LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Kemiantekniikan osasto Teknillisen kemian laboratorio Ke3330200 Teknillinen kemia Lignoselluloosan hydrolyysi 12.05.2006 Suvi Virtanen 0263011
TIIVISTELMÄ Tekijä: Suvi Virtanen Nimi: Lignoselluloosan hydrolyysi Osasto: Kemiantekniikan osasto Kurssi: Teknillinen kemia Vuosi: 2006 Kirjallisuustyö, Lappeenrannan teknillinen yliopisto Hakusanat: lignoselluloosa, happohydrolyysi, entsymaattinen hydrolyysi, bioetanoli Työssä tarkastellaan lignoselluloosan happohydrolyysiä ja entsymaattista hydrolyysiä. Hydrolyysissä lignoselluloosan selluloosa ja hemiselluloosa pilkkoutuvat sokereiksi. Muodostuvat sokerit voidaan fermentoida edelleen etanoliksi. Hydrolyysin ensimmäisessä vaiheessa helposti hydrolysoituva hemiselluloosa pilkkoutuu suhteellisen miedoissa olosuhteissa. Muodostuneet sokerit erotetaan ja seos johdetaan toiseen vaiheeseen, jossa raaka-aineen selluloosa hydrolysoituu ensimmäistä vaihetta raskaammissa olosuhteissa. Raaka-aineen ligniini ei hydrolysoidu, vaan prosessin jälkeen se erotetaan hydrolysaatista kiinteänä aineena. Liukenematta jäänyt ligniini voidaan käyttää prosessin lämmön- ja sähköntuotantoon, jolloin energiatehokkuus paranee. Biojalostamoissa on lisäksi kaavailtu biokemikaalien valmistusta ligniinistä. Ongelmana lignoselluloosan hydrolysoinnissa on kuitenkin tuotantokustannuksiin nähden alhainen saanto. Väkevää happoa käytettäessä voidaan päästä yli 90 %:n glukoosisaantoihin, mutta kustannuksia kasvattaa tällöin prosessissa tarvittava hapon kierrätys. Laimean hapon käytössä puolestaan tarvitaan korkeita lämpötiloja. Entsymaattista hydrolyysiä pidetään periaatteessa parhaana ratkaisuna, mutta se on happohydrolyysiä hitaampi. Lisäksi tarvittavat entsyymit ovat kalliita. Ne voivat muodostaa jopa puolet tuotantokustannuksista. Bioetanolin tuotantoprosesseja on kehitetty viime vuosina useissa maissa, koska fossiilisille polttoaineille on haluttu löytää vaihtoehtoja, jotta hiilidioksidipäästöjä ja riippuvuutta tuontiöljystä voitaisiin vähentää.
ABSTRACT Author: Suvi Virtanen Title: Hydrolysis of Lignocellulose Department: Department of Chemical Technology Course: Industrial Chemistry Year: 2006 Literature report, Lappeenranta University of Techology Keywords: lignocellulose, acid hydrolysis, enzymatic hydrolysis, bioethanol This report presents both acidic and enzymatic hydrolysis of lignocellulose. In the hydrolysis process, cellulose and hemicellulose of raw material are degraded to monomeric sugars. These sugars are then fermented to ethanol. In the first stage, the most easily hydrolysable hemicellulose is hydrolysed under rather mild conditions. The hydrolysate formed in this stage is removed and the reaction mixture is then charged to the second stage, in which the more resistant cellulose is hydrolysed under harsher conditions. After this stage, the insoluble lignin is separated from the hydrolysate. Lignin can be used as solid fuel for production of electricity and heat needed in the process, thus improving energy efficiency of the process. In addition, biochemicals based on lignin can be produced in biorefineries. The main drawbacks of lignosellulosic material are low sugar yield and high production cost. When concentrated acid is used in hydrolysis, approximately 90% glucose yield can be achieved, but the acid recovery needed in the process increases the cost. When using dilute acid as catalyst, the main drawback of the process is the high temperature needed in the process. Enzymatic treatment is considered to have more potential of higher yields than acid hydrolysis. Its drawback is the slow hydrolysis rate compared to acid method. The enzymes used in the hydrolysis are also very expensive. The enzymes can account for about half of the production cost. During the last few years, production methods for bioethanol have been developed in several countries. The aim is to reduce CO 2 emissions and to decrease the dependency of imported oil.
SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 2 2 LIGNOSELLULOOSA... 3 2.1 Ligniini... 4 2.2 Selluloosa... 4 2.3 Hemiselluloosa... 5 3 HYDROLYYSIPROSESSIT... 5 3.1 Happohydrolyysi... 6 3.1.1 Hydrolyysi väkevällä hapolla... 7 3.1.2 Hydrolyysi laimealla hapolla... 8 3.1.3 Orgaaniset hapot... 10 3.2 Entsymaattinen hydrolyysi... 11 3.2.1 Esikäsittely... 12 3.2.2 Erillinen hydrolyysi ja fermentointi (SHF)... 13 3.2.3 Yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi (SSF)... 14 4 ETANOLIN SAANTOON VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ... 16 4.1 Hydrolyysinopeus... 17 4.2 Esikäsittelyn valinta... 17 4.3 Inhibitoriset komponentit... 18 5 TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT... 19 LÄHDELUETTELO... 20
2 1 JOHDANTO Toisen maailmansodan jälkeen maailman polttoainemarkkinoita ovat hallinneet pääasiassa Lähi-idän edulliset fossiiliset polttoaineet. Öljykriisin aiheuttama polttoaineiden hinnan nousu 1970-luvulla herätti kuitenkin kiinnostuksen bioetanolia ja muita biopolttoaineita kohtaan. Nykyään jatkuvasti tiukkeneva lainsäädäntö, yleinen paine ympäristönsuojelun lisäämiseen, pyrkimys vähentää öljyriippuvuutta sekä fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu huolehtivat biopolttoaineiden kehitystyön jatkumisesta. [1, 2] EU:n tämänhetkisten tavoitteiden mukaan biopolttoaineiden osuus liikennepolttoaineiden kokonaiskulutuksesta tulisi olla energiasisällöltään 5,75 % vuoteen 2010 mennessä. Suomessa biopolttoaineiden osuus kaikista liikennepolttoaineista on nykyään vain noin 0,1 %. [3] Tällä hetkellä ainoastaan Brasiliassa ja Yhdysvalloissa tuotetaan mainittavia määriä etanolia polttoaineeksi. Brasiliassa yleisin raaka-aine on sokeriruoko ja maan vuosituotanto vuonna 2004 oli noin 12 miljoonaa tonnia. Yhdysvalloissa vuosituotanto vuonna 2004 oli noin 10,5 miljoonaa tonnia ja pääasiallinen raaka-aine on maissi. Euroopan suurin etanolin tuottaja on Ranska, jonka vuosituotanto vuonna 2004 oli noin 650 000 tonnia. [4] Tässä työssä luodaan katsaus lignoselluloosan hydrolysointitekniikoihin sekä ongelmakohtiin, jotka vaativat edelleen kehitystyötä, jotta näillä tekniikoilla tuotetusta bioetanolista tulisi kilpailukykyinen fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Koska havupuut ovat Suomessa merkittävä lignoselluloosan lähde, on painopiste niiden hydrolysoinnissa.
3 2 LIGNOSELLULOOSA Noin 50 % maapallon biomassasta on lignoselluloosaa. Lignoselluloosan kolme pääkomponenttia ovat ligniini, selluloosa ja hemiselluloosa. Pohjoisessa havupuut ovat merkittävä lignoselluloosan lähde. Muita lignoselluloosan lähteitä ovat muun muassa maa- ja metsätalousjäte, yhdyskuntajäte sekä teollisuusjäte. Havupuiden lignoselluloosasta noin 43 45 % on selluloosaa, 20 23 % hemiselluloosaa ja 28 % ligniiniä [1]. Lisäksi puumassassa on uuteaineita sekä pienimolekyylisiä epäorgaanisia yhdisteitä [5]. Taulukossa 1 on esitetty eräiden suomalaisten kuitupuulajien kemiallinen koostumus. Taulukko 1. Suomalaisten puulajien kemiallinen koostumus [5]. Selluloosa Hemiselluloosa Ligniini Uuteaineet % % % % Kuusi 42 28 28 2 Mänty 42 26 27 5 Koivu 40 37 20 3 Muun muassa Ruotsissa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa on viime vuosien aikana tutkittu ja kehitetty bioetanolin tuotantoa havupuista. Kiinnostus havupuiden hyödyntämiseen bioetanolin raaka-aineena johtuu suurelta osin niiden edullisuudesta. Käytettäessä raaka-aineina esimerkiksi maissia tai sokeriruokoa saattavat raakaainekustannukset olla jopa 40 70 % tuotantokustannuksista. [1] Vaikka lignoselluloosapitoinen biomassa onkin hinnaltaan edullista, ei siitä valmistettu etanoli ole tällä hetkellä kilpailukykyistä fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Tämä johtuu osittain siitä, että lignoselluloosan hydrolysoinnissa on vaikea päästä korkeisiin saantoihin. Myös tuotantoprosessia on kehitettävä kannattavuuden parantamiseksi. [1]
4 2.1 Ligniini Ligniiniä on tutkittu paljon, mutta sen todellista rakennetta ei ole kyetty selvittämään. UV-mikroskooppitekniikalla ja kemiallisilla menetelmillä on tultu siihen tulokseen, että ligniini sisältää monimutkaisia polymeerejä, jotka ovat koostuneet fenyylipropaaniyksiköistä. Havupuiden ligniinipitoisuus on lehtipuita suurempi [6, s. 41 44]. Lignoselluloosan komponenteista ligniini on kaikkein vaikeimmin hydrolysoituva. Käytännössä se erotetaan hydrolysoinnin jälkeen saadusta hydrolysaatista liukenemattomana kiintoaineena [7]. Kuvassa 1 on esitetty ligniinin rakennetta. Kuva 1. Ligniinin rakennetta [8]. 2.2 Selluloosa Puussa olevien hiilihydraattien pääaines on selluloosaa. Selluloosa on lineaarinen polysakkaridi, joka koostuu glukaaniyksiköistä C 6 H 10 O 5, jotka ovat liittyneet toisiinsa β-glykosidisilla 1,4-sidoksilla. Selluloosamolekyyleillä on taipumus muodostaa vetysidoksia naapurimolekyylien kanssa, mikä antaa hyvän lujuuden puusoluille. Selluloosan hydrolysoituessa glukaaniyksiköt hajoavat glukoosiksi. [6, s. 29 31]
5 2.3 Hemiselluloosa Hemiselluloosat muodostavat ryhmän, johon kuuluu useita erilaisia polysakkarideja. Hemiselluloosan hydrolyysituotteina saadaan mannoosia, galaktoosia, glukoosia, ksyloosia ja arabinoosia. Kolme ensin mainittua ovat heksooseja ja kaksi viimeistä pentooseja. Havupuiden hemiselluloosa koostuu pääosin mannoosista. Mikäli nämä sokerit hajoavat prosessin aikana edelleen, syntyy furfuraalia ja hydroksimetyylifurfuraalia. Nämä sokereiden hajoamistuotteet inhiboivat hydrolyysiprosessia. [1, 5] 3 HYDROLYYSIPROSESSIT Lignoselluloosan hydrolysointiin on olemassa useampia eri prosessivaihtoehtoja. Hydrolysointivaiheen perusteella prosessit voidaan jakaa kahteen pääryhmään, jotka ovat happohydrolyysi ja entsymaattinen hydrolyysi. Happohydrolyysissä voidaan lisäksi käyttää joko laimeaa tai väkevää happoa. [1] Prosessin ensimmäisessä vaiheessa, jota usein kutsutaan esikäsittelyvaiheeksi, raakaaineen hemiselluloosa hydrolysoidaan laimealla hapolla. Hemiselluloosa on lignoselluloosan komponenteista helpoimmin hajoava. Tämän jälkeen materiaali pestään ja siitä erotetaan hemiselluloosan sokerit. Seuraavassa vaiheessa hydrolysoidaan selluloosa glukoosiksi, joka prosessin viimeisessä vaiheessa erotetaan liukenematta jääneestä ligniinistä [9]. Ligniini voidaan käyttää polttoaineena prosessissa tarvittavan sähkön- ja lämmöntuotannossa. Prosessin massa- ja energiataseen perusteella 50 % raaka-aineen sisältämästä energiasta saadaan teoriassa hyödynnettyä etanolina ja 36 % kiinteänä polttoaineena, eli ligniininä [1]. Käytännössä puun sisältämästä energiamäärästä 30 % saadaan hyödynnettyä etanolina. Ligniinistä saatava energia menee kokonaan prosessointiin, johon lisäksi tarvitaan fossiilista energiaa [10]. Kuvassa 2 on esitetty eri hydrolyysimenetelmät sekä sokereiden fermentointi etanoliksi.
