Lignotselluloosne biomass (puit- ja rohttaimed), biorafineerimistehaste peamine toore, koosneb kolmest olulisemast komponendist: ligniinist, hemitselluloosist ja tselluloosist. Ajalooliselt on biorafineerimine keskendunud peamiselt tselluloosi eraldamisele või tselluloosi ja hemitselluloosi suhkrute eraldamisele, et toota vastavalt tselluloosi kiudu või biokütuseid. Vähemal määral on tegeletud ka kemikaalide ja materjalide tootmisega. Selles protsessis on ligniini vaadeldud enamasti kui kõrvalsaadust või jäädet, mis üldjuhul põletatakse soojusenergia tootmise eesmärgil.
Biomajandustehnoloogiate õppetool loodi Tehnikainstituudi sees 2007 aastal. Esmased biorafineerimisalased uuringud olid suunatud peamiselt tahkete kütuste kasutamisele. 2008ndaks aastaks laienes uurimisteemade ring ka vedelkütustele. Alates aastast 2011 moodustus õppetooli juurde eraldiseisev töörühm ning luubi alla võeti teise põlvkonna bioetanooli tootmine ja selles protsessis kasutatavad eeltöötlusmeetodid.
Aastal 2013 lisandus uurimisteemadele mikrovetikate suunaline teadus- ja arendustöö. Peamisteks teemadeks selles liinis olid korstnagaasist süsihappegaasi sidumine, mikrovetikatest bioaktiivsete molekulide eraldamine ja uudsed fotobioreaktorite disainlahendused. Viimase puhul on kaitstud ka patentne lahendus topeltseinalise sisemise valgusallikaga fotobioreaktori näol.
2013 aasta oli oluline ka eeltöötluste suunal kuna sel aastal kaitsti intellektuaalomandina lämmastiklõhkamise eeltöötlus, milles kasutatakse lämmastiku lahustuvuse erinevust vees erinevatel rõhkudel, et avada biomassi rakustruktuur järgnevate protsesside tarbeks.
Järgnevatel aastatel suundus uurimistöö üha enam erinevate protsesside integreerimise suunas ning erinevate jääkbiomasside, nagu paberitööstuse jääkmuda, põllumajandusjäätmed, puidutööstuse jäätmed, suunas.
Tänaseks on töörühma fookuses biorafineerimise kontseptsioon ja kõrgväärtuslikud produktid, nagu platvorm kemikaalid, bio-pindaktiivsed ained, funktsionaalsed materjalid, farmaatsiatööstuse vaheühendid jne. Meie uurimused ligniini väärindamisest kasutades ioonseid vedelikke on tähelepanu äratanud nii Eestis kui ka rahvusvaheliselt ning võimaldanud luua uusi sidemeid ja võrgustikke teiste teadlastega.
Töörühma liikmed:
- professor Lisandra Marina Da Rocha Meneseslink opens in new page,
- nooremprofessor (tenuuriraja) Sabarathinam Shanmugamlink opens in new page,
- nooremprofessor Renu Geetha Bailink opens in new page,
- teadur-järeldoktor Udayakumar Veerabagulink opens in new page,
- teadur-järeldoktor Banafsheh Khalegh Doustlink opens in new page
- teadur Vahur Roonilink opens in new page,
- teadur-järeldoktor Sadaf Alibhai Jethvalink opens in new page,
- spetsialist Sharib Khanlink opens in new page,
- nooremteadur Ahmed Aboulmagd Abdelqader Hassanlink opens in new page
- nooremteadur Anjana Harilink opens in new page,
- nooremteadur Annika Jaanimägilink opens in new page,
- nooremteadur Chamini Lakshika Wickramarathna Dissanayakelink opens in new page,
- nooremteadur Damaris Chinwendu Okaforlink opens in new page,
- nooremteadur Johannah Mulakal
- nooremteadur Reynald Songphon Pontélink opens in new page,
- nooremteadur Salini Chandrasekharan Nairlink opens in new page,
- nooremteadur Viveka Balasundararajanlink opens in new page,
- analüütik Kaie Ritslaidlink opens in new page,
- spetsialist Henn Kaaleb Humal,
- spetsialist Kristofer Jallai,
- spetsialist Surya Mudavasseril Sudheerlink opens in new page,
Töörühma juht on tenuuriprofessor Timo Kikaslink opens in new page.
