Mitä uutta puusta?Prof. Reijo Lappalainen & team

Dept. of Applied Physics & SIB LabsUniversity of Eastern Finland

PO Box 1627, FIN-70211 KuopioGsm 040 355 2564

E-mail:Reijo.Lappalainen@uef.fi

Olavi Raatikainen: olavi.raatikainen@uef.fi, 040 550 5971

1900 2000

Biotalous Suomessa:nyt tuotos 60 miljardia €,tavoite 100 miljardia € v. 2025

www.biotalous.fi

3

• Talousmetsiemme vajaakäyttö• Paperiteollisuuden siirtyminen eteläiselle pallonpuoliskolle• Havupuuvyöhykkeen puiden erityispiirteet, kuten hemiselluloosat, uuteaineet

• Uudenlaisen biomassapohjaisen kemian teollisuuden syntyminen• Puulajistoon ja kasvuympäristöön pohjautuvat spesifiset jakeet ja molekyylit• Uudet innovatiiviset kaupalliset tuotteet• Biojalostamoilla voidaan energian lisäksi valmistaa korkealle jalostettavia

clean tech - ja high tech -tuotteita• Perustana kansainvälisestikin tarkasteltuna ainutlaatuinen huipputason

tutkimus- ja osaamisverkosto

TERMISILLÄ PROSESSOINTITEKNIIKOILLA JA TUTKIMUKSELLAVOIDAAN LUODA MERKITTÄVÄÄ LIIKETOIMINTAA, JOKA SEISOOTUKEVASTI SUOMEN MÄÄPERÄLLÄ ! (OSAAMINEN JA RAAKA-AINE)

Havumetsävyöhykkeenpuiden monet mahdollisuudet

11

1

42

3

1. [beeta]-sitosteroliKolesterolia alentavaAndrogeeninenAntibakteerinenTulehdustaestäväViruksiatappavaTorjunta-aineSyöpääehkäiseväAntimutageeninen

Viitteet: 1-3

2. ResveratroliAntioksidanttiFungisidiSyöpää estäväAntimutageeniDepressiolääkeTulehduksenestoEhkäisee:Parkinsonin tautiSkitsofreniaSydäntautiVerisuonitautiViitteet: 4-7

3. D-limoneeniInsektisidiMakuaineTorjunta-aineViruksia tappavaSyöpääehkäisevä

Viitteet: 8-9

4. PinitoliAntidiabeettinenHyönteiskarkoteTorjunta-aineEkspektorantti

Viitteet: 10

Joitakin esimerkkejä puusta kaupallisesti hyödynnettävissä olevistamolekyyleistä ja niiden aktiivisuuksista (pro gradu, JYO, 2005, M. Hirsilä)

Neljä esimerkkiä puun uuteaineista saatavistakaupallisesti hyödynnettävissä olevista molekyyleistä.Gradussa esitettiin 135 tällaista molekyyliä.

Havumetsävyöhykkeen puiden monet mahdollisuudet

5

Savon Sanomat 14.3.2012

Master's Degree Programmein Wood Materials Science(MDP in Wood Materials Science)is a course-based MSc programmethat trains scientists, leaders andinnovators who make a differencetowards a sustainable future.The programme creates a link betweenwood as a raw material andthe properties of final productssuch as bio-based materials,chemicals and energy derived fromrenewable biological resources.

Osaamispohjaa

Biologinenennakkotieto (esim.

DNA/reseptori)

Biologisenmateriaalinprosessointi

Molekyylitasonmittaus- ja

analysointitekniikat

Bioinformatiikanhallinta (in silico,tietokannat jne.)

Biologinen taifunktionaalinen

vaste

Räätälöidytmolekyylitason

sovellukset

Prosessikaavio korkeanarvosaannon sovellutuksienkehittämisessä

7

Chemistry/Biochemistry

The only 12 tesla massspectrometer of the Nordic

is one of the most exactdevices of Europe.

- The device is suitedespecially well from the

wood for identification ofthe separate molecules of

processed fluids.The know-how of the

chemistry andbiochemistry of the whole

UEF can be adapted for theexamining of the

molecules to be obtainedfrom wood.

- In addition to theprevious, the methods are,among others, MALDI-TOF,

NMR, IR, FTIRi, PAIRRaman, AAS, XRD,

ESEM/EDS, TEM/EDS,DSC, UV VIS, GC, IC …,and different separation

methods.

