Lappeenranta University of Technology LUT Biojalostamon uudet tuotteet ja liiketoimintamallit

Transkriptio

1 Lappeenranta University of Technology LUT Biojalostamon uudet tuotteet ja liiketoimintamallit

2

3 BIOTULI-hankkeessa (Biojalostamon uudet tuotteet ja liiketoimintamallit) tavoitteena on löytää puuperäisistä raaka-aineista uusia tai jo tunnettuja antibakteerisia yhdisteitä. Hankkeessa selvitetään uusien, antibakteeristen tuotteiden liiketoimintamahdollisuuksia, markkinoita ja liiketoimintamalleja PK-mittakaavassa sekä tarkastellaan innovaatioprosesseja. Hankkeessa tutkitaan lisäksi jalostusprosessien sivutuotteiden käyttöä energianlähteenä sekä perehdytään materiaalivirtojen ohjaukseen ja logistiikkaan. KESTO: syyskuu 2010 elokuu 2013 BUDJETTI: 1,4 milj. KOHDEALUE: Kaakkois-Suomi RAHOITTAJAVIRANOMAINEN: Etelä-Karjalan liitto BIOTULI Biojalostamon uudet tuotteet ja liiketoimintamallit

4 Metsäklusterin merkitys koko Suomen kansantaloudelle on erittäin suuri, ja metsäteollisuus onkin Kaakkois-Suomen yksi keskeisistä elinkeinoista niin viennin arvolla kuin työpaikkojen määrällä mitattuna. Metsästä lähtevällä arvoketjulla on merkittäviä kerrannaisvaikutuksia myös muille teollisuudenaloille. Suomalainen metsäteollisuus on maailmanlaajuisesti tarkasteltuna erittäin nykyaikainen ja tehokas. Samalla kun kannattavuutta on parannettu toimintaa tehostamalla ja rakenteita keventämällä, on alettu kehittää uutta kilpailukykyä ja liiketoimintaa. Metsäklusterin tavoitteena onkin, että vuoteen 2030 mennessä puolet sen tuotannon arvosta tulisi tuotteista, joita ei vielä tällä hetkellä valmisteta. Metsäteollisuuden rakennemuutoksen onnistuminen ja alan uusiutuminen on siten ensiarvoisen tärkeää Kaakkois-Suomen talouskehitykselle. Uusia tuotteita ja liiketoimintamalleja on luontevaa kehittää bioliiketoiminnan alalle, ovathan kestävästi hoidetut metsävarat Suomen merkittävimmät uusiutuvan materiaalin lähteet. Puu on arvokas, uusiutuva, kierrätettävä ja moniin eri käyttötarkoituksiin soveltuva materiaali. Biotaloudessa ja bioliiketoiminnassa on kyse paitsi suurten määrien hyödyntämisestä alhaisen arvonlisän massatuotantona (esimerkiksi bioenergia), myös pienistä mutta korkean arvonlisän tuotteista (esimerkiksi biopohjaiset lääkkeet, kosmetiikka jne.). Esimerkiksi elintarvikeklusterin, lääketeollisuuden ja metsäsektorin on luontevaa liiketoimintamalleja kehittäessään tehdä keskenään yhteistyötä mm. bioenergian ja biopolttoaineiden, erilaisten bioraaka-aineiden, biokemikaalien, biomateriaalien, hygieniatuotteiden, lääkkeiden ja terveystuotteiden sekä elintarvikkeiden kehittämisessä.

5

6 KEMIA EROTUSTEKNIIKKA Erilaisten ligniinipohjaisten yhdisteiden eristämistä sellu- ja paperiteollisuuden raaka-aineista on tutkittu viime vuosina runsaasti. Muutamia erotusprosesseja on myös jo kaupallistettu. Biotuli-hankkeessa tavoitteena on löytää puupohjaisista raaka-aineista uusia tai jo tunnettuja antibakteerisia yhdisteitä, joita voitaisiin hyödyntää teollisesti terveydenhuollon tuotteissa. Hankkeessa tutkittavat prosessit eroavat kirjallisuudessa esitetyistä ja kaupallistetuista prosesseista paitsi erotusmenetelmien, myös käytettyjen raaka-aineiden osalta. Tutkimuskokonaisuutta voidaan havainnollistaa seuraavalla kuviolla: Raaka-aine 1 PUU Raaka-aine 2 PIHKA Raaka-aine 3 KUORIMOVESI SILPPUAMINEN UUTTAMINEN JA/TAI HYDROLYYSI KALVOSUODATUS SUODATUS (kiinteä aine nesteestä) YHDISTEIDEN LABORATORIOTARKASTELU (analyysit: ominaisuuksien ja saannon määrittäminen jne.)