6 Kuva 2. Eri hydrolysointimenetelmät sekä sokereiden fermentointi etanoliksi [1]. 3.1 Happohydrolyysi Lignoselluloosan happohydrolyysi on tunnettu vuodesta 1819 lähtien. Menetelmää on käytetty Saksassa toisen maailman sodan aikana, sekä myöhemmin muun muassa entisessä Neuvostoliitossa, Japanissa ja Brasiliassa. Happona voidaan käyttää esimerkiksi rikkihappoa, vetykloridia, vetyfluoridia, fosforihappoa, typpihappoa ja muurahaishappoa. Kaikkia happoja voidaan käyttää joko laimeina tai väkevinä. [1] Havupuiden hydrolysointiin yleisimmin käytetty happo on rikkihappo. Se on hinnaltaan edullista, mutta sen kierrätys prosessissa nostaa tuotantokustannuksia. Tavoiteltaessa mahdollisimman hyvää saantoa on käytettävän hapon aktiivisuus tunnettava. Happokatalyytin aktiivisuuden määrittäminen on kuitenkin ongelmallista, koska vetyionipitoisuus ei ole täsmälleen sama kuin vetyionikonsentraatio, vaan se on tuntematon lämpötilan funktio. [1, 9, 11]
7 3.1.1 Hydrolyysi väkevällä hapolla Ennen prosessin ensimmäistä vaihetta, selluloosan liuotusta, raaka-aine voidaan esikäsitellä laimealla hapolla, jolloin hydrolysoituu raaka-aineen sisältämä hemiselluloosa. [12] Prosessin ensimmäisessä vaiheessa raaka-aineeseen lisätään väkevää happoa. Tällöin selluloosaketjujen väliset vetysidokset katkeavat ja selluloosa muuttuu amorfiseksi, jolloin se on helpommin hydrolysoitavissa. Seuraavassa vaiheessa liuosta laimennetaan ja laimennettua liuosta lämmitetään noin 100 C:ssa, jolloin tapahtuu varsinainen hydrolyysi. Tämän jälkeen hydrolysaatista erotetaan liukenematon kiintoaine. Lopuksi hydrolysaatti neutraloidaan ja fermentoidaan etanoliksi. [12] Kuvassa 3 on esitetty prosessin kaaviokuva. väkevä happo laimea happo lignoselluloosa Esikäsittely Selluloosan liuotus Hydrolyysi kiintoaine hemiselluloosan hydrolysaatti Neutralointi etanoli Tislaus Fermentointi Kuva 3. Väkevähappohydrolyysin virtauskaavio. Käytettäessä väkevää mineraalihappoa on selluloosan hydrolysoinnissa mahdollista päästä korkeisiin, jopa 90 % saantoihin ilman korkeita lämpötiloja. Ongelmana tässä prosessissa on kuitenkin korroosio. Ilmeisesti tällä hetkellä ei ole käynnissä
8 tutkimuksia, jotka tähtäisivät havupuiden käsittelyyn tarkoitetun väkevän happohydrolyysin kehittämiseen. [1] Uçar ja Balaban [13] ovat tutkineet laboratoriossa eri raaka-aineista saatavien hydrolyysituotteiden koostumuksia, kun katalyyttinä on 77-% rikkihappo. Tutkimuksen tulokset on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Eri raaka-aineiden hydrolyysituotteiden koostumukset. Katalyyttinä kokeissa käytettiin 77-% rikkihappoa. Taulukkoa on muokattu Uçarin ja Balabanin [13] pohjalta. Puu Glukoosi % Ksyloosi % Galaktoosi % Arabinoosi % Mannoosi % Tammen (Q. vulcanica) mahla 49,4 20,4 1,2 0,8 2,1 Tammen (Q. vulcanica) ydin 48,8 19,8 1,2 0,8 2,5 Johanneksenleipäpuun (C. ciliqua) mahla 49,8 19,8 1,1 1,0 1,8 Johanneksenleipäpuun (C. ciliqua) ydin 52,2 20,6 1,2 1,1 2,3 Vaahtera (A. campestre) 52,2 14,5 1,0 1,3 1,5 Mänty (P. nigra) 49,2 5,0 2,3 3,0 14,7 Kuusi (A. equitrojani) 48,1 6,9 2,8 2,2 13,0 Kuusi (P. orientalis) 49,1 7,5 2,5 2,3 14,4 Mänty (hakeseos) 45,0 7,0 2,7 2,4 13,7 Sellu valkaisematon sellu* 85,2 8,7 0,0 0,0 7,6 valkaistu sellu* 90,2 9,2 0,0 0,0 8,0 valkaisematon sellu** 83,2 7,4 1,3 1,8 8,4 *tehdasvalmisteinen (mänty), **laboratoriovalmisteinen (mänty) 3.1.2 Hydrolyysi laimealla hapolla Laimean hapon käyttö on vanhin tekniikka, jota on käytetty etanolin valmistamiseen biomassasta. Ensimmäisen kerran prosessia yritettiin kaupallistaa Saksassa vuonna 1898. Ensimmäisen maailmansodan aikana Yhdysvalloissa toimi kaksi tehdasta, jotka jouduttiin kuitenkin sulkemaan pian sodan päätyttyä puutavaran tuotannon vähenemisen takia. [12] Prosessin ensimmäisessä vaiheessa hemiselluloosa hydrolysoituu 170 190 C:ssa. Muodostunut hydrolysaatti erotetaan ja liuos johdetaan toiseen vaiheeseen, jossa
