Bioprosessit. CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit Tero Eerikäinen

Samankaltaiset tiedostot
Bioprosessiteollisuus: Entsymaattiset prosessit

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

Entsyymit ja niiden tuotanto. Niklas von Weymarn, VTT Erikoistutkija ja tiiminvetäjä

Biotekniikka elintarviketeollisuudessa. Matti Leisola TKK/Bioprosessitekniikka

BIOprosessitekniikka - Johdanto

PROSESSITEKNIIKAN PERUSTA 2011 Bioprosessitekniikan mahdollisuudet. Biotekniikan määritelmä

Makeuttajakartta. Hiilihydraattimakeuttajat. Hiilihydraattimakeuttajat. Hiilihydraattimakeuttajat

Amylaasi ja tärkkelyksen hydrolyysi Pauliina Lankinen, Antti Savin ja Sari Timonen

BIOMOLEKYYLEJÄ. fruktoosi

Energian tuotanto haasteita ja mahdollisuuksia Pohjois- Suomessa. Pekka Tynjälä Ulla Lassi

Uusi teollinen biotekniikka ja biotalous. Prof. Merja Penttilä VTT

CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka kevät BIOprosessitekniikka - Johdanto

Yksisoluproteiinit Missä mennään?

CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka kevät BIOprosessitekniikka - Johdanto

Etanolin tuotanto teollisuuden sivuvirroista ja biojätteistä. Kiertokapula juhlaseminaari St1Biofuels / Mika Anttonen

Fermentoinnin toteutustavat Panosfermentointi

Biodieselin (RME) pientuotanto

2. Prosessikaavioiden yksityiskohtainen tarkastelu

BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen

ORGAANINEN KEMIA. = kemian osa-alue, joka tutkii hiilen yhdisteitä KPL 1. HIILI JA RAAKAÖLJY

Solu tuotantolaitoksena Cell factory

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Raaka-aineen fraktiointi

Solun perusrakenne I Solun perusrakenne. BI2 I Solun perusrakenne 4. Entsyymit ovat solun kemiallisia robotteja

Ei ole olemassa jätteitä, on vain helposti ja hieman hankalammin uudelleen käytettäviä materiaaleja

Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: jälkikäsittely

BIOMASSAN ESIKÄSITTELYN MERKITYS BIOMASSA ARVOKETJUSSA. Jana Holm

GLYKOLYYSI! Glykolyyttinen metaboliareitti! LUENNON RAKENNE! ENERGIA HIILIHYDRAATEISTA. ATP:n ANAEROBINEN JA AEROBINEN UUDELLEENMUODOSTUS

Jätteillä energiatehokkaaksi kunnaksi - luovia ratkaisuja ilmastonmuutoksen

BioGTS Biojalostamo - Jätteestä paras tuotto

Paineistetun kuumavesiuuton käyttö, kun biomassoista halutaan eristää erilaisia kemikaaleja ja muita tuotteita. Hannu Ilvesniemi

Solu tuotantolaitoksena Cell factory

Jätteistä ja tähteistä kohti uusia raakaaineita

Biomassan käyttömahdollisuudet

Hiilihydraatit. Hiilihydraatteja pilkkovia entsyymejä on elimistössä useita.

Nestemäiset biopolttoaineet fossiilisten korvaajana. Ville Vauhkonen, UPM Biopolttoaineet Uudistuva liikenne - seminaari

Matkalle puhtaampaan maailmaan. Jaakko Nousiainen, UPM Biopolttoaineet Puhdas liikenne Etelä-Karjalassa

Biomolekyylit ja biomeerit

Torrefiointiprosessi biomassan jalostamiseen biohiili

Esim. ihminen koostuu 3,72 x solusta

Biologinen rehunsäilöntä

Öljyhuippu- ja bioenergiailta Yhdyskuntien ja teollisuuden sivuainevirtojen ja biomassan hyödyntäminen sähköksi ja lämmöksi

TOISEN SUKUPOLVEN BIOPOLTTONESTEET

Olki energian raaka-aineena

SILOMIX REHUNSÄILÖNTÄKONSEPTI

Uusiutuvan energian tuotanto haasteet ja mahdollisuudet. Ulla Lassi

Moottoritekniikan kehityssuuntia ja tulevaisuuden polttoaineet

Metsäbiojalostamot. Energia-lehti 7/2006: "Biojalostamo pelastaa" "Kaasutuksessa muhii miljardibisnes" Metsätehon seminaari Helsinki, 17.3.

