Sakkaroosin hydrolyysi immobilisoidulla entsyymillä

Työssä tutkittiin sakkaroosin hydrolyysiä anioninvaihtohartseihin immobilisoidun entsyymin avulla tavoitteena löytää sellainen kantaja-entsyymi -yhdistelmä, jolla konversio halutuiksi lopputuotteiksi olisi mahdollisimman korkea. Työhön valittiin aikaisemmissa laboratoriokokeissa parhaita tuloksia saavuttaneet kantaja-entsyymi -parit. Entsyymeinä oli kaksi nestemäistä Saccharomyces cerevisiae -hiivasta eristettyjä entsyymivalmistetta. Kokeissa käytetyt kantajamateriaalit olivat erilaisia heikkoja anioninvaihtohartseja. Entsyymit immobilisoitiin kantajaan sekoitusreaktorissa ja niiden aktiivisuudet määritettiin sitomisen jälkeen. Hydrolyysikokeet tehtiin jatkuvatoimisessa kiintopetireaktorissa ja lisäksi panos-kokeina tutkittiin ominaisuuksiltaan erilaisten kantajien eroja hydrolyysissä. Reaktio-olosuhteet pidettiin kaikissa kokeissa samoina. Sakkaroosiliuoksen pitoisuus oli 50 p-%, reaktiolämpötila 50 oC ja pH 5. Kiintopetikolonnissa tutkittiin myös sakkaroosi-liuoksen viipymäajan vaikutusta sivutuotteiden syntyyn. Näytteet analysoitiin neste-kromatografilla. Kiintopetikolonnissa lyhimmän viipymäajan (15 min) kokeissa ainoastaan hitaimmilla kantaja-entsyymi -pareilla muodostui sivutuotteita, jotka hydrolyysireaktion edetessä kuitenkin hävisivät. Kun viipymäaikaa kasvatettiin sivutuotteiden synty väheni ja lopulta niitä ei havaittu syntyvän lainkaan. Hydrolyysin edetessä viipymäajan ollessa tarpeeksi pitkä pienet sivutuotekomponentit hävisivät sakkaroosin hajotessa kokonaan glukoosiksi ja fruktoosiksi. Verrattaessa partikkelikoon ja hartsimatriisin vaikutusta samaan entsyymiin sidottuna havaittiin, että niillä kummallakin on vaikutusta sekä sakkaroosin hydrolyysi-nopeuteen että sivutuotteiden muodostumiseen.

Kuormituksen vaikutus kromatografiseen erotukseen alikriittisellä vedellä

Teollisessa kromatografiassa kolonnia pyritään kuormittamaan mahdollisimman paljon, jotta saataisiin maksimoitua erotetun komponentin määrä aikayksikköä kohden. Tässä työssä kuormitusta tutkittiin nostamalla syöttöliuoksen, synteettisen melassin, näyteväkevyyttä 80-125 ºC:ssa. Eluenttina oli paineistettu kuumaa vesi ja hartsina vahva Na-muotoinen PS-DVB pohjainen vahva kationinvaihtohartsi. Lämpötilaa nostamalla piikit kapenivat ja tulivat symmetrisemmiksi, erotus nopeutui sekä suola erottui usein paremmin sokereista. Syöttöliuoksen kuiva-ainetta lisättiin asteittain 55 p-% saakka, jolloin ei vielä havaittu ongelmia erotuksessa. Lämpötilassa 125 ºC havaittiin erotuksen aikana kuormituksesta riippumatonta sakkaroosin invertoitumista. Vertailtaessa eri stationäärifaaseja havaittiin Na-muotoisen PS-DVB pohjaisen kationinvaihtohartsin erottavan yleensä sokereita, sokerialkoholeja, oligosakkarideja ja betaiinia lähes poikkeuksetta paremmin alhaisilla pitoisuuksilla kuin neutraalihartsi ja Na-muotoinen zeoliitti. Erottuminen ei yleensä parantunut lämpötilaa nostamalla, mutta piikit kapenivat ja erotus nopeutui. Monosakkaridien erotus huononi 125 ºC:ssa kationinvaihtohartsilla. Tutkittaessa terveysvaikutteisten ksylo-oligosakkaridien soveltuvuutta alikriittiseen erotukseen, niiden havaittiin huomattavasti hydrolysoituvan happamissa olosuhteissa koeputkessa 100 ºC:ssa kahdessa tunnissa. Näytteessä olevien epäpuhtauksien havaittiin katalysoineen hydrolyysiä. Hydrolysoituminen oli hitaampaa neutraaleissa olosuhteissa korotetussa lämpötilassa. Tästä voitiin tehdä johtopäätös, että alikriittiset olosuhteet eivät sovi ksylo-oligosakkaridien erotukseen.

