Bioprosessit Tero Eerikäinen. CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit. Mitä kuvassa näkyy?

Transkriptio

1 Bioprosessit CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit Tero Eerikäinen Mitä kuvassa näkyy?

2 Milloin biotekninen prosessi? Biotekninen prosessi kilpailee usein muiden menetelmien kanssa Tuotantoprosessi Valinnan ratkaisee esimerkiksi Hinta Tuotteen monimutkaisuus Ympäristöystävällisyys Tuotteen hinta vs. tuotannon hinta?

3 Miten optimoidaan?

4 Tuotantoinsinöörin näkökulma kasvualustan kehitys kasvatusolosuhteet kasvatustekniikka kasvukinetiikka ainetaseet virtausdynamiikka reaktorin ominaisuudet mittaus ja säätö mallinnus jälkikäsittely yksikköoperaatiot minimi / kompleksi ph, T, ilmastus panos,.. jatkuva nopeudet mittaa ja laske sekoitus, massansiirto dimensiot, scale-up on-, offline, fysikaaliset black-box, talteenotto, puhdistus erotus, sekoitus

5 KONSENTRAATIOT Mitattavia suureita NOPEUDET Solut x (g/l) Substraatti S (g/l) Tuote P (g/l) Liuennut happi Poistokaasut Kasvunopeus (g/l/h) Tuottonopeus (g/l/h) Kulutusnopeus (g/l/h) Hapen kulutus Hiilidioksidin tuotto Ilmastusnopeus (vvm) Laimennusnopeus Sekoitusnopeus (rpm)

6 Entsymaattiset prosessit

7 Bioprosessiteollisuus: Entsymaattiset prosessit Voidaan mieltää myös elintarvike-, metsä-, kemianteollisuudeksi riippuen siitä kuinka suurta osaa entsymaattinen käsittely näyttelee kokonaisuudessa 3 esimerkkiä: Luonnollisen makeuttajan valmistus tärkkelyksestä Fruktoosin valmistus juurikassokerista Aspartaamin entsymaattinen synteesi Entsymaattisissa prosesseissa olosuhteet mahdollistavat biologisten komponenttien (siis entsyymit) toiminnan => yleensä myös mikrobit pystyvät toimimaan prosessiolosuhteissa => mikrobiologisten ongelmien vaara Mikrobiologisten ongelmien minimointi: Prosessiolosuhteet vähemmän suotuisiksi mikrobeille (ph, T, kemikaalit) Viipymäajat: jos prosessiliuokset viipyvät prosessissa/sen osissa siten, etteivät mikrobit ehdi kasvaa, voidaan kontaminaatiot välttää/minimoida Liuosten ja laitteiden mikrobiologisen kuorman vähentäminen (sterilointi, desinfiointi, aseptinen toiminta, hygieeninen toiminta, laitossuunnittelu) Mitä tarkoittaa kontaminaatio?

8 Tärkkelyksen rakenne

9 Entsymaattinen prosessi: Glukoosin ja siirappien valmistus Viljojen jyvien tärkkelyspitoisuus on korkea: % Tärkkelys on glukoosin homopolymeeri, jossa on pitkiä suoria glukoosipolymeeriketjuja. Glukoosimolekyylien väliset sidokset ovat muotoa α-1,4 (= amyloosi) Tärkkelyksen toinen pääkomponentti on hyvin haaroittunut rakenne, jossa glukoosimolekyylien väliset sidokset haarakohdissa ovat muotoa α-1,6 (= amylopektiini) Amyloosin ja amylopektiinin molekyylikoot (DP= degree of polymerization) vaihtelevat eri lähteiden tärkkelyksissä: Tarvittavat amylolyyttiset entsyymit: α-amylaasi (endo-entsyymi), glukoamylaasi (ekso-entsyymi) ja usein myös pullulanaasi sekä maltoosia tuotettaessa β- amylaasi Vaiheet: Koon pienennys Kuorten poisto tärkkelys Tärkkelyksen liuotus: 80/110 o C ; α-amylaasi; ph n. 7 Sokerointi: 50 o C;pH n.5; home glukoamylaasi [tai β-amylaasi maltoosi] Glukoosin isomerointi glukoosi/fruktoosi (HFCS): glukoosiisomeraasi