Fermentoinnin toteutustavat 1. Panosfermentointi

SPV - Katsastajien neuvottelupäivät

KE Johdatus prosesseihin, 2 op. Aloitusluento, kurssin esittely

Biopolymeerit. Biopolymeerit ovat kasveissa ja eläimissä esiintyviä polymeerejä.

UPM THE BIOFORE COMPANY

KEMIJÄRVEN SELLUTEHTAAN BIOJALOSTAMOVAIHTOEHDOT

Biojalostuksen mahdollisuudet Kainuussa

Ympäristöteema 2010: Maatilojen biokaasun mahdollisuudet hyödyt ympäristölle ja taloudelle

Laatukauran tuotanto ja siitä syntyvän kasvimassan hyötykäyttö termomekaanisen prosessin avulla (Laatukaura)

Lignoselluloosan hydrolyysi

Biokaasu traktori on jo teknisesti mahdollinen maatiloille Nurmesta biokaasua, ravinteet viljelykiertoon - seminaari

Bioetanolia food waste to wood waste kestävän, hajautetun biopolttoainetuotannon kehityspolku

Neste Oilin Biopolttoaineet

RAVITA TM. Fosforin ja Typen talteenottoa jätevesistä

Teollisuusentsyymit modernia bioprosessitekniikka a. * Roal Oy / AB Enzymes Oy * Tutkimusjohtaja Jari Vehmaanperä *

Liikenteen biopolttoaineet

Erilaisia soluja. Siittiösolu on ihmisen pienimpiä soluja. Tohvelieläin koostuu vain yhdestä solusta. Veren punasoluja

BIOMUOVIA TÄRKKELYKSESTÄ

Inferring Trichoderma reesei gene regulatory network

Tieliikenteen polttoaineet

Biopolttoaineiden ympäristövaikutuksista. Kaisa Manninen, Suomen ympäristökeskus Uusiutuvan energian ajankohtaispäivät

Orgaanisissa yhdisteissä on hiiltä

Solun perusrakenne I Solun perusrakenne. BI2 I Solun perusrakenne 3. Solujen kemiallinen rakenne

Bioenergiapolitiikka & talous

LIIKENTEEN BIOPOLTTOAINEIDEN HIILIJALANJÄLKIVERTAILU. BioRefine- ja Vesi loppuseminaari Risto Soukka

Biotalous teollisuuden materiaaleissa. Lehdistötilaisuus Ali Harlin, tutkimusprofessori VTT

ENERGIAA JÄTEVESISTÄ. Maailman käymäläpäivän seminaari - Ongelmasta resurssiksi

Biopolttoaineet, niiden ominaisuudet ja käyttäytyminen maaperässä

TransEco -tutkimusohjelma

Peltobiomassojen hyödyntäminen biokaasun tuotannossa. Annimari Lehtomäki Jyväskylän yliopisto Bio- ja ympäristötieteiden laitos

Biomassan jalostus uudet liiketoimintamahdollisuudet ja kestävyys

Jäteveden ravinteet ja kiintoaine kiertoon viirasuodattimella. Asst.Prof. (tenure track) Marika Kokko

Liikenteen biopolttoaineet

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Uusi ejektoripohjainen hiilidioksidin talteenotto-menetelmä. BioCO 2 -projektin loppuseminaari elokuuta 2018, Jyväskylä.