9 vaikeammin hajoava selluloosa hydrolysoituu 200 230 C:ssa glukoosiksi. Molemmissa vaiheissa muodostuneet hydrolysaatit neutraloidaan. Menetelmällä voidaan saavuttaa 70 98 % ksyloosi-, galaktoosi-, mannoosi- ja arabinoosisaannot. [1, 12] Kuvassa 4 on esitetty prosessin kaaviokuva. lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Hydrolyysi laimealla hapolla hemiselluloosan hydrolysaatti Neutralointi etanoli Tislaus Fermentointi Kuva 4. Laimeahappohydrolyysin virtauskaavio. Laimean hapon käytössä on etuna vähäinen hapon tarve verrattuna väkevän hapon käyttöön. Tässä prosessissa tarvitaan kuitenkin korkeita lämpötiloja tyydyttävän selluloosan hydrolyysinopeuden saavuttamiseksi. Korkean lämpötilan haittana on, että se nopeuttaa laitteiden korroosiota sekä tuotteina saatavien monosakkaridien pilkkoutumista. Sokereiden pilkkoutuminen paitsi alentaa niiden saantoa, myös hidastaa hydrolyysiä sekä sitä seuraavaa fermentointia. Käytettäessä laimeaa happoa päästää parhaaseen saantoon silloin, kun lämpötila on mahdollisimman korkea ja viipymäaika lyhyt. Tässäkin tapauksessa voidaan saavuttaa ainoastaan 50 60 % glukoosisaanto. [1]
10 3.1.3 Orgaaniset hapot Koska orgaaniset hapot ovat heikompia happoja kuin mineraalihapot, ne eivät ole yhtä hyviä vaihtoehtoja käytettäväksi lignoselluloosan hydrolyysissä, jonka nopeus riippuu liuoksen ph:sta. Orgaaniset hapot eivät kuitenkaan katalysoi glukoosin hajoamista, kuten mineraalihapot, eikä reaktiossa siis muodostu yhtä suuria määriä fermentointia inhiboivia hajoamistuotteita. [11] Mosier et al. [11] ovat kehittäneet selluloosaan pilkkovien sellulaasientsyymien toimintaa jäljittelevää orgaanista yhdistettä. Tämän yhdisteen käyttö selluloosan hydrolysoinnissa voisi eliminoida hapon käyttöön liittyvät ongelmat, kuten sokereiden hajoamisen. Entsyymeihin verrattuna sen etu olisi edullisempi hinta. Sellulaasientsyymit koostuvat kolmesta osasta, jotka ovat katalyyttinen osa, selluloosan sitova osa ja nämä kaksi osaa toisiinsa yhdistävä linkkiosa. Etsittäessä sopivaa katalyyttistä osaa jäljitelmäyhdistettä varten Mosier et al. [11] testasivat eri dikarboksyylihappoja. Kokeet suoritettiin 160 C:ssa. Tulosten perusteella laimea maleiinihappo hydrolysoi selluloosaa ja kahden glukoosiyksikön muodostamia disakkarideja eli sellobiooseja yhtä tehokkaasti kuin laimea rikkihappo. Lisäksi maleiinihapolla päästiin kokeissa korkeampaan glukoosisaantoon kuin rikkihapolla. Tämä johtui siitä, että glukoosin hajoaminen oli vähäisempää. Maleiinihappoa käytettäessä glukoosin hajoaminen tapahtui samalla nopeudella kuin se tapahtuu puhtaassa vedessä, eikä vetyionikonsentraatiolla ollut vaikutusta hajoamisnopeuteen. Riippumatta ph:sta tai happokonsentraatiosta glukoosin hajoamisnopeusvakio oli 0,005 min -1, kun happona käytettiin maleiinihappoa. Kun rikkihapon pitoisuus oli yli 25 mm, happamuuden lisääntyminen kasvatti glukoosin hajoamisnopeutta. Näistä tuloksista voidaan päätellä, että on olemassa kaksi erilaista glukoosin hajoamista aiheuttavaa mekanismia. Toinen mekanismi on käytössä, vaikka liuottimena käytettäisiin pelkkää vettä. Tämä reaktio on ensimmäistä kertalukua, eikä vaadi tapahtuakseen katalyyttiä. Toinen mekanismi on happokatalysoitu, ja se riippuu hapon kemiallisista ominaisuuksista. Tulokset osoittavat, että maleiinihapolla
11 saavutetaan huomattavasti parempi selektiivisyys selluloosan hydrolysoinnissa kuin rikkihapolla. [11] 3.2 Entsymaattinen hydrolyysi Entsymaattisessa hydrolyysissä selluloosa hydrolysoituu sellulaasientsyymien avulla glukoosiksi. Tarvittavien entsyymien tuotantoon käytetään yleensä erilaisia sieniä, kuten Tricoderma-, Penicillum- ja Aspergillus-sukuja. Tähänastisissa tutkimuksissa Tricoderman on todettu olevan näistä tehokkain. Sen avulla voidaan tuottaa usean eri sellulaasin seos. Näiden entsyymien välillä vallitsee synergia, jonka ansiosta voidaan saavuttaa parempi entsyymiaktiivisuus kuin mikä saavutettaisiin