Uusien polyuretaanimateriaalien kehittäminen

Polyuretaanielastomeerit ovat jaksottaisia sekapolymeerejä, jotka muodostuvat vuoroittaisista joustavien ketjujen segmenteistä ja hyvin polaarisista kovista segmenteistä. Kemiallinen rakenne ja ominaisuudet riippuvat käytetyistä reaktiokomponenteista. Pehmeän segmentin muodostaa polyoli ja kovan segmentin muodostaa yleensä di-isosyanaatti ja ketjunjatkaja. Polyuretaanielastomeerien valmistus tapahtuu valamalla, jolloin reaktiokomponentit ovat nestemäisiä. Työssä tutkittiin kahta perusmateriaalia ja yhden lisäaineen vaikutusta niiden ominaisuuksiin. Erityisesti kiinnitettiin huomiota dynaamisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin ja verrattiin aineita keskenään. Käytettyjä karakterisointimenetelmiä olivat kontaktikulmamittaukset, DMTA-mittaukset, dynaaminen rasittaminen pyörityslaitteella, elektronimikroskopia, hydrolyysitesti, vetotesti ja kulutustesti. Tutkittujen materiaalien pääasiallinen käyttökohde on pyörä- tai telapinnoitteena. Työn aikana kehitettiin pyörityslaite, jolla voitiin tutkia pinnoitemateriaalin käyttäytymistä halutuissa rasitusolosuhteissa. Lisäaineen vaikutus dynaamisiin ominaisuuksiin oli negatiivinen tai olematon, sillä DMTA-testien perusteella lisäaine kasvatti materiaalien häviötekijää (tan d). Pyöritystestien perusteella lisäaineella ei ollut vaikutusta hystereesiin eli pinnoitemateriaalin lämpenemiseen testin aikana. Uusi tutkittu materiaali osoittautui dynaamisissa kokeissa paremmaksi kuin vanha tuotantomateriaali. Lisäaine kasvatti molempien tutkittujen aineiden pintaenergiaa kontaktikulmamittausten perusteella. Tuotantoaineen vetomurtolujuus kasvoi lisäaineen vaikutuksesta, mutta uuden aineen vetomurtolujuus pieneni. Lisäaineella oli lievä hydrolyysiltä suojaava vaikutus tutkituilla perusaineilla. Uusi tutkittu perusmateriaali sieti hydrolyysiä paremmin kuin tuotantomateriaali, koska sen valmistuksessa käytettiin polyeetteripolyolia ja tuotantomateriaalissa polyesteripolyolia.

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.

Purified lignin for demanding applications

Diplomityön tarkoituksena oli puhdistaa kraft ligniiniä. Raaka-aineena käytettiin pääasiassa Lignoboost -menetelmän kaltaisella menetelmällä havupuu- mustalipeästä saostettua ligniiniä. Diplomityön ensimmäisenä tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voidaan poistaa kraft ligniinistä tuhkaa. Työssä raaka-aineena käytetyn saostetun ligniinin tuhkapitoisuus oli noin 3 %. Tarkoituksena oli saada laskettua tuhkapitoisuutta uudelleenlieton, suodatuksen ja pesun avulla. Työn toisena tavoitteena oli hiilihydraattien poisto kraft ligniinistä. Hiilihydraatit, pääosin hemiselluloosaa, ovat kiinnittyneet ligniiniin vahvoin kovalenttisin sidoksin. Aiempien kokemusten perusteella hemiselluloosat eivät irtoa ligniinistä vesipesun yhteydessä, vaan niiden irrottaminen vaatii onnistuakseen happo-, entsyymi- tai mikrobikäsittelyn, mikäli halutaan säilyttää ligniinin rakenne muuttumattomana. Tässä työssä käytetyt kraft ligniinin puhdistusmenetelmät olivat lietto, happohydrolyysi ja entsymaattinen hydrolyysi, joista kumpikin sisälsi ligniinin uudelleenlieton, suodatuksen ja muodostuneen kakun pesun vedellä.

