Biokaasu-, bioetanoli- ja yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditase vertailu

Biojäte soveltuu erinomaisesti biokaasuprosessin raaka-aineeksi sisältämänsä runsaan or-gaanisen aineksen vuoksi. Bioetanoliprosessin raaka-aineeksi se soveltuu, koska biojäte sisäl-tää runsaasti tärkkelystä sekä selluloosaa. Tässä työssä tutkittiin laskennallisesti bioetanoli-, biokaasu- sekä näiden yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditaseita kirjallisuuden tietoihin pohjautuen. Biokaasuprosessista lopputuotteena saatavan biometaanin käyttäminen bensiiniä korvaavana liikennepolttoaineena tuottaa jo pelkästään palamistuotteena syntyvän hiilidioksidin säästöinä 62 kg/tbiojätettä. Energian suhteen biokaasuprosessi on selvästi yliomavaraisin kaikista kolmesta prosessista, vaikka energiankulutukseen huomioidaan myös jalostuksen tarvitsema sähkönku-lutus. Biokaasuprosessissa oma käyttö on alle 20 % lopputuotteen lämpöarvosta, yhdistelmä-prosessin osalta luku on 4 %-yks alhaisempi.

Jäänhoitokoneen voimansiirron kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli tutkia jäänhoitokoneen nykyisen voimanlähteen mahdollista korvaamista eri tekniikkaan perustuvilla voimanlähteillä. Teoriaosassa tutustutaan jäänhoidon historiaan eli mistä tarve jäänhoitokoneiden suunnitteluun ja valmistukseen on syntynyt. Samoin esitellään jäähoidon koko prosessi ja eri käyttövoimanlähteet mitä maailmalla jäänhoitokoneissa on käytössä. Käytännön osuus keskittyy aluksi esittelemään jäänhoitokoneen nykyisen toimintaperiaatteen, siinä käytetyt komponentit sekä kartoittaa koko järjestelmän heikkoudet ja vahvuudet. Osuudessa selvitetään myös kahden nykyisestä poikkeavien voimanlähteiden toimintaperiaatteet sekä niiden mahdollisuudesta korvata jäänhoitokoneen nykyinen järjestelmä. Näiden osalta selvitetään myös vaihtoehtoisten tekniikoiden heikkoudet ja vahvuudet. Työn tuloksena selvisi, että uudet korvaavat voimanlähteet ovat vielä kehitysvaiheessa eikä siis vielä tarpeeksi valmiita, suorituskykyisiä tai saasteettomia korvaamaan nykyistä 0-päästöistä sähkömoottorijärjestelmää. Sen sijaan kehitysehdotuksena syntyi idea nykyisen järjestelmän optimoimisesta paremman hyötysuhteen ja sitä mukaa akkujen eliniän parantamiseksi.

Kromatografinen erotus bioetanolin valmistuksessa lignoselluloosasta

Bioetanolin tuotanto kiinnostaa monissa maissa johtuen kansainvälisissä sopimuksissa määritellyistä ilmastotavoitteista. Työssä tutkittiin laboratorio-oloissa ioninvaihtohartsien ominaisuuksien ja erotuksen olosuhteiden vaikutusta rikkihapon ja glukoosin kromatografiseen erotukseen. Tehokkaimmaksi hartsiksi osoittautui polysulfonoitu mesohuokoinen vahva kationinvaihtohartsi Finex CS100C. CS100C:lla voitiin erottaa rikkihappoa ja glukoosia tehokkaimmin korkeissa 25 p-% ja 36 p-% glukoosi- ja rikkihappo-pitoisuuksissa. Lisäksi sillä havaittiin suurin tuotto simuloidussa liikkuvassa pedissä. Yhdessä kolonnissa suoritetuissa erotuskokeissa tutkittiin hartsien erotuskykyä rikkihapolle ja glukoosille sekä virtausnopeuden vaikutusta erotukseen lämpötilassa 22 °C. Saatujen tulosten pohjalta valittiin CS11GC, CS16GC ja CS100C tarkempaan isotermin määritykseen ja simulointiin hyvän erotuskyvyn sekä keskinäisten erojen takia. Adsorptioisotermit määritettiin kolonnikokein sekä 22 °C:n että 50 °C:n lämpötilassa. Isotermeistä havaittiin, että tasapaino kiinto- ja liuosfaasien välille saavutetaan rikkihapolla alhaisella 1 cm3/min virtausnopeudella varmemmin kuin suuremmalla 2,5 cm3/min virtausnopeudella. 50 °C:n lämpötilassa hapon ja glukoosin isotermit olivat jyrkempiä kuin 22 °C:n lämpötilassa. Määritettyihin hapon ja sokerin isotermeihin sovitettiin mallit, joiden parametreja käytettiin yksittäisen kolonnin simulointiin. Simuloinnissa oli estimoitavia parametreja yhdellä kolonnilla aineensiirtokertoimet sekä läpäisykäyristä määritetyt isotermiparametrit glukoosille sekä rikkihapolle ja SMB–erotuksessa vyöhykkeiden 2 ja 3 suhteelliset virtausnopeudet. Siirryttäessä lämpötilojen 22 °C ja 50 °C välillä hartsien parametrit muuttuivat sokerille täysin ja hapolle vain aineensiirtokertoimen osalta. CS100C oli tehokkain SMB–erotuksessa korkeimmalla 0,11 cm3/min tuottavuudella 95 %:n saannon saavuttamiseksi 95 % tuotepuhtaudella raffinaatissa ja ekstraktissa.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Kiintoaineen ja nesteen erotusprosessit lignoselluloosaetanolin tuotannossa

Työn tarkoituksena on tehdä kirjallisuuskatsaus kiintoaine-neste-erotusprosesseihin lignoselluloosaetanolin tuotannossa. Työssä keskitytään hydrolysoidun ligniinipitoisen lignoselluloosamateriaalin kiintoaine-neste-erotukseen. Tarkoituksena on tutkia lignoselluloosamateriaalin suodatus- ja sentrifugointiprosesseja sekä niiden vaikutusta lignoselluloosaetanolin tuotantoon.

Biopolttoaineiden ongelmat

Biopolttoaineilla on tärkeä rooli tulevaisuuden energiahuollossa. Biopolttoaineiden käyttöä pyritäänkin lisäämään monin keinoin. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet ovat jo olleet aikansa markkinoilla ja toisen sukupolven polttoaineet ovat saapumassa markkinoille. Tässä työssä tutkitaan eri biopolttoaine vaihtoehtoja ensimmäisestä toiseen sukupolveen sekä tutkitaan niiden käytön ongelmia. Biopolttoaineiden käyttö on lisääntynyt huomattavasti viime vuosien aikoina, jonka myötä on tullut esiin monia ongelmia. Ongelmia aiheuttavat niin ilmastolliset, taloudelliset, teknologiset kuin valtapoliittiset asiat.

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.