POHJOIS-KARJALAN AMMATTIKORKEAKOULU Biotalouden keskus Hajautetut biojalostamot-hanke

Transkriptio

1 POHJOIS-KARJALAN AMMATTIKORKEAKOULU Biotalouden keskus Hajautetut biojalostamot-hanke Ilpo Tahvanainen Toimistojätepaperi bioetanolin raaka-aineena hajautetussa tuotannossa Raportti Kesäkuu 2012

2 Sisällys 1 Johdanto Lignoselluloosaraaka-aine Tärkkelys- ja lignoselluloosaetanoliprosessit Toimistopaperi raaka-aineena Pienen mittakaavan etanolitehdas Raaka-ainepotentiaali Prosessi Tehtaan massatase Tuotannon talouden arviointi Oletettu toimintamalli Vaihtoehtoinen toimintamalli Päätäntö... 19

3 3 1 Johdanto Liikennepolttoaineen raaka-aineeksi sopivaa etanolia voidaan tuottaa hiilihydraattipitoisesta biomassasta hydrolyysin ja käymisen avulla. Paperi sisältää hiilihydraattipitoista biomassaa (selluloosaa ja hemiselluloosaa) laadusta riippuen % ja siten sopii etanolituotannon raaka-aineeksi. Tässä raportissa tarkastellaan toimistopaperijätteen mahdollisuuksia bioetanolitehtaan raaka-aineena pienen mittakaavan etanolituotannossa. Toimistopaperin biomassa on kemiallista massaa, sellua, mikä helpottaa sen prosessointia etanoliksi verrattuna sanomalehtipaperin prosessointiin. Sanomalehtipaperin biomassa on mekaanista massaa, hioketta. Sellussa on suurempi osuus puhdasta selluloosaa, joka on etanolintuotannossa helpompi hiilihydraatti, kuin hemiselluloosat, joita taas sanomalehtipaperissa on suhteessa enemmän. Sellua on myös prosessoitu valmistusvaiheessa niin, että se on bioetanolin tuotantoon helpompi materiaali kuin mekaaninen massa. Toisaalta taas toimistopaperissa biomassan osuus on pienempi kuin sanomalehtipaperissa, joten raaka-aineen potentiaali tuottaa etanolia on pienempi. Bioetanolin tuottaminen jätteestä hajautetusti, pienen mittakaavan laitoksissa vähentää raaka-aineen kuljetustarvetta ja siten on ekologisesti järkevä tapa hyödyntää jätettä. Paperin massasta muuntuu etanoliksi parhaimmillaan noin kolmasosa, joten kuljetustarve vähenee samoin kolmannekseen. Osa biomassasta muuttuu alkoholikäymisessä hiilidioksidiksi ja loppuosa on hyödynnettävissä etanolintuotannon yhteydessä energiana. Raportissa arvioidaan toimistopaperijätettä hyödyntävän etanolitehtaan kannattavuutta.

4 4 2 Lignoselluloosaraaka-aine Etanolia tuotetaan suuressa mittakaavassa pääasiassa sokereista käymisreaktion avulla. Käymiskelpoisia sokereita saadaan joko sakkaroosia tuottavista kasveista (sokeriruoko ja sokerijuurikas) tai hajottamalla kasvien tuottamia polysakkarideja sokereiksi. Yleisimmät polysakkaridit kasveissa ovat tärkkelys ja selluloosa. Tärkkelyspitoisen biomassan glukoosiksi hajottaminen ja edelleen etanoliksi käyttäminen on menetelmänä yleisesti tuotantokäytössä. Tärkkelysraaka-aineena käytetään eniten maissia ja viljoja, myös perunaa voidaan käyttää. (Suokko 2010, 9.) Lignoselluloosaksi sanotaan kasviperäistä biomassaa, jonka keskeiset ainesosat ovat selluloosa, hemiselluloosat ja ligniini. Puuvartisilla kasveilla tukirakenteesta selluloosaa on 40 %, hemiselluloosaa % ja ligniiniä % (Vanninen 2009, 5). Lignoselluloosa on haasteellisempi materiaali käymiskelpoisten sokerien tuottamiseksi kuin tärkkelys, koska selluloosa, hemiselluloosat ja ligniini ovat tiiviissä rakenteessa. Rakenne on hajotettava esikäsittelyllä, jotta selluloosa voidaan hydrolysoida glukoosiksi ja edelleen käyttää alkoholiksi. (Suokko 2010, 13.)

