Ioninesteet biomassan hajotuksessa

Abstract

Tämä opinnäytetyö tehtiin Kokkolan yliopistokeskus Chydeniuksen Luonnontieteiden yksikölle. Opinnäytetyö oli alkua käynnistyvälle SusFuFlex-tutkimusprojektille, joka pohjautuu uusien, innovatiivisten ja kestävien liikenteen biopolttoaineiden valmistukseen. Ennen projektin alkua haluttiin selvittää, millä menetelmällä biomassoja kannattaisi hajottaa fermentoitavissa oleviksi sokereiksi. Hajotukselle vaihtoehtoja olivat ionisten nesteiden käyttö ja sekventiaalinen uutto.

Työn tarkoituksena oli tutkia, miten ja missä olosuhteissa ioninen neste hajottaa biomassaa mikroaaltolämmityksen avulla. Työn päätavoitteena oli selvittää, soveltuuko työssä käytetty ionineste 1butyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridi eli [C4min]Cl biomassan hajotukseen. Sekventiaalista uuttoa tutkittiin vaihtoehtoisena biomassan hajotusmenetelmänä. Työssä tutkittiin myös ioninesteen peruskäyttäytymistä, koska siitä tiedettiin hyvin vähän. Työ suoritettiin Kokkolan kampuksella sijaitsevissa laboratoriotiloissa.

Ioninestehajotuksessa käytettiin mikroaaltouunia ja biomassaa, joka oli kuitu- ja biolietettä. Ioninesteenä käytettiin Oulun yliopistossa valmistettua [C4min]Cl:a. Sekventiaalinen uutto toteutettiin monivaiheuuttona. Se sisälsi seuraavat uuttovaiheet: veteen liukenevan fraktion erotus, vaihtuvan fraktion erotus, helposti pelkistyvän fraktion erotus, hapettuvan fraktion erotus ja jäännösfraktion.

Sekventiaalinen uutto oli prosessina pitkä ja työläs, eikä se soveltunut työssä käytetyille näytteille. Ioninestehajotus sen sijaan toimi suhteellisen hyvin. Modifioidummalla ja tehokkaammalla laitteistolla tuloksista olisi tullut todennäköisesti parempia, mutta jo pelkällä mikroaaltouunilla tehdyt kokeet osoittivat, että biomassat hajosivat hyvin nopeasti ionisen nesteen vaikutuksesta. Tuloksia tullaan jatkossa hyödyntämään SusFuFlex-projektissa. Hajotuslaitteistoa tulee kuitenkin kehittää mm. hankkimalla siihen tehokkaampi sekoitus. Kokeiden ohessa saatiin myös arvokasta lisätietoa ioninesteen sulattamisesta ja säilömisestä.

This thesis was made for Chydenius University Centre, Unit of Science in Kokkola. The thesis was the beginning for the starting SusFuFlex research project, which is based on the manufacturing of new, innovative and sustainable traffic biofuel. Before the SusFuFlex project started the best way to disperse biomass into fermentative sugars was researched. The use of ionic liquids and sequential leaching were the methods to be used for the dispersion.

The aim of the study was to find out how and in which circumstances ionic liquids disperse biomass with the aid of microwave heating. The main objective was to study if the used ionic liquid, 1-butyl3-metyl-imidazolium chloride or [C4min]Cl, would disperse the biomass. Sequential leaching was studied as an alternative dispersion method. The basic behavior of the ionic liquid was also studied, because very little of it is known. The study was carried out in the laboratory facilities of the campus in Kokkola.

A microwave oven was used in the dispersion of ILs and the biomass, which was fiberslit and bioslit. The ionic liquid which was used was manufactured at the University of Oulu and was [C4min]Cl. The sequential leaching was executed as a multistage leaching which included the following stages: the separation of a fraction soluble in water, the separation of variable fraction, the separation of easily reduced fraction, the separation oxidizable fraction and the residual fraction.

As a process the sequential leaching was long and tough. It was not suitable for the samples used in the work, instead the ionic liquid worked relatively well. With more sophisticated equipment the results would more likely be better. But the tests made with a mere microwave oven showed that the biomasses dispersed very quickly with the use of ionic liquids. The results will benefit the SusFuFlex project in the future. The dispersion equipment has to be developed i.a. by acquiring a more efficient mixer. On the side of the tests valuable information on defrosting and storing ionic liquids was obtained.