Ligniini väärindamine
Ligniini väärindamise alane uurimistöö biomajandustehnoloogiate õppetoolis
Biomajandustehnoloogiate õppetoolis keskendub meie teadusmeeskond –professorite Timo Kikas ja Sabarathinam Shanmugam juhtimisel – ligniini, ühe kõige rikkalikuma ja tihti alakasutatud biomassi koostisosa, potentsiaali avamisele. Meie töö eesmärk on luua jätkusuutlikke lahendusi ligniini eraldamiseks, töötlemiseks ja rakendamiseks kaasaegsetes biotöötlemissüsteemides.
Arendame keskkonnasõbralikke ligniini eraldamismeetodeid, kasutades ioonvedelikke ja rohelisi lahusteid, keskendudes efektiivsuse, selektiivsuse ja taaskasutatavuse parandamisele. Meie meeskond rakendab ka ensümaatilisi, bioloogilisi ja elektrokeemilisi depolümerisatsiooni tehnikaid, et lagundada ligniin väärtuslikeks aromaatseteks ehitusplokkideks, mis sobivad kasutamiseks kõrge jõudlusega rakendustes.
Seda teadustööd toetavad mainekad riiklikud ja rahvusvahelised algatused, sealhulgas Islandi, Liechtensteini ja Norra EEA toetusprogramm, Eesti Teadusagentuuri PRG-grant, Erasmus+ mobiilsusprogrammid ning COST Action võrgustikud. Meil on tihe koostöö juhtivate rahvusvaheliste teadusasutustega, sealhulgas SINTEF (Norra), INRAE (Prantsusmaa), Saarlandi Ülikool (Saksamaa), Aalto Ülikool (Soome), KTH Kuninglik Tehnoloogiainstituut (Rootsi) ja Riia Tehnikaülikool (Läti). Need koostööd võimaldavad meil koos arendada skaleeritavaid ja mõjukaid tehnoloogiaid biopõhise majanduse tarbeks.
Meie lähenemine põhineb „Ligniin-enne“ (Lignin-First) kontseptsioonil, mille eesmärk on integreerida ligniinil põhinevad materjalid uuenduslikesse valdkondadesse nagu ravimite süntees ja manustamine, 3D/4D printimine, taastuvenergia salvestamine ning platvormkemikaalide tootmine. Paralleelselt tegeleme ka kõrvalvoogude väärindamisega, tagades, et iga biomassi fraktsioon leiab kestliku ja tõhusa kasutuse.
Meie töö panustab otseselt Euroopa Liidu ringbiomajanduse, taastuvate kemikaalide tootmise ja rohelise farmaatsia eesmärkide täitmisse ning on tihedalt seotud Euroopa roheleppega, edendades puhtamaid ja biopõhiseid tööstuslahendusi. Ootame koostööd teadlaste, ettevõtete ja asutustega, kes soovivad panustada kestlikuma ja ringmajandusliku tuleviku kujundamisse.
Biomassi eeltöötlus
Meie labor pakub spetsialiseeritud biomassi eeltöötlusteenust, kasutades lämmastikplahvatuse (NED) meetodit, mis on väga tõhus viis lignotselluloossete materjalide biolagundatavuse parendamiseks. Selle protsessi käigus puutub biomass kokku kõrgsurvega lämmastikuga, millele järgneb kiire rõhulangus. Äkiline rõhu alanemine lõhub biomassi struktuuri, lagundades hemitselluloosi ja ligniini keeruka maatriksi. See struktuurimuutus parandab oluliselt järgneva biokeemilise töötlemise, näiteks anaeroobse kääritamise, ensümaatilise hüdrolüüsi ja fermentatsiooni, efektiivsust.
