Puun uudet biojalosteet

Transkriptio

1 Lieksan puuakatemia seminaari Lieksan kulttuurikeskus Puun uudet biojalosteet Ari Pappinen Itä-Suomen yliopisto Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta Joensuu

2 Puun koostumus Lignoselluloosa = kasveista peräisin oleva biomassa Esim. puu, olki 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 ligniinin, selluloosan ja hemiselluloosan yhdistelmä joka sellaisenaan toimii erittäin hyvin monissa teknisissä käyttökohteissa

3 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

4 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

5 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 luvun lopulla, rayon Selluloosamuovit => keksittiin 1800 luvulla mm. selluloosa-asetaatti, esim. filmit (1920 -luvulla)

6 Uudempia biojalosteita Sulfiittisprii => Sulfiittiprosessista, metanoli-etanoliseos käyttöä mm. geeliytettynä polttoaineena valmistettiin mm. ns. tikkuviinaa aina 1970 luvulle asti Pekiloproteiini ( ) => valmistettiin mikrobeilla sulfiittiselluloosaprosessin hemiselluloosan sokereista Valkuaisrehu; tuotanto loppui kun sulfiittiprosessi korvattiin sulfaattiprosessilla Mäntyöljy, mäntypiki, tärpätti, ym (mm. maaliteollisuus)

7 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

8 Biojalostamo

9 Biobased products Biopower / Bioenergy Ari Pappinen Biofuels Bio-Economy Product and energy market Services Services 3-pillar model of a biobased economy Biorefineries Biogenic raw materials

10 Bioeconomy value chains and business models Entrepreneurship Profitability Raw materials Bioproducts Chemicals, Pellets Forests Fields By-products Entrepreneur Produces different bioproducts Heat, electricity Liquid biofuels, bioplastics Fertilizers Fodder Gas (methane, hydrogen)

11 Menetelmiä puun hajottamiseksi aineosiksi Puun fraktiointi Kuivatislaus / hidas pyrolyysi Nopea pyrolyysi Puun kaasutus C C C C Esituotteet Sokereita, furaaneja happoja, ligniiniä, selluloosaa Orgaaniset hapot, asetoli, metanoli, terva Erilaisia sokereita, hiilivetyjä ja monia muita Vety, hiilimonoksidi Jatkojalostus Entsymaattiset ja katalyyttiset menetelmät; (etanoli, butanoli, orgaaniset hapot, biomuovit, kosmetiikkaan) Fraktiointi, erottelu (pinnoitteet, hapot, elintarvike) Fraktiointi ja eri käsittelyt (fermentointiin, katalyyttisiin käsittelyihin, biomuoveihin, kosmetiikkaan yms.) Katalyyttiset ja biologiset menetelmät; (metanoli, olefiinit, alkeenit, etc.)

12 Biomassa Biomassan fraktiointi Nestefraktio Erotus Fermentaatio Sokerit, kemikaalit, komposiitit Butanoli Fraktiointi Kiinteä fraktio Entsymaattinen hajotus Glukoosi fermentaatioon Etanoli Delignifiointi Ligniini Komposiitit Muuntokuidut Useita julkaisuja mm. Pappinen, A, Sugano Y, Kuittinen, S, Turunen O Biomimetic Carbon Nanotube Catalyst for Lignocelluloses Saccharification. Patent pending number FI

13 Enzymes used artificial nano catalyst Pappinen, A, Sugano Y, Kuittinen, S, Turunen O Biomimetic Carbon Nanotube Catalyst for Lignocelluloses Saccharification. Patent pending number FI : Nykyiseen patenttivaatimus -asetelmaan sisältyy useitakin patentoitavina pidettyjä ratkaisuja. Yasuhito Sugano, Suvi Kuittinen, Ossi Turunen and Ari Pappinen Design of artificial glycoside hydrolase composed of biomolecules and nanomaterials. Submitted Angew. Chem. Int. Ed.

14 Pyrolyysiöljy, jakeet Nopean pyrolyysin Vesifaasista erotettua pajusiirappia = levoglucosan Katalyysi Fenolit Orgaaniset hapot Oksygenaatit Erotus Fermentaatio Butanoli, Lactic acid Hydrogenaatio Polttoaineet, muita? Biomassa Bioöljy Poltto Lämpöenergia Kaasutus Synteesikaasu PS. Bioöljyjä on tutkittu eripuolilla maailmaa n. 20 v ja niiden ominaisuudet tunnetaan kohtuullisen hyvin => kuinka edetä korkeamman jalostusarvon tuotteisiin?

15 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

16 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

17 Kuittinen,Suvi., Villa,Aki., and Pappinen Ari Sustainable transportation Ethanol plant through field and forest biomass integration. Conference Proceedings. 19 th International Symposium on Alcoholic Fuels (ISAF), Verona, Italy

18 University of Eastern Finland (UEF) A University of the Future Biojalostuksen demoverstas resurssiälykäs oppimis- ja kehittämisympäristö UEF, PKKY, Karelia AMK, Joensuun tiedepuisto

19 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

20 Orgaanisen kemian prosessitekniikka Tuotteet / Välituotteet Biojalostusprosessien ohjaus- ja automaatiojärjestelmät ja opetus (PKKY) Rakennuksen lämmitykseen Lämpö Lämpö Vesifaasi, sokerit Peltobiomassa Sähkö ORC-tekniikka Bioöljy Hiilivetyfaasi Metsäbiomassa Korkeapainehöyry/matalapainehöyry Nopea / katalyyttinen Pyrolyysi Biosivujae tai jäte Lämpö Fraktiointi Hemiselluloosa Biomassakuidut Kemikaalit Ligniini Teollinen bioprosessitekniikka Entsyymit Katalyytit Mikrobit Fermentointi AMK Bioenergiapuisto Mekrijärven laitteet

21 Kiitos