10 Entsymaattinen prosessi: Glukoosin ja siirappien valmistus Vehnä Vesi Jauhaminen Erotus Lese etc. Tärkki Ca 2+ Nesteytys o C ph 6,5-7 α-amylaasi Pullulanaasi Happo β-amylaasi Sokerointi Maltoosisiirappi Glukoamylaasi Sokerointi o C ph 4,5-5 Glukoosisiirappi Emäs Ionivaihto Isomerointi o C ph 6,5-7 HFS Ca 2+ Ionit Glukoosiisomeraasi

11 Siirappi/makeuttaja -business Luonnolliset makeuttajat : Sakkaroosi (1); disakkaridi, sokerijuurikas ja sokeriruoko, makeus 1, vuosituotanto n. 175 Mt maailmanlaajuisesti 4 kcal/g sokeria Rypälesokeri (glukoosi) (2): makeus 0,7 Hedelmäsokeri (fruktoosi) (3): makeus 1,4 Inverttisokeri (glukoosi + fruktoosi): 1,1 1 2 Siirapit:: Elintarviketeollisuudelle Maltoosi-, glukoosi-, HFCS HFCS: vuosituotanto n. 17 Mm 3 /v (pääasiassa USAssa maissin tuotanto!) Sokerit ja makeuttajat ovat kansallisesti tärkeitä omavaraisuuden kannalta kaikkialla 3 Sokerin maailmanmarkkinahinta: n. 0,3 /kg (sakkaroosi) Muita makeuttajia: Polyolit (sokerialkoholit): ksylitoli, sorbitoli, maltitoli, erytritoli (2,4 kcal/g, makeus 0,6-1; paitsi erytritoli, joka on kaloriton) Intensiivimakeuttajat: aspartaami (makeus ), alitaami (makeus 2000), neotaami (makeus ), sakariini (makeus ), sukraloosi (makeus n. 500) Aspartaami: n. 60 /kg

12 Entsymaattinen prosessi: Fruktoosin valmistus Invertaasi Vesi Emäs Sakkaroosi Vesi Invertointi 60 o C, ph 5 Biokemistin näkemys: Invertointi Isomerointi Insinöörin näkemys: Prosessi Entsymaattiset vaiheet vain osa DuPont (ent. Suomen Sokeri) / Kotka on johtava fruktoosin valmistaja Glu+ Fru Kromatografinen erotus Fru Haihdutus Vesi Glu Kierrätysfraktio Haihdutus Kiteytys Kromatografinen erotus ja palautus Ionit Linkous Isomerointi o C ph 6,5-7 Glu+ Fru Emäliuos (ryönä) [glu+fru] Fruktoosi

13 Entsymaattinen prosessi: Aspartaamin valmistus CO 2 H Ph O Ph H 2 N H O NH H CO 2 Me N H 2 H NH CO 2 H H CO 2 Me α-l-aspartyl-l-phenylalanine methyl ester [α-aspartame (APM)] Makea β-l-aspartyl-l-phenylalanine methyl ester Kitkerä Aspartaami: Intensiivimakeuttaja, low-calorie sweetener, x makeampi kuin sakkaroosi ( pöytäsokeri ) Kahden aminohapon (L-aspartaatti ja L-fenylalaniini-metyyliesteri) dipeptidi Reaktiiviset ryhmät: karboksyyli- (-COOH) ja amino- (-NH 2 ), jotka muodostavat peptidisidoksen => useita vaihtoehtoisia dipeptidejä => tarvitaan 1) spesifinen katalyytti tai 2) suojataan (protection) kemiallisesti ne ryhmät, joiden ei haluta reagoivan, ja lopuksi puretaan suojaukset (deprotection) Eräs tietty entsyymi (termolysiini) on spesifinen ja tekee halutun sidoksen => yksinkertaisempi prosessi Sama entsyymi katalysoi sidoksen katkeamista, mutta reaktiossa APM saostuu ja näin katkeaminen estyy ja reaktio menee loppuun