5 5 3 Tärkkelys- ja lignoselluloosaetanoliprosessit Lignoselluraaka-aineen prosessointi etanoliksi eroaa tärkkelysraaka-aineen prosessoinnista eniten alkuvaiheessa. Selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini on ensin erotettava toisistaan, mikä tapahtuu esikäsittelyssä. Selluloosa on kasvissa tiiviinä kuitukimppuna. Tässä kuitukimpussa kuituja toisissaan kiinni pitävät sidokset pitää rikkoa ja turvottaa kuitukimppua vedellä mahdollisimman paljon, jotta selluloosaa pilkkovat entsyymit pääsevät hyvin kiinni kuituihin. Tärkkelyspitoiset raaka-aineet ovat pääasiassa kasvien siemeniä tai mukuloita. Niissä kostutuksen jälkeen tärkkelys on helposti entsyymien ulottuvilla eikä prosessissa tarvita erottelevaa esikäsittelyvaihetta (Kaavio 1). Lignosellumateriaalin esikäsittelyyn on toistaiseksi saatavilla vain vähän valmiita tuotantomittakaavan tekniikoita. Sunopta-yhtiö on kehittänyt ja patentoinut höyryräjäytystekniikkaan perustuvan laitteen (Suokko 2010, 16). Biogasolin prosessissa esikäsittelynä on wet explosion -menetelmä, jossa käsiteltävää biomassaa samanaikaisesti hapetetaan hapella ja höyryräjäytetään (Biogasol 2012). Menetelmää on tutkittu erilaisilla hapettimilla ja ainakin vehnän oljella on havaittu puhtaan hapen toimivan hapetuskemikaalina paremmin kuin vetyperoksidi tai ilman happi (Georgieva, Hou, Hilstrøm ja Ahring 2008). Tärkkelysperäiseen etanolituotantoon verrattuna esikäsittely on ylimääräinen prosessivaihe, joka yhdessä massan mekaanisen hienonnuksen kanssa kuluttaa jopa kolmanneksen koko prosessin tarvitsemasta energiasta (Suokko 2010, 15).

6 6 Kaavio 1. Tärkkelys- ja lignoselluetanolin tuotantoprosessien päävaiheet Sekä selluloosa että tärkkelys hydrolysoidaan eli hajotetaan glukoosiksi ennen alkoholikäymistä. Hydrolysointi voidaan toteuttaa joko kemiallisesti laimealla tai väkevällä hapolla tai biologisesti entsyymien avulla. Entsymaattinen hydrolyysi on nykyisin yleisempää. Happohydrolyysin jälkeen tulee ylimääräinen ph:n säätö käymisprosessia varten ja happohydrolyysissä saattaa myös osa glukoosista hajota. Glukoosin hajoaminen pienentää saantoa ja hajoamistuotteet haittaavat käymisvaiheessa hiivojen toimintaa. (Suokko 2010,