yksittäisillä entsyymeillä. Entsyymeistä β-glukosidaasi pilkkoo kahden glukoosiyksikön muodostamia disakkarideja eli sellobiooseja, jotka akkumuloituessaan inhiboivat muiden entsyymien toimintaa. Varsinaisesti β-glukosidaasi ei ole sellulaasi, mutta tehtävänsä johdosta sillä on kuitenkin tärkeä rooli hydrolyysiprosessissa. Toisaalta sellobioosien pilkkoutuessa muodostuu glukoosia, joka puolestaan inhiboi β- glukosidaasien toimintaa. Yksi tapa hillitä tällaista lopputuotteiden aiheuttamaa inhibitiota on käyttää matalia kuiva-ainepitoisuuksia. [1] Monien sienten tuottamien entsyymien kohdalla parhaaseen entsyymiaktiivisuuteen päästään lämpötilan ollessa noin 50 C ja ph:n ollessa 4 5. Optimaalinen lämpötila ja ph riippuvat kuitenkin käytetystä raaka-aineesta, entsyymeistä ja viipymäajasta. Kun viipymäaika on yli 24 tuntia, ihanteellinen lämpötila on vain 38 C. Kun prosessin ph nousee lähelle arvoa 5,3, lämpötilan merkitys vähenee. Entsymaattisella hydrolyysillä on mahdollista saavuttaa hyvin spesifinen selluloosan hydrolyysi, jonka ansiosta voidaan saavuttaa korkeita saantoja sekä vähentää myrkyllisten yhdisteiden muodostumista [1]. Happohydrolyysiin verrattuna entsymaattinen menetelmä on kuitenkin hidas. Lisäksi tarvittavat entsyymit ovat kalliita [7].
12 3.2.1 Esikäsittely Mikäli sellulaasientsyymit lisätään suoraan luonnon lignoselluloosaan, selluloosan konversio tapahtuu erittäin hitaasti. Tämä johtuu siitä, että selluloosa on kiinnittynyt tiukasti ligniiniin ja hemiselluloosaan, jotka suojaava sitä hajoamiselta. Tästä syystä raaka-aine täytyy esikäsitellä ennen selluloosan hydrolysointia, jotta entsyymit pääsevät paremmin kiinni selluloosakuituihin. Esikäsittelyvaiheessa hemiselluloosa hydrolysoituu sokereiksi, joten kiinteään materiaaliin jää ainoastaan selluloosaa ja ligniiniä. [1, 14] Tutkituin havupuiden esikäsittelymetodi on happokatalysoitu höyrykäsittely [14]. Siinä raaka-aine kyllästetään laimealla hapolla ja kuumennetaan noin 180 200 C:een. Käsittelyn aikana helposti hydrolysoituva hemiselluloosa hajoaa sokereiksi. Lisäksi muodostuu happoja, jotka alkavat hydrolysoida raaka-aineen selluloosaa ja ligniiniä. Käsittelyn aikana ligniini pehmenee, ja kun reaktorin paine höyrytysjakson lopussa äkillisesti lasketaan normaalin ilmanpaineen tasolle, selluloosan ja ligniinin väliset tiukat sidokset hajoavat. Näin hydrolysoivat entsyymit saavat lisää tarttumapinta-alaa selluloosakuitujen pinnasta [15]. Happokatalyyteistä rikkihappo on tutkituin, koska se on tehokas ja edullinen vaihtoehto. Hapon sijasta katalyyttinä voidaan käyttää myös rikkidioksidia. Sen etu on, että se ei aiheuta korroosiota. Lisäksi se on helpompi ja nopeampi lisätä raakaaineen sekaan. Suurin ongelma rikkidioksidin käytössä on sen myrkyllisyys. Esikäsittelyn vaikutusta arvioidaan usein mittaamalla sen aikana muodostuneiden monosakkaridien määrää sekä selluloosan pilkkoutumista entsymaattisessa hydrolyysissä. [1] Kuvassa 5 on esitetty höyrykäsittelylaitteisto, jossa katalyyttinä käytetään rikkidioksidia.
13 Kuva 5. Höyrykäsittelylaitteisto, jossa materiaalin kyllästykseen käytetään rikkidioksidia [16]. 3.2.2 Erillinen hydrolyysi ja fermentointi (SHF) Kirjainlyhennelmä SHF tulee englanninkielisistä sanoista separate hydrolysis and fermentation. SHF-prosessissa raaka-aineen entsymaattinen hydrolysointi ja sitä seuraava sokereiden fermentointi etanoliksi tapahtuvat erillään toisistaan. Tämän menetelmän etuna on, että molemmat vaiheet, hydrolysointi ja fermentointi, voidaan suorittaa optimaalisissa olosuhteissa. Ihanteellinen lämpötila hydrolyysissä on 45 50 C ja fermentoinnissa noin 30 C. Erillinen fermentointi voidaan suorittaa myös jatkuvatoimisena ja entsyymien tuotantoon käytettäviä mikro-organismeja voidaan kierrättää. Menetelmän haittapuoli on, että hydrolyysissä muodostuvat sokerit inhiboivat entsyymien toimintaa. [1] Kuvassa 6 on esitetty SHF-prosessin kaaviokuva.
