Puusta biojalostuksella uusia raaka aineita ja tuotteita Prof. Reijo Lappalainen & team Dept. of Applied Physics & SIB Labs University of Eastern

Transkriptio

1 Puusta biojalostuksella uusia raaka aineita ja tuotteita Prof. Reijo Lappalainen & team Dept. of Applied Physics & SIB Labs University of Eastern Finland PO Box 1627, FIN Kuopio Gsm E mail:reijo.lappalainen@uef.fi

2 Biotalous Suomessa: nyt tuotos 60 miljardia, tavoite 100 miljardia v

3 Havumetsävyöhykkeen puiden monet mahdollisuudet Talousmetsiemme vajaakäyttö Paperiteollisuuden siirtyminen eteläiselle pallonpuoliskolle Havupuuvyöhykkeen puiden erityispiirteet, kuten hemiselluloosat, uuteaineet Uudenlaisen biomassapohjaisen kemian teollisuuden syntyminen Puulajistoon ja kasvuympäristöön pohjautuvat spesifiset jakeet ja molekyylit Uudet innovatiiviset kaupalliset tuotteet Biojalostamoilla voidaan energian lisäksi valmistaa korkealle jalostettavia clean tech ja high tech tuotteita Perustana kansainvälisestikin tarkasteltuna ainutlaatuinen huipputason tutkimus ja osaamisverkosto TERMISILLÄ PROSESSOINTITEKNIIKOILLA JA TUTKIMUKSELLA VOIDAAN LUODA MERKITTÄVÄÄ LIIKETOIMINTAA, JOKA SEISOO TUKEVASTI SUOMEN MÄÄPERÄLLÄ! (OSAAMINEN JA RAAKA AINE) 3

4 Havumetsävyöhykkeen puiden monet mahdollisuudet Joitakin esimerkkejä puusta kaupallisesti hyödynnettävissä olevista molekyyleistä ja niiden aktiivisuuksista (pro gradu, JYO, 2005, M. Hirsilä) 1. [beeta] sitosteroli Kolesterolia alentava Androgeeninen Antibakteerinen Tulehdustaestävä Viruksiatappava Torjunta aine Syöpääehkäisevä Antimutageeninen Viitteet: Resveratroli Antioksidantti Fungisidi Syöpää estävä Antimutageeni Depressiolääke Tulehduksenesto Ehkäisee: Parkinsonin tauti Skitsofrenia Sydäntauti Verisuonitauti Viitteet: D limoneeni Insektisidi Makuaine Torjunta aine Viruksia tappava Syöpääehkäisevä Viitteet: 8 9 Neljä esimerkkiä puun uuteaineista saatavista kaupallisesti hyödynnettävissä olevista molekyyleistä. Gradussa esitettiin 135 tällaista molekyyliä. 4. Pinitoli Antidiabeettinen Hyönteiskarkote Torjunta aine Ekspektorantti Viitteet: 10

5 Osaamispohjaa Savon Sanomat Masterʹs Degree Programme in Wood Materials Science (MDP in Wood Materials Science) is a course based MSc programme that trains scientists, leaders and innovators who make a difference towards a sustainable future. The programme creates a link between wood as a raw material and the properties of final products such as bio based materials, chemicals and energy derived from renewable biological resources. 5

6 Biologinen ennakkotieto (esim. DNA/reseptori) Räätälöidyt molekyylitason sovellukset Biologisen materiaalin prosessointi Prosessikaavio korkean arvosaannon sovellutuksien kehittämisessä Biologinen tai funktionaalinen vaste Molekyylitason mittaus ja analysointitekniikat Bioinformatiikan hallinta (in silico, tietokannat jne.)

7 Chemistry/ Biochemistry The only 12 tesla mass spectrometer of the Nordic is one of the most exact devices of Europe. - The device is suited especially well from the wood for identification of the separate molecules of processed fluids. The know-how of the chemistry and biochemistry of the whole UEF can be adapted for the examining of the molecules to be obtained from wood. - In addition to the previous, the methods are, among others, MALDI-TOF, NMR, IR, FTIRi, PAIR Raman, AAS, XRD, ESEM/EDS, TEM/EDS, DSC, UV VIS, GC, IC, and different separation methods. Know how of UEF SIB labs provides easy access to the expertise of a highly skilled research staff of 200 persons and research infrastructure, worth nearly 20 million euro, comprises more than 130 pieces of large scale research equipment and a considerable number of laboratory devices. These resources are available through networking the know how for the researchers of the UEF and the cooperation companies. Biology - Cell biology - Biocompatibility - Environmental response - Functional roles of wood bioactive compounds against different harmful organisms like rotting fungi, pathogenic bacteria and insect pests Methods: Stress resistance (UV, ozone, CO2 etc) Wood decay resistance Greenhouse facilities Open-top chambers Growth chambers Microbiological methods Bacterial and fungal assays Biochemical and molecular methods (HPLC-MS, MALDI-TOF, qtpcr) Health - Toxicity - Carcinogenicity -Host response -Biodegradation - Nutra-/ pharmaceuticals Methods: Cytotoxicity: Highest Tolerated Dose (HTD) Total Protein Content (TPC) RNA-synthesis inhibition assay Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity measurement Genotoxicity: Ames-test, Comet assay Antimicrobial activity HUMAN HEALTH: Health promoting aspects Induction of beneficial physiological responses Prevention of pathogenic bacteria Eye health (AMD) and neuroprotective assays - Cell cultures - Mice models - Human trials - Molecular, biochemical and specific cell organelle isolation methods Environment - Ecological issues - Biodiversity - New materials - Soil biology - Biochemical cycle - Effect of the genetics on the biomass of the tree - Energy from biomass - Tree physiology and formation of chemical compounds - Forest ecology and dendrology - Effects of forest management and ecosystem dynamics on properties of woody biomass 7