7 7 20.) Kaupallisesti on saatavilla entsyymejä sekä tärkkelyksen että selluloosan hajottamiseen. Tärkkelyksen entsymaattinen hydrolyysi on helpompaa ja se on teollisen mittakaavan toimintaa tärkkelysetanolitehtaissa (Suokko 2010, 9). Glukoosin käyttäminen etanoliksi toteutetaan sekä tärkkelys- että lignoselluprosessissa hiivalla tai bakteereilla. Tarkoitukseen sopivia hiivakantoja on tutkittu paljon, ehkä eniten tavallista leivinhiivaa (Saccharomyces cerevisiae). Lignosellun sisältämä hemiselluloosa on muodostunut viisihiilisistä sokereista. Hemiselluloosa hydrolysoituu jo esikäsittelyssä tai viimeistään hydrolyysivaiheen aikana. Kuusihiilistä glukoosia käyttävien hiivojen kyky käyttää viisihiilisiä sokereita on heikko. Lisäksi viisihiiliset sokerit voivat muodostaa hiivan toimintaa hidastavia tuotteita. Tästä johtuen lignoselluprosessissa tarvitaan toinen, viisihiilisiä sokereita käyttävä mikrobi. Monesti käyminen toteutetaan erillisessä kolonnissa, jota varten massasta on siis separoitava kiintoaine ja neste erilleen esikäsittelyn jälkeen. (Suokko 2012, 14) Tärkkelysprosessissa hydrolyysivaihe voidaan yleensä toteuttaa niin, liuokseen saadaan suurempi glukoosipitoisuus kuin lignoselluprosessissa. Tämän seurauksena käymisen jälkeen etanolipitoisuus on myös suurempi. Tärkkelysprosessissa päästään tavallisesti yli 10 % etanolipitoisuuteen käymisvaiheessa (Suokko 2012, 10). Tällä on merkitystä tuotannon talouteen, koska laimeammasta pitoisuudesta tislaaminen riittävän väkevään pitoisuuteen ennen absolutointia kuluttaa selvästi enemmän energiaa. (Suokko 2012, )

8 8 4 Toimistopaperi raaka-aineena Paperi on lignosellumateriaalina sikäli erilainen verrattuna puuhun, olkeen tai ruohoon, että sitä on jo kerran prosessoitu teollisesti. Paperin valmistuksessa käytetään sekä kemiallista massaa eli sellua että mekaanista massaa eli hioketta. Kemiallisesta massasta on sellunkeitossa poistettu enemmän ligniiniä kuin mekaanisesta massasta, joten sen voisi olettaa olevan helpompaa raakaainetta etanolin tuotantoon. Käytännössä sellunkeitto vastaa suunnilleen lignoselluprosessin esikäsittelyvaihetta. Mekaaniseen massaan jää enemmän hemiselluloosaa ja ligniiniä, eikä massa rakennettakaan hajoteta niin paljoa kuin kemiallisessa massassa. Toimistopaperia sanotaan puuvapaaksi paperiksi, koska siinä ei ole lainkaan mekaanista massaa. Tämä tekee toimistopaperijätteestä mielenkiintoisen raaka-aineen lignoselluetanolin tuotantoon. Taulukko 1. Paperin koostumus prosentteina paperilajeittain (Hautala 2010, 11) Raaka-aine Kemiallinen massa Mekaaninen massa Täyteaineet ja pigmentit Aikakauslehti Sanomalehti Puuvapaa paperi Muut painopaperit Muut paperit Sellun valmistuksessa massasta poistuu sekä hemiselluloosaa että ligniiniä ja lopputuotteessa on yleensä yli % selluloosaa. Kemiallisten massojen ja niistä valmistettujen papereiden koostumuksissa on raaka-aineista ja valmistajista johtuvia eroja. Mäntypuusta valmistetun sellun selluloosapitoisuus on jopa 73 % (Virkola, Pikka ja Keitaanniemi, 1983). Sangkharak on tutkimuksessaan määrittänyt toimistojätepaperin biomassasta selluloosan

