Hemiselluloosan sokerien uutto vedyn tuotannon esikäsittelynä

Abstract

Biopohjaisia materiaaleja voidaan käyttää useissa uusissa sovelluksissa fossiilisten raaka-aineiden korvaajina. Esimerkiksi vety, jota käytetään laajalti kemianteollisuudessa eri tarkoituksissa kuten ammoniakin valmistuksessa, voidaan tuottaa biopohjaisista materiaaleista. Nykyisellään teollisesti valmistettua vetyä tuotetaan lähes pelkästään uusiutumattomista luonnonvaroista. Tämän työn tarkoituksena on tutkia puupohjaisen raaka-aineen soveltuvuutta vedyn tuotantoon.

Huolimatta eri puulajien merkittävästä hemiselluloosapitoisuudesta, hemiselluloosalle on kehitetty vain vähän käyttökohteita perinteisen paperiteollisuuden raaka-aineen lisäksi. Nykyisellään esimerkiksi paperiteollisuudessa paperin raaka-aineeksi kelpaamaton aines käytetään useimmiten energian tuotantoon. Hemiselluloosaa voidaan hyödyntää tuottamaan lisäarvoa esimerkiksi metsäteollisuuden puukuiduille, koska nykyisin jätteeksikin luokiteltua materiaalia voitaisiin jatkojalostaa energiantuotantoon ja tuottaa hemiselluloosasta suuremman arvon omaavia kemikaaleja. Työn tavoitteena on laajentaa ymmärrystä paperin raaka-aineeksi kelpaamattoman materiaalin, etenkin hemiselluloosan, hyödyntämisestä vedyn tuotannon raaka-aineena.

Työssä tutkitaan erityisesti hemiselluloosan polysakkaridien käsittelyyn tarvittavia prosessivaiheita vedyn tuotannon mahdollistamiseksi. Lisäksi työssä perehdytään puumateriaalin rakenteeseen solutasolla ja puulajien erilaisiin rakenneosien pitoisuuksiin. On erittäin tärkeää ymmärtää puun rakenneosien, erityisesti myös hemiselluloosan supramolekylaarinen rakenne, sen kannattavan ja tehokkaan hyödyntämisen kannalta. Hemiselluloosa sisältää tarkastellun kirjallisuuden perusteella puulajista riippumatta merkittävimpinä komponentteina ksylaania ja glukomannaania. Työssä onkin etsitty kirjallisuuden pohjalta polysakkaridien pilkkomiseen yksinkertaisiksi sokereiksi soveltuvia menetelmiä. Erityisesti muurahaishappoavusteisen kuumavesiuutossa tapahtuvien reaktioiden mekanismeja on eritelty työssä yksityiskohtaisesti. Myös olosuhteiden vaikutus uutossa tapahtuviin reaktioihin on huomioitu. Esimerkiksi 7,24 m-% muurahaishappoa sisältävässä kuumavesiuutossa lämpötilan ollessa noin 130–140 °C saavutetaan kirjallisuuden pohjalta suurin saanto ksyloosille. Partikkelikoolla on myös merkittävä vaikutus uuton saantoon, pienellä puun raekoolla saavutetaan suurempi aineensiirtopinta-ala ja puun kuitujen säikeistyminen kasvaa, jolloin uutossa saavutetaan suurempi monosakkaridien saanto. Toisaalta myös puuaineksen jauhaminen kuluttaa huomattavasti energiaa.

Optimaalisesti suoritetussa uutossa sokerien pitoisuus pyritään maksimoimaan uuttoliuoksessa, jolloin uuton jälkeen tapahtuvassa vesifaasireformoinnissa saadaan vedylle korkea saanto. Ennen vesifaasireformointia uuttoliuos täytyy hydrata. Hydraus toteutetaan yleensä Raney-nikkeli-katalyyttiä käyttäen. Vesifaasireformoinnissa yksinkertaiset sakkaridit reagoivat muodostaen hiilidioksidia ja vetyä. Kyseisessä prosessivaiheessa tapahtuva vesikaasu- siirtoreaktio kasvattaa edelleen vedyn saantoa. Useiden jalometallikatalyyttien soveltuvuutta reaktioon on tutkittu. Lisäksi mahdollisten kantaja-aineiden vaikutuksia katalyytin aktiivisuuteen on tärkeä tuntea, jotta tuotteen saanto saadaan maksimoitua. Huomionarvoista on myös katalyyttien mahdollinen aktiivisuuden aleneminen liuoksessa mahdollisesti olevien epäpuhtauksien vuoksi. Vesifaasireformoinnissa raaka-aineen koostumuksella on merkittävä vaikutus vedyn saantoon, koska uutossa muodostuvien sivuaineiden vaikutuksia katalyyttien aktiivisuuteen ei tunneta. Lisäksi vesifaasireformoinnissa lyhyempiä hiiliketjuja sisältävien sokerien, kuten esimerkiksi ksylitoli, vedyn saanto on korkeampi verrattuna pidempi hiiliketjuisiin sokereihin.