Uuteaineet biojalostuksen raaka aineina. Hanna Lappi

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Uuteaineet biojalostuksen raaka aineina. Hanna Lappi 14.5.2013"

Väinö Jokinen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Uuteaineet biojalostuksen raaka aineina Hanna Lappi

2 Esityksen sisältö 1. Puun kemiallinen koostumus 2. Uuteaineet 3. Uuteaineiden hyödyntäminen Historiallista taustaa ja nykypäivän tilanne Tulevaisuuden näkymiä 4. Forest Refine hankkeen analyysit Menetelmät Tuloksia 5. Yhteenvetona: Miksi lisää tutkimusta tarvitaan

3 Puun kemiallinen koostumus Soluseinämä Fibrilli Kuitusolu Hemiselluloosa, 25-35% Puun runko Uuteaineet, 2-5% Selluloosa, 40-45% Ligniini, 20-30% Muokattu lähteestä: nl/fileadmin/ecn/corp/nieuws/2011/thesis pyrolyse compleet de pdf

4 Uuteaineet ja muut ei rakenteelliseet yhdisteet α Pineeni Öljyhappo Pääryhmät Terpenoidit Rasvat Fenoliset Hiilihydraatit Epäorgaaniset yhdisteet yhdisteet Alaryhmät Terpeenit Triglyseridit Lignaanit Sokerit Erilaiset suolat Αbietiinihappo Hartsihapot Muut terpenoidit Steryyliesterit Rasvahapot Sterolit Flavonoidit Stilbeenit Tanniinit Tärkkelys Gums Pektiinit Glykosidit Tehtävä Puun Fysiologinen, l. Puun Biosynteesi Fotosynteesi suojaaminen ravintoaine suojaaminen Ravinteina Biosynteesi Suojaus Esiintyminen Pihkatiehyet Parenkyymisolut Sydänpuu Pintapuu Kulkevat veden puussa Sydänpuu Oksat Jälsi mukana Oksat Kuori Sydänpuu pintapuussa Kuori Lehvästö Sisäkuoren pihka Sitosteroli Puulajit Havupuut Kaikki puulajit Kaikki puulajit, etenkin havupuut Kaikki puulajit Kaikki puulajit Liukoisuus i Poolittomat t Poolittomat t Pooliset Vesi Vesi liuottimet liuottimet liuottimet Vesi (rajoitetusti) Lähde: Holmbom, B (2011). Extraction and utilization of Non structural wood and bark components kirjassa R. Alén (Ed.) Biorefining of Forest Resources, Paperi ja Puu Oy, Helsinki, s Pinosylviini

5 Tavallisimpien pohjoismaisten puulajien uuteainepitoisuudet, % kuivapainosta Kuusi Picea abies Mänty Pinus sylvestris Riippakoivu Betula pendula Hieskoivu Betula pubescens Runkopuu P. sylvestris Pintapuu Sydänpuu Oksat Kanto Juuret Kuori Sisäkuori Ulkokuori Lehvästö P. abies Asetoniliukoiset uuteaineet kannoissa: Lähde: Hakkila, P., Folia Forestalia, 224, HUOM! Käytetty liuotin sekä uuttomenetelmä vaikuttavat uuteaineiden saantoon uutossa sekä myös uuteainefraktion koostumukseen.

0 6.6 6.8 8.7 Kuori Sisäkuori 28.1 39.4 28.1 35.0 14.3 23.2 15.5 29.0 Ulkokuori 17.4 33.6 12.4 26.1 26.5 34.9 17.6 33.3 Lehvästö 37.8 43.3 38.6 40.6 28.8 33.4 32.4 32.5 P.

6 Historiallista taustaa ja nykypäivää Uuteaineiden hyödyntäminen Suomessa Terva: päävientituote Mäntyöljy ja tärpätti 1910 luvulta lähtien Tärpätin käyttöä bensiinimoottorin voimanlähteenä kokeiltiin v (Suomen ensimmäinen TkT Hintikka) Sitosteroli v HMR lignaani v Kuusen hartsista valmistettu salva, 2008 Kuusen oksan uuteaineet tkosmeettisissa i voiteissa i ja shampoossa, 2009 UPM Oyj aloittanut raakamäntyöljyä biopolttoaineeksi jalostavan tht tehtaan rakentamisen v. 2012

1918 (Suomen ensimmäinen TkT Hintikka) Sitosteroli v. 1995 HMR lignaani v.

7 Uuteaineet monipuoliset käyttömahdollisuudet

8 Arvokkaiden bioaktiivisten uuteaineiden lähteet Mäntyöljy Sitosteroli Konjugoidut linolihapot Sulfaattisellun valmistus Oksat Kuori Kannot, juuret? Paperin valmistus Lignaanit Terveysruoat Flavonoidit Stilbeenit Lisäravinteet Lääkkeet Stilbeenit Betulinoli Kosmetiikka Tanniiinit Tek.antioksidantit Muokattu lähteestä: Course material, Åbo Akademi, Wood Extractives inpulping andpapermaking, BjarneHolmbom Holmbom, 2008.