9 9 osuudeksi 57 %, holoselluloosan (selluloosa ja hemiselluloosa yhteensä) osuudeksi 81 % ja ligniinin osuudeksi 19 % (Sangkharak 2011). Tässä jää hemiselluloosan osuudeksi vain 14 %. Jätepaperin hyödyntämistä etanolin tuotannossa on tutkittu laboratoriokokeilla vuosikymmenien ajan. Prosessi tunnetaan, mutta sitä hyödyntäviä tuotantolaitoksia ei ole Euroopassa käynnistetty. Rättö ym. ovat listanneet v lignoselluprosesseja kehittäviä yhtiöitä. Paperi mainitaan raaka-aineena vain yhdellä, tanskalaisella Biogasolilla. (Rättö ym. 2009, 30). Biogasolilla on pilot-mittakaavan laitos yhteistyössä Tanskan teknillisen yliopiston kanssa ja yhtiö ilmoittaa parhaillaan rakentavansa Tanskaan laitosta, joka tuottaa etanolia lignoselluraaka-aineista. Laitos voi käyttää monenlaista biomassaa raakaaineena, mutta tämän laitoksen kohdalla paperia ei mainita esimerkkinä. (Biogasol 2012). Laboratoriomittakaavassa jätepaperista on hydrolysoitu glukoosia myös ilman esikäsittelyä, ja glukoosi on edelleen käytetty etanoliksi. Margues, Alves, Roseiro ja Girio hydrolysoivat selluloosan täydellisesti ja etanolisaanto oli 51 % teoreettisesta. (Margues, S., Alves, L., Roseiro, J. ja Girio, F, 2008). Madridin ja Quinteron tutkimuksessa sekä selluloosan hajoaminen että etanolisaanto olivat alemmat (Madrid ja Quintero Diaz, 2011). Molemmat mainitut tutkimukset oli tosin tehty lähtien kierrätyspaperimassasta, ei toimistopaperista, jota tässä raportissa käsitellään. Tietoa pilot- tai tuotantomittakaavan kokeista toimistopaperin konversiosta etanoliksi ilman esikäsittelyä ei tätä kirjoitettaessa löytynyt.

10 10 5 Pienen mittakaavan etanolitehdas 5.1 Raaka-ainepotentiaali Tässä tarkastellaan jätepaperia raaka-aineena käyttävän pienen mittakaavan etanolitehtaan toimintamahdollisuuksia. Toimintaympäristöksi oletetaan Joensuun kokoinen maakuntakeskus. Tarkastelu perustuu pitkälti von Weymarnin selvitykseen peltobiomassojen käytöstä etanolin raaka-aineena ja siinä erityisesti oljen osuuteen (von Weymarn 2007, 27-37). Tilastokeskuksen mukaan vuonna 2010 Suomessa kierrätettiin paperijätettä uusiokäyttöön runsas tonnia ja energiakäyttöön meni tonnia. Paperijätteen määrä on vähentynyt alle puoleen 2000-luvun puolivälin huippuvuosista. (Tilastokeskus 2012a.) Väheneminen selittynee enemmänkin sanoma- ja aikakauslehtilehtipaperin kuin toimistopaperin vähenemisellä Paperijäte (1000 tonnia) Kaatopaikoille Hävitetty polttamalla Energiakäyttö Aineskäyttö Kaavio 2. Paperijätteen määrän kehitys (Tilastokeskus 2012a)

11 11 Metsäteollisuuden tietopalvelun mukaan vuonna 2011 Suomessa kerättiin keräyspaperia tonnia. Tämä on enemmän, kuin mitä tilastokeskus arvioi edellisen vuoden paperijätteen määräksi. Laskentatavoissa saattaa olla eroa. Edelleen Metsäteollisuuden tietopalvelu ilmoittaa toimistoista saatavan osuuden olevan 10 %. (Metsäteollisuuden tietopalvelu 2012.) Tämän mukaan toimistoista saatavan paperin määrä on runsas tonnia vuodessa. Takala on koonnut tietoja Suomessa kulutetusta toimistopaperista vuonna Arvioiden mukaan Suomessa oli noin 1,7 miljoonaa toimistotyöntekijää ja kukin käytti keskimäärin 60 kg paperia vuodessa. Kokonaismäärä oli siis tonnia vuodessa. Samassa työssä on myös arvioitu, että pelkästään YTV:n alueella toimistojen tuottaman paperijätteen määrä oli välillä tonnia vuodessa ja. Edelleen on arvio, että Suomessa vuonna 2000 kulutettiin toimistopaperia tonnia, mikä on merkittävästi vähemmän kuin mainittu tonnia. (Takala 2003.) Lähteessä olevat arviot ovat siis keskenään jonkin verran ristiriitaisia. Edellä mainittu runsas tonnia vuodessa lienee hyvä arvio toimistojätepaperin määrälle. Joensuun kokoisen maakuntakeskuksen väkiluku on noin henkilöä ja koko Suomen väkiluku on 5,4 miljoonaa (Tilastokeskus 2012b). Suoraan välikuvuilla suhteutettuna Joensuun osuus tonnista on 770 tonnia vuodessa. Tämä on noin kaksi tonnia päivässä. Jos arvioidaan, että etanolitehdas saisi käytetystä toimistopaperijätteestä puolet raaka-aineekseen, tulisi raaka-ainetta karkeasti arvioiden tonni päivässä. 5.2 Prosessi Toimistopaperi on hiokkeetonta paperia, eli puuperäinen massa siinä on kokonaan kemiallista massaa ja sen osuus on noin 80 % toimistopaperin massasta. (Hautala ) Hautala ei mainitse, ovatko luvut koko massasta