Kartonkijätteestä bioetanolia - Hydrolysoitujen sokerien erotus ja väkevöinti fermentointia varten

Tässä diplomityössä tutkittiin upotettavien membraanisuodattimien soveltuvuutta sakean hydrolysaattin suodattamiseen ja esisuodatettujen sokereiden väkevöintiä membraanisuodatuksella fermentointia varten. Työssä käytettiin kierrätyskartongista entsyymien avulla valmistettua hydrolysaattia. Sakean hydrolysaatin suodattamiseen käytettiin Kubota Membranesin upposuodatusmoduuleja ja suodatuslaitteistoa. Upposuodatusmoduulien likaantumisen vähentämiseksi suodatuksissa käytettiin ilmasekoitusta ja vastavirta-pesua. Upposuodatusmoduulilla kirkastettua hydrolysaattia väkevöitiin nanosuodatuksella ja tulosta verrattiin painesuodatuksella kirkastetun hydrolysaatin nanosuodatukseen. Konsentrointisuodatusten alussa testattiin neljää nanosuodatuskalvoa hydrolysaatin konsentrointiin. Sokereiden konsentrointiin valittiin Dow FilmTecTM NF-270 nanosuodatuskalvo sen korkean sokeriretention ja hyvän vuon perusteella. Sakean hydrolysaatin esisuodatuksessa ei upotettavien membraanimoduulien ja painesuodatuksen välillä havaittu merkittäviä eroja. Työn perusteella upposuodatusmoduulien käyttö sakean hydrolysaatin suodattamisessa on kuitenkin mahdollista. Tämä mahdollistaisi sokereiden jatkuvatoimisen erottamisen hydrolysaatista. Konsentrointisuodatuksissa molemmilla esisuodatetuilla hydrolysaateilla saavutettiin yli 10 % sokerikonsentraatio ilman suurta sokerihävikkiä. Sokeriretentio pysyi myös konsentraation kasvaessa 80 % yläpuolella.

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.

Puuperäisten biomassahydrolysaattien likaamien membraanien pesu

Tässä diplomityössä tutkittiin biomassahydrolysaatilla liattujen ultrasuodatusmembraanien pesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään membraanien likaantumista ja pesua, puuperäistä biomassahydrolysaattia sekä biomassahydrolysaatin suodatusta membraaneilla ja membraanien karakterisointia. Kokeellisessa osassa tutkittiin pesuaineiden vaikutusta koivuhydrolysaatilla liattujen membraanien peseytyvyyteen. Käytetyt ultrasuodatusmembraanit olivat Alfa Lavalin UFX5 ja ETNA01PP. Membraanien pesussa käytettiin Ecolabin entsymaattisia P3-ultrasil 53 ja P3-ultrasil 67 pesuaineita yhdessä emäksisen P3-ultrasil 69 pesuaineen kanssa sekä hapanta P3-ultrasil 75 pesuainetta. Lisäksi emäksisiä P3-ultrasil 110, P3-ultrasil 112 ja P3-ultrasil 115 pesuaineita. Emäksisten pesujen tehokkuutta vertailtiin pelkällä natriumhydroksidilla tehtyyn pesuun. Membraanien likaantumista arvioitiin mittaamalla puhtaan veden vuota ennen ja jälkeen likaantumissuodatuksen ja laskemalla niiden vuoarvojen erotus. Samalla tavalla arvioitiin pesuaineiden vaikutusta membraanin peseytyvyyteen. Lisäksi peseytyvyyttä arvioitiin FTIR–analyyseillä, kontaktikulmamittauksilla ja membraanin sisältämän ligniinin värjäyksellä. Tutkimuksissa havaittiin, että koivuhydrolysaatilla liatuille UFX5 membraaneille vesivuon sekä FTIR–spektrin muuttumisen perusteella sopii parhaiten emäksisen ja happaman pesuaineen kaksivaiheinen pesu. Kontaktikulman palautumisen perusteella parhaiten sopi pelkällä emäksisellä P3-Ultrasil 115 tehty pesu. Ligniiniä parhaiten, mikroskooppiin liitetyllä kameralla otettujen kuvien perusteella, poisti entsymaattinen P3-ultrasil 67, mutta tämä samalla modifioi membraanin pintaa. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että emäksinen ja entsymaattinen pesuaine pesevät melko hyvin koivuhydrolysaatilla liattuja membraaneja. Lisäksi havaittiin, että ligniini tunkeutuu suodatuksissa membraanin sisään, joten pelkkä pesuaineen kierrättäminen laitteistossa ei riitä vaan tarvitaan paineellista pesua.

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.