7 RAAKA-AINEET Kokeissa käytetään raaka-aineena lähinnä koivua, kuusta ja mäntyä. Pääasialliseksi tutkimuskohteeksi on valittu tuorepuun kannot, koska kannot ovat tällä hetkellä metsään jäävä osa raaka-ainetta ja tuoreessa, kasvavassa materiaalissa yhdisteiden muodostama kokonaisuus on erilainen kuin kuivatussa materiaalissa, jossa entsyymitoiminta on pysähtynyt ja yhdisteiden hapettuminen on alkanut. Muita tutkittavia puuperäisiä matriiseja ovat kuorimovedet ja pihka. EROTUSMENETELMÄT Puuraaka-aineen prosessoinnissa käytetään menetelmiä, joilla voidaan minimoida uutettavien yhdisteiden hajoaminen käsittelyn aikana. Keskeinen käsittelyvaihe kiinteä-neste-erotuksen jälkeen on kalvosuodatus, jolla raaka-aineesta erotetaan ensin suurimman rakenteen omaavat liuenneet yhdisteet ja kolloidiset yhdisteet. Tähän jakeeseen sisältyvät puun polymeeriset sokerit (hemiselluloosat), polymeerinen ligniini ja merkittävä osa uuteaineista. Kalvon läpäisseet pienemmän rakenteen omaavat liuenneet yhdisteet sisältävät mm. aromaattisia yhdisteitä, joita väkevöidään ja samalla puhdistetaan niistä epäpuhtaudet. Kalvosuodatuksella tutkitaan myös yhdisteiden fraktiointia eli niiden edelleen puhdistamista. Entsymaattinen hydrolyysi puolestaan on perinteisiä kemiallisia käsittelymenetelmiä spesifisempi menetelmä, koska entsyymien käyttö yhdisteiden pilkkomiseen ei hajota puuperäistä matriisia kokonaan. Entsymaattinen käsittely myös säästää energiaa, koska entsyymit toimivat yleensä neutraalin happamuuden olosuhteissa, eivätkä vaadi korkeaa lämpötilaa, kuten esimerkiksi hydrolyysi heikolla hapolla. YHDISTEIDEN LABORATORIOTARKASTELU Yhdisteet tunnistetaan analyyttisten erotustekniikoiden avulla (kaasu-, neste- ja ionikromatografisilla laitteilla) sekä liuoksissa sähköavusteisilla tekniikoilla, kuten kapillaarielektroforeesilla. Yhdisteiden antibakteerisia ominaisuuksia testaan maljakokeilla bakteerien kasvatusalustoja ja mikroskopointia käyttäen.

8 BIOHIILI on päästöneutraalia polttoainetta, jolla on korkea lämpöarvo ja joka vastaa ominaisuuksiltaan kivihiiltä. Biohiiltä valmistetaan kuumentamalla puuta (tai muuta orgaanista biomassaa) hapettomassa tilassa. Prosessista syntyvää ainetta kutsutaan käytetystä lämpötilasta riippuen joko torrefioiduksi puuksi (jos korkein lämpötila jää alle 300 C:n ) tai puuhiileksi (jos korkein lämpötila nousee yli 400 C:n). Näistä molemmista lopputuotteista käytetään yleisnimitystä biohiili. Kuumennusprosessi tuottaa kiinteän aineen lisäksi kaasuja, joista osa voidaan muuttaa nesteeksi jäähdyttämällä. KUIVATISLAUKSELLA (eli prolyysillä) tarkoitetaan prosessia, jossa orgaaninen kiinteä aine hajotetaan hapettomassa tilassa kuumentamalla. Teollisuudessa kuivatislataan muun muassa puuta, kivi- ja ruskohiiltä, turvetta ja hartsia, jolloin prosessista syntyy tavallisesti kuivatislaustuotteina koksia, tervaa ja puuhiiltä sekä tisleinä esimerkiksi vettä, metanolia ja erilaisia hiilivetyjä. Kuivatislaus tehdään pääsääntöisesti C:n lämpötilassa. Torrefiointi on kuivatislauksen miedompi muoto, jossa käytetty lämpötila vaihtelee tyypillisesti 200 C:n ja 300 C:n välillä. Torrefiointi lisää biomassan lämpöarvoa, jolloin se soveltuu paremmin polttoaineeksi erilaisiin voimalaitoksiin.