12 12 vai kuiva-aineesta laskettuja prosenttiosuuksia. Paperin kosteus on muutamia prosentteja koko massasta, joten tässä karkeassa tarkastelussa suuruusluokka pysyy oikeana, vaikka kosteus jätetään huomiotta. Toimistopaperin kemiallisesta massasta selluloosan osuus on %, jopa suurempikin. Hemiselluloosan osuus on vähäinen, vain noin 15 %. Hemiselluloosa hajoaa pääosin esikäsittelyssä ja siitä vapautuvia viisihiilisiä sokereita käyttävät eri mikrobit kuin glukoosia. Käymistä varten pitäisi esikäsittelyn jälkeen erottaa nestejae erilliseen käymiskolonniin ja kiintoaine selluloosan hydrolyysiin. Käytettäessä viisihiilisiä sokereita samassa kolonnissa kuin glukoosia saattaa prosessiin tulla häiriöitä. Viisihiilisten sokereiden hajoamistuotteet saattavat haitata glukoosia käyttävää hiivaa ja viisihiilisten käyminenkin on hitaampaa, minkä vuoksi käymisaikaa pitää jatkaa. (Suokko 2010, ) Prosessin hankaluuksien ja erityisesti toimistopaperin pienen hemiselluloosaosuuden takia lähdetään siitä, että viisihiilisten sokereiden käyttämiseen ei panosteta mitään, vaan rakennetaan prosessi pelkästään selluloosasta saatavan glukoosin käyttämiseen. Viisihiilisten sokereiden pois jättäminen helpottaa myös esikäsittelyvaihetta. Kun hemiselluloosaa ei tarvitse hajottaa ja massaa on jo kerran prosessoitu, riittää esikäsittelyksi massan hygienisointi. Hygienisointi voidaan tehdä joko kuumentamalla kosteaa massa normaalipaineessa tai ylipaineessa eli autoklaavissa. Autoklaavi on nopeampi ja tehokkaampi. Hygienisoinnin ensisijainen tarkoitus on tuhota massasta haitallisia mikrobeja. Varsinkin mädättäjäbakteerit saattaisivat prosessin myöhemmissä vaiheissa haitata kilpailemalla glukoosista hiivan kanssa. Autoklaavikäsittely toimii samalla myös höyryräjäytystä lievempänä esikäsittelynä, hajottaen hemiselluloosaa ja rikkoen kiteisen selluloosan rakennetta turvottamalla sitä. Jälkimmäisenä mainittu on ehkä tärkeämpi, koska sen ansiosta entsyymit pääsevät paremmin selluloosaan kiinni ja hydrolyysi on nopeampaa.

13 Tehtaan massatase Edellä arvioitiin, että Joensuun kokoisesta maakuntakeskuksesta saataisiin etanolitehtaalle raaka-ainetta tonni päivässä. Tästä kemiallisen massan osuus on 800 kg ja muiden materiaalien osuus 200 kg. Muut materiaalit ovat enimmäkseen paperin täyteainetta ja pigmenttiä. Oletetaan edelleen, että selluloosan osuus paperin kemiallisesta massasta on 55 %. Tästä lähtökohdasta ja von Weymarnin (kaavio 3) hypoteettisen olkietanolitehtaan massatasekaaviota soveltaen on laadittu kaavion 4 mukainen massatase. Kaavio 3. Hypoteettisen selluloosa-etanolitehtaan massatase (von Weymarn 2007, 30) Prosessien keskeisin ero on raaka-aineesta johtuva erilainen esikäsittely. Oljen hajottaminen tarvitsee voimakkaan esikäsittelyn, käytännössä kemiallisen

