Suvi Kuittinen

Hemicellulosic sugars to biobutanol via acid catalyzed pretreatment and acetone-butanol-ethanol fermentation

Kuittinen S. (2018). Hemicellulosic sugars to biobutanol via acid catalyzed pretreatment and acetone-butanol-ethanol fermentation. https://doi.org/10.14214/df.248

Tiivistelmä

Puuraaka-aineet ja muut kasvipohjaiset materiaalit (esim. olki) sisältävät selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä tiiviissä kompaktissa muodossa. Teollisissa prosesseissa selluloosa on tällä hetkellä tehokkaasti jatkojalostettu materiaaleiksi, kuten paperiksi ja muiksi tuotteiksi, kun taas jäljelle jäävästä ligniinistä ja hemiselluloosasta on enimmäkseen tehty bioenergiaa. Tutkimustyö on kuitenkin vilkasta sekä ligniinin että hemiselluloosan jalostamiseksi arvokkaammiksi tuotteiksi. Metsäteollisuuden ja maatalouden jalostusprosessien sivuvirrat tarjoavat erinomaisen mahdollisuudenbiotalouden ja kiertotalouden kehittämiseen.

Haasteena hemiselluloosa- ja ligniinijakeiden jalostamisessa biomateriaaleiksi tai kemikaaleiksi on uusien prosessien kustannustehokkuus. Monet biojalostusprosessit tuottavat sivuvirtoja, joissa hemiselluloosa ja ligniini ovat erottuneena, mutta niiden pitoisuus voi olla pieni ja ne voivat olla hajonneina tai muodossa, joka estää niiden jatkojalostuksen. Lisäksi usein sivuvirrat sisältävät joko prosessikemikaaleja tai materiaalin hajoamistuotteita niin paljon, että jalostettavien kemikaalien erottaminen on teknologisesti monimutkaista ja liian kallista.

FM Suvi Kuittisen tutkimustyössä haettiin suomalaisille raaka-aineille hemiselluloosan erotusmenetelmää, jossa hemiselluloosan sokerit vapautuisivat helposti edelleen jalostettavassa muodossa. Työssä tutkittiin kolmea erilaista raaka-ainetta; ohran olkea, siperianpajua sekä kuusta. Työn tuloksena tuotettiin parametrit raaka-aineiden esikäsittelyä varten niin, että suurin osa raaka-aineen hemiselluloosa saadaan irrotettua välttäen jatkojalostusta haittaavia hajoamistuotteita. Lisäksi selluloosajae saatiin säilytettyä pääosin kiinteässä muodossa, joten myös sen jatkojalostus biomateriaaleiksi on mahdollista. Tutkimuksessa esikäsittelyssä erotetun hemiselluloosaliuoksen sokereista tuotettiin edelleen asetoni-butanoli-etanoli-fermentoinnin avulla onnistuneesti biobutanolia, joka on käytettävissä muun muassa liikennebiopolttoaineena ja kemian teollisuuden raaka-aineena.

Merkittävä tulos tutkimuksessa oli se, että toteutetuilla esikäsittelymenetelmillä tuotettu hemiselluloosaliuos pystyttiin käyttämään fermentointiprosessissa ilman monimutkaisia ja kalliita jälkikäsittelyjä. Lisäksi yhdistämällä hemiselluloosaliuokseen ohran tärkkelystä sisältävää liuosta, fermentaatioprosessi pystyttiin toteuttamaan onnistuneesti ilman muita lisättäviä ravinteita. Tutkimuksessa tuotetun siperianpajun hemiselluloosaliuoksen sokerit fermentoitiin butanoliksi käyttämällä Clostridium acetobutylicum-bakteeria, joka pystyy hyödyntämään myös hemiselluloosasta peräisin olevia viisihiilisiä sokereita, kuten ksyloosia. Esimerkiksi yleisesti etanolifermentoinneissa käytetyt mikrobit hyödyntävät luontaisesti kuusihiilisiä sokereita, kuten glukoosia. Suurin osa lehtipuiden ja esimerkiksi ohran oljen hemiselluloosasta on kuitenkin viisihiilisiä sokereita.

Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että raaka-aineen mukaisesti valitut esikäsittelyparametrit mahdollistavat sekä hemiselluloosasokereiden hyödyntämisen uusiksi biotuotteiksi, että selluloosafraktion säästämisen jatkojalostukseen. Suunnittelemalla erilaisten teollisuuden sivuvirtojen yhdistämistä entistä tehokkaammin, voidaan välttää tuotantoprosessin välivaiheita, kuten fermentointimikrobeille haitallisten aineiden poistamista ja ylimääräisten ravinteiden lisäämistä fermentointia varten. Tämä tarjoaa kiinnostavan näkökulman jatkotutkimuksille ja biojalostuprosessien kehittämiselle entistä monipuolisempaan ja kestävämpään suuntaan.

Avainsanat
biojalostus; lignoselluloosa; hemiselluloosa; fermentointi; butanoli

Julkaistu 2.3.2018

Katselukerrat 3863

Saatavilla https://doi.org/10.14214/df.248 | Lataa PDF

Osajulkaisut

Yang M., Kuittinen S., Zhang J., Keinänen M., Pappinen A. (2013). Effect of dilute acid pretreatment on the conversion of barley straw with grains to fermentable sugars. Bioresource Technology 146: 444-450.

http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2013.07.107

Kuittinen S., Yang M., Keinänen M., Vepsäläinen J., Pappinen A. (2018). Non-detoxified acetone-butanol-ethanol fermentation of dilute acid extracted hemicellulosic monosaccharides from Salix schwerinii E. wolf. Manuscript submitted to BioResources

Kuittinen S., Puentes Rodriguez Y., Yang M., Keinänen M., Pastinen O., Siika-aho M., Turunen O., Pappinen A. (2015). Effect of microwave-assisted pretreatment conditions on hemicellulose conversion and enzymatic hydrolysis of Norway spruce. BioEnergy Research 9(1): 344-354.

http://dx.doi.org/10.1007/s12155-015-9696-9

Yang M., Kuittinen S. Vepsäläinen J., Zhang J., Pappinen A. (2017). Enhanced acetone-butanol-ethanol production from lignocellulosic hydrolysates by using starchy slurry as supplement. Bioresource Technology 243: 126-134.

http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.06.021

---