Bioreaktoreiden viilennystarpeen vähentäminen termofiilisillä mikrobeilla: Termofiiliset mikrobit lignoselluloosan biojalostuksessa etanoliksi

Abstract

Bioetanoli on potentiaalinen korvike bensiinille ja siten keino vähentää CO2-päästöjä. Bioetanolia tuotetaan biojalostuksella lignoselluloosasta. Lignoselluloosaa on runsaasti saatavilla ympäri maapalloa, eikä sen käyttö kilpaile ruuantuotannon kanssa. Lignoselluloosa koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Ligniinistä eroteltu selluloosa ja hemiselluloosa voidaan pilkkoa sellulaasi-entsyymeillä sokereiksi, joista mikrobit voivat fermentoimalla tuottaa etanolia. Työ keskittyi integroituun bioprosessointiin, jossa sellulaasin tuotto, lignoselluloosan pilkkominen ja bioetanolin tuotto tapahtuvat yhdessä bioreaktorissa.

Työssä selvitettiin termofiilisten, eli 41–122 ˚C:ssa kasvavien, mikrobien käyttöä lignoselluloosan integroidussa bioprosessoinnissa etanoliksi. Tutkimus keskittyy siihen, miten termofiilien käyttö vähentää bioprosessin viilennystarvetta. Tutkimuksen tavoitteena on laskea bioprosessissa käytetyn lämpötilan vaikutus tarvittavaan jäähdytysveden pumppaukseen ja siten sähkönkulutukseen. Tutkimuksessa myös selvitetään, kuinka suuri bioreaktori voidaan termofiileillä val-mistaa ilman erillistä viilennyslaitteistoa.

Bioprosessissa tuotettu lämpö arvioitiin hiivan Saccharomyces cerevisiae metabolian avulla. Bioprosessia tarkasteltiin sekä aerobisena että anaerobisena. Jäähdytystä tarkasteltiin ulkoisella vaipalla, jossa pumpattiin jäähdytysvettä, sekä ilman erillistä viilennyslaitteistoa, jolloin lämpö poistui luonnollisella konvektiolla ja säteilyllä ympäristöön. Sekoitusta tarkasteltiin sekoittimella mekaanisesti sekoitetulla bioreaktorilla ja kuplituksella sekoitetulla kuplakolonnireaktorilla.

Tulokset saatiin laskettua mekaanisesti sekoitetulle bioreaktorille. Termofiilien laskettiin vähentävän viilennyksen sähkönkulutusta 45–86 % ja tuotantokustannuksia 11,25–21,5 % verrattuna mesofiileihin ulkoisella vaipalla viilennetyssä bioreaktorissa. Alenemat havaittiin anaerobisissa oloissa jo 44–75 ˚C:ssa kasvavilla termofiileillä ja aerobisissa oloissa yli 66 ˚C:ssa kasvavilla termofiileillä. Integroitu bioprosessointi laskettiin mahdolliseksi ilman erillistä viilennyslaitteistoa korkeintaan 6,5 m3:n bioreaktorilla anaerobisissa ja 0,9 m3:n bioreaktorilla aerobisissa oloissa. Tulosten perusteella termofiilit ovat potentiaalisia alentamaan viilennystarvetta ja siten tuotantokustannuksia lignoselluloosan integroidussa bioprosessoinnissa bioetanoliksi. Termofiileillä voi olla mahdollista alentaa myös muiden bioprosessien viilennystarvetta ja tästä kannattaa tehdä jatkotutkimusta.