14 Entsyymien tuotanto lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Selluloosan entsymaattnen hydrolyysi kiintoaine hemiselluloosan hydrolysaatti selluloosan hydrolysaatti Fermentointi Etanolin talteenotto Kuva 6. Erillinen hydrolyysi ja fermentointi. 3.2.3 Yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi (SSF) Kirjainyhdistelmä SSF tulee englanninkielisistä sanoista simultaneous saccharification and fermentation. Tässä prosessissa hydrolyysi ja fermentointi tapahtuvat samassa reaktorissa. Koska prosessissa muodostuvat sokerit pilkotaan välittömästi, ne eivät akkumuloidu, eivätkä näin ollen vaikuta entsyymien aktiivisuuteen. Vaikka lopputuotteiden aiheuttama inhibitio voidaankin välttää, prosessiolosuhteiden valinnassa joudutaan tekemään kompromisseja. Ero ihanteellisessa ph:ssa entsyymien ja fermentoivien mikro-organismien välillä ei ole suuri, mutta optimilämpötila sen sijaan vaihtelee enemmän [17]. Fermentoinnin lopputuotteena syntyvä etanoli voi myös inhiboida hydrolyysiä, mutta sen vaikutus on vähäisempi kuin sellobioosien ja glukoosin. Yhdistetyn prosessin toinen etu verrattuna erillisiin prosesseihin on, että kahden reaktorin sijaan tarvitaan vain yksi [1]. Kuvassa 7 on esitetty SSF-prosessin kaaviokuva.
15 lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Entsyymien tuotanto Kiintoaineen käsittely hemiselluloosan hydrolysaatti Yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi (SSF) Etanolin talteenotto Kuva 7. Yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi. Lämpötila SSF-prosessissa on noin 35 C. Tämä kompromissilämpötila edellyttää mikro-organismeilta hyvää lämmönsietokykyä. Mikro-organismien lämmönsietokyvyn parantamisen uskotaankin lisäävän prosessin tehokkuutta. Yleisimmin fermentoinnissa käytetään Saccharomyces cerevisiaea. Yhdistetyn prosessin käyttö hankaloittaa mikro-organismien kierrätystä ja uudelleenkäyttöä, koska prosessin aikana ne sekoittuvat hydrolysoitumattomaan ligniiniin. [1] Myös kontaminaatioriski on SSF:ssä pienempi SHF:ään verrattuna, koska glukoosikonsentraatio on koko prosessin ajan pienempi. Tällöin maitohappoa ei pääse muodostumaan suuria määriä. Vaikka SSF:ää onkin tutkittu paljon, ei ole olemassa yksiselitteisiä ohjeita, millainen prosessin pitäisi olla havupuita hydrolysoitaessa. [17] Stenberg et al. [17] ovat tutkineet kuiva-ainepitoisuuden ja entsyymikonsentraation vaikutusta etanolin saantoon SSF:llä, kun raaka-aine oli kuusi. Tuloksista lasketut etanolin saannot perustuvat raaka-aineen glukoosi- ja mannoosipitoisuuksiin. Fermentointiin kokeissa käytettiin S. cerevisiaea. Tutkimustulosten perusteella sellulaasikonsentraation kasvattaminen paransi etanolin fermentointinopeutta ja saantoa eikä fermentoitava seos kyllästynyt sellulaaseista tutkimuksen aikana. Tämä saattaa johtua siitä, että havupuut ovat vaikeasti hydrolysoitavia, ja vaativat näin ollen korkeamman entsyymipitoisuuden täydellisesti hydrolysoituakseen. Sovellettaessa
16 tätä tietoa teollisissa prosesseissa on kuitenkin otettava huomioon myös sellulaasien hinta. Lisäksi teollisissa sovelluksissa on syytä huomioida kontaminaatioriski. [17] Tutkimuksissa havaittiin, että maitohapon muodostuminen oli suurinta silloin, kun raaka-aineen kuiva-ainepitoisuus oli 2 %. Kun pitoisuus nostettiin 5 %:iin, maitohapon määrä väheni ja kun pitoisuus edelleen nostettiin 7,5 %:iin ei maitohappoa havaittu muodostuvan enää ollenkaan. Tämä saattaa johtua siitä, että yksi tai useampi esikäsittelyn aikana raaka-aineesta muodostuva komponentti tukahduttaa maitohappobakteerin kasvun. S. cerevisiae puolestaan helpottaa maitohappobakteereiden kasvua, kuten myös jotkut prosessin aikana muodostuvat yhdisteet. Tutkimuksessa optimaalisen kiintoainepitoisuuden todettiin olevan 5 %. Alhaisempi pitoisuus kiihdyttää maitohapon tuotantoa ja korkeampi taas inhiboi fermentaatiota. Kuiva-ainepitoisuuden ollessa 10 % fermentaatiota ei tapahtunut lainkaan. [17] SHF:ään verrattuna SSF:llä päästiin korkeampiin saantoihin. Myös tuottavuus SSF:llä on parempi. Lopulliseen saantoon päästään 72 tunnissa 140 tunnin sijaan. Kun tuottavuus siis saadaan noin kaksinkertaistettua, voidaan reaktorin tilavuus puolittaa. [17] Kontaminaatioriskistä johtuen SSF-prosessia voi olla vaikea ajaa jatkuvatoimisena suuressa mittakaavassa. Toinen ongelma on entsyymejä tuottavan hiivan ja liukenemattoman ligniinin erottaminen. Mikäli hiivaa ei saada kierrätettyä, joudutaan jokaiseen ajoon laittamaan uudet hiivat, jolloin tuotantokustannukset kasvavat. Näin hiiva ei myöskään saa mahdollisuutta sopeutua väliaineeseen. Hiivan sopeutuminen olisi välttämätöntä, jotta se oppisi kestämään paremmin prosessin aikana muodostuvia inhiboivia sivutuotteita. [17] 4 ETANOLIN SAANTOON VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ Etanolin teoreettinen saanto havupuista on noin 455 L/kuivatonni [1]. Käytännössä etanolia voidaan kuitenkin saada havupuista korkeintaan vain noin 280 L/kuivatonni [10]. Etanolin saanto riippuu paitsi sokereiden saannosta, myös