NED-eeltöötlus sobib eriti hästi laiale orgaaniliste toorainete valikule, sealhulgas põllumajandusjäägid (nagu põhk, aganad, maisitõlvikud jne), metsanduse kõrvalsaadused (puiduhake, saepuru, koor) ning põllumajandus-tööstuslikud jäätmed (kasutatud seenekasvatussubstraat, tselluloosilagu ja puuviljakoor). Protsess ei vaja keemilisi lisandeid, mistõttu on see keskkonnasõbralik ja lihtsalt integreeritav säästvatesse biotöötlemise ja ringmajanduse mudelitesse.
Meie labor võimaldab nii teaduslikke kui ka tööstuslikke katseid, pakkudes kohandatavaid eeltöötlusparameetreid vastavalt biomassi tüübile ja soovitud rakendustele. Olenemata sellest, kas arendate uut bioenergia protsessi või optimeerite olemasolevat tooraine väärindamist, pakub meie NED-teenus usaldusväärset ja skaleeritavat lahendust lignotselluloosse biomassi täispotentsiaali rakendamiseks.
Fermentatsioon
Fermentatsioonilabor, mis tegutseb Eesti Maaülikooli bionajandustehnoloogiate õppetooli juures, on spetsialiseerunud kõrgväärtuslike peenkemikaalide, nagu biosurfaktantide ja biopolümeeride, mikroobsele tootmisele, kasutades erinevaid jäätmevooge lähteainetena. Algselt biokütuste rakendustes bioetanooli fermentatsioonile keskendunud labor on arenenud ja suunanud oma teadustegevuse kõrgväärtuslike, säästvate ning keskkonda mittesaastavate biopõhiste toodete suunas, mis põhinevad looduslikel mikroobsetel protsessidel.
Meie labor on kavandatud keerukate jäätmevoogude töötlemiseks – eeskätt lignotselluloosse biomassi (nagu põllu- ja metsandusjäätmed ning puidutööstuse jäägid), orgaaniliste ainete poolest rikkaliku tööstusliku vedeljäätme ning omavalitsuste toidujäätmete töötlemiseks. Need substraadid läbivad mitmesugused termokeemilised eeltöötlusmeetodid, nagu torrefitseerimine ja lämmastiklõhkamine, millele järgneb ensümaatiline hüdrolüüs, et saada fermenteeritavaid suhkruid ja toitaineid, mis sobivad mikroobide kasvatamiseks. Kasutame laia valikut mikroobitüvesid, mis on valitud nende tugeva ainevahetusprofiili ja loodusliku võime põhjal sünteesida kasulikke ühendeid, nagu ramnolipiidid, soforolipiidid ja polühüdroksüalkaanoaadid (PHA). Mittekahjulike ja geneetiliselt muutmata mikroobide kasutamine tagab vastavuse regulatiivsetele nõuetele ning vähendab turustamise takistusi.
Meie labor on varustatud laboriskaalas bioreaktoritega, mis on integreeritud täppisjuhtimissüsteemidega (pH, temperatuur, lahustunud hapnik, segamine), samuti inkubaatorsegistite, inkubaatorite, autoklaavide ja bioturvakappidega mikroobide käsitlemiseks ja kasvatamiseks ning jahutustsentrifuugide, ultrafiltratsioonisüsteemide, tahkefaasi ekstraheerimisseadmete, kolonnkromatograafia ning pöörleva vaakumaurustiga järeltöötluseks. Pidevate teaduskoostööde toel on meie analüütilised võimalused tagatud kõrgtasemel vedelikkromatograafia-massispektromeetria (HPLC-MS), gaasikromatograafia-massispektromeetria (GC-MS), Fourier’ teisendusega infrapunase spektroskoopia (FTIR) ja pindpinevuse instrumentidega toodete iseloomustamiseks ja kvaliteedikontrolliks. Meil on pikaajalised koostöösuhted nii Eesti kui ka rahvusvaheliste partneritega, sealhulgas Tartu Ülikool, Norra Teadus- ja Tehnikaülikool (NTNU) ning NOVA-FCT (Portugal).
Kasutades jäätmeid ressursina ja toetudes ohutute mikroobide looduslikele biosünteetilistele võimetele, on meie labor ringbiomajanduse toimiva mudeli näide, mis pakub mitmekülgset platvormi roheliseks tootmiseks ja jäätmete väärindamiseks.
