|
Entsymaattinen hydrolyysi
Kimmo Klemola Biomassan entsymaattisessa hydrolyysissä entsyymit korvaavat hapon selluloosan hydrolyysivaiheessa. Edistyneimmissä prosesseissa entsymaattinen hydrolyysi ja syntyneiden lukuisten erilaisten sokerien fermentointi on yhdistetty käytännössä yhdeksi prosessiksi. Kun hydrolaasientsyymit tuottavat sokereita, käymisen aikaansaavat organismit alkavat välittömästi fermentoida sokereita etanoliksi. Sellulaasientsyymin kehitys sai alkunsa, ironista kyllä, tarpeesta estää entsymaattinen hydrolyysi. Toisen maailmansodan aikana Yhdysvaltain armeijalla oli viidakoissa ongelmia, kun sotilaiden vaatetus ja kaluston luonnonmateriaaleista tehdyt osat alkoivat hajota. Hajonneista materiaaleista eristettiin nykyisten selluloosaentsyymien esiäiti Trichoderma viride, joka sai myöhemmin nimen Trichoderma reesei. Sellulaasientsyymejä on lukuisia ja ne toimivat yhdessä synergistisesti pilkkoessaan selluloosaa. Entsymaattinen hydrolyysi on kompleksi ilmiö, jossa liuenneet sellulaasientsyymit hajottavat kiinteää selluloosaa. Sana entsyymi juontaa juurensa vuoteen 1876, jolloin saksalainen tutkija Wilhelm Friedrich Kuhne käytti entsyymi-sanaa kuvaamaan hiivan toimintaa. Entsyymi-sana tulee kreikan kielestä ja tarkoittaa ”hiivassa”. Entsymaattisen hydrolyysin tavoite oli aluksi ilmeinen: korvata happohydrolyysivaihe entsyymihydrolyysivaiheella. Tällaista prosessia kutsutaan erilliseksi hydrolyysiksi ja fermentoinniksi (SHF = separate hydrolysis and fermentation). Biomassa täytyy ensin esikäsitellä, jotta entsyymit pääsisivät tehokkaammin vaikuttaman selluloosaan. Esikäsittely voi olla joko termistä tai kemiallista. SHF:n vaiheet ovat 1) mekaaninen käsittely eli puumassan hienonnus, 2) laimeahappoesikäsittely (hemiselluloosasokerit), 3) entsyymien valmistus, 4) entsymaattinen hydrolyysi (selluloosasokerit), 5) fermentointi, 6) etanolitislaus ja väkevöinti ja 7) kiintoaineen käsittely. Entsyymihydrolyysin merkittävin prosessiparannus on ollut samanaikainen hydrolyysi ja fermentointi (SSF = simultaneous saccharification and fermentation (Gulf Oil ja University of Arkansas ovat patentoineet prosessin). Prosessin etuina ovat reaktorien määrän pieneneminen ja varsinkin entsyymiprosesseille tyypillisen tuoteinhibition välttäminen. Kun selluloosa hajoaa ja glukoosin pitoisuus kasvaa, glukosidaasientsyymi lakkaa toimimasta tuoteinhibition takia. SSF-prosessissa glukoosi käy etanoliksi ja hydrolyysi voi jatkua pidemmälle. Sellulaasientsyymit ja käymismikrobit on prosessissa yhdistetty. Kun sokereita syntyy, ne käyvät etanoliksi. Prosessin yksi ongelma on, että sellulaasientsyymien ja käymismikrobien optimaalinen lämpötila-alue on erilainen. Selluloosaetanoliprosessissa oman vaikeuden tuovat myös moninaiset syntyneet sokerit ja niiden vaatimat erilaiset käymismikrobit. Varsinkin polttoaine-etanolin kannalta ongelmana on sellulasientsyymien korkea hinta. SSF:n vaiheet ovat 1) mekaaninen käsittely eli puumassan hienonnus, 2) laimeahappoesikäsittely (hemiselluloosasokerit), 