14 Entsymaattinen prosessi: Aspartaamin valmistus X N H H CO 2 H CO 2 H Amine-protected (X) L-aspartic acid (Z-L-Asp) + N H 2 H Ph CO2 Me Methyl ester of L-phenylanaline (L-PM) thermolysin X N H H CO 2 H NH H O (APM) Ph CO 2 Me + OH 2 Termolysiini on proteaasi = entsyymi, joka pilkkoo proteiineja katkomalla niissä aminohappojen välisiä peptidisidoksia; proteolyyttinen entsyymi Vettä tuottavat entsyymit (esim. hydrolaasit, kuten proteaasit) voidaan saada syntetisoimaan yhdisteitä (poistamaan vettä) pitämällä veden pitoisuus erittäin alhaisena (tätä on siis hyödynnetty aspartaamin valmistuksessa)

15 Entsyymit teollisina tuotteina Maailmanmarkkinat = 3,1 G /a (2014) Tärkeimmät käyttösegmentit: Pesuaine-entsyymit (proteo-, amylo-, lipolyyttiset) Tekniset entsyymit (sellulo-, hemisellulo-, lipolyyttiset...) Elintarvike-entsyymit (oksidaasit, isomeraasit, amylo-, hemisellulolyyttiset...) Rehuentsyymit (proteo-, hemisellulolyyttiset, fytaasi...) Tärkeitä tuottajia: Novozymes (Tanska) Genencor/DuPont (USA) DSM (Hollanti) AB Enzymes (Roal Oy)

16 Teolliset entsyymit Pääosa teollisista entsyymeistä tuotetaan mikrobeilla (homeet, bakteerit joitakin myös hiivoilla Poikkeuksia: papaiini, bromelaiini, β-amylaasi... (uutetaan kasveista) renniini eristetään vasikan mahoista (korvattu mikrobiol. kymosiinilla) lysotsyymi eristetään kananmunista AMFEP* (Assoc. of Manufacturers and Formulators of Enzyme Products) 2009: 255 entsyymituotetta; tuotto bakteereilla (72), hiivoilla (11), homeilla (156) Rekombinanttituotanto (GMO): 112 entsyymiä *:

17 T&K entsyymien tuotannossa Applikaatioidea Enzyme discovery (skriinaus luonnosta, kantakokoelmista ) Protein engineering (proteiinin muokkaus) Tuotantoisännän rakentaminen Fermentointi- ja jälkikäsittelyprosessin kehitys Jatkuva tuote- ja prosessikehitys

18 Fermentointiprosessit

19 Toinen bioprosessien päätyyppi: Fermentointiprosessit Perustuvat mikrobien aineenvaihduntaan Tuotteet: Proteiinit (esim. entsyymit, biofarmaseuttiset proteiinit) Polysakkaridit (esim. ksantaani) Monomeerit, aineenvaihduntatuotteet (kemikaalit, lääkeyhdisteet esim. antibiootit, statiinit, syöpälääkkeet ) Itse mikrobimassa eli biomassa Mikrobit tarvitsevat ravinteita (C/energialähde, N-, P-, hivenainelähteet) kasvaakseen ja tuottaakseen tuotteita 1. luennossa lista tuotteista Prosessien toimivuuden edellytys: aseptinen prosessi ja puhdasviljelmät (vrt. jätteiden käsittely) Fermentointiprosesseja/laitoksia Suomessa: DuPont/Genencor Jämsänkoski ja Hanko Altia&ABF/Roal Rajamäellä Valion hapatetuotanto Vantaalla St1 Biofuelsin polttoaine-etanolin tuotanto Panimot ja pienpanimot

20 Teollisten entsyymien tuotanto fermentointiprosessilla Lähde: Novozymes Enzymes at work

21 Tuotantoisännät Working horses: Bacillus subtilis, B.amyloliquefaciens, B.licheniformis Streptomyces spp. (bakteereita) Aspergillus niger, A.oryzae, A.melleus Trichoderma reesei (homeita) Saccharomyces cerevisiae Kluyveromyces lactis Pichia pastoris (hiivoja) Keskeiset ominaisuudet: Molekyylibiologiset työkalut olemassa Tehokas proteiinien muodostus ja eritys ulos solusta Sopeutuminen prosessiolosuhteisiin Vähäiset/edulliset ravintovaatimukset GRAS-status (Generally Recognized As Safe)

