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