Mikrovetikad jätkusuutlikuks ja kliimaneutraalseks tulevikuks
Mikrovetikate uurimisrühm Eesti Maaülikooli Biomajandustehnoloogiate õppetoolis arendab uudseid lahendusi, et muuta tööstusjäätmed väärtuslikeks vetikapõhisteks biomolekulideks, mis toetavad inimeste tervist, kestlikku toidu- ja söödatootmist ning kliimakindlust. Ühendades jäätmete ringluse ja arenenud biomassitootmise, panustame ringbiomajandusse ja kliimamuutuste leevendamisse.
Meie uurimistöö keskendub jäätmete väärindamisele ja kestlike vetikapõhiste biotoodete arendamisele. Uurime tööstuslike suitsugaaside, torrefitseerimisjääkide ja vetikate kasvatamisel tekkinud kasutatud söötmete rakendamist mikrovetikate kasvatamise tõhustamiseks. Suitsugaas, mis on oluline CO₂ allikas, suunatakse vetikate süsinikuallikaks, toetades süsinikupüüdmist. Torrefitseerimiskondensaat kasutatakse söötme lisandina, võimaldades toitainete taaskasutust. Samuti uurime vetikate kasutatud söötmeid ekstratsellulaarsete vesiikulite eraldamiseks, millel võib olla rakendusi meditsiinis.
Toodetud vetikamassi analüüsime väärtuslike biomolekulide tuvastamiseks ja optimeerimiseks. Fookuses on vitamiinid, pigmendid, polüsahhariidid ja antioksüdandid, millel on kasutusvõimalusi nutratsioonis, kalasöödas, bioväetistes, kosmeetikas, farmakoloogias ja keskkonnakaitses. Eriti oluline on meie töö vetikasteroolide muundamisel D₃-vitamiiniks – pakkudes vetikatest saadavat loomset alternatiivi. Meie laboris on kasutusel patenteeritud 300-liitrine topelseinaline sisemise valgustusega fotobioreaktor, mis võimaldab pilootkatsete läbiviimist.
Meie uurimistööd toetavad mitmed rahastajad, sh Eesti Teadusagentuuri stardigrant PSG971, Euroopa Horisondi projekt AlgaePro BANOS ja ERA-NET BLUE BIO Cofund. Teeme koostööd nii kohalike kui rahvusvaheliste partneritega, et siduda teadusarendus praktiliste vajadustega.
Meie tegevus toetab EL-i eesmärki saavutada süsinikuneutraalsus 2050. aastaks – taaskasutades CO₂ ja biomassijäätmeid ning tootes ressursitõhusaid vetikapõhiseid tooteid. Mikrovetikate tehnoloogia kaudu edendame rohelisemaid tarneahelaid toitumises, vesiviljeluses ja põllumajanduses. Samuti panustab meie töö mitmesse ÜRO säästva arengu eesmärki, sealhulgas SDG 3, 9, 12 ja 13, toetades kestlikku ja vastupidavat tulevikku.
Termokeemiline biomassi väärindamine
Töörühm keskendub erinevate termokeemiliste muundamismeetodite uurimisele ja arendamisele, mille eesmärgiks on biomassi ja teiste süsinikupõhiste jäätmete väärindamine kõrgema lisandväärtusega toodeteks ning taastuvenergiaallikate arendamine. Peamised uurimisvaldkonnad hõlmavad järgmisi protsesse:
Torrefitseerimine – biomassi madalatemperatuuriline kuumtöötlus (200–300 °C) inertses keskkonnas, mille tulemusena paranevad materjali energiasisalduse ja käsitsemise omadused. Tulemuseks on kergemini jahvatatav, hüdrofoobne ja suurema kütteväärtusega tahke biokütus.
Pürolüüs – orgaaniliste materjalide termiline lagundamine hapnikuvaeses keskkonnas (tavaliselt temperatuuril 300–700 °C), mille käigus saadakse bioõli, biogaas ja biösüsi. Töörühm uurib erinevaid pürolüüsitingimusi ning toodete saagist, omadusi ja potentsiaalseid kasutusvõimalusi energia- ja keemiatööstuses.