22 Fermentointi Tarkalleen ottaen bioreaktorikasvatus (fermentointi on anaerobinen bioreaktiokasvatus) Submerssifermentointi (= nesteessä) Panos-, fed-batch- tai jatkuva toteutus Jokainen panos vaatii oman siirrosteensa => tarvitaan siirrostelinja Aseptinen fermentointi Mikrobit tuottavat tuotteen, joten prosessissa aina muodostuu myös mikrobimassaa (= soluja) Usein aerobisia prosesseja => hapen tarve ja lämmöntuotto (energiankulutus siirtoilmiöissä) Fermentoinnin talous: Volumetrinen tuottavuus => mittakaava => investointikustannus Tuotesaanto raaka-aineista => raakaainekustannus Tuotteen loppupitoisuus tai -aktiivisuus fermentoinnin jälkeen => jälkikäsittelykustannus

23 Fermentoreita Solid-state fermentation Tyypillisiä fermentorikokoja Laboratoriomittakaava/tutkimus: 0,1 20 L Pilot-mittakaava/T&K: L Tuotantomittakaava: 1000 (biofarma) L (entsyymi) Toisinaan nesteviljelmän sijaan kiinteäalustakasvatuksia (solid-state ferm.)

24

25 Biokemikaalien tuotanto fermentointiprosessilla Tuotteet: Halpoja (1-3 /kg) bulkkituotteita (satojatuhansia/miljoona t/v) (sitruunahappo, natriumglutamaatti, lysiini, maitohappo, monomeeerit ) Arvokkaampia (5-10 /kg) pienemmän volyymin (tuhansia/kymmeniätuhansia t/v) tuotteita (vitamiinit, perusantibiootit) High value-low volume tuotteita (kiloja-tonneja, > 100 /kg) (biofarma, flavorit) Tuotteet joko kyseisen tuotantomikrobin normaaleja aineenvaihduntakomponentteja tai metabolian muokkauksella aikaansaatuja tuotteita Metabolian muokkauksessa esimerkiksi: Viedään tuotantoisäntään sille vieraita geenejä ekspressoituvassa (= geenin koodaama proteiini tuottuu aktiivisena) muodossa Muokataan geenien säätelyä (esim. milloin geeni on päällä tai pois) Inaktivoidaan (knock-out, deletointi) isännän omia geenejä Tavoitteena ohjata prosessin C-lähdettä (esim. glukoosi) mahdollisimman tehokkaasti tuotteeksi (joka voi olla isäntäorganismille täysin vieras yhdiste) Tietyn ravinteen sisäänoton / tuotteen erityksen tehostaminen

26 Esi- ja jälkikäsittelyprosessit

27 Esikäsittely (pretreatment)

28 Tuotteen talteenotto Laimeat liuokset haastavia veden poisto Kiinteä-neste-erotus (esim. solujentalteenotto) Intra- ja ekstrasellulaariset tuotteet Sivuvirtojen käsittely (solut, jätevedet) Tuotteiden talteenoton yksikköoperaatiot Kierrätys: vesi, liuottimet, ravinteet

29 Jälkikäsittely Esim. bulkkientsyymit (teolliset) ovat medium value medium volume tuotteita Puhtausvaatimukset alhaiset Speksien mukaan Ei haitallisia sivuaktiivisuuksia, tuoteturvallisuus Stabiilius (biokemiallinen, mikrobiologinen) tärkeä Jälkikäsittelyssä esim: Neste/kiintoaine erotus Tuotteen konsentrointi (ultrasuodatus) Tuoteen formulointi, standardointi ja stabilointi Vakuumirumpusuodatin erottamassa kiintoainetta fermentointiliemestä; entsyymi menee suodokseen

30 Basitrasiinin valmistusprosessi fermentoimalla Bacillus subtilis bakteerin avulla

31 Single use tekniikkaa hyödyntävä biofarmaseuttinen tuotantolinja SU=single use RU=ready to use

32 Tuotannon kehitys

33 Esim. biodieselin tuotantovaihtoehtoja An overview of biodiesel production via three typical routes: (1) microbial oil route; (2) microalgae oil route; and (3) plant oil route. Fatty acid ethyl ester (FAEE) and fatty acid methyl ester (FAME) are, respectively, the ethyl and methyl ester of fatty acid.