9 UUDET BIOMASSAJAKEET ENERGIAN LÄHTEENÄ Fossiilisten polttoaineiden hintojen noustessa biomassan käyttöön energialähteenä on kiinnitetty yhä enemmän huomiota. Tulevaisuuden biojalostamoissa voidaan myös käyttää entistä monipuolisemmin erilaisia raaka-aineita, mikä kannustaa selvittämään uusien biomassajakeiden hyödyntämismahdollisuuksia energian lähteenä. Biotuli-hankkeessa keskitytään erityisesti biohiilen tuotantoon liittyviin teknologisiin ja liiketaloudellisiin kysymyksiin. Ensimmäisessä tutkimus- ja kehittämisosiossa testataan laboratoriokokeiden avulla torrefioinnin aiheuttamia muutoksia biomassan ominaisuuksiin sekä tarkastellaan torrefioidun biomassan tuotantokustannuksia laiteinvestointien sekä raaka-aine- ja käyttökustannuksien kautta. Biomassan torrefioinnin testausta (ml. näytteenotot, kaasujen analysointi ja laitteiston automatisointi) varten on rakennettu koelaite, jonka kokoa on mahdollista suurentaa jatkossa lämpölaitoskokoluokkaan asti. Tutkimusten lähtökohtana on siten luoda pohjaa liikeidealle, jossa torrefioitua biomassaa tuotetaan pienissä lämpölaitoksissa lämmöntuotannon ohella. Toisessa tutkimus- ja kehittämisosiossa puolestaan tarkastellaan biohiilen tuotantomahdollisuuksia teollisuusyritysten yhteydessä. Tavoitteena on erityisesti selvittää, kuinka suuren kokoluokan biohiilen tuotanto (torrefiointi) voitaisiin yhdistää teollisuuslaitoksen (sellu- ja paperitehtaan) prosesseihin siten, että biohiilestä muodostuisi yritykselle kaupallisesti kannattava tuote. Tuotannon integrointia tarkastellaan lähinnä konseptitasolla (mm. IPSEpro-mallin avulla). Tutkimusosiossa selvitetään myös antibakteeristen yhdisteiden erotusprosesseissa syntyneiden jakeiden ominaisuuksia karakterisointikokein. Pystyputkiuunilla tehtävissä torrefiointikokeissa pyritään näin ollen polttamaan muutakin kuin peruspuuta.

10 BIO- JALOSTUS Biojalostamot edustavat useimmilla toimialoilla ympäristöystävällisempää tuotantoa, jossa raaka-aine pystytään hyödyntämään mahdollisimman hyvin, hiilijalanjälki jää pieneksi ja energiankulutus on perinteistä vähäisempää. Biojalostus mahdollistaa aiemmin huonona tai epäsopivana pidettyjen raaka-aineen osien, ylijäämien ja toistaiseksi hyödyntämättömien sivutuotteiden hyödyntämisen. Metsä- ja puualalla biojalostus luo mahdollisuuksia uusiin tuotekonsepteihin, liiketoiminta- ja ansaintalogiikoihin ja yhteistyökuviohin toimialan sisällä tai esimerkiksi kemianteollisuuden ja energiateollisuuden kanssa. Lähtökohdat onnistumiselle biojalostuksen saralla ovat vahvan osaamisen, kulttuurin ja kauaskantoisten perinteiden kautta Kaakkois-Suomessa hyvät. Biojalostustoiminnalla voidaan nähdä olevan positiivisia vaikutuksia työllisyyteen ja sillä voidaan myös parantaa nykyisten tuotantolaitosten kannattavuutta ja edesauttaa sitä kautta työpaikkojen säilymistä ja uusien syntymistä. Toiminnalla on hyviä vaikutuksia myös metsä- ja maatalouteen. Biojalostustoiminta edesauttaa uusien innovaatioiden syntymistä toimialojen rajapinnoissa ja auttaa täten kaikkia mukana olevia organisaatioita ja yhteisöjä kehittymään ja menestymään.

11 BIOTULI-TAPAHTUMIA PK-yrityksille ja muille hankkeesta kiinnostuneille. AAMUKAHVIT, syksy 2012 WORKSHOPIT, syksy talvi Kansainvälinen BIOTULI-seminaari Kaakkois-Suomessa, kevät 2013 BIOTULI-JULKAISUJA Lämpöyrittäjäkonsepti biotuotteelle Economics of combined power plant and pyrolysis bio-oil production Wood chemistry and isolation of extractives from wood Research Work on Extractives from Wood Extraction of Scots Pine with Non-polar solvents Extraction of Scots Pine by Polar Solvent Energy producing possibilities and new products Innovation Management of Biorefineries in Finnish Forest Sector Integration of Torrefaction Reactor with Steam Power Plant (In preparation) Torrefiointilaitteisto Extractives with Antimicrobial Properties from Scots Pine BIOTULI-KYSELY YRITTÄJILLE Alan nykytilannetta ja tulevaisuuden näkymiä kartoitettiin keväällä Noin kahdellesadalle kaakkoissuomalaiselle yritykselle lähetettiin BIOTULI-kysely. Kyselyn tulokset, yhteenveto ja johtopäätökset valmistuvat syksyllä LISÄTIETOJA Kaakkois-Suomen kehittämis- ja innovaatioyhtiöiden edustajilta tai Lappeenrannan teknillisen yliopiston Sanna Tomperilta

12 LUT Rajat ylittävää tiedettä jo vuodesta 1969 LUT - Rajat ylittävää tiedettä jo vuodesta 1969 Lappeenrannan teknillinen yliopisto (Lappeenranta University of Technology, LUT) yhdistää tieteellisessä tutkimuksessa ja akateemisessa koulutuksessa kaksi toisiaan täydentävää tieteenalaa - tekniikan ja talouden. Strategisia painopisteitämme ovat vihreä energia ja teknologia, kestävä kilpailukyvyn luominen sekä toimiminen kansainvälisenä Venäjä-yhteyksien rakentajana. BIOTULI-hanke Lappeenrannan teknillinen yliopisto Skinnarilankatu Lappeenranta sanna.tomperi@lut.fi