Kuusen hemiselluloosan paineistettu kuumavesiuutto, uutteen konsentrointi, hydrolysointi ja fermentointi etanoliksi

Abstract

Työn tavoitteena oli tuottaa etanolia kuusen (Picea abies) hemiselluloosasta, jota eristettiin kuusenpurusta paineistetulla kuumavesiuutolla. Käytetyillä uuttoparametreillä liuokseen uuttui myös ligniiniä ja puun uuteaineita. Selluloosa jäi uuttumatta. Uuton jälkeen uute konsentrointiin ultrasuodatuksella cross-flow-periaattella, polysakkaridiketjut hydrolysoitiin kemiallisesti rikki- ja suolahapolla, liuos neutraloitiin NaOH:lla ja vapaat monosakkaridit fermentointiin Saccharomyces cerevisiae -hiivoilla.

Prosessin fraktioista analysoitiin kokonaissakkaridi- ja monosakkaridipitoisuuksia kaasukromatografialla, uuteaineita ja niiden pitoisuuksia massaspektrometrialla, liuenneen ligniinin pitoisuuksia UV-spektrofotometrialla sekä hiilipitoisuuksia TOC-analysaattorilla.

Työssä tehdyt kokeet osoittivat, että hemiselluloosahydrolysaattia voidaan tehokkaasti fermentoida etanoliksi rajattuun uuteaine- ja ligniinipitoisuuteen asti. Kun fermentointikokeissa fermentointia haittaavien inhibiittoreiden määrä oli liian korkea, eivät hiivat voineet käyttää aineenvaihdunnassaan kaikkia liuoksen sokereita. Työn fermentointikokeita saattoi haitata huonosti valittu hydrolysaatin neutralointikemikaali.

Tuloksista ilmenee joitakin olosuhteita, joissa hiiva S. cerevisiae pystyy tuottamaan hemiselluloosahydrolysaatista tehokkaasti etanolia. Kokeista saatiin jatkotutkimuksia varten tietoa ligniiniä ja uuteaineita sisältävän polysakkaridiliuoksen ultrasuodatuskonsentroinnista sekä uuttolämpötilojen vaikutuksista uutteisiin.

The goal of this project was to produce ethanol from the hemicelluloses of spruce (Picea abies) wood. The hemicelluloses were isolated from sawdust by pressurized hot water extraction. The extract also contained lignin and wood extractives, but not cellulose. The extract was concentrated by cross-flow ultrafiltration, the polysaccharides of concentrate were hydrolysed chemically into monomers by hydrochloric acid and sulphuric acid and the hydrolysate was neutralized by sodium hydroxide. The monosaccharides were fermented by Saccharomyces cerevisiae yeasts.

The saccharide concentrations of the fractions were determined by gas chromatography, extractives and their concentrations by mass spectrometry, dissolved lignin concentra-tions by UV-spectrofotometry and carbon concentrations with a TOC-analyzer.

The results indicate that concentrated hemicellulose hydrolysate can be efficiently fer-mented to ethanol. Lignin and extractive compounds inhibited the yeast strains used. Fermentable sugars were partly or totally unconsumed if inhibitor concentrations were too high. The chemical used in neutralizing the hydrolysate might have decreased the ethanol yield of fermentations.

The results anyhow show some conditions where S. cerevisiae can produce ethanol from hemicelluloses hydrolysate. For further studies the experiments yielded relevant data on how the extraction temperature affects the extracts and how to concentrate polysaccha-ride solutions with lignin and extractives by ultrafiltration.