BIOMASSAN ESIKÄSITTELYN MERKITYS BIOMASSA ARVOKETJUSSA. Jana Holm

Transkriptio

1 BIOMASSAN ESIKÄSITTELYN MERKITYS BIOMASSA ARVOKETJUSSA Jana Holm

2 Lähtötilanne Biotaloudessa keskeisiä globaaleja haasteita ovat: Kasvava energian tarve Vähenevät fossiiliset öljyvarannot Tarve vähentää hiilidioksidipäästöjä Biojalostamomahdollisuus?

3 Lignosellulossaperäinen biomassa tarjoaa monia etuja verrattuna tärkkelysperäisiin biomassoihin koska sitä on runsaasti eikä se kilpaile ruoan ja rehuntuotannon kanssa Lignoselluloosa koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Hemiselluloosa Selluloosa Uuteaineet Ligniini Paul de Wild (2011) Biomass pyrolysis for chemicals.

4 Miksi pitää esikäsitellä? Selluloosa on niukkaliukoinen tavallisiin liuottimiin molekyylien välisten vetysidosten takia Goals of the pretreatment adopted from Mosier et al., The cellulose network (A is the cellulose chain and B shows inter and intra H bonds present in cellulose) adopted from Olivier Bourdigou et al., 2010

5 Esikäsittely aiheuttaa biomassassa muutoksia, niin että selluloosan ja hemiselluloosan hydrolyysi saavutetaan nopeammin ja korkeimmilla saannoilla Esikäsittelyllä halutaan myös saavuttaa ligniinin poisto ja selluloosan kiteisen rakenteen rikkominen

6 Miten voi esikäsitellä Fysikaalinen esikäsittely: mekaaninen (jauhatus) ultraääni käsittely Kemiallinen esikäsittely: kuuma vesi, hapot, emäkset, ioninesteet Fysikaaliskemiallinen esikäsittely: höyryräjäytys (yleisimmin käytetty)

7 Chem. Commun., 2011,47,

8 Case: Kuituliete Selluloosarikas ja ligniiniköyhä fraktio Tällä hetkellä sitä pidetään jätefraktiona Tulevaisuudessa voisi olla lähtöaineena arvokkaille kemikaaleille Suomessa muodostuu kuitulietettä noin tonnia vuodessa Jäteveroa joudutaan maksamaan 50 /tonni eli noin 15 milj. euroa jos viedään kaatopaikalle

9 Kuitulietteen esikäsittely Happo esikäsittely/hydrolyysi Rikkihappo Maleiinihappo Ionineste esikäsittely [BMIM]Cl esikäsittely + hydrolyysi [AMIM]Cl esikäsittely + hydrolyysi [SBMIM]Cl yhden vaiheen reaktioon

10 Kuiva kuituliete koostuu: 80 p % α selluloosaa, 13 p % β selluloosaa ja 7 p % γ selluloosaa Kuituliete sisälsi myös hyvin pieniä määriä epäorgaanisia epäpuhtauksia (keittokemikaaleista)

11 Ionineste esikäsittely Holm & Lassi, Ionic liquids Applications and perspectives 2 p % näyte/il 100 C öljyhaude 30 minuuttia Kuumaa vettä käytettiin selluloosan saostamiseen

12 Happohydrolyysin optimointi Käytettiin rikki ja maleiiinihappoa Useita parametrejä optimoitiin (lämpötila, aika ja hapon vahvuus) Hydrolyysiaika 90 min TRS % Holm, Lassi, Lahti, Romar, Kärkkäinen, Lajunen (2012) Catalysis Today 196:

13 Entsymaattinen hydrolyysi ACCELERASE entsyymiseos Hydrolyysiolosuhteet: ph C 6 t TRS % [BMIM]Cl pretreated reference sample [AMIM]Cl pretreated reference sample [BMIM]Cl pretreated fiber sludge [AMIM]Cl pretreated fiber sludge no pretreated fiber sludge Hydrolysis time (h) Holm, Lassi, Lahti, Romar, Kärkkäinen, Lajunen (2012) Catalysis Today 196:

14 Yksivaiheinen reaktio Tehtäväspesifinen ionineste 1 (4 sulfonylbutyl) 3 methylimidazolium chloride [SBMIM]Cl [SBMIM]Cl kykenee liuoittamaan ja hydrolysoimaan kuitulietettä yhdessä vaiheessa

15 Kloridi anioni osallistuu esikäsittelyyn (liukeneminen) ja SO 3 H (sulfonihapporyhmä) mahdollistaa hydrolyysin tai selluloosan depolymerisaation Holm, Lassi et al. Biomass and Bioenergy (2013) 56:

16 Kokonaissokeri saannot (TRS) [SBMIM]Cl käsittelyn jälkeen olivat alhaiset (noin 4 5 p %), mutta verrattavissa happohydrolyysin TRS saantoihin (2 8 p %). [SBMIM]Cl kykenee liuoittamaan ja depolymerisoimaan niin kuivaa kuin märkää kuitulietettä (kosteusprosentti 50 %) mikä säästää kuivauskustannuksia

17 Vertausta TRS yield 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3M sulphuric acid 3M maleic acid [SBMIM]Cl [AMIM]Cl+enz. hydrolysis Holm, Lassi et al. Biomass and Bioenergy (2013) 56:

18 Entsymaattisen hydrolyysin optimointi ACCELERASE NOVOZYMES TRS saannot 35 % 95 %

19 Selluloosan entsymaattinen hajoittaminen Holm, Lassi et al. Biomass Conversion and Biorefinery (2013) DOI /s

20 Entsyymin määrä: 50 µl entsyymi seosta ja 4 µl β glucosidaasia wt % TRS of dry FS Glucose of dry FS TRS of reference sample Glucose of reference sample Time (min) Holm, Lassi et al. Biomass Conversion and Biorefinery (2013) DOI /s

21 Analyysimenetelmiä) DNS menetelmä (Miller et al. (1959)) Kapillaarielektroforeesi (jos IL:ää mukana) HPLC (RI detektorilla ja sokerikolonnilla) GC/MSD ja GC/FID

22 Johtopäätökset Esikäsittely on välttämätön ja olosuhteiden optimointia tarvitaan IL esikäsittely on haasteellista suuressa mittakaavassa Entsyymikatalysoitu hydrolyysi on lupaava menetelmä Kuituliete on potentiaalinen lähtöaine biopolttoaineille ja muille arvokkaille kemikaaleille

23 KIITOS HUOMIOSTANNE!