Biology- Cell biology

- Biocompatibility- Environmental response- Functional roles of wood

bioactive compoundsagainst different harmful

organisms like rottingfungi, pathogenic bacteria

and insect pests

Methods:Stress resistance

(UV, ozone, CO2 etc)Wood decay resistanceGreenhouse facilitiesOpen-top chambersGrowth chambers

Microbiological methodsBacterial and fungal

assaysBiochemical and molecular

methods (HPLC-MS,MALDI-TOF, qtPCR)

Health- Toxicity - Carcinogenicity

-Host response -Biodegradation- Nutra-/ pharmaceuticals

Methods:Cytotoxicity:

Highest Tolerated Dose (HTD)Total Protein Content (TPC)

RNA-synthesis inhibition assayEthoxyresorufin-O-deethylase(EROD) activity measurement

Genotoxicity:Ames-test, Comet assay

Antimicrobial activityHUMAN HEALTH:

Health promoting aspectsInduction of beneficial

physiological responsesPrevention of pathogenic

bacteriaEye health (AMD) and

neuroprotective assays- Cell cultures - Mice models

- Human trials- Molecular, biochemical and

specific cell organelle isolationmethods

Environment- Ecological issues

- Biodiversity- New materials- Soil biology

- Biochemical cycle- Effect of the geneticson the biomass of the

tree- Energy from biomass- Tree physiology andformation of chemical

compounds- Forest ecology and

dendrology- Effects of forestmanagement and

ecosystem dynamics onproperties of woody

biomass

SIB-labs provides easy access to the expertise of a highly skilled research staff of 200 persons andresearch infrastructure, worth nearly 20 million euro, comprises more than 130 pieces of large-scaleresearch equipment and a considerable number of laboratory devices. These resources are availablethrough networking the know-how for the researchers of the UEF and the cooperation companies.

Know-how of UEF

Erilaiset menetelmät biomassan prosessoimiseksi jahyödynnettävien komponenttien erottamiseksi

Selluprosessi(mustalipeä)

Nopea-pyrolyysi

Hidas-pyrolyysi Uutto

Kemiallinen karakterosointi

Biologiset ominaisuudet

Terveystutkimukset

Ympäristötutkimukset

Märkä-pyrolyysi

Höyry-räjäytys

Menetelmä T ( C) Neste Hiili Kaasu

Nopea pyrolyysi 500-700 75 % 12 % 13 %

Kaasutus > 750 5 % 10 % 85 %

Hidaspyrolyysi Max 300-500 34 % 33 % 33 %

Hidaspyrolyysin alhaisen lämpötilan johdostamenetelmällä saadaan talteen molekyylisaanto, jossapuun omat biologisesti toiminnalliset molekyylitmuuttuvat vähemmän kuin korkeampia lämpötilojakäyttävissä prosesseissa.

KASVIHUONEPÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄTEOLLISUUDEN ALA

Energiaksi (sähkö, lämpö)FT synt. raaka-aineeksi (Bioöljy)Biohiili (lannoite, maanparannus)Aktiivihiili (suodattimet, lääkkeet,

teollisuus)

Hiili

Neste

Kaasu

Hidaspyrolyysin välijalosteidenjakautuminen ja niistä saatavat tuotteet

Energiaksi(prosessin ylläpitoon)

Energia (mm. esteröidään bioöljyiksi)Pinnoiteteollisuus (metallien ja puun suojaus)Kemianteollisuuden raaka-aineet (alkoholit, hapot, esterit, asetaatit, eetterit, jne.)Elintarviketeollisuus (aromiaineet kuten vanilliini, terveysvaikutteiset funktionaaliset

lisäaineet)Kosmetiikkateollisuus (hajusteet, puhdistusaineet)Kasvinsuojeluaineet, karkotteet (biosidit, fungisidit, antibakteeriset aineet)Lääketeollisuus (lääkemolekyylit ja hormonien kaltaiset funktionaaliset molekyylit,esim: HRM-lignaani)

Tutli-hanke: Jatkuvatoiminenpuutislepinnoituslaitteisto

ja pinnoitusmenetelmä(Continuous Coater)

Puutislepinnoite –esimerkki kehitystyöstä

TULEVAISUUDESSA?

•Suuret kappaleet

Sarjatuotteet

• Metalliteollisuus, puunjalostusteollisuus...

