Bioetanolia jätevedenpuhdistamon kuitupuristeesta
Esko Tiainen
Storan Enson Varkauden tehtaiden jätevedenpuhdistamon puhdistusprosessissa syntyvä kuitupuriste on pääasiassa kuitua sellutehtaan, kuorimon, kierrätyskuitulaitoksen ja kartonkitehtaan tuotantoprosesseista. Kuitupuriste on jätettä, jota on poltettu kuorikattilassa ja sitä on testattu myös maanrakennus- ja täyteaineena. Kuitupuristetta syntyy n. 20000 tonnia vuodessa.
Kuva 1. Kuitupuristejätettä. Kuva: Villemarkus Ponkilainen.
Työn tavoite
Työn tavoitteena oli testata jäteraaka-ainetta bioetanolin tuotannossa. Vertailuraaka-aineina käytettiin selluloosaa (wc-paperia) sekä ruokailun yhteydessä syntyvää biojätettä (leipää ja perunaa). Kuitupuristetta esikäsiteltiin eri vahvuisilla rikkihappokylvyillä. Happokylvyn tarkoitus oli hajottaa raaka-aineen rakennetta ja parantaa etanolin saantoa. Tavoitteen oli myös testata erilaisten sellulaasientsyymien toimivuutta raaka-aineen hajotuksessa. Tähän työhön valikoituivat sellulaasit Trichoderma sp ja Aspergillus sp.
Kuva 2. Vertailuraaka-aineena käytettyä biojätettä. Kuva: Jani Viitamäki.
Työn suoritus
Vertailuraaka-aineina olleet selluloosa ja biojäte hienonnettiin mekaanisesti ja desinfioitiin kuumakäsittelyllä. Kuitupuriste jauhettiin mekaanisesti hienojakoisemmaksi ja osa raaka-aineesta käsiteltiin refluksoimalla 10-20 til-% rikkihapossa n. 100 °C lämpötilassa. Refluksoinnin jälkeen kiinteää raaka-ainetta pestiin vedellä imusuodatuksen avulla ja pH-arvoa säädettiin laimealla natriumhydroksidilla hieman happamaksi tai lähes neutraaliksi.
Kuva 3. Refluksointilaitteisto. Kuva: Villemarkus Ponkilainen.
Kuva 4. Imusuodatuslaitteisto. Kuva: Villemarkus Ponkilainen.
Kuva 5. Kuitupuristetta refluksoinnin ja suodatuksen jälkeen. Kuva: Päivi Häkkinen.
Käymisreaktiota varten raaka-aineeseen lisättiin vettä, hiivaa ja sellulaasientsyymiä, jonka tavoitteena oli pilkkoa selluloosaa käymiskelpoisiksi sokereiksi. Seoksen sokeripitoisuus mitattiin sokerimittarilla.
Raaka-aine jätettiin käymään viikon ajaksi n. 30 asteiseen vesihauteeseen. Tämän jälkeen neste erotettiin imusuodatuksen avulla kiintoaineesta. Neste tislattiin tislauslaitteistolla ja tisleestä määritettiin etanolipitoisuus. Tuloksista laskettiin raaka-aineen konversioaste massaprosenttina.
Kuva 6. Tislauslaitteisto. Kuva: Päivi Häkkinen.
Tulokset
Konversioasteella verrattiin saadun etanolin massaa suhteessa käytetyn raaka-aineen kuivapainoon.
Selluloosan konversioaste oli 1,5 m-% ja 2,1 m-% ja raaka-aineelle ei tehty happoesikäsittelyä. Samanlainen konversioaste oli myös laimeassa hapossa käsitellyllä kuitupuristeella, sekä pelkästään kuumakäsitellyllä kuitupuristeella.
Paras konversioaste 6,5 m-% saatiin 20 til-% rikkihapossa refluksoidulla kuitupuristeella. Raaka-aine oli hajonnut hyvin hienojakoiseksi jo tässä esikäsittelyvaiheessa, jolloin suodoskin oli yllättävän kirkas. Tämä on hyvä tulos verrattuna varsin korkealuokkaisen biojätteen konversioasteeseen, joka oli 1,6 m-% ja 3,2 m-%.
Taulukko 1. Esikäsittelyn mittaustuloksia
| raaka-aine | esikäsittely | raaka-aineen massa (g) | kuiva-ainepitoisuus | kuiva-ainepitoisuus (g) | käytetty happo ja määrä (ml) | reaktioaika (min) ja lämpötila (oC) | |
| sellu (WC) | kuumakäsittely | 64,09 | 99 % | 63,2 | – | – | |
| kuitu (stora enso) | jauhanta+happo | 158,4 | 38 % | 59,9 | 10 til-% rikkihappoa 500 ml | – | |
| kuitu (stora enso) | kuumakäsittely, jauhanta | 158,3 | 38 % | 60,2 | – | 3min, 100 astetta | |
| biojäte | kuumakäsittely | 431,9 | 64 % | 276,4 | – | – | |
| sellu (WC) | kuumakäsittely | 250,05 | 17 % | 43,3 | – | 15 min, 60 astetta | |
| kuitu (stora enso) | jauhanta + happo | 160,00 | 27 % | 43,4 | 20 til-% rikkihappoa 500 ml | 12 min, 107 asteessa | |
| kuitu (stora enso) | kuumakäsittely, jauhanta | 160,72 | 27 % | 43,6 | – | – | |
| biojäte | kuumakäsittely | 537 | 64 % | 345,6 | – | 10 min, 70 astetta | |
| biojäte | kuumakäsittely | 497 | 64 % | 319,9 | – | 10 min, 70 astetta |
Taulukko 2. Raaka-aineista saadut etanolimäärät.
| raaka-aine | entsyymi ja määrä (g) | glukoosi mmol/l (30 min vaikutusaika) | nesteen tilavuus ml | tisleen massa (g) | tisleen tiheys (g/ml) | tisleen etanolimäärä (m-%) | etanolin massa (g) | raaka-aineen konversio etanoliksi (m-%) |
| sellu (WC) | trichoderma | low | 500 | 13,41 | 0,98635 | 7 | 0,94 | 1,5 |
| kuitu (stora enso) | trichoderma, | low (2 min) | 250 | 5,59 | 0,96505 | 23 | 1,29 | 2,1 |
| kuitu (stora enso) | trichoderma | 2,1 | 400 | 14,95 | 0,9861 | 7 | 1,05 | 1,7 |
| biojäte | entsyymikapselit | – | 160 | 10,29 | 0,82603 | 86 | 8,85 | 3,2 |
| sellu (WC) | aspergillus | low | 500 | 10,33 | 0,98337 | 9 | 0,93 | 2,1 |
| kuitu (stora enso) | aspergillus | low | 290 | 37,75 | 0,98596 | 7,5 | 2,83 | 6,5 |
| kuitu (stora enso) | aspergillus | low | 500 | 14,28 | 0,98784 | 6 | 0,86 | 2 |
| biojäte | entsyymikapselit | – | 405 | 8,867 | 0,88725 | 63 | 5,59 | 1,6 |
Lopuksi
Jatkotutkimuksissa olisi hyvä tarkastella erilaisten entsyymien toimintaa ja pitoisuuden vaikutusta bioetanolin tuotannossa sekä testata erilaisten happokylpyjen vaikutusta etanolin määrään.
Teksti: Esko Tiainen, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu
Etusivun kuva: Hans Reniers / Unsplash