hemiselluloosan kasveista peräisin oleva yhdistelmä joka sellaisenaan toimii erittäin biomassa hyvin monissa teknisissä käyttökohteissa Esim. puu, olki Vanhoja lignoselluloosan biojalosteita •Prosessoidun paperin teko = > Cai Lun (kiinalainen) 105 AD • Puuta hyödyntävien sienten käyttö lääkintään ja mm. vaatteisiin esim. taulakääpähuopa / säämiskä •Pettu => havupuun nila- ja jälsikerros jossa hemiselluloosaa, sokereita ja proteiineja – Pettua käytetty laajalti pohjolassa muutoinkin kuin vain nälkävuosina Vanhoja lignoselluloosan biojalosteita •Tervan poltto => hidas pyrolyysi (puun kuivatislaus) – Etikkahappoa, metanolia, asetolia, oxobutanolia (ns. tervan kusi -fraktio), fenoleita (tervaa) ja puuhiiltä – => tervasta myös tehtiin vähähappisessa oloissa polttamalla ns. mustaa hiiltä => mm. musteen raakaaineena •Oljen (olki = lignoselluloosaa) käsittelyä rehuarvon parantamiseksi – Ape => kuumavesiuutto + ohrajauhot (entsyymit) + mikrobikäsittely (märepala tai lantaa) – Oljen ammoniakkikäsittely => parantunut rehuarvo Uudempia biojalosteita •Kemiallinen paperin teko => sulfiittiprosessi 1840; sulfaattiprosessi 1870 – Sokereita, orgaanisia happoja, metanolia, etanolia ja ligniiniä sekä selluloosaa •Nitroselluloosa => räjähde (keksittiin 1846) – Savuton ruuti, lakat yms. •Muuntokuidut => sellu jossa ei hemiselluloosaa mukana – mm. viskoosi keksittiin 1800 -luvun lopulla, rayon •Selluloosamuovit => keksittiin 1800 – luvulla – mm. selluloosa-asetaatti, esim. filmit (1920 -luvulla) Uudempia biojalosteita •Sulfiittisprii => Sulfiittiprosessista, metanoli-etanoliseos – käyttöä mm. geeliytettynä polttoaineena – valmistettiin mm. ns. tikkuviinaa aina 1970 luvulle asti •Pekiloproteiini (1972 – 1991) => valmistettiin mikrobeilla sulfiittiselluloosaprosessin hemiselluloosan sokereista – Valkuaisrehu; tuotanto loppui kun sulfiittiprosessi korvattiin sulfaattiprosessilla •Mäntyöljy, mäntypiki, tärpätti, ym (mm. maaliteollisuus) Uudet biojalosteet • Puun kemia ja prosessikemia jo varhain varsin hyvin tunnettu ja monet tuotteet käyneet jo valmistusprosessissa sekä markkinoilla • Parin sukupolven katko puutuotteiden kehittämisessä ja osaamisen ylläpidossa ja osaamisen kehittämisessä koska petrokemian tuotteet halpoina korvasivat puusta saadut kemikaalit ja tuotteet • Miksi uusia biojalosteita ja tuotteita nyt? => – Biotalousbuumi; vähähiilinen talous; kierrätettävät materiaalit – Raaka-ainetehokkuus -vaatimus = > biojalosteet joutuvat kilpailemaan öljyperäisten aineiden kanssa sekä vastaamaan öljyperäisiä aineita ja materiaaleja tiukempiin ilmastovaatimuksiin (=> valtioiden tukipolitiikka ohjaa) • => Biojalosteiden markkinat avautuvat uudelleen Biojalostamo Bio-Economy Services Biofuels Services Biopower / Bioenergy Biobased products Product and energy market 3-pillar model of a biobased economy Biorefineries Biogenic raw materials Ari Pappinen 26.5.201 4 9 Bioeconomy value chains and business models Entrepreneurship Raw materials Profitability Bioproducts Chemicals, Pellets Forests Heat, electricity Entrepreneur Liquid biofuels, bioplastics Fields Fertilizers By-products Produces different bioproducts Fodder Gas (methane, hydrogen) 26.5.201 4 1 0 Menetelmiä puun hajottamiseksi aineosiksi Puun fraktiointi 80 – 240 C Esituotteet Jatkojalostus Sokereita, furaaneja happoja, ligniiniä, selluloosaa Entsymaattiset ja katalyyttiset menetelmät; (etanoli, butanoli, orgaaniset hapot, biomuovit, kosmetiikkaan) Kuivatislaus / hidas pyrolyysi 220 – 550 C Orgaaniset hapot, asetoli, metanoli, terva Fraktiointi, erottelu (pinnoitteet, hapot, elintarvike) Nopea pyrolyysi 400 – 550 C Erilaisia sokereita, hiilivetyjä ja monia muita Fraktiointi ja eri käsittelyt (fermentointiin, katalyyttisiin käsittelyihin, biomuoveihin , kosmetiikkaan yms.) Puun kaasutus 800 – 1000 C Vety, hiilimonoksidi Katalyyttiset ja biologiset menetelmät; (metanoli, olefiinit, alkeenit, etc.) Biomassan fraktiointi Sokerit, kemikaalit, komposiitit Biomassa Erotus Nestefraktio Fermentaatio Butanoli Fraktiointi