Regeneroidun selluloosapinnan modifiointi kestämään mikro-organismien toimintaa

Työn tavoitteena oli kehittää mikro-organismeja kestävä suoli eli makkarankuori. Työ suoritettiin modifioimalla regeneroitua selluloosaa. Modifiointiliuoksena käytettiin etikkahapon ja etikkahappoanhydridin seosta, johon lisättiin rikkihappoa katalyytiksi. Työssä etsittiin parasta yhdistelmää, joka koostui modifiointiradannopeudesta, modifiointiliuoskoostumuksesta ja erilaisista modifiointimenetelmistä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin yleisesti asetaattikalvoja, niiden valmistusta ja ominaisuuksia. Lisäksi perehdyttiin entsyymin ominaisuuksiin ja toimintaan yleisesti. Entsyymeistä yksi otettiin lähempään tarkasteluun. Kokeissa regeneroitua selluloosaa modifioitiin liuoksessa, jonka koostumusta muunneltiin. Kokeissa oli kolme erilaista modifiointimenetelmää, joissa käytettiin neljää modifiointiliuoskoostumusta ja kolmea modifiointinopeutta. Mittauksissa tutkittiin modifioinnin vaikutusta suoliin verrattuna normaaleihin suoliin. Suolille tehtiin sekä mekaanisia että kemiallisia testejä. Kemiallisista testeistä tärkein oli testi, jossa modifioitu suoli altistettiin mikro-organismille. Tulosten perusteella valittiin paras menetelmä. Työssä havaittiin yhden menetelmän olevan muita paljon parempi. Tällä menetelmällä suoritettiin toistokokeita, jotka varmistivat jo saatuja tuloksia. Liuoskoostumusten välillä ei ollut suuria eroja, mutta kuitenkin niistä yksi osoittautui parhaimmaksi. Nopeutta oli vaikeampi määrittää, mutta siitäkin saatiin määritettyä tietty haarukka, jossa reaktio oli tehokkain.

Biochemical Modification of Thermomechanical Pulp Fibers

The first objective of this study was to find out reliable laboratory methods to predict the effect of enzymes on specific energy consumption and fiber properties of TMP pulp. The second one was to find with interactive software called “Knowledge discovery in databases” enzymes or other additives that can be used in finding a solution to reduce energy consumption of TMP pulp. The chemical composition of wood and enzymes, which have activity on main wood components were presented in the literature part of the work. The results of previous research in energy reduction of TMP process with enzymes were also highlighted. The main principles of knowledge discovery have been included in literature part too. The experimental part of the work contains the methods description in which the standard size chip, crushed chip and fiberized spruce chip (fiberized pulp) were used. Different types of enzymatic treatment with different dosages and time were tested during the experiments and showed. Pectinase, endoglucanase and mixture of enzymes were used for evaluation of method reliability. The fines content and fiber length of pulp was measured and used as evidence of enzymes' effect. The refining method with “Bauer” laboratory disc refiner was evaluated as not highly reliable. It was not able to provide high repeatability of results, because of uncontrolled feeding capacity and refining consistency. The refining method with Valley refiner did not have a lot of variables and showed stable and repeatable results in energy saving. The results of experiments showed that efficient enzymes impregnation is probably the main target with enzymes application for energy saving. During the work the fiberized pulp showed high accessibility to enzymatic treatment and liquid penetration without special impregnating equipment. The reason was that fiberized pulp has larger wood surface area and thereby the contact area between the enzymatic solution and wood is also larger. Standard size chip and crushed chip treatment without special impregnator of enzymatic solution was evaluated as not efficient and did not show visible, repeatable results in energy consumption decrease. Thereby it was concluded that using of fiberized pulp and Valley refiner for measurements of enzymes' effectiveness in SEC decrease is more suitable than normal size chip and crushed chip with “Bauer” refiner. Endoglucanase with 5 kg/t dosage showed about 20% energy consumption decrease. Mixture of enzymes with 1.5 kg/t dosage showed about 15% decrease of energy consumption during the refining. Pectinase at different dosages and treatment times did not show significant effect on energy consumption. Results of knowledge discovery in databases showed the xylanase, cellulase and pectinase blend as most promising for energy reduction in TMP process. Surfactants were determined as effective additives for energy saving with enzymes.

Entsyymien talteenotto ja kierrätys selluloosaetanolin valmistuksessa

Bioetanolin valmistus selluloosapitoisista raaka-aineista vaatii selluloosapolymeerien pilkkomisen liukoisiksi sokereiksi. Tämä voidaan toteuttaa entsymaattisella hydrolyysillä. Selluloosan pilkkomiseen tarkoitetut entsyymit, sellulaasit, ovat entsymaattisen hydrolyysin jälkeen sitoutuneet joko kiintoainefaasiin tai ovat nestemäisessä faasissa ns. vapaina entsyymeinä. Prosessin taloudellisuuden kannalta on erityisen tärkeää minimoida siinä käytettävien entsyymien tarve, sillä tehokkaat entsyymivalmisteet ovat suhteellisen kalliita. Yksi varteenotettava vaihtoehto bioetanoliprosessin saamiseksi taloudellisemmaksi on käytettyjen entsyymien talteenotto ja kierrätys. Työn tarkoituksena oli selvittää kirjallisuudesta, millaisia menetelmiä on kehitetty entsyymien talteenottoon ja kierrätykseen lignoselluloosasta valmistettavan bioetanolin valmistuksessa. Työssä on keskitytty tuoreisiin tutkimuksiin ja menetelmien käyttökelpoisuuteen ja taloudellisuuteen. Viime vuosina sellulaasien talteenotto- ja kierrätysmenetelmiä koskevat tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa käsittelemään nanopartikkelien avulla tapahtuvaa entsyymien immobilisointia, ultrasuodatusta, erilaisia desorptiomenetelmiä, kiinteän hydrolyysijäännöksen kierrättämistä, tuoreen substraatin lisäämistä sekä myös tislausvaiheen jälkeistä entsyymien kierrättämistä. Jotta kierrätysmenetelmä olisi tehokas, tulisi sen pyrkiä säilyttämään entsyymien aktiivisuuksia, sokerisaantoa menettämättä ja sisältää sekä neste-, että kiintoainefaasista tapahtuva kierrätys. Jokaisella kierrätysmenetelmällä on hyvät ja huonot puolensa. Entsyymien talteenottoastetta saadaan kuitenkin parannettua yhdistämällä erilaisia menetelmiä. Useista tutkimuksista huolimatta, taloudellisinta ja käyttökelpoisinta entsyymien talteenotto- ja kierrätysmenetelmää ei ole vielä saavutettu.

Sellulaasit ja niiden käyttö teollisuudessa

Kandidaatintyön kirjallisuuskatsauksessa esitellään selluloosan entsymaattisen hydrolyysin toimintamekanismi ja kerrotaan sellulaasien käytöstä aiheutuvista eduista ja haitoista eri teollisuussovelluksissa.