8 Erilaiset menetelmät biomassan prosessoimiseksi ja hyödynnettävien komponenttien erottamiseksi Selluprosessi (mustalipeä) Nopeapyrolyysi Hidaspyrolyysi Märkäpyrolyysi Höyryräjäytys Uutto Kemiallinen karakterosointi Biologiset ominaisuudet Terveystutkimukset Ympäristötutkimukset

9 KASVIHUONEPÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄ TEOLLISUUDEN ALA Hidaspyrolyysin alhaisen lämpötilan johdosta menetelmällä saadaan talteen molekyylisaanto, jossa puun omat biologisesti toiminnalliset molekyylit muuttuvat vähemmän kuin korkeampia lämpötiloja käyttävissä prosesseissa. Menetelmä T ( C) Neste Hiili Kaasu Nopea pyrolyysi % 12 % 13 % Kaasutus > % 10 % 85 % Hidaspyrolyysi Max % 33 % 33 %

10 Hidaspyrolyysin välijalosteiden jakautuminen ja niistä saatavat tuotteet Energiaksi (prosessin ylläpitoon) Kaasu Hiili Energiaksi (sähkö, lämpö) FT synt. raaka aineeksi (Bioöljy) Biohiili (lannoite, maanparannus) Aktiivihiili (suodattimet, lääkkeet, teollisuus) Neste Energia (mm. esteröidään bioöljyiksi) Pinnoiteteollisuus (metallien ja puun suojaus) Kemianteollisuuden raaka aineet (alkoholit, hapot, esterit, asetaatit, eetterit, jne.) Elintarviketeollisuus (aromiaineet kuten vanilliini, terveysvaikutteiset funktionaaliset lisäaineet) Kosmetiikkateollisuus (hajusteet, puhdistusaineet) Kasvinsuojeluaineet, karkotteet (biosidit, fungisidit, antibakteeriset aineet) Lääketeollisuus (lääkemolekyylit ja hormonien kaltaiset funktionaaliset molekyylit, esim: HRM lignaani)

11 Puutislepinnoite esimerkki kehitystyöstä Tutli hanke: Jatkuvatoiminen puutislepinnoituslaitteisto ja pinnoitusmenetelmä (Continuous Coater)

12 Jatkuvaan prosessiin Continuous Coater TULEVAISUUDESSA? Suuret kappaleet Sarjatuotteet Metalliteollisuus, puunjalostusteollisuus...

13

14 Pyrolyysistä saatavien jakeiden osuuksia ja arvioita markkinahinnasta tuottajalle Kaasumaisista tuotteista ylijäävä energia 40 kg Kiinteä Puun hidaspyrolyysi Polymeroitu Neste vat jakeet Kevyt jakeet Puutislepinnoitteen raakaaine 15 kg Lopputisle Vanilliini 6 kg Jäähdytys / aktivointi Karkotteet 50 kg ja tutkittavat jakeet 270 kg Biohiili, aktiivihiili, energiahiili 330 kg (30 GJ/t) Pieni Lambiotte tyylinen pilottilaitos (ks. dia 1) voisi hyödyntää n t kuivaa puuta /v. Lääkeaineet /kg => vaatii huippuerotustekniikoita Pinnoiteraaka aine /kg => pelkästään siltarakenteet n kg / v Vanilliini /kg Karkotteet /kg => ekologisilla etana ja myyräkarkotteilla suuri kysyntä Biohiili (agri hiili) 5 / kg => koko hiilisaanto 330 kg voidaan jalostaa Aktiivihiili 2 10 kg Grillihiili 1 / kg

15

16 Slow pyrolysis (hidaspyrolyysi) (INFRA projekti, Kuopio&Mikkeli) Raakatisleitä tutkimuksiin ja jatkoprosessointeihin Jatkuvatoiminen laitteisto Panoslaitteisto 2.5 m 16

17 PILOTTIHANKE 2014 Kuopio, meneillään 17

18

19 Haasteita Koulutuksen ja tutkimuksen sisällön ja tarpeiden kohtaaminen Tutkimuksen rahoitus ja sen riittävyys Kansainvälisen yhteistyön onnistuminen ja kilpailun kohtaaminen Uusien yritysten muodostuminen ja erikoistuotteiden hyväksyttäminen ja markkinoille saattaminen (hintavan hyväksyttämisbyrokratian ratkaiseminen) Kaupallistamisen osaaminen kehittyminen Yhteen hiileen puhaltaminen paikallisesti, kansallisesti ja kansainvälisesti

20 Kiitoksia! Tutkimusyhteistyökumppaneita Prof. Y. T. Konttinen (HU) Prof. H. Kröger (KUH) Prof. M. Lammi (UEF)) Prof. Tapani Pakkanen (UEF) Prof. J. Töyräs (UEF) Prof. E. Mervaala (KUH) Prof. J. S. Jurvelin (UEF) Prof. J. Ketolainen (UEF) Prof. A. von Wright (UEF) Prof. J. Jänis (UEF) Prof. A. Pappinen (UEF) Prof. J. Vepsäläinen (UEF) Prof. E. Verkasalo (Metla) Tutk. L. Sikanen (Metla) PhD A. Villa (UEF) Prof. P. Pasanen (UEF) Dos. O. Raatikainen (UEF) Prof. M. Takagi (Japan) Prof. E. Gomez Barrena (Spain) Prof. Y. Missirilis (Greece) Monet teolliset kumppanit