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