3) entsyymien valmistus, 4) entsymaattinen hydrolyysi ja fermentointi, 5) etanolitislaus ja väkevöinti ja 6) kiintoaineen käsittely. Entsymaattisessa hydrolyysissä on ongelmana entsyymien kalleus ja se, ettei entsyymejä saada talteen prosessissa. Entsyymien hinta on laskenut viime vuosina huomattavasti. Itse teknologia on jo varsin pitkällä. Tunnetuin alan toimija on kanadalainen Iogen. Lähimpänä teollisen mittakaavan toteutusta on kuitenkin laimeahappohydrolyysiin perustuva prosessi. Iogenin prosessi alkaa biomassan höyry- ja laimearikkihappokäsittelyllä. Biomassa pilkkoutuu lietteeksi ja hemiselluloosa hydrolysoituu, glukoosiksi, ksyloosiksi ja arabinoosiksi. Sen jälkeen lietettä käsitellään sellulaasientsyymeillä glukoosin vapauttamiseksi. Kiintoaine erotetaan ja ksyloosi ja glukoosi fermentoidaan etanoliksi käyttämällä erikoishiivaa, joka pystyy fermentoimaan myös ksyloosia. Iogenin selluetanoliprosessissa raaka-aineena käytetään viljelytähteitä, kuten vehnän olkea, maissin tähkiä, vartta ja lehtiä. Prosessissa ”höyryräjäytyksellä” (steam explosion) vapautetaan selluloosa ensin hemiselluloosasta ja ligniinistä, jolloin sellulaasientsyymit pääsevät vaikuttamaan tehokkaammin. Iogenin prosessissa käytetään myös mekaanista ja happokäsittelyä selluloosan hydrolysointiin. Selluloosa hydrolysoituu glukoosiksi ja hemiselluloosa pentooseiksi. Sokerit fermentoidaan joko etanoliksi tai kemikaaleiksi. Iogen ilmoittaa saavansa vehnänolkitonnista 600 kg sokereita, joista puolestaan 85 gallonaa (US) etanolia. Selluloosaetanoliprosessin entsyymikehitystä tekevät eturintamassa kaksi tanskalaisyhtiötä: Genencor ja Novozymes. Tanskalainen entsyymivalmistaja Novozymes on saanut tiputettua selluloosaetanolin (maissin sivutuotebiomassa) valmistuksessa tarvittavien sellunpilkkojaentsyymien hintaa noin kolmaskymmenesosaan vuodesta 2001 vuoteen 2005. Sen mukaan entsyymien hinta ei ole enää selluetanoliprosessin rajoittava tekijä. Vuonna 2001 selluetanolin hinta oli 5-kertainen maissietanoliin (maissinjyvästä valmistettu) verrattuna, nyt 1,5–2-kertainen. Entsyymin osuus etanoligallonan hinnasta on 0,10–0,20 US$. Esikäsittelyssä ja hydrolyysissä hyödynnettävien sokereiden saannon tulee olla mahdollisimman suuri ja ligniini on saatava erotettua mahdollisimman hyvin. Myrkyllisiä sivutuotteita ei myöskään saa syntyä siinä määrin, että ne inhiboivat entsyymejä ja mikro-organismeja. Kaiken tämän tulee tapahtua tehokkaasti ja taloudellisesti. Hydrolyysissä syntyy mm. glukoosia ja ksyloosia. Ksyloosissa on viisi hiiltä ja sen fermentointi etanoliksi on haasteellista. Nykyään on olemassa mikro-organismeja, jotka pystyvät fermentoimaan glukoosia (C6-sokeri selluloosasta ja hemiselluloosasta) ja ksyloosia (C5-sokeri hemiselluloosasta). Tulevaisuudessa mikro-organismit pystyvät ehkä fermentoiman etanoliksi myös arabinoosin (C5-sokeri hemiselluloosasta), mannoosin (C6-sokeri selluloosasta) ja galaktoosin (C6-sokeri selluloosasta). Lähinnä lignoselluloosabiomassan esikäsittelyssä eli käytännössä hemiselluloosan