17 niiden fermentoitavuudesta. Nämä puolestaan riippuvat useiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta [1]. 4.1 Hydrolyysinopeus Hydrolyysinopeus on merkittävä sokerien saantoon vaikuttava tekijä. Entsymaattisessa hydrolyysissä entsyymien konsentraatiolla on suuri merkitys hydrolyysinopeuteen. Havupuita hydrolysoitaessa sellulaasipitoisuuden kasvattaminen nostaa sokereiden saantoa, koska tällöin voidaan käyttää korkeita entsyymikonsentraatioita ilman, että seos muuttuu kylläiseksi. [1] Jotkut lähtöaineesta tulevat komponentit, kuten liukenematon ligniini, osa esikäsittelyssä syntyvistä yhdisteistä sekä hydrolyysissä muodostuvat sokerit ja niiden hajoamistuotteet saattavat olla vahingollisia entsyymeille ja alentaa niiden toimintakykyä. Esikäsittelyn aikana muodostuvat fenoliyhdisteet ovat esimerkki hydrolyysiä hidastavista komponenteista. Lakkaasi on entsyymi, jota käytetään näiden fenoliyhdisteiden hapettamiseen. Sen käyttö esikäsittelyn ja entsymaattisen hydrolyysin välissä auttaa vähentämään fenoliyhdisteiden määrää yli 90 %. Muihin yhdisteisiin sillä ei juuri ole havaittu olevan vaikutusta. [1] Eri reaktorimateriaalien vaikutusta glukoosin hajoamiseen on myös tutkittu. Vertailuissa on havaittu, että kupari vaikuttaa vain vähän glukoosin hajoamiseen, kun taas ruostumattomalla teräksellä on suuri vaikutus. Kaikkein voimakkain vaikutus havaittiin kuitenkin olevan raudalla, joka aiheutti glukoosin erittäin nopean hajoamisen. [12] 4.2 Esikäsittelyn valinta Esikäsittelyvaiheessa hemiselluloosasta muodostuu useita eri monosakkarideja, joiden kunkin maksimisaannon saavuttaminen edellyttäisi erilaisia prosessiolosuhteita. Lisäksi seoksessa on näiden monosakkaridien hajoamistuotteita sekä muita prosessin aikana syntyviä inhiboivia sivutuotteita. Entsymaattisessa hydrolyysissä lisäksi mikro-organismien toiminta riippuu ratkaisevasti olosuhteista.
18 Edellä luetelluista syistä johtuen toimivan prosessikokonaisuuden löytäminen on erittäin haastava tehtävä. [1] Kun sekä hemiselluloosan että selluloosan konversio halutaan maksimoida, on niille käytettävä erillisiä esikäsittelyvaiheita. Tätä tarkoitusta varten on tutkittu kaksivaiheista esikäsittelyprosessia. Tutkimuksessa, jossa ensimmäinen esikäsittelyvaihe suoritetaan 180 C:ssa 2,66-% rikkihapolla ja toinen vaihe 215 C:ssa 2,5-%:lla rikkihapolla, saatiin sokereiden kokonaissaannoksi 82 %. Tutkimuksessa raaka-aineena oli seos, jossa oli 70 % kuusta ja 30 % mäntyä. Kaksivaiheisella esikäsittelyllä saavutettiin 7 % parannus kokonaissaantoon verrattuna saman raaka-aineen yksivaiheiseen esikäsittelyyn. [1] 4.3 Inhibitoriset komponentit Kuten aiemmin on jo mainittu, hydrolyysissä muodostuneiden sokereiden hajoamistuotteet paitsi alentavat sokereiden saantoa, myös inhiboivat fermentoivien mikro-organismien toimintaa. Tällaisia yhdisteitä ovat muun muassa pentooseista syntyvä furfuraali sekä heksooseista muodostuva hydroksimetyylifurfuraali. [11] Esimerkiksi esikäsiteltävän raaka-aineen rikkihappokyllästyksessä on ongelmana se, että sen jälkeen sokereita on vaikea fermentoida, koska käsittelyn aikana muodostuu paljon inhibitorisia sivutuotteita. Tätä ongelmaa voidaan pienentää käyttämällä kyllästykseen rikkidioksidia. Rikkidioksidikyllästyksellä ei kuitenkaan saavuteta yhtä hyvää saantoa kuin rikkihapolla [1]. Myös Ca(OH) 2 -käsittelyllä voidaan saostaa esikäsittelyssä syntyneitä inhibitorisia komponentteja [10]. Myös lopputuotteina saatavat sokerit akkumuloituessaan inhiboivat hydrolysoivien entsyymien toimintaa. Kuten aiemmin on mainittu, tätä lopputuotteiden aiheuttamaa inhibitiota voidaan ehkäistä käyttämällä matalia kuiva-ainepitoisuuksia sekä SSFprosessia, jolloin sokerit fermentoidaan saman tien etanoliksi. [1]
