Paineistetun kuumavesiuuton käyttö, kun biomassoista halutaan eristää erilaisia kemikaaleja ja muita tuotteita Hannu Ilvesniemi
Tutkijaryhmä Olli Byman, Sanna Hautala, Jarl Hemming, Bjarne Holmbom, Hannu Ilvesniemi, Petri Kilpeläinen, Veikko Kitunen, Andrey Pranovich, Ilari Lumme, Johanna Tanner, Tarja Tapanila, Teemu Tikkanen 4/8/2014 2
Biorefine tutkimus Metlassa Tavoitteet: Kehittää yksinkertaisia menetelmiä puun rakenteen pilkkomiseksi pääkomponentteihinsa Kartuttaa tietoa raaka-aineiden ominaisuuksista ja soveltuvuudesta jatkojalostukseen Suunnitella erilaisia tuotekokonaisuuksia Keinot: Läpivirtaus tai eräuutto kuumalla vedellä ja laimeilla kemikaalilisäyksillä Laaja lämpötila-alue ( 240 C asti)
Kuumavesiuuttoon pohjautuva biorefinery Puu PHWE Hemiselluloosa uute Erottelu Puhdistus Monosakkaridit es Oligosakkaridit Kiinteä jäännös Polysakkaridit Uusi erotusmenetelmä Ligniini Selluloosa Uudet tuotteet Uudet tuotteet 4
Kuumavesiuutto soveltuu kaikenlaisille biomassoille
Hemiselluloosien eristäminen biomassasta Uutto vedellä / vesihöyryllä / alkalilla / hapolla / liuottimilla (vesi halvin ja ympäristöystävällisin) Lähes 100% saanto mahdollinen, MUTTA... Uutoissa tapahtuvia reaktioita: Asetyyliryhmien hydrolysoituminen CH 3 COOH H + Asetyyliryhmien vähetessä liukoisuus pienenee Hemiselluloosaketjujen lyheneminen (H + katalysoi) Syntyvien sokerimonomeerien hajoaminen (H+ katalysoi)
Molekyylikoko vs. käyttökohteet Polymeerit Komposiitit, paperikemikaalit, filmit Emulsiot, hydrogeelit Ruoka ja rehu (Kuva: Maija Tenkanen) Oligomeerit Prebiootit Monomeerit Harvinaiset sokerit Furfuraali Etanoli, asetoni, butanoli Muut platform-kemikaalit (esim. sukkiinihappo) 8.4.2014
Uuttomenetelmän valinta Kun halutaan... Monomeerejä "Esi/autohydrolyysi" (vesi tai happo) Monomeerien saanto kymmeniä % Oligomeerejä Entsymaattinen käsittely (Uutto hapolla / vedellä) Polymeerejä Läpivirtausuutto vedellä Uutto alkalilla 8.4.2014
Mahdollisia tuotepolkuja Polysakkaridi monomerisointi konvertointi polymerisointi Prosessin kannattavuus? Raaka-aine Uutto Kiinteä uuttojäännös Ligniini Keitto Hemiselluloosauute Selluloosa Uutetun biomassan fraktiointi ja fraktioiden hyödyntäminen Hiilikuitu Komposiitit Pinnoitteet Dispersiot Liimat... Etanoli Kemikaalit Regeneroitu selluloosa Nanoselluloosa 8.4.2014
Kuinka yksinkertaista on yksinkertainen? Etikkahappo Yksinkertaista...? Optimoitavien parametrien määrä Uuteen puhdistus tarpeellista? Käytettävän vesimäärän minimointi ja uutteen konsentraation maksimointi (taloudellinen kannattavuus?) Saannon ja laadun välinen kompromissi Uuutteen koostumus Ligniini Hemiselluloosa Uuteaineet
4.6.2008
3 litran PHWE uuttolaite Jäähdytyskierukka Lämmönsäätöyksikkö Korkeapainepumppu Uutteen keräysastia 3L uuttoastia ja lämmitysyksikkö Esilämmityskierukka Metsäntutkimuslaitos Skogsforskningsinstitutet Finnish Forest Research Institute www.metla.fi
Pre-pilot mittakaavan (300 l) uuttolaite
Miksi hemiselluloosat ovat kiinnostavia? Hemiselluloosasta saatavat sokerimonomeerit: Bioetaanoli ( C 6 sokerit) Lähtöaineina erilaisille biomateriaaleille Polymeerinen hemiselluloosa: Filmit Paperi kemikaalit Emulsiot, hydrogeelit Ruoka/rehu Lääketieteelliset sovellukset Hemiselluloosasta valmistettua filmiä Lähde: VTT
Ligniinin uuttamisessa tarvitaan muita keinoja Uuttunut määrä (mg/g kuivapainosta) 350 300 250 200 150 100 50 0 Spruce Pine Birch Uuttolämpötila ( o C)
Mitä tehdä kuumavesiuutetulle puulle? Alkuperäinen idea: Uuttoa voidaan käyttää esim. Kraft keiton esikäsittelynä Uutto vaikuttaa massan ominaisuuksiin usealla tavalla, vaikutus riippuu uuton voimakkuudesta SEM kuvia: Käsittelemätön kuusi hake 190 C:ssa uutettu kuusi hake
Mangaanin uuttuminen kuusipurusta Mangaanin uuttuminen kuusipurusta eri lämpötiloissa Mangaania, g/t 120 100 80 60 40 20 0 ref 120 140 160 180 200 220 240 Lämpötila C
Uutteen puhdistus ja erottelu jakeisiin Saostaminen Adsorptiokromatografia Membraanisuodatus
GGMn saostaminen etanolilla 75 %
Uutteen puhdistaminenxad7hp-käsittelyllä g / l 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Hemiselluloosan määrä XADkäsittelyn jälkeen g / l 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Ligniinin määrä XADkäsittelyn jälkeen 0,0 reference sample 5 g XAD 10 g XAD 20 g XAD g/l 0,0 reference sample 5 g XAD 10 g XAD 20 g XAD g/l 8.4.2014
Happohydrolyysi (120 140 C) Monosakkaridien saanto Jäljellä olevien sokerien määrä 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 2 6 24 120 C, ph 2,2 140 C, ph 2,2 120 C, ph 1,6 140 C, ph 1,6 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 2 6 24 120 C, ph 2,2 140 C, ph 2,2 120 C, ph 1,6 140 C, ph 1,6 Hydrolysointiaika (h) Hydrolysointiaika (h) Edellyttää huolellista optimointia saannon ja hajoamisen välillä! Fermentointikokeessa etanolin saanto 32 kg etanolia per tonni puuta (36 % teoreettisesta maksimista)
Biorefine-tutkimus on yhteistyötä Aalto yliopisto Helsingin yliopisto Jyväskylän yliopisto VTT (KCL) Åbo Akademi Lappeenrannan teknillinen yliopisto