Biomass fractionation

The objective of this master's thesis was to develop a process to increase the value of residual fungal biomass as an animal feed. The increase in value is achieved by enriching the protein content in the biomass and potentially isolating other valuable fractions for productisation. In the literature part of this thesis the composition of fungal biomass and fungal cell wall and the factors affecting them during cultivation are presented. The possible processing options are also presented and evaluated. The soy protein and single cell protein product manufacturing processes are used as examples due to the lack of fungal biomass fractionation processes found in published literature. The second part of this thesis was performed by making laboratory experiments on the developed process, which consisted of acid hydrolysis with subsequent ethanol extraction. Chitin was precipitated from the acid hydrolysate filtrate. The experiments were conducted with three different hydrolysis temperatures and three different acid concentrations. The optimal hydrolysis conditions were 60 °C with 10 %-vol acid concentration. Optimal conditions in hydrolysis resulted in 30 % increase in protein content in the final biomass. The conceptual process was modelled to scale of 10 000 t/a biomass feed. The mass and energy balances were based on the laboratory experiments. Economic calculations were performed to determine the maximal capital expense while achieving 10 % internal rate of return for the investment. For the basic case the capital expense threshold was 25.8 M€. Four optional cases and parameter sensitivity analysis were performed to determine the effects of changes in the process. The chitin sales had the greatest impact of the individual parameters.

Tässä työssä kehitettiin prosessi kohottamaan öljyerotetun sienibiomassan arvoa eläintenrehuna. Biomassan proteiinipitoisuutta kohotettiin ja muita arvokkaita jakeita pyrittiin eristämään tuotteistusta varten. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin sienibiomassan ja sienten soluseinän koostumus sekä niihin vaikuttavat tekijät kasvatuksen aikana. Mahdollisia prosessointivaihtoehtoja on esitelty ja arvioitu kirjallisuudesta. Soija- ja sieniproteiini tuotteita on käytetty esimerkkeinä, koska öljyerotetun sienibiomassan fraktioinnista ei ole julkaistua kirjallisuutta saatavilla. Työn kokeellisessa osassa on raportoitu tehdyt laboratoriokokeet valitulle prosessille. Prosessiin koostui happohydrolyysistä ja etanoliuutosta. Kitiini pyrittiin saostamaan suodatetusta happojakeesta. Kokeet tehtiin kolmessa eri hydrolyysilämpötilassa kolmella eri happokonsentraatiolla. Optimaaliset hydrolyysiolosuhteet proteiinisaannon suhteen olivat 60 °C 10 %-vol happokonsentraatiolla, jolloin biomassan proteiinipitoisuus nousi 30 %. Prosessikonsepti mallinnettiin ja skaalattiin 10 000 t/a biomassan syötölle. Massa- ja energiataseet laskettiin laboratoriokokeiden perusteella. Talouslaskelmilla pyrittiin määrittämään korkein investointikustannustaso laitokselle, jotta sijoituksen sisäinen korko olisi 10 %. Tämä investointikustannustaso oli perusmallissa 25.8 M€. Neljä vaihtoehtoista mallia ja herkkyysanalyysi tehtiin, jotta voitiin määrittää muutosten vaikutus prosessin taloudellisuuteen. Kitiinistä saatavien tulojen muutos vaikutti eniten taloudellisuuteen.