Gaasistamine – süsinikurikka materjali muundamine sünteesigaasiks (peamiselt CO ja H₂) kõrgetel temperatuuridel (800–1200 °C) piiratud hapnikukoguses. Gaasistamine võimaldab toota elektrit, soojusenergiat, biokütuseid või keemilisi lähteaineid.
Töörühma eesmärk on arendada efektiivseid, keskkonnasäästlikke ja skaleeritavaid tehnoloogiaid, mis võimaldavad kohalike taastuvate ressursside maksimaalset väärindamist ning toetavad üleminekut madala süsinikusisaldusega majandusele. Lisaks tegeletakse reaktorite projekteerimise, protsesside modelleerimise ja analüütiliste meetodite arendamisega, et mõista paremini termokeemiliste reaktsioonide kineetikat ja termodünaamikat.
Töörühm teeb tihedat koostööd teadusasutuste, tööstuspartnerite ja poliitikakujundajatega, et kiirendada teadustulemuste rakendamist praktikas ning toetada ringmajanduse ja kliimaneutraalsuse eesmärke.
Teadustaristu Teekaardi Objekt – PUUTAR
Puit on Eesti kõige olulisem bio-põhine toore, mille oskuslik väärindamine loob kõrge lisandväärtusega ja süsiniku siduvaid tooteid paljudel elualadel. Teadustaristu PUUTAR liidab kolme ülikooli, 8 instituudi 14 laborit või õppetooli. Taristuga saavutatav sünergia võimaldab viia läbi interdistsiplinaarset puidu väärindamise alast tipptasemel T&A tegevust. Teadustaristu T&A katab nii väärtuslikuma ehituspuidu kui vähemväärtusliku toorme ja sekundaarse puidu mehaanilise, keemilise ja biokeemilise väärindamise ehituses ja mööblitööstuses, kõrge lisandväärtusega kemikaalidena, uute biomaterjalidena, plastidena ja militaarrakendustes. Jagatud taristu loob uued võimalused teadlaste järelkasvu koolitamiseks ning tugeva baasi rahvusvaheliseks koostööks. Taristu teenuste efektiivseks turundamiseks luuakse ühtne veebiplatvorm mis koondab partnerite poolt pakutavad teenused. Koondades Eesti Ülikoolide vastav ekspertiis luuakse eeldused ja tugi Eesti puidutööstuse arenguks uuele tasemele.
Eesti Maaülikooli Biomajandustehnoloogiate õppetoolis
Termokeemilise väärindamise platvorm: Termokeemilise väärindamise platvorm sisaldab torrefitseerimise ja pürolüüsi reaktorit, mis võimaldab biomassi termokeemilist töötlemist laias temperatuuride vahemikus. Süsteem sisaldab reaktorit koos andurite, kontrollerite, analüsaatorite, jahuti ja gaaside puhastusseadmetega. Torrefitseerimis/pürolüüsi reaktorit kaasatakse mitmesse teadusprojekti ning kasutatakse koostöös TÜ, TalTech, TLÜ-ga. Ettevõtetest on selle taristuga seotud Baltania, Green Marine ja mitmed põllumajandusettevõtted.
Biomassi gasifitseerimise platvorm: Gasifitseerimise taristu koosneb pilootskaalas seadmest, mis võimaldab puit- ja rohtse biomassi ning orgaaniliste jäätmete muundamist sünteesgaasiks (CO ja H2 segu). Peamised taristuelemendid hõlmavad ettevalmistusseadmeid, gaasigeneraatorit ja gaasipuhastusseadmeid. Pilootskaalas gasifitseerimistaristu võimaldab kütust kasutada energia tootmiseks, keemiatööstuses või kütusena muudes protsessides, vähendades samal ajal keskkonnamõjusid võrreldes traditsiooniliste põletusmeetoditega. Platvorm võimaldab koostööd Soome VTT termiliste väärindamise laboriga, TÜ ja TalTech-ga ning ka Norras NTNU-ga. EMÜ-l on koostöö ettevõttega BRD Minerals. Eestisse on aga tekkimas potentsiaalselt ka kaks gasifitseerimisel põhinevat puidu väärindamise tehast Power2X ja BioJet, mis mõlemad on uudsed ja vajavad tulevikus ka arendustuge.