34 An overview of metabolic pathways in Yarrowia lipolytica for synthesis of fatty acids from various substrates.

35 Jatkuvatoiminen biodieselin tuontantoperiaate A conceptual continuous fatty acid-based biodiesel production from renewable resources by metabolically engineered Yarrowia lipolytica.

36 Etanolin tuottoon muokattu mikrobi Metabolic Engineering of Corynebacterium glutamicum for Fuel Ethanol Production under Oxygen-Deprivation Conditions Pyruvate carboxylase (pdc) and alcohol dehydrogenase (adh) genes from Zymomonas mobilis were expressed at high levels in C. glutamicum, resulting, under oxygendeprivation conditions, in a significant yield of ethanol from glucose in a process characterized by the absence of cellular growth. Addition of pyruvate in trace amounts to the reaction mixture induced a 2-fold increase in the ethanol production rate. A similar effect was observed when acetaldehyde was added.. Disruption of the lactate dehydrogenase (ldha) gene led to a 3-fold higher ethanol yield than wild type, with no lactate production. Moreover, inactivation of the phosphoenolpyruvate carboxylase (ppc) and ldha genes revealed a significant amount of ethanol production and a dramatic decrease in succinate without any lactate production, when pyruvate was added. Since the reaction occurred in the absence of cell growth, the ethanol volumetric productivity increased in proportion to cell density of ethanologenic C. glutamicum in a process under oxygen-deprivation conditions

37 Esimerkkejä metabolian (aineenvaihdunnan) muokkauksesta Maitohapon tuotto hiivalla: Estetään etanolin muodostus (deletointi) LDH Konstitutiivinen laktaattidehydrogenaasin (LDH) ekspressio (pyruvaatti > maitohappo) Fermentointi alhaisessa ph:ssa => jälkikäsittelykustannukset alas (alhaisessa ph:ssa maitohaposta enemmän happomuodossa kuin suolana) Hiilivedyn tuotto hiivalla (mm. farnesiini) Amyris Inc. Useiden hiivan omien geenien ekspression muokkaus Vieraan geenin ekspressio Aromikomponentin ja lentokonepolttoaineen tuotanto uusituvista raaka-aineista (etanolin sijaan) Isopreenin tuotto E.coli -bakteerilla Genencor/DuPont Inc. Isopreenisyntaasi geenin ekspressio + bakteerin oman aineenvaihdunnan muokkaus Isopreenin polymerointi -> polyisopreeni = synteettinen kumi -> Goodyearin renkaat

38 Esimerkkejä biotekniikasta eri prosesseissa

39 ROAL Oy Tuotteina: 1. Elintarvike-entsyymit: Amylaasit, proteaasit, pektinaasit, betaglukanaasit, sellulaasit ja hemisellulaasit 2. Rehuentsyymit: Fytaasit, ksylanaasit, sellulaasit ja betaglukanaasit 3. Tekniset entsyymit: Ecopulp -, BIOTOUCH XC 30 ja ECOSTONE Czyme 50 tuotemerkit

40 Ekstrasellulaarisen entsyymin valmistusprosessi

41 Jäteveden puhdistus Aktiivilietelaitos (jatkuvasti adaptoituva mikrobien sekapopulaatio käyttää jäteveden ravinteet (BHK: biologinen hapen kulutus; N, P) kasvuunsa aerobisessa prosessissa; liete erotetaan laskeuttamalla lähtevästä, puhdistetusta vedestä Biologinen typen poisto: yhdet mikrobit hapettavat N-yhdisteet nitraatiksi (nitrifikaatio; aerobinen vaihe) ja toiset pelkistävät nitraatit aina typpikaasuksi asti (denitrifikaatio, anaerobinen vaihe) Lietettä palautetaan prosessiin ja ylijäämäliete voidaan kompostoida mullaksi ja/tai mädättää biokaasuksi

42 Helsingin Veden Viikinmäen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. Prosessi sisältää typen biologisen poiston (nitrifikaatio-denitrifikaatio menetelmä) lisäksi myös typen poiston tehostamiseen tarkoitetun biologisen jälkisuodatuksen.