hydrolysoinnissa laimealla hapolla syntyy sokerien lisäksi sivutuotteita, jotka inhiboivat etanolifermentaatiota. Sen takia esikäsittelyä seuraa näiden inhibiittorien poistaminen seoksesta. Käytännössä esikäsitellyn seoksen pH nostetaan kalkilla (Ca(OH)2) emäksiselle alueelle. Tällöin ei-toivotut sivutuotteet saostuvat. Esikäsittelyn tehtävä on hemiselluloosan sokerien vapauttamisen lisäksi saattaa selluloosa varsinaista hydrolyysiä varten edullisempaan muotoon. Kaksivaiheisella esikäsittelyllä, jossa käytetään rikkidioksidia, saavutetaan glukoosisannoksi 35 % teoreettisesta ja hemiselluloosasokerien (pois lukien glukoosi) saannoksi 95 % teoreettisesta. Esikäsittelyä seuraavassa entsyymihydrolyysivaiheessa glukoosisaanto on 45 % teoreettisesta ja koko prosessin kaikkien sokerien saanto on 80 % teoreettisesta. [1] Entsyymiprosesseille on tyypillistä tuoteinhibitio eli halutun reaktion hidastuminen tai estyminen tuotteen konsentraation kasvaessa. Selluloosan hydrolyysissä muodostuva glukoosi inhiboi selluloosan hydrolysoimista. Sen takia erillisen hydrolyysin ja fermention (Separate Hydrolysis and Fermentation = SHF) korvaajaksi on kehitetty samanaikainen hydrolyysi ja fermentio (Simultaneous Saccharification and Fermentation = SSF). Siinä glukoosi fermentoituu samassa reaktorissa etanoliksi ja edesauttaa näin selluloosan hydrolyysiä glukoosiksi. SSF-prosessilla on saavutettu 280 litran saanto tonnista kuivapuuta, mikä vastaa 68 % heksoosisokerien teoreettisesta saannosta. [1] Tislaus on suuri energiankuluttaja etanoliprosesseissa. Tislauksen vaatima energia riippuu etanoliliuoksen alkukonsentraatiosta. Minimissään energiatarve on noin 14,2 GJ/1000 L etanolia. [1] Esikäsittelyssä syntyy myös entsymaattista hydrolyysiä inhiboivia aineita. Entsyymihydrolyysivaiheen sokerisaantoa voidaan parantaa pesemällä esikäsitelty selluloosa vedellä. Tämä kuitenkin laimentaa prosessoitavaa liuosta, mikä lisää haihdutuksen ja tislausvaiheen energiantarvetta, joka voisi olla jopa 28,4 GJ/1000 L etanolia. Etanolin energiasisältö on 21,2 GJ/1000 L. [1] Hydrolyysin entsyymien kierrättäminen on hankalaa, joten entsyymien tulee olla halpoja. Fermentoinnissa syntyvä etanoli inhiboi mikro-organismeja (hiivaa ja bakteereja), mikä rajoittaa etanolin saantoa. Etanolia on mahdollista poistaa fermentorista jatkuvasti esimerkiksi membraaneilla, mikä kuitenkin lisää prosessin kompleksisuutta. Entsyymikatalyysissä substraatti-inhibitio on tavallinen ilmiö. Selluetanolin tuotannossa se tarkoittaa sitä, että korkeat sokeripitoisuudet hidastavat mikro-organismien toimintaa. Toisaalta korkeat sokeripitoisuudet olisivat edellytys tehokkaalle etanolin tuotannolle. Jatkuvatoimisessa tuotannossa fermentointireaktorin virtausnopeus ei saa nousta liian suureksi, jotta mikro-organismit eivät kulkeutuisi pois virran mukana. Myös tämä rajoittaa tuotantoa.
Lähteet: 1. Galbe M., Zacchi G., A review of the production of ethanol from softwood, Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 59, pp. 618-628, 2002.
| |