Paperin valmistus Lignaanit Terveysruoat Flavonoidit Stilbeenit Lisäravinteet Lääkkeet Stilbeenit

9 Puun kuori kemikaalien raaka aineena Kuoripitoisuus puussa tyypillisesti 10% Uuteaineita enemmän kuoressa kuin runkopuussa Useita bioaktiivisia yhdisteitä Huomattavat määrät kuorta (kuorijätettä) syntyy metsäteollisuuden sivutuotteena Pääasiallinen käyttö nykyisin poltto Abilar pihkasalva Joitakin kemikaaleja kuoresta eristetään nykyisin, mutta paljon hyödyntämätöntä potentiaalia Käytetään ihon haavojen paranemista edistävänä, antimikrobisena salvana. Tieteellisesti tutkittu vaikutus toimii niin vaikeissa tulehtuneissa painehaavoissa sekä säärihaavoissa kuin kotikäytössä tulehtuneella ja ärtyneellä iholla. Salvalla on todettu myös oireita helpottavaa vaikutusta palohaavoissa ja psoriasiksen oireissa.

paljon hyödyntämätöntä potentiaalia Käytetään ihon haavojen paranemista edistävänä, antimikrobisena salvana.

10 Lisäarvoa uuteaineista: kuusen sisäoksan uuteaineet Oksien poisto ennen mekaanisen massan valmistustavähentää vähentää häiriöitä sekä energian ja kemikaalien kulutusta. Parantaa myös massan laatua. Markkinoilla vuodesta 2006 Ehkäisee hormonaalisia syöpiä, kuten rintasyöpää. Vähentää myös eturauhas ja vatsasyöpään sairastumisen riskiä % lignaaneista Ehkäisee sydän ja verisuonitauteja. Lievittää osteoporoosia sekä vaihdevuosivaivoja. Hydroksimatairesinoli (HMR) Muokattu lähteestä: Aalto University, Biorefinery luentosarja, Products based on extractives, Bjarne Holmbom, 2011.

Vähentää myös eturauhas ja vatsasyöpään sairastumisen riskiä. 70 85% lignaaneista Ehkäisee sydän ja verisuonitauteja.

11 Lisäarvoa uuteaineista: kuusen sisäoksan uuteaineet Kuusen sisäoksan uuteaineet: Suojaavat ihoa vanhenemisen merkeiltä XZ tervashampoo tasapainottaa ja rauhoittaa hiuspohjaa sekä vähentää hilseenmuodostumista Muokattu lähteestä: Aalto University, Biorefinery luentosarja, Products based on extractives, Bjarne Holmbom, 2011.

rauhoittaa hiuspohjaa sekä vähentää hilseenmuodostumista Muokattu lähteestä:

12 Tulevaisuuden tuotteita? Pohjoismaiset mäntyöljyt, etenkin Pohjois Suomessa ja Ruotsissa valmistetut, sisältävät eräitä rasvahappoja, joita saatettaisiinvoida hyödyntää ravintolisissä ja lääkkeissä Raakamäntyöljyn tuotanto pohjoismaissa t/vuosi Uudet lignaanituotteet? HMR funktionaalisissa to sssaelintarvikkeissa e Lisäaineina kosmetiikassa Teknisissä antioksidanteissa Biosideissä

rasvahappoja, joita saatettaisiinvoida hyödyntää ravintolisissä ja lääkkeissä Raakamäntyöljyn

13 Tulevaisuuden tuotteita? Kuusen kuoresta saatavat stillbeenit: Resvatroli: lukuisia erilaisia terveysvaikutuksia, mm. syöpää ja verisuonitauteja i ehkäiseviä iä vaikutuksia. k i Pidentää myös solujen elinikää! Koivun kuoresta saatavat tuotteet: Koivun ulkokuoressa jopa30 % betulinolia Mm. antibakteerisia ja antimykoottisia vaikutuksia Käytetään nykyisin Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Saksassa kosmetiikassa sekä ravintolisissä

syöpää ja verisuonitauteja i ehkäiseviä iä vaikutuksia. k i Pidentää myös solujen elinikää!

14 Varastoinnin vaikutus uuteaineisiin Heti puun kaatamisen jälkeen uuteainepitoisuus alkaa laskea ja uuteainefraktion kemiallinen koostumus muuttua Tärkeimmät varastoinnin aikana tapahtuvat kemialliset muutokset voidaan jaotella kolmeen ryhmään: (1) Triglyseridien nopea hydrolyysi ja vahojen, etenkin steryyliestereiden, hitaammin hitaammin tapahtuva hydrolyysi (2) Hartsihappojen, tyydyttymättömien rasvahappojen, sekä jossain määrin myös muiden tyydyttymättömien yhdisteiden, hapetus/hajoamis/polymerisaatioreaktiot (3) Terpenoidien, erityisesti monoterpenoidien, haihtuminen Spruce chips Assarsson, A., Croon, I., Donetzhuber, A. (1963). Svensk Papperstidning, 22, pp

tapahtuva hydrolyysi (2) Hartsihappojen, tyydyttymättömien rasvahappojen, sekä jossain määrin myös muiden tyydyttymättömien yhdisteiden,

