Bioprosessit CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit 30.11.2017 Tero Eerikäinen Mitä kuvassa näkyy?
Milloin biotekninen prosessi? Biotekninen prosessi kilpailee usein muiden menetelmien kanssa Tuotantoprosessi Valinnan ratkaisee esimerkiksi Hinta Tuotteen monimutkaisuus Ympäristöystävällisyys Tuotteen hinta vs. tuotannon hinta?
Miten optimoidaan?
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)
Entsymaattiset prosessit
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?
Tärkkelyksen rakenne
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
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 HFS 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-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
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)
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)
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 *: 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
Fermentointiprosessit
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
Teollisten entsyymien tuotanto fermentointiprosessilla 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-, 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
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.)
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
Esi- ja jälkikäsittelyprosessit
Esikäsittely (pretreatment)
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
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
Basitrasiinin valmistusprosessi fermentoimalla Bacillus subtilis bakteerin avulla
Single use tekniikkaa hyödyntävä biofarmaseuttinen tuotantolinja SU=single use RU=ready to use http://ipsdb.com/images/uploads/sumfd.jpg
Tuotannon kehitys
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. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2017.00065/full
An overview of metabolic pathways in Yarrowia lipolytica for synthesis of fatty acids from various substrates.
Jatkuvatoiminen biodieselin tuontantoperiaate A conceptual continuous fatty acid-based biodiesel production from renewable resources by metabolically engineered Yarrowia lipolytica.
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
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
Esimerkkejä biotekniikasta eri prosesseissa
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
Ekstrasellulaarisen entsyymin valmistusprosessi
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 https://www.vvy.fi/vesihuolto_linkit_lainsaadanto/jatevedet/jatevesien_puhdistaminen/jatevedenpuhdistus
Helsingin Veden Viikinmäen jätevedenpuhdistamon prosessikaavio. Prosessi sisältää typen biologisen poiston (nitrifikaatio-denitrifikaatio menetelmä) lisäksi myös typen poiston tehostamiseen tarkoitetun biologisen jälkisuodatuksen. http://www.vesikoulu.fi/assets/docs/vesikoulu_tietopaketti_jatevedesta.pdf
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
Bioetanolin tuotto Argentiinalainen sokeriruoka-etanoliprosessi Int J Life Cycle Assess (2013) 18:1344 1357
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, 2016. Largest: ADM grain and oilseed processor produces 1.76 billion gal./year at 8 plants in Illinois, Iowa, Nebraska and Minnesota. Visit www.adm.com. 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.
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 http://www.ethanolrfa.org/how-ethanol-is-made/
Wet Mill Ethanol Process
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 (fermentorikapasiteetin 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-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
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
Ethanol from Cellulosic Biomass
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: 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)
St1 Biofuels tuotteet ja palvelut
St1Biofuels Etanolix ja Hartwall
http://www.greencarcongress.com/2015/06/20150608-sst1.html
https://www.youtube.com/watch?v=ncqv8qc7h9e
Miten kapasiteetti vertautuu keskimääräiseen ADM:n bioetanolitehtaaseen?
Lignoselluloosan rakenne
http://www.hs.fi/ulkomaat/a1387783900220
Learning points from 70+ years running an integrated biorefinery
Bioprosessien tuotantokustannukset: ei pelkästään raaka-aine ratkaise CAPEX=Capital Expenditure