BJ90A1000 Luonnonvarat ja niiden prosessointi kemianja energiateollisuudessa 3 op

Biokaasun tuotanto on nyt. KANNATTAVAMPAA KUIN KOSKAAN Tero Kemppi, Svetlana Smagina

Kuinka entsyymit toimivat?

GLYKOLYYSI! Riikka Kivelä, LitT Tutkijatohtori Wihurin tutkimuslaitos ja Translationaalisen syöpäbiologian tutkimusohjelma Helsingin yliopisto

Silakka ja särki proteiiniksi ja elintarvikekäyttöön. Anni Nisov ja Kaisu Honkapää, VTT Oy Helsinki

Metsäbiojalostamoinvestointien kannattavuus eri politiikkavaihtoehdoissa: Alustavia tuloksia

Biokaasun jakelu Suomessa

Luomutuotteiden valmistuksen erityispiirteet ja reseptiikka. Mikkeli Jaana Elo KoKo Palvelut

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Jätteistä kierrättämällä etanolia. Kemianteollisuuden Teemafoorumi Mika Aho, St1 Biofuels Oy

Suomestako öljyvaltio? Kari Liukko

Biotal-tuotteet parantavat kannattavuutta

Liikennepolttoaineet nyt ja tulevaisuudessa

Suomen kemianteollisuus biotaloudessa 2013 toteutetun selvityksen tulokset

Onko puuta runsaasti käyttävä biojalostamo mahdollinen Suomessa?

Transkriptio:

Bioprosessit CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit 1.12.2016 Tero Eerikäinen

Milloin biotekninen prosessi? Biotekninen prosessi kilpailee usein muiden menetelmien kanssa Tuotantoprosessi Valinnan ratkaisee esimerkiksi Hinta Tuotteen monimutkaisuus Ympäristöystävällisyys

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

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)

Single use tekniikkaa hyödyntävä biofarmaseuttinen tuotantolinja SU=single use RU=ready to use http://ipsdb.com/images/uploads/sumfd.jpg

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) Kontaminaatio: väärä mikrobi väärässä paikassa

Entsymaattinen prosessi: Glukoosin ja siirappien valmistus Viljojen jyvien tärkkelyspitoisuus on korkea: 60-70 % 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

Tärkkelyksen rakenne

Entsymaattinen prosessi: Glukoosin ja siirappien valmistus Vehnä Vesi Jauhaminen Erotus Lese etc. Tärkki Ca 2+ Nesteytys 80-110 o C ph 6,5-7 α-amylaasi Pullulanaasi Happo β-amylaasi Sokerointi Maltoosisiirappi Glukoamylaasi Sokerointi 45-50 o C ph 4,5-5 Glukoosisiirappi Emäs Ionivaihto Isomerointi 60-70 o C ph 6,5-7 HFCS Ca 2+ Ionit Glukoosiisomeraasi

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 150-200), alitaami (makeus 2000), neotaami (makeus 10 000), sakariini (makeus 300-500), sukraloosi (makeus n. 500) Aspartaami: n. 60 /kg

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 60-70 o C ph 6,5-7 Glu+ Fru Emäliuos (ryönä) [glu+fru] Fruktoosi

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, 150-200 x makeampi kuin sakkaroosi ( pöytäsokeri ) Kahden aminohapon (L-aspartaatti ja L-phenylalaniini-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

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)

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 = puhdasviljelmä (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

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...) Tärkeimmät tuottajat: Novozymes (Tanska) Genencor/DuPont (USA) DSM (Hollanti)

Teolliset entsyymit Pääosa teollisista entsyymeistä tuotetaan mikrobeilla (homeet, bakteerit joitakin myös hiivoilla) Poikkeuksia: papaiini, bromelaiini, β-amylaasi... (uutetaan kasveista) renniini eristetään vasikan mahoista lysotsyymi eristetään kananmunista AMFEP* (Assoc. of Manufacturers and Formulators of Enzyme Products) list of industrial enzymes (10/2009): 255 entsyymituotetta; tuotto bakteereilla (72), hiivoilla (11), homeilla (156) Rekombinanttituotanto (GMO): 112 entsyymiä *: www.amfep.org