14 14 esikäsittelyn ja höyryräjäytyksen yhdistelmän. Hypoteettisessa selluloosaetanolitehtaassa kemikaalina on rikkihappo. Toimistopaperia käsiteltäessä esikäsittelyksi riittää autoklaavikäsittely ilman kemiallista esikäsittelyä. Esikäsittelyvaiheessa ei siis lisätä kemikaaleja, mutta ennen hydrolyysiä on varauduttava ph:n säätöön rikkihapolla. Entsyymien toiminta on parhaimmillaan happamassa ympäristössä, noin ph 5:ssä, joten ph:n säätö tulee ilmeisesti tarpeelliseksi. Paperilietteen ph on oletettavasti korkeampi kuin 5. Kaavio 4. Paperietanolitehtaan massatase Hydrolyysiin tarvittava entsyymimäärä on suuri. Molemmissa laskelmissa kuluu entsyymiä suunnilleen saman verran kuin saadaan varsinaista lopputuotetta.

15 15 Entsyymin tarvetta voidaan jonkin verran vähentää jatkamalla hydrolysointiaikaa. Samaan tuotantokapasiteettiin tarvitaan silloin suurempi laitteisto. Selluloosan konversioasteeksi on oletettu 95 % ja vastaavasti käymisen konversioksi 90 %. Näillä oletuksilla tonnista jätepaperia saadaan 190 kg etanolia. (Käymisessä on laskettu glukoosikilogramman tuottavan puoli kilogrammaa etanolia ja puoli kilogrammaa hiilidioksidia. Teoreettisesti laskien etanolin osuus on hiukan suurempi ja hiilidioksidin pienempi.) Jos selluloosan osuus paperin biomassasta on suurempi, kuin yllä oletettu, saadaan vastaavasti suurempi etanolisaanto. 60 % selluloosaosuudella on etanolisaanto noin 200 kg ja 70 % osuudella noin 240 kg. Päätuotteen massasaanto olisi siis noin 20 %, parhaimmillaan noin neljännes raaka-aineen massasta.

16 16 6 Tuotannon talouden arviointi 6.1 Oletettu toimintamalli Lignoselluetanolin tuotannon taloutta on käsitelty monipuolisesti Suokon selvityksessä. Yksittäisiä tekijöitä, joiden vaikutus tuotannon talouteen on suuri, ovat raaka-ainekustannus, entsyymikustannus, etanolipitoisuus kolonnissa ennen tislausta sekä etanolin saanto. Laitoksen tuotantokapasiteetti vaikuttaa myös kustannuksiin selkeästi. Suuremman laitoksen pääomakustannus tuotettua yksikköä kohti on luonnollisesti pienempi. (Suokko 2010, ) Olkea käyttävän etanolin tuotannon kannattavuutta arvioidessaan von Weymarn on laskenut laitoksen käyttöiäksi kymmenen vuotta vuosituotannon ollessa m 3. Laitokseen on pitänyt investoida alkuvaiheessa 110 M ja laskentakorkona on käytetty 10 %. Investoinnin vaikutus tuotantokustannuksiin on 0,46 /l. Tuotteen myyntihinta on von Weymarnin arviossa 0,5 /l. Tällainen laitos ei von Weymarnin laskelmassa osoittautunut kannattavaksi. (von Weymarn 2007, ) Tässä selvityksessä ajatellun toimistopaperijätettä hyödyntävän laitoksen tuotantokapasiteetti on vain murto-osa von Weymarnin laitoksesta. Arvioitu tuotantokapasiteetti olisi noin 200 kg/päivä, eli noin 250 litraa/päivä. Vuosituotantona tämä olisi noin 90 m 3, joka on teollisena tuotantona mitätön. Tämän arvion mukaan laitoksen liikevaihto olisi siis /v, jos tuotteen hinnaksi arvioidaan 0,5 /l. Olkietanolilaitoksen käyttökustannus von Weymarnin laskelmassa on 21,4 M /v (von Weymarn 2007, 35). Jos arvioidaan paperietanolitehtaan käyttökustannus suoraan tuotantokapasiteettien suhteella, olisi se noin Vuotuinen liikevaihto ei siis riittäisi kattamaan edes käyttökustannuksia. Raaka-aineen ja entsyymin kustannukset muodostivat von Weymarnilla kolme neljäsosaa kaikista tuotantokustannuksista. Entsyymikustannus oli 0,20 ja

