Lipidierotellun mikroleväbiomassan hyödyntäminen biokaasun tuotannossa
Toivanen, Eemeli (2022)
Toivanen, Eemeli
2022
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205034321
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205034321
Tiivistelmä
Biopolttoaineet ovat tärkeä uusiutuva vaihtoehto fossiilisille polttoaineille, joiden käyttöä pitäisi vähentää. Biopolttoaineita voidaan valmistaa monista eri biomassoista, mutta usein käytetyt maakasvien biomassat kilpailevat viljelysmaan kanssa ja niiden kasvu on kausiluontaista sekä hidasta. Mikroleväbiomassa on mikrolevien tehokkaan kasvun sekä suurten solunsisäisten lipidikonsentraatioiden takia houkutteleva biopolttoaineiden raaka-aine. Mikrolevien mikroskooppisen koon takia niiden hyödyntäminen on kuitenkin teknisesti haastavaa ja kallista.
Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia kirjallisuuden pohjalta, miten samasta mikroleväbiomassasta voitaisiin valmistaa kahta biopolttoaineita – biokaasua ja biodieseliä. Tutkimus keskittyy lipidierotellun mikroleväbiomassan hyödyntämiseen biokaasun tuotantoprosessissa, jolla voitaisiin tuottaa energiaa biokaasun avulla lämmön ja sähkön muodossa. Tuotettu energia käytettäisiin mikrolevien lipidejä hyödyntävässä biodieselin valmistusprosessissa lipidien erotteluun mikrolevistä sekä mikrolevien kasvatuksessa. Lisäksi pohditaan biokaasuprosessista jäljelle jäävien ravinteiden hyödyntämisen tärkeyttä mikrolevien kasvatuksessa.
Ensin työssä tutustutaan biokaasuprosessiin ja sen vaiheisiin sekä avataan erityisesti anaerobista mädätysprosessia, jolla biokaasua tuotetaan. Tämän jälkeen tutkitaan mikrolevien ominaisuuksia ja kasvattamista biopolttoaineiden raaka-aineeksi. Lopuksi esitetään, miten samasta mikroleväbiomassasta voidaan tuottaa biodieseliä sekä biokaasua ja minkälaisia etuja ja haasteita tuotannolla on.
Tutkimuksen perusteella havaittiin, että mikrolevien hyödyntäminen biopolttoaineiden tuotannossa vaatii runsaasti energiaa ja suuria investointeja erityisesti mikrolevien kasvatuksessa sekä lipidien erottelussa biodieselin tuotantoa varten. Biokaasun tuotantoprosessilla voitaisiin hyödyntää lipidien erottelusta jäljelle jäävä mikroleväbiomassa ja tuotetulla biokaasulla voitaisiin kattaa osa mikrolevien kasvatuksessa ja biodieselin tuotannossa vaaditusta energiasta. Lisäksi anaerobisesta mädätysprosessista jäljelle jäävä käsittelyjäännös sisältää runsaasti ravinteita, jonka nestefraktio voidaan ohjata takaisin mikrolevien kasvatukseen, jolloin prosessin vaatimat ulkoiset materiaalipanokset pienenevät.
Biokaasuprosessin haasteena on kuitenkin lipidierotellun mikroleväbiomassan soveltuvuus anaerobiseen mädätysprosessiin. Erityisesti ongelmia aiheutuu ammoniakki-inhibitiosta lipidierotellun mikroleväbiomassan suuren typpipitoisuuden takia. Anaerobista mädätysprosessia voidaan tehostaa jakamalla se toimimaan useammissa biokaasureaktoreissa peräkkäin ja/tai käsittelemällä mikroleväbiomassan kanssa samaan aikaan hiilihydraattipitoisia syötteitä yhteiskäsittelyllä sekä optimoimalla prosessin olosuhteet käytetylle syötteelle.
