|
Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä
Kimmo Klemola Selluloosaetanoli (tai lignoselluloosaetanoli tai selluetanoli) on ns. toisen sukupolven biopolttoaine eli se valmistetaan biomassasta, joka ei ole ruokaa tai kilpaile suoraan ruoantuotannon kanssa. Itse tuote, etanoli, on aivan sama kuin ohrasta, maissista, sokeriruo'osta tai muusta ruokakasvista valmistettava ensimmäisen sukupolven etanoli. Selluloosaetanolin raaka-aineita voivat olla maatalousjätteet, puu ja puunkorjuutähteet, heinäkasvit sekä yhdyskuntajäte. Raaka-aine on yleensä edullista, mutta tuotantokustannukset ovat este laajamittaiselle selluloosaetanolituotannolle. Teknologia alalla menee kuitenkin vauhdilla eteenpäin. Ensimmäinen teollinen puuetanoliprosessi oli Yhdysvalloissa 1910-luvulla. Tonnista kuivaa puuta saatiin 65–85 kg eli 82–108 litraa etanolia. Tonni kuivaa biomassaa tuottaa teoreettisesti pelkästä heksoosifraktiosta 410 L etanolia, ja jos kaikki sokerit otetaan mukaan etanolisaanto on 455 L. Monomeerisokerien tuottaminen lignoselluloosasta on huomattavan hankalaa verrattuna sokerien tuottamiseen sokeri- ja tärkkelyspitoisista viljelykasveista kuten sokeriruo’osta tai maissista. Vaikka lignoselluloosabiomassaa on huomattavasti edullisempi tuottaa kuin sokeri- tai viljelyskasveja, ei sokerien tuottaminen etanoliprosessia varten toistaiseksi ole ollut taloudellisesti järkevää. Selluloosabiomassan muuntaminen etanoliksi vaatii neljä pääprosessivaihetta:
Sellupohjaisen biomassan hydrolysointi tapahtuu kahdessa vaiheessa sokerien saannon maksimoimiseksi. Ensimmäisessä vaiheessa hemiselluloosa hydrolysoidaan sokereiksi. Tämä vaihe vaatii miedommat prosessiolosuhteet kuin toinen vaihe, joka optimoidaan vaikeammin hydrolysoitavan selluloosan hydrolysoimiseksi. Lignoselluloosabiomassan happohydrolyysi on tunnettu jo vuodesta 1819 lähtien. Esimerkkejä ovat modifioitu Bergius–Rheinau-prosessi (40-% HCl) toisen maailmansodan Saksassa ja modifioitu Scholler–Tornesch-prosessi (0,4-% H2SO4) Neuvostoliitossa, Japanissa ja Brasiliassa. Happona voidaan käyttää esimerkiksi rikkihapoketta, rikkihappoa, suolahappoa, fluorivetyhappoa, fosforihappoa, typpihappoa ja muurahaishappoa. Hapot voivat olla joko väkeviä tai laimeita. On arvioitu, että 50–60 % puun energiasta voidaan saada talteen etanolina ja ligniininä [1]. Metsätähde- ja jätepaperipohjainen etanoli olisi biometanolia (voidaan myös käyttää polttoaineena) kalliimpaa. Biometanolin on raportoitu puolestaan olevan noin kaksi–neljä kertaa kalliimpaa kuin Lähi-idän maakaasupohjainen metanoli megametanolilaitoksilla tuotettuna. [2] Ongelmaksi bioetanolin tuotannossa saattaa muodostua biomassaraaka-aineen riittävyys ja raaka-ainepulan mukana kohoava hinta. Viljelymaan määrääkään ei pystytä kasvattamaan rajattomasti. Sokerien lisäksi lignoselluloosabiomassan hydrolyysissä syntyy tai vapautuu sivutuotteita, kuten alifaattisia happoja (etikkahappo, muurahaishappo ja levuliinihappo), furfuraaleja ja fenolisia yhdisteitä. Jotkut näistä yhdisteistä saattavat toimia fermentoinnissa myrkkyinä ja ne on poistettava ennen fermentointia. Tärkeimmät sivutuotteet ovat furaanit, karboksyylihapot ja fenoliset yhdisteet. Furaaneista tärkeimmät ovat pentooseista syntyvä furfuraali ja heksooseista syntyvä 5-hydroksimetyylifurfuraali. Monia karboksyylihappoja on havaittu syntyvän hydrolyysiprosessissa. Levuliini- ja muurahaishapon uskotaan olevan 5-hydroksimetyylifurfuraalin hajoamistuotteita. Ligniinistä syntyy aromaatteja ja polyaromaatteja. Fenolisia yhdisteitä ovat mm. fenoli, vanilliini, vaniljahappo, vanillyylialkoholi, 4-hydroksibentsoehappo, 4-hydroksibentsaldehydi, kumaronihappo, kanelialdehydi, dihydrokoniferyylialkoholi, hydrokinoni, katekoli ja veratroli. Muita sivutuotteita ovat formaldehydi, maltoli, 2-hydroksimetyylifuraani, dihydroksiasetoni, glyseraldehydi ja metyyliglyoksaali. Monet näistä sivutuotteista ovat fermentointimyrkkyjä tai -inhibiittoreita. [3] Hydrolyysin sivutuotteet inhiboivat fermentiota eri mekanismeilla ja inhibiittorien vaikutus saattaa perustua joskus niiden yhteisvaikutukseen. Ennen fermentointia inhibiittorit on poistettava. Tämä vaihe saattaa olla varsin hankala ja kallis. Hydrolyysituotteen kalkkikäsittely on yleisin inhibiittorien poistomenetelmä. Siinä Ca(OH)2-lisäyksellä pH nostetaan 9–10:een ja sen jälkeen pH lasketaan hapolla fermentoinnille sopivaksi. Haihduttamalla saadaan joitain inhibiittoreita poistettua. Etikka- ja muurahaishappo voidaan poistaa esimerkiksi uuttotislauksella. Myös neste–nesteuuttoa, kromatografiaa, membraanitekniikkaa ja biologista käsittelyä voidaan käyttää inhibiittorien poistamiseen. Etanolin tuotantoon biomassasta voidaan käyttää hydrolyysin lisäksi myös termokemiallisia menetelmiä. Biomassa kaasutetaan, jonka jälkeen se joko fermentoidaan tai konvertoidaan katalyyttisesti etanoliksi. Teknologia on kuitenkin vaativa ja kehitys on vasta alkuvaiheessa.
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. 2. Mäkinen Tuula, Sipilä Kai, Nylund Nils-Olof, Liikenteen biopolttoaineiden tuotanto- ja käyttömahdollisuudet Suomessa, VTT tiedotteita 2288, 2005. 3. Taherzadeh Mohammad J., Ethanol from lignocellulose: physiological effects of inhibitors and fermentation strategies, Thesis for the degree of doctor of philosophy, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 1999.
Ks. myös LTY:n Teknillinen kemia -kurssin oppilastyöt:
| |