Biokütuste töörühm

   
Hetkel töötab uurimisrühmas professor Timo Kikase juhendamisel üks professor, kaks teadurit, kaks järeldoktorit (neist üks Marie Curie stipendiaat), kaheksa doktoranti/nooremteadurit, kaks magistranti ja üks analüütik. Viimasel aastal on uurimisrühm saanud kaks rahvusvahelist projekti, ühe Marie Curie stipendiumi, ühe Mobilitas Pluss järeldoktori grandi ja mitmeid kohalikke uurimis- ja arenduslepinguid.  Uurimisrühm on osaline ka Teaduse tippkeskuses EQUiTANT, mis tegeleb kvant- ja nanomaterjalidega.

Biokütustega tegelemist alustati Tehnikainstituudis 2007 aastal. Esialgu keskendus uurimistöö peamiselt tahkete kütuste suunale. Uuriti erinevate lignotselluloossete- ja põllumajandusjäätmete briketeerimisvõimalusi.
 

2008 aastal alustati ka vedelkütuste tootmisprotsesside uurimist. Esimesed uuringud tegelesid taimeõlide ja esimese põlvkonna bioetanooli tootmisega. Hiljem keskenduti üha enam teise ja kolmanda põlvkonna biokütustele, et vältida esimese põlvkonnaga kaasnevaid eetilisi probleeme.

2011 aastal moodustus Põllundus-ja tootmistehnika osakonna juurde esimene bioenergia „rakuke“, mis asus uurima bioetanooli tootmist lignotselluloossest biomassist. Eelkõige keskenduti biomassi eeltöötluse parandamisele ja tootmisprotsessi pidevusele. 


2013 aastal töötati välja plahvatusliku rõhulangetusmeetod biomassi eeltöötlemiseks. Selle meetodi iseärasuseks on asjaolu, et lignotselluloosset biomassi töödeldakse ilma kemikaalideta, mis võimaldab märkimisväärselt alandada lõpp-produkti omahinda. Nimelt kasutab PRM lämmastiku erinevat lahustuvust erinevatel rõhkudel, et rakuseinad tekitatud ülerõhuga lõhkuda.
 
Samal perioodil asutati ka vetikalabor ja alustati mikrovetikatest mootorikütuse tootmisvõimaluste uurimisega. Mikrovetikatest biokütuse kompleksne töötlemisskeem hõlmab mikrovetikate kultiveerimist, vetikamassi eraldamist kasvukeskkonnast, järgnevat lipiidide ekstraheerimist ja lõpuks biodiisli saamist, tavaliselt transesterifitseerimise teel. Väljatöötatud on ka fotobioreaktori uudne tehniline lahendus, mis võimaldab parandada mikrovetikate kultiveerimise efektiivsust.

2016 aastal alustati uuringutega, mis peaks lahendama bioetanooli tootmisjääkide utiliseerimise probleemid. Nimelt tekib iga liitri bioetanooli tootmisel ca 20 liitrit kõrge biokeemilise hapnikutarbega reovett, mis vajab puhastamist enne loodusesse laskmist. Üheks sobivamaks võimaluseks oleme pakkunud selle reovee (ja ka tahke jäägi) anaeroobset kääritamist. Selles protsessis vähendatakse jäägi BHT-d ning saadakse lisaproduktina ka biogaasi.

2018 aastal ühinesid töörühmaga professor Erwan Rauwel ja vanemteadur Protima Rauwel, kes tõid uurimisrühma kvant- ja nanotehnoloogilise kompetentsi. Nende uurimistöö on keskendunud metalli oksiidide ja metalli nanoosakeste sünteesile ja nende kasutamisele veepuhastus-, bio-meditsiinilistes ja fotoelektrilistes rakendustes.

Lisaks sai Mobilitas Pluss järeldoktori grandiga alguse biomassi termilise töötlemise suund. Järeldoktor Tharaka Doddapaneni juhtimisel uuritakse uudset puidu ja paberitööstuse muda kasutamise võimalust, millest tekkiva söe ja biogaasi omahind on märgatavalt madalam kui traditsiooniliste meetoditega saadud analoogide puhul.

Uurimisrühma tähtsamad publikatsioonid:

Rocha-Meneses, Lisandra; Zannerni, Rawan; Inayat, Abrar; Abdallah, Mohamed; Shanableh, Abdallah; Ghenai, Chaouki; Kamil, Mohammed; Kikas, Timo (2022). Current progress in anaerobic digestion reactors and parameters optimization. Biomass Conversion and Biorefinery. DOI: 10.1007/s13399-021-02224-z.