15 Forest Refine hankkeen näytteiden ättid analysointi Näytteet Peruskarakterisointi ennen kemiallisen koostumuksen analysoimista, esim. kosteuspitoisuuden ja lämpöarvojen mittaukset Esikäsittely (kylmäkuivaus ja jauhaminen) Uutto Uuteaineet Uuteainevapaa näyte Gravimetrinen määritys Happohydrolyysi Yksittäiset yhdisteet GC/MSD ja GC/FID Uuteaineryhmät GC/FID Suodatus Vapaat uuteaineet Esteröityneet uuteaineet Suodos Happoon liukenematon ligniini (gravimetrinen määritys) Happoon liukeneva ligniini UV/Vis spektrofotometri spektrofotometri Hiilihydraatit GC/MSD ja GC/FID

määritys Happohydrolyysi Yksittäiset yhdisteet GC/MSD ja GC/FID Uuteaineryhmät GC/FID Suodatus Vapaat uuteaineet Esteröityneet uuteaineet

16 Forest Refine varastointikokeiden tuloksia Koivun kuori sellutehtaalta Uuteainepitoisuus ja -koostumus kokeen alussa Heksaaniuutossa uuteaineiden gravimetrinen saanto 9.3% Asetoniuutossa uuteaineiden gravimetrinen saanto 5.9%

alussa Heksaaniuutossa uuteaineiden gravimetrinen saanto

17 Forest Refine varastointikokeiden tuloksia Havupuun kuori sellutehtaalta Uuteainepitoisuus ja -koostumus kokeen alussa Heksaaniuutossa uuteaineiden gravimetrinen saanto 4.6% Asetoniuutossa uuteaineiden gravimetrinen saanto 3.3%

kokeen alussa Heksaaniuutossa uuteaineiden gravimetrinen

18 Forest Refine BTK:n näytteiden ättid analysointi BTK:n näytteiden uuteaineanalyysit yliopistokeskuksella Kokkolassa Näytteet ovat kuivattuja ja haketettu erilaisiin palakokoihin Kantonäytteet Nuoret puut Mänty, kuusi ja koivu

Kokkolassa Näytteet ovat kuivattuja ja haketettu

19 Forest Refine BTK:n näytteiden analysointi i Näytteille on tehty gravimetriset uuteainemääritykset. Kvalitatiiviset analyysit on myös tehty. Tulosten tulkinta osin kesken. Seuraavaksi näytteille tehdään kvantitatiiviset määritykset. Analyysit: T. Tuuttila, M. Roukkio-Taipale, H. Lappi

Kvalitatiiviset analyysit on myös tehty. Tulosten tulkinta osin kesken.

20 Metsäbiomassan hyödyntämätöntä raaka ainepotentiaalia i Tulevaisuuden biojalostamoissa kannattaa hyödyntää myös puun uuteaineet. Puissa on suurempi määräarvokkaita bioaktiivisiayhdisteitä yhdisteitä, kuin muissa kasveissa. Kuori ja muut jätefraktiot ovat houkutteleva vaihtoehto bioaktiivisten yhdisteiden raaka aineeksi Bioaktiivisia yhdisteitä on helposti saatavilla erilaisilla uuttoprosesseilla Kontrolloitu bioaktiivisten yhdisteiden uutto ja talteenotto ennen jätefraktion polttoa tai muuta prosessointia kannattavuuden parantamiseksi Mahdollisuus löytää sovelluksia korkean tuoton sovelluskohteista, kuten ravintolisät ja lääkkeet

Kuori ja muut jätefraktiot ovat houkutteleva vaihtoehto bioaktiivisten yhdisteiden raaka aineeksi Bioaktiivisia yhdisteitä on helposti saatavilla erilaisilla

21 Miksi lisää tutkimusta tarvitaan? Merkittävää ääkasvua etenkin luonnosta saatavien terveystuotteiden kysynnässä teollisuusmaissa Puun uuteaineet eivät ole geneettisesti modifioituja! EU kieltää GM tuotteiden käytön ravinto ja lääkevalmisteissa Haasteita riittää potentiaalisesti arvokkaiden tuotteiden tunnistamisessa, uuttamisessa sekä puhdistamisessa. Haasteellista on myös löytää arvokkain sovelluskohde arvokkaille yhdisteille.

22 Kiitos!

Samankaltaiset tiedostot

Metsäbiomassan korkean jalostusarvon kemikaalien hävikki toimitusketjussa

Metsäbiomassan korkean jalostusarvon kemikaalien hävikki toimitusketjussa FT Hanna Brännström BIOKOKKOLA-SEMINAARI 28.10.2015 Esityksen sisältö 1. Puun kemiallinen koostumus 2. Uuteaineet Uuteaineiden