17 17 oljen kustannus 0,22 tuotettua etanolilitraa kohti. (von Weymarn 2007, 34.) Entsyymin tarve on molemmilla materiaaleilla samanlainen. Entsyymin hinnan tosin arvioidaan alenevan merkittävästi, jos lignoselluetanolin tuotanto yleistyy ja tästä johtuen entsyymituotannon volyymi kasvaa. Kerätyn toimistopaperin hinta-arvioissa on vaihtelua. Laukala esittää kanditaatintyössään hinnan 200 /t (Laukala 2011, 6). Paperinkeräys OY ilmoittaa ostohinnaksi 70,50 /t (Paperinkeräys 2012). Paperinkeräys OY:n myyntihinta tehtaalle toimitettuna lienee vähintään 100 /t. Olettaen, että tonnista saadaan tuotetuksi 250 l etanolia, tulee raaka-aineesta johtuvaksi tuotantokustannukseksi 0,4-0,8 /l. Toimistopaperista valmistetun etanolin tuotantokustannus on siis jo entsyymin ja raaka-aineen osalta vähintään 0,6 /l. Kun huomioidaan muut tuotantokustannukset ja pääomakustannukset, tulee tuotantokustannus olemaan selvästi enemmän kuin 1,0 /l. Edellä arvioidulla myyntihinnalla tuotantoa ei saada kannattavaksi. 6.2 Vaihtoehtoinen toimintamalli Oletetussa prosessissa jätettiin raaka-aineen hemiselluloosaosuus hyödyntämättä, koska ei haluttu investoida esikäsittelyyn. Jos kuitenkin hemiselluloosan osuus hyödynnetään ja oletetaan, että raaka-aineen biomassasta yhteensä 90 % on etanoliksi muuntuvia hiilihydraatteja, on tonnissa raaka-ainetta 720 kg hiilihydraatteja. Jos nämä saadaan muunnettua etanoliksi kaavion 4 konversioasteilla, tuottaisi tonni raaka-ainetta noin 390 l etanolia. Tuotantokustannus litraa kohti olisi toki pienempi verrattuna 250 l saantoon, mutta ei olisi kuitenkaan alle 0,5 /l, joka on oletettu myyntihinta. Näinkään optimaalisesti toimiva prosessi ei johtaisi kannattavaan liiketoimintaan.

18 18 Edellä rajoituttiin käyttämään toimistojätepaperia raaka-aineena, jotta voidaan jättää prosessissa esikäsittely ja viisihiilisten sokereiden käyttäminen kokonaan pois. Jos rakennetaan kaikkea jätepaperia hyödyntävä etanolitehdas, on otettava mainitut prosessivaiheet mukaan, mutta toisaalta raaka-ainetta on enemmän saatavilla. Tehdas muistuttaisi aika pitkälle von Weymarnin hypoteettistä olkietanolitehdasta. Maakuntakeskuksen alueelta saatava raakaainemassa olisi noin tonnia vuodessa. Tämä olisi vajaa 11 tonnia päivässä, mikä sekin on huomattavasti pienempi kuin von Weymarnin tehtaan kapasiteetti, mutta yli kymmenkertainen pelkkää toimistopaperia käyttävään tehtaaseen verrattuna. Raaka-aine olisi halvempaa, sillä Laukalan mukaan sekalaisen keräyspaperin hinta on 50 /t (Laukala 2011, 6). Olettaen, että parhaimmillaan päästäisiin 25 % konversioon raaka-aineesta etanoliksi, saanto tonnista raaka-ainetta olisi 250 kg eli 320 l etanolia. Raaka-aineesta aiheutuva kustannus tuotteen hinnassa olisi siis luokkaa 0,15 /l. Muuten tuotantokustannukset olisivat vähintään von Weymarnin laskelmien mukaiset. Laitoksen pienestä kapasiteetista johtuen investoinnista aiheutuva kustannus tuotteen litraa kohti olisi oletettavasti enemmän kuin von Weymarnin laskema 0,46 /l. Tuotantokustannukset yhteensä olisivat vähintään 1 /l. Laitosta tuskin saataisiin kannattavaksi tälläkään toimintakonseptilla.