Kiinteä fraktio Entsymaattinen hajotus Delignifiointi Glukoosi fermentaatioon Ligniini Muuntokuidut Useita julkaisuja mm. Pappinen, A, Sugano Y, Kuittinen, S, Turunen O. 2013 Biomimetic Carbon Nanotube Catalyst for Lignocelluloses Saccharification. Patent pending number FI 20126118 Etanoli Komposiitit Enzymes used – artificial nano catalyst Pappinen, A, Sugano Y, Kuittinen, S, Turunen O. 2013. Biomimetic Carbon Nanotube Catalyst for Lignocelluloses Saccharification. Patent pending number FI 20126118: Nykyiseen patenttivaatimus -asetelmaan sisältyy useitakin patentoitavina pidettyjä ratkaisuja. Yasuhito Sugano, Suvi Kuittinen, Ossi Turunen and Ari Pappinen 2013. Design of artificial glycoside hydrolase composed of biomolecules and nanomaterials. Submitted Angew. Chem. Int. Ed. 26.5.201 4 1 3 Pyrolyysiöljy, jakeet Nopean pyrolyysin Vesifaasista erotettua pajusiirappia = levoglucosan Katalyysi Erotus Biomassa Bioöljy Fermentaatio Butanoli, Lactic acid Hydrogenaatio Polttoaineet, muita? Poltto Kaasutus PS. Bioöljyjä on tutkittu eripuolilla maailmaa n. 20 v ja niiden ominaisuudet tunnetaan kohtuullisen hyvin => kuinka edetä korkeamman jalostusarvon tuotteisiin? Fenolit Orgaaniset hapot Oksygenaatit Lämpöenergia Synteesikaasu Metsäalan uusia tuoteinnovaatioita ja siihen liittyvää potentiaalia biotalouden rakentamisessa • Puun ainesosista voidaan tehdä lähes mitä tahansa mitä nykyään tehdään mm. öljystä; esim. – Liikennepolttoaineet =>Lignoselluloosapohjaiset liikennealkoholit • Pyrolyysiöljyn jakeiden erottelu => metanoli, etanoli • Fraktioidun hemiselluloosan ja/tai selluloosan sokereiden fermentointi joko etanoliksi tai butanoliksi • Nopean pyrolyysin sokerijakeen fermentointi joko etanoliksi tai butanoliksi • Synteesikaasun konversio metanoliksi => biobensiiniksi – ”Uudet” kemikaalit • Pyrolyysiöljyn kemikaalien erotus jakeiksi (esim. viisi suurinta jaetta) • Kosmetiikka – mm. levuliinihappo • Fraktioidun biomassan jakeiden erotus • Synteesikaasun konversio esim. olefiineiksi 26.5.2014 Metsäalan uusia tuoteinnovaatioita ja siihen liittyvää potentiaalia biotalouden rakentamisessa – Muuntokuidut => • Vaatteet (viskoosi); elintarvikekäyttö (hammastahnoihin, jogurttiin yms.) – Biokomposiitit => biojalostuksen sivuvirtojen hyödyntäminen • Ligniinihartsit yms. – Biomuovit • Uudenlaiset biomuovit, lämmönkestävät pinnoitteet; bioliimat – Bioaktiivisuus luo uusia mahdollisuuksia • Biohiili; aktiivihiili, bioaktiiviset kemikaalit (esim. inhibiittorit yms.) • Netistä löytyy massiivisia tietokantoja joissa eri kemikaalien ja bioaineiden bioaktiivisuustestejä ja -sovelluksia •Kuittinen,Suvi., Villa,Aki., and Pappinen Ari. 2011. Sustainable transportation Ethanol plant through field and forest biomass integration. Conference Proceedings. 19th International Symposium on Alcoholic Fuels (ISAF), Verona, Italy University of Eastern Finland (UEF) – A University of the Future Biojalostuksen demoverstas – resurssiälykäs oppimis- ja kehittämisympäristö UEF, PKKY, Karelia AMK, Joensuun tiedepuisto Hankkeen esittely: tarve? Kehittyvä biojalostusalan yritystoiminta tarvitsee uudenlaisia osaamisvalmiuksia, tuote- ja raakaainetestausmenetelmiä sekä tuotteiden kaupallistamisosaamista tarve demonstraatiovalmiuksien parantamiseen Pohjois-Karjalassa Biojalostamoliiketoiminnan edistämiseen liittyvät: • demonstraatiovalmiuksien kehittäminen • raaka-aineiden ja tuotteiden kehittäminen • tutkimusvälineiden ja –menetelmien kehittäminen Biojalostusprosessien ohjaus- ja automaatiojärjestelmät ja opetus (PKKY) Peltobiomassa Metsäbiomassa Bioöljy Sähkö ORC-tekniikka Korkeapainehöyry/matalapainehöyry Hiilivetyfaasi Nopea / katalyyttinen Pyrolyysi Hemiselluloosa Biosivujae tai jäte Lämpö Fraktiointi Biomassakuidut Kemikaalit Ligniini Teollinen bioprosessitekniikka Entsyymit AMK Bioenergiapuisto Katalyytit Mikrobit Fermentointi Mekrijärven laitteet Tuotteet / Välituotteet Lämpö Orgaanisen kemian prosessitekniikka Rakennuksen lämmitykseen Vesifaasi, sokerit Lämpö Kiitos
© Copyright 2024