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

Teollisten entsyymien tuotanto: prosessi Lähde: Novozymes Enzymes at work

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)

Fermentointi Tarkalleen ottaen bioreaktorikasvatus (fermentointi on anaerobinen bioreaktiokasvatus) Submerssifermentointi (= nesteessä) Panos- ja fed-batch 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

Fermentoreita Solid-state fermentation Tyypillisiä fermentorikokoja Laboratoriomittakaava/tutkimus: 0,1 20 L Pilot-mittakaava/T&K: 100 5000 L Tuotantomittakaava: 1000 (biofarma) 500 000 L (entsyymi) Toisinaan nesteviljelmän sijaan kiinteäalustakasvatuksia (solid-state ferm.)

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

Biokemikaalien tuotanto fermentointiprosessilla Fermentointiprosessina lähes identtinen teollisten entsyymien tuotannon kanssa Tuotteet: Halpoja (1-3 /kg) bulkkituotteita (satojatuhansia/miljoona t/v) (sitruunahappo, natriumglutamaatti, lysiini, maitohappo, monomeeerit ) Arvokkaampia (5-10 /kg) pienemmän voluumin (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 muokkaus: 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

Mikrobien aineenvaihduntatuotteita Bacterial hydrogen production http://classroom.sdmesa.edu/eschmid/lecture5-microbio.htm

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

Metabolian muokkaus: C-vitamiinia mikrobeilla

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 säätelyn muokkaus Vieraan geenin ekspressio Aromikomponentin ja lentokonepolttoaineen tuotanto Isopreenin tuotto E.coli -bakteerilla Genencor/DuPont Inc. Isoprene synthase geenin ekspressio + bakteerin oman aineenvaihdunnan muokkaus Isopreenin polymerointi -> polyisoprene = synteettinen kumi -> Goodyearin renkaat

Jätteiden biotekninen käsittely 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 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 Biokaasun tuotanto: Anaerobinen mädätysprosessi, jossa myös sukkessio Biokaasu: 60-65 % metaania (CH 4 ), 35-40 % CO 2 => sähkön ja lämmön tuotanto; CO 2 - poiston jälkeen liikennepolttoaine

Biopolttoaineiden tuotanto: 1-g etanoli Etanolin tuotannossa ei ole kysymys ainoastaan etanolista tuotteena Suomessa vuonna 2008 Altian suunnitelma aloittaa polttoaine-etanolin valmistus lisäämällä tuotantokapasiteettia: 25 000 m 3 75 000 m 3 (fermentori- kapasiteetin lisäys 8 300 m 3! (1 x 800 m 3 ja 5 x 1500 m 3 ) ohraa sisään 170 000 t/a 400 000 t/a EtOH 25 000 75 000 eläinrehu 65 000 150 000 tärkkelys 50 000 50 000 CO 2 17 000 60 000

1-g biojalostamo: tuotteet viljasta

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-reduktio 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

1-g biopolttoainetuotannon eettisyys: food for fuel? $/tonni tärkkelystä $/m 3 EtOH

Raakaöljyn, soijan ja maissin pörssihintoja 2001-2016 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 http://www.indexmundi.com

Biopolttoaineiden valmistus Corn ethanol = 1-g; Cellulosic ethanol = 2-g

1-g vs. 2-g biopolttoaineiden (biojalostamoiden) tuotanto

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

2-g biopolttoaineen tuotanto 2-g biopolttoaineet uusiutuvista nyt: 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

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)

St1Biofuels Etanolix ja Hartwall

Lignoselluloosan rakenne

http://www.hs.fi/ulkomaat/a1387783900220

Learning points from 70+ years running an integrated biorefinery

Bioprosessien tuotantokustannukset: ei pelkästään raaka-aine ratkaise

http://www.energy.gov/sites/prod/files/2016/11/f34/dooley_bioenergy_2016.pdf