19 19 7 Päätäntö Lignoselluetanolin tuottaminen jätepaperista pienen mittakaavan laitoksessa osoittautui tässä selvityksessä kannattamattomaksi. Pelkistettyyn prosessiin, jossa prosessoidaan toimistopaperijätettä ilman esikäsittelyä, ei saada riittävästi raaka-ainetta. Pienestä tuotantokapasiteetista johtuen pääomakustannusten vaikutus tuotantokustannuksissa olisi suuri. Myös toimistopaperijätteen korkea hinta heikentää kannattavuutta olennaisesti. Käytettäessä raaka-aineena kaikenlaista jätepaperia pitää prosessiin sisällyttää voimakkaampi esikäsittely. Esikäsittely ei nosta tuotantokustannuksia ratkaisevasti. Raaka-aineen hinnan vaikutus tuotantokustannuksiin on edelleen suurehko. Tässäkin vaihtoehdossa kannattavuutta heikentää raaka-aineen alueellinen saatavuus. Paperinkulutus on vähenemässä ja asukkaan maakuntakeskuksen alueelta ei kerry riittävästi jätepaperia. Laitoksen kapasiteetti olisi edelleen liian pieni ja pääomakustannusten osuus tuotteen yksikkökustannuksissa suuri.

20 20 Lähteet Biogasol Georgieva, T.,Hou, X., Hilstrøm, T. ja Ahring, B Enzymatic Hydrolysis and Ethanol Fermentation of High Dry Matter Wet-Exploded Wheat Straw at Low Enzyme Loading. Applied Biochemistry and Biotechnology 148 (1-3), Hautala, T Paperitehtaan paperikuitumassa- ja siistauslietejätteen esi- ja hydrolysointikäsittelyt glukoosin tuottamiseksi. Metropolia Ammattikorkeakoulu. Insinöörityö. o_thautala.pdf?sequence= Laukala, T Uusiomassan laatuluokat, ominaisuudet ja käyttökohteet. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Kanditaatintyö Madrid, L. ja Quintero Diaz, J Ethanol Production from Paper Sludge using Kluyveromyces Marxianus. Dyna 78, (170), Margues, S., Alves, L., Roseiro, J. ja Girio, F Conversion of recycled paper sludge to ethanol by SHF and SSF using Pichia stipitis. Biomass and Bioenergy 32, (5), Metsäteollisuuden tietopalvelu Paperinkeräys Rättö, M., Vikman, M. ja Siika-aho M Yhdyskuntajätteiden hyödyntäminen biojalostamossa. VTT:n tiedote Sangkharak, K Optimization of enzymatic hydrolysis for ethanol production by simultaneous saccharification and fermentation of wastepaper. Waste Management & Research 29 (11), Suokko, A Lignoselluloosaetanolin ja synteesikaasusta fermentoitujen polttonesteiden teknologiatarkastelu. VTT:n tiedote Takala, K Toimistopaperin yksinkertaistettu elinkaari ja siihen sitoutuvat luonnonvarat Tilastokeskus 2012a

21 Tilastokeskus 2012b Vanninen, M Tyypillisten biomassamateriaalien kemiallinen koostumus. Jyväskylän yliopisto. Kemian laitos. Pro gradu-tutkielma. _fi_jyu pdf?sequence= Virkola, N.-E., Pikka, O, ja Keitaanniemi, O Teoksessa Virkola, N.-E. (toim.). Puumassan valmistus, Osa 1. Turku: Suomen Paperiinsinöörien yhdistys r.y von Weymarn, N Bioetanolia maatalouden selluloosavirroista. VTT:n tiedote