43 Kiinteiden jätteiden kompostointi Aerobinen prosessi adaptoituvalla sekapopulaatiolla Mikrobitoiminnassa vallitsee sukkessio: yhdet mikrobit (hydrolyyttiset) hydrolysoivat polymeereja (esim. selluloosa), toiset tuottavat muodostuneista monomeereista edelleen aineenvaihduntatuotteita ja lopulta biohajoavat komponentit hajoavat aerobisesti CO 2 :ksi ja vedeksi (tilavuus pienenee; tuottuu lämpöä); hajoamattomat komponentit muodostavat mm. humusta; lopputuotteena multaa Teollisena prosessina olosuhteita säädetään: hapen saatavuus, kosteus, T, C/N-suhde

44 Biokaasun tuotanto Anaerobinen mädätysprosessi, jossa myös sukkessio Biokaasu: % metaania (CH 4 ), % CO 2 => sähkön ja lämmön tuotanto; CO 2 -poiston jälkeen liikennepolttoaine

45 Bioetanolin tuotto Argentiinalainen sokeriruoka-etanoliprosessi Int J Life Cycle Assess (2013) 18:

46 Bioetanoli, USA The United States is producing nearly 15.2 billion gallons a year of ethanol a year at 214 plants, with a current capacity of 15.6 billion gallons a year, as of Oct. 6, Largest: ADM grain and oilseed processor produces 1.76 billion gal./year at 8 plants in Illinois, Iowa, Nebraska and Minnesota. Visit Today, ADM makes ethanol from corn through an efficient process that also produces large amounts of animal feed. In addition, we are working both independently and in partnership with other leading companies and research institutions to develop next-generation biofuels made from cellulosic sources.

47 On average, 1 bushel of corn (56 pounds) processed by a dry mill ethanol bio-refinery produces: 2.85 gallons denatured ethanol 16.5 pounds of distillers grains animal feed (10% moisture) 0.65 pounds of corn distillers oil 17 pounds of biogenic carbon dioxide

48 Wet Mill Ethanol Process

49 Biopolttoaineiden tuotanto: 1-g etanoli Etanolin tuotannossa ei ole kysymys ainoastaan etanolista tuotteena Suomessa vuonna 2008 Altian suunnitelma aloittaa polttoaine-etanolin valmistus lisäämällä tuotantokapasiteettia: m m 3 (fermentorikapasiteetin lisäys m 3! (1 x 800 m 3 ja 5 x 1500 m 3 ) ohraa sisään t/a t/a EtOH eläinrehu tärkkelys CO

50 1-g biojalostamo: tuotteet viljasta

51 1-g biojalostamo: viljan/tärkkelyksen prosessointi Viljat: maissi (USA, EU), vehnä ja ohra (EU) Tuotteet: EtOH, tärkkelys (A-tärkkelys), eläin rehu, CO 2, lese, energia, erikoisproteiini (esim. vehnä&ohra/gluteeni), öljy (maissista) Ongelmat: kustannukset, vaikutus elintarvikkeiden hintaan, riittävyys (pinta-ala), GHG-kasvu Prosessi etanoliksi: Glukoosin tuotto entsymaattisesti (vrt. entsymaattiset prosessit) Fermentointi hiivalla Tislaus tisle (96 til-%) veden poisto (esim. molekyyliseuloilla) 99,5% Pohjatuotteen suodatus (kiintoaine rehu tuoreena tai kuivattuna; neste kuivattuna = DDGS=distiller s dried grain solubles) Tärkkelys hydrolysoituu helposti sokeriksi (glukoosiksi) Glukoosin fermentointi hiivalla on kypsää tekniikkaa GHG: greenhouse gas