19 Prosessin aikana syntyy myös sivutuotteita, jotka saattavat inhiboida fermentointia. Esimerkiksi etikkahappoa muodostuu prosessissa noin 10 g/l. Pienen etikkahappopitoisuuden (1 g/l) on kuitenkin havaittu parantavan fermentointia. [10] 5 TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT Arviot puusta valmistetun etanolin tuotantokustannuksista vaihtelevat välillä 0,32 1,0 USD/L. Pienimmät kustannukset saavutetaan yleensä tehtailla, joiden kapasiteetti on yli 600 000 tonnia kuivaa lignoselluloosaa/vuosi. Useimmat kustannusarviot on laadittu lehtipuille. Raaka-ainekustannukset muodostavat noin 25 40 % kokonaiskustannuksista. Vaihtelu johtuu raaka-aineen eri hinnoista eri alueilla. Hinnat vaihtelevat välillä 22 61 USD/m 3 kuivaa ainetta. Useimmat kustannusarviot perustuvat laboratoriomittakaavan tuotantoon, eikä niistä näin ollen voi suoraan tehdä päätelmiä todellisista tuotantokustannuksista. [1] Entsymaattisessa hydrolyysissä ratkaiseva tekijä on sellulaasientsyymien hinta, joka saattaa muodostaa jopa puolet tuotantokustannuksista. Nykyään entsyymituotanto on keskittynyt kahdelle suurelle yritykselle, Genencorille ja Novozymesille. Nämä tehtaat valmistavat entsyymejä pääasiassa muihin kuin hydrolyysitarkoituksiin. Yksi suurista haasteista onkin kehittää entsyymejä, jotka kestävät entistä paremmin hydrolyysiolosuhteita. [1] Huomiota on kiinnitettävä myös fermentoivien mikro-organismien kehittämiseen. Toistaiseksi ei ole olemassa mikro-organismeja, jotka pystyisivät fermentoimaan tehokkaasti kaikkia lignoselluloosasta saatavia sokereita. [2] Kehitystä tarvitsee myös prosessi-integraatio, jotta prosessivaiheita saataisiin karsittua ja sitä kautta energiankulutusta ja jätevirtojen määrää vähennettyä. Yksi mahdollisuus energiankulutuksen vähentämiseksi on pyrkiä yhdistämään etanolintuotanto sähkön- ja lämmöntuotantolaitoksiin tai sellu- ja paperitehtaisiin. Tutkimusten perusteella eri tuotantolaitosten yhdistäminen voisi alentaa etanolin tuotantokustannuksia 20 % [1]. Mielenkiintoa ovat herättäneet myös biojalostamot,
20 joissa etanolin lisäksi jalostetaan sokereista ja ligniinistä muun muassa vitamiineja, ksylitolia, aminohappoja, maitohappoa, 1,3-propaanidiolia sekä antibiootteja [10]. LÄHDELUETTELO 1. Galbe, M., Zacchi, G., A review of the production of ethanol from softwood. Applied Microbiology and Biotechnology 59 (2002), 6, 618 628. 2. Zaldivar, J., Nielsen, J., Olsson, L., Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration. Applied Microbiology and Biotechnology 56 (2001), 1 2, 17 34. 3. Direktiivin 2003/30/EY edellyttämä kertomus liikenteen biopolttoaineiden ja muiden uusiutuvien polttoaineiden käytön edistämisestä Suomessa, Euroopan unionin portaali, http://europa.eu.int/comm/energy/res/legislation/doc/biofuels/member_states/ 2003_30_fi_report_fi.pdf, 12.5.2006. 4. Earth Policy Institute, World ethanol production 2004, www.earth-policy.org, 2005. 5. Suomalaisten puulajien kemiallinen koostumus, KnowPap, http://kansi.cc.lut.fi/knowpap/suomi/raw_materials/1_fibers/3_fiber_structure/ frame.htm, 12.5.2006. 6. Isotalo, K., Puu- ja sellukemia, 2. painos, Hakapaino Oy, 1996, s. 28 44. 7. Pollard, G., Catalysis in renewable feedstocks, A Techology Roadmap, Report Number CR 7656, 2005. 8. Lignin and its properties, Lignin Institute, http://www.lignin.org/01augdialogue.html, 20.3.2006. 9. Harris, J.F., Baker, A.J., Conner, A.H., Jeffries, T.W., Minor, J.L., Pettersen, R.C., Scott, R.W., Springer, E.L., Wegner, T.H., Zerbe, J.I., Two-Stage,
21 Dilute Sulfuric Acid Hydrolysis of Wood. An investigation of fundamentals. General Technical Report FPL-45. Madison, WI, US. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, 1985. 10. Klemola, K., Lappeenrannan teknillinen yliopisto, suullinen tiedonanto, 2006. 11. Mosier, N.S., Ladisch, C.M., Ladisch, M.R., Characterization of Acid Catalytic Domains for Cellulose Hydrolysis and Glucose Degradation. Biotechnology and Bioengineering 79 (2002), 6, 610 618. 12. Sugar Platform, U.S. Department of Energy, http://www1.eere.energy.gov/biomass/sugar_platform.html, 12.5.2006. 13. Uçar, G., Balaban, M., Hydrolysis of Polysaccharides with 77% Sulfuric Acid for Quantitative Saccharification. Turk J Agric For 27 (2003), 361 365 14. Palonen, H., Viikari, L., Role of oxidative enzymatic treatments on enzymatic hydrolysis of softwood. Biotechnology and Bioengineering 86 (2004), 5, 550 557. 15. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol A9, Gerhartz, W., Yamamoto, Y.S., Kaudy, L., Rounsaville, J.F., Schulz, G., 5. painos, Weinheim, 1987, s. 624. 16. Stenberg, K., Tengborg, C., Galbe, M., Zacchi, G., Optimisation of pretreatment of SO 2 -impregnated mixed softwoods for ethanol production. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 71 (1998), 4, 299 308. 17. Stenberg, K., Bollók, M., Réczey, K., Galge, M., Zacchi,. G., Effect of Substrate Concentration on Simultaneous Saccharification and Fermentation of Steam-Pretreated Softwood for Ethanol Production. Biotechnology and Bioengineering 68 (2000), 2, 204 210.