Tutkimuksen johtopäätökseksi saatiin, että mikroleviä hyödyntämällä voidaan teoriassa toteuttaa tehokkaasti ravinteita hyödyntävä ja hiilidioksidia sitova biodieselin valmistuslaitos, jonka vaatima ulkoinen materiaalipanos on minimaalinen. Esitetty prosessi hyödyntäisi biokaasuprosessia ravinteiden kiertoon ja energian tuotantoon koko prosessin tarpeisiin. Biojalostamon toteuttaminen käytännössä vaatii kuitenkin vielä sen vaatimien osaprosessien kehittymistä sopivimmiksi teolliseen mittakaavaan.
Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia kirjallisuuden pohjalta, miten samasta mikroleväbiomassasta voitaisiin valmistaa kahta biopolttoaineita – biokaasua ja biodieseliä. Tutkimus keskittyy lipidierotellun mikroleväbiomassan hyödyntämiseen biokaasun tuotantoprosessissa, jolla voitaisiin tuottaa energiaa biokaasun avulla lämmön ja sähkön muodossa. Tuotettu energia käytettäisiin mikrolevien lipidejä hyödyntävässä biodieselin valmistusprosessissa lipidien erotteluun mikrolevistä sekä mikrolevien kasvatuksessa. Lisäksi pohditaan biokaasuprosessista jäljelle jäävien ravinteiden hyödyntämisen tärkeyttä mikrolevien kasvatuksessa.
Ensin työssä tutustutaan biokaasuprosessiin ja sen vaiheisiin sekä avataan erityisesti anaerobista mädätysprosessia, jolla biokaasua tuotetaan. Tämän jälkeen tutkitaan mikrolevien ominaisuuksia ja kasvattamista biopolttoaineiden raaka-aineeksi. Lopuksi esitetään, miten samasta mikroleväbiomassasta voidaan tuottaa biodieseliä sekä biokaasua ja minkälaisia etuja ja haasteita tuotannolla on.
Tutkimuksen perusteella havaittiin, että mikrolevien hyödyntäminen biopolttoaineiden tuotannossa vaatii runsaasti energiaa ja suuria investointeja erityisesti mikrolevien kasvatuksessa sekä lipidien erottelussa biodieselin tuotantoa varten. Biokaasun tuotantoprosessilla voitaisiin hyödyntää lipidien erottelusta jäljelle jäävä mikroleväbiomassa ja tuotetulla biokaasulla voitaisiin kattaa osa mikrolevien kasvatuksessa ja biodieselin tuotannossa vaaditusta energiasta. Lisäksi anaerobisesta mädätysprosessista jäljelle jäävä käsittelyjäännös sisältää runsaasti ravinteita, jonka nestefraktio voidaan ohjata takaisin mikrolevien kasvatukseen, jolloin prosessin vaatimat ulkoiset materiaalipanokset pienenevät.
Biokaasuprosessin haasteena on kuitenkin lipidierotellun mikroleväbiomassan soveltuvuus anaerobiseen mädätysprosessiin. Erityisesti ongelmia aiheutuu ammoniakki-inhibitiosta lipidierotellun mikroleväbiomassan suuren typpipitoisuuden takia. Anaerobista mädätysprosessia voidaan tehostaa jakamalla se toimimaan useammissa biokaasureaktoreissa peräkkäin ja/tai käsittelemällä mikroleväbiomassan kanssa samaan aikaan hiilihydraattipitoisia syötteitä yhteiskäsittelyllä sekä optimoimalla prosessin olosuhteet käytetylle syötteelle.
Tutkimuksen johtopäätökseksi saatiin, että mikroleviä hyödyntämällä voidaan teoriassa toteuttaa tehokkaasti ravinteita hyödyntävä ja hiilidioksidia sitova biodieselin valmistuslaitos, jonka vaatima ulkoinen materiaalipanos on minimaalinen. Esitetty prosessi hyödyntäisi biokaasuprosessia ravinteiden kiertoon ja energian tuotantoon koko prosessin tarpeisiin. Biojalostamon toteuttaminen käytännössä vaatii kuitenkin vielä sen vaatimien osaprosessien kehittymistä sopivimmiksi teolliseen mittakaavaan.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]