52 Raakaöljyn, soijan ja maissin pörssihintoja Crude Oil (petroleum) Monthly Price - US Dollars per Barrel Soybeans Monthly Price - US Dollars per Metric Ton Maize (corn) Monthly Price - US Dollars per Metric Ton

53 Ethanol from Cellulosic Biomass

54 Biomassat: vähän sanastoa Corn, maize maissi Alfalfa sinimailanen Kernel jyvä Reed canary grass ruokohelpi Stalk kasvin varsi Sugar cane sokeriruoko Corn stover lehdet & varret Sugar beet sokerijuurikas Corncob tähkän keskiosa Rape rapsi Hardwood lehtipuu Willow paju Softwood havupuu Straw olki Spruce, Fir kuusi Bagasse sokeriruokojäte Pine mänty MSW municipal solid waste Beech pyökki Oat kaura Birch koivu Wheat vehnä Aspen haapa Barley ohra Oak tammi Switchgrass luutahirssi Miscanthus mammuttiheinä

55 2-g biopolttoaineen tuotanto 2-g biopolttoaineet uusiutuvista: etanoli (bensiinikäyttöiset) ja NexBTL biodiesel NexBTL/NesteOil: ei bioprosessi, mutta perustuu (pääosin) uusiutuviin/jäte rasvoihin Vaihtoehtoiset biopolttoaineet kehitettävinä: Butanoli, isobutanoli, pentanoli, pidempiketjuiset ja erityisesti haaroittuneet alkoholit Hiilivedyt (drop-in polttoaineet; myös lentokonepolttoaineet) Raaka-aineet: Yhdyskunta- ja teolliset (esim. elintarviketeollisuus) jätteet (esim. St1 Biofuels) Maatalouden sivuvirrat/jätteet (oljet, lehdet, varret, säilörehu ) Metsätalouden jätteet/sivuvirrat (korjuutähteet, sahajauhot, sellunkeiton sivuvirrat ) Kalatalouden jätteet/sivuvirrat (perkaustähteet) Energiapuu Prosessi etanoliksi (esim. olki tai metsätähde): esikäsittely sokerointi fermentointi - tislaus Lignoselluloosa on rakennekomponentti => kestävä, vaikea sokeroida taloudellisesti Vaatii mekaanisen (koon pienennys ja esim. höyryräjäytys) ja/tai termokemiallisen (esim. happo 160 o C:ssa) esikäsittelyn Lignoselluloosa: selluloosa, hemiselluloosa, ligniini mitä ligniinistä ja missä muodossa? Hydrolysoituvuus: hemiselluloosa > selluloosa

56 2-g biopolttoaineen tuotanto Rajut, kemialliset käsittelyt => sokerit hajoavat kemiallisesti muotoon, joita mikrobit (hiivat) eivät pysty käyttämään etanoliksi => sokerointi entsyymeillä (40-70 o C, ph 4-5) Esikäsittely kuitenkin tarvitaan, jotta entsyymit pääsevät käsiksi lignoselluloosan sokeripolymeereihin (hemiselluloosa ja selluloosa) Tärkkelyksestä saadaan glukoosia, hemiselluloosasta saadaan useita eri sokereita (monosakkarideja): ksyloosi, glukoosi, mannoosi, L- arabinoosi Selluloosasta saadaan glukoosia, mutta selluloosa on kova haaste entsyymeille Perinteiset hiivat eivät pysty käyttämään ksyloosia ja L-arabinoosia etanoliksi Entsyymit hemisellulloosalle: hemisellulaasit (useita entsyymejä) Entsyymit selluloosalle: sellulaasit (lähinnä EG, CBH ja β-glukosidaasi)

57 St1 Biofuels tuotteet ja palvelut

58 St1Biofuels Etanolix ja Hartwall

59

60

61 Miten kapasiteetti vertautuu keskimääräiseen ADM:n bioetanolitehtaaseen?

62

63 Lignoselluloosan rakenne

64

65

66 Learning points from 70+ years running an integrated biorefinery

67

68

69 Bioprosessien tuotantokustannukset: ei pelkästään raaka-aine ratkaise CAPEX=Capital Expenditure

70

71