Jatkuvaan prosessiin –Continuous Coater

Puutislepinnoitteen raaka-aine 15 kg

Vanilliini6 kg

PuunhidaspyrolyysiPuunhidaspyrolyysi

Kaasumaisista tuotteista ylijäävä energia 40 kg

KiinteäKiinteä

Polymeroitu-vat jakeetPolymeroitu-vat jakeet

KevytjakeetKevytjakeet

Loppu-tisleLoppu-tisleNesteNeste

Biohiili,aktiivihiili,energiahiili330 kg(30 GJ/t)

Jäähdytys /aktivointiJäähdytys /aktivointi

Karkotteet50 kgja tutkittavatjakeet270 kg

Pyrolyysistä saatavien jakeiden osuuksiaja arvioita markkinahinnasta tuottajalle

Pieni Lambiotte-tyylinen pilottilaitos (ks. dia 1) voisi hyödyntää n. 6 000 t kuivaa puuta /v.Lääkeaineet 1000-1 000 000 €/kg => vaatii huippuerotustekniikoitaPinnoiteraaka-aine 10-100 €/kg => pelkästään siltarakenteet n. 50 000 kg / vVanilliini 10-20 €/kgKarkotteet 10 -15 €/kg => ekologisilla etana- ja myyräkarkotteilla suuri kysyntäBiohiili (agri-hiili) 5 € / kg => koko hiilisaanto 330 kg voidaan jalostaaAktiivihiili 2-10 € kgGrillihiili 1 € / kg

16

2.5m

Jatkuvatoiminenlaitteisto

Raakatisleitä tutkimuksiin jajatkoprosessointeihin

Slow pyrolysis (hidaspyrolyysi)(INFRA-projekti, Kuopio&Mikkeli)

Panoslaitteisto

PILOTTIHANKE2014 Kuopio, meneillään

17

VERKOSTOHANKE2014 Kuopio, meneillään

18

NORPYRO – Pohjoinen ulottuvuus ja termistenpuunesteiden raaka-aineet, ominaisuudet ja teollinenkäyttö (UEF) –rinnakkaishanke METLAn kanssa

Tavoitteena on selvittää mitenpyrolyysituotteiden tuotantotapasekä raaka-aineen kasvupaikka ja–olot (pohjoinen ulottuvuus)näkyvät kemiallisissa analyyseissäja aktiivisuusmittausten tuloksissasekä teollisessasovellettavuudessa.

- Pohjoinen ulottuvuus- Raaka-aine- Prosessointitapa- Kemialliset ominaisuudet- Biologinen aktiivisuus

VERKOSTOHANKE2014 Kuopio, meneillään

19

NORPYRO – Pohjoinen ulottuvuus ja termistenpuunesteiden raaka-aineet, ominaisuudet ja teollinenkäyttö (UEF) –rinnakkaishanke METLAn kanssa

Teollinen käyttö- Teknokemialliset

sovellukset- Kodin kemia- Teollisuuskemia- Elintarviketeollisuus

- Liimat- Maalit- Hygieniakomponentit- Kosmetiikka- Aromiaineet

HYÖDYNTÄMINEN

20

Termiset tisleet ja konversiotuotteet –antimikrobiset vaikutukset kiinnostavia

- Bakteerien kasvun estäminen

- Hiivojen ja homeiden kasvunesto

- Elintarvikesovellukset

- Maalit ja pinnoitteet

- Bulkkituotteet, joilla myösantimikrobisuus

HYÖDYNTÄMINEN

21

Haasteet suuria

- Koulutuksen sisältö ja tarpeiden kohtaaminen

- Tutkimuksen rahoitus ja sen riittävyys

- Kansainvälinen yhteistyö ja kilpailun kohtaaminen

- Uudet yritykset ja erikoistuotteet

- Kaupallistamisen osaaminen

Kiitoksia! TutkimusyhteistyökumppaneitaProf. Y. T. Konttinen (HU)Prof. H. Kröger (KUH)Prof. M. Lammi (UEF))Prof. Tapani Pakkanen (UEF)Prof. J. Töyräs (UEF)Prof. E. Mervaala (KUH)Prof. J. S. Jurvelin (UEF)Prof. J. Ketolainen (UEF)Prof. A. von Wright (UEF)Prof. J. Jänis (UEF)Prof. A. Pappinen (UEF)Prof. J. Vepsäläinen (UEF)Prof. E. Verkasalo (Metla)Tutk. L. Sikanen (Metla)PhD A. Villa (UEF)Prof. P. Pasanen (UEF)Dos. O. Raatikainen (UEF)

Prof. M. Takagi (Japan)Prof. E. Gomez-Barrena (Spain)Prof. Y. Missirilis (Greece)

Monet teolliset kumppanit