Doddapaneni, Tharaka Rama Krishna C.; Ahmad; Fiaz; Valgepea, Kaspar; Kikas, Timo (2022). Integrated thermochemical and biochemical processes for the production of biofuels and biochemicals. In: Biomass, Biofuels, Biochemicals (67−105). Elsevier. DOI: 10.1016/B978-0-323-89855-3.00025-X.


Hasanov, Isa; Shanmugam, Sabarathinam; Kikas, Timo (2022). Extraction and isolation of lignin from ash tree (Fraxinus exselsior) with protic ionic liquids (PILs). Chemosphere, 290, 133297. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.133297.

Krishna C. Doddapaneni, Tharaka Rama; Kikas, Timo (2021). Chapter 39 - Thermochemical and biochemical treatment strategies for resource recovery from agri-food industry wastes. In: Bhat, Rajeev (Ed.). Valorization of Agri-Food Wastes and By-Products. Recent Trends, Innovations and Sustainability Challenges (787−807). Academic Press. DOI: 10.1016/B978-0-12-824044-1.00007-6.

Cahyanti, Margareta Novian; Doddapaneni, Tharaka Rama Krishna C.; Madissoo, Marten; Pärn, Linnar; Virro, Indrek; Kikas, Timo (2021). Torrefaction of Agricultural and Wood Waste: Comparative Analysis of Selected Fuel Characteristics. Energies, 14 (10), 2774. DOI: 10.3390/en14102774.

Sjulander, Nikki; Kikas, Timo (2020). Origin, Impact and Control of Lignocellulosic Inhibitors in Bioethanol Production—A Review. Energies, 13 (18), 4751.10.3390/en13184751.


Hasanov, Isa; Raud, Merlin; Kikas, Timo (2020). The Role of Ionic Liquids in the Lignin Separation from Lignocellulosic Biomass. Energies, 13 (4864), 1−24.10.3390/en13184864.

Raud, Merlin; Kikas, Timo (2020). Perennial Grasses as a Substrate for Bioethanol Production. Environmental and Climate Technologies , 24 (2), 32−40.10.2478/rtuect-2020-0052.

Rocha-Meneses, Lisandra; Harris, Peter; Tait, Stephan; Antille, Diogenes L.; Kikas, Timo; McCabe, Bernadette K. (2020). Bioresource recovery in the Australian red meat processing industry: a technical review of strategies for increased circularity. 2020 ASABE Annual International Virtual Meeting, July 13-15, 2020. American Society of Agricultural and Biological Engineers (ASABE), 3−30.10.13031/aim.202000690.

Rocha-Meneses, Lisandra; A. Ferreira, Jorge; Mushtaq, Maryam; Karimi, Sajjad; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2020). Genetic modification of cereal plants: A strategy to enhance bioethanol yields from agricultural waste. Industrial Crops and Products, 150 (C), 112408.10.1016/j.indcrop.2020.112408.

Cahyanti, Margareta Novian; Doddapaneni, Tharaka Rama Krishna C.; Kikas, Timo (2020). Biomass torrefaction: An overview on process parameters, economic and environmental aspects and recent advancements. Bioresource Technology, 122737.10.1016/j.biortech.2020.122737.

Rocha-Meneses, Lisandra; Otor, Oghenetejiri Frances; Bonturi, Nemailla; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2020). Bioenergy Yields from Sequential Bioethanol and Biomethane Production: An Optimized Process Flow. Sustainability, 12 (1), 272.10.3390/su12010272.

Rauwel, Erwan; Al-Arag; Siham; Salehi, Hamideh; Amorim, Carlos O.; Cuisinier, Frédéric; Guha, Mihu; S. Rosario, Maria; Rauwel, Protima (2020). Assessing Cobalt Metal Nanoparticles uptake by Cancer Cells using Live Raman Spectroscopy. International Journal of Nanomedicine, 15, 7051−7062.10.2147/IJN.S258060.

Rauwel, Protima; Rauwel, Erwan (2019). Towards the extraction of radioactive Cesium-137 from water via graphene/CNT and nanostructured Prussian blue hybrid nanocomposites: A Review. Nanomaterials, 9 (6), 682.10.3390/nano9050682.

Rauwel, Protima; Ducroquet, Frédérique; Galeckas, Augustinas; Rauwel, Erwan (2019). Selective photocurrent generation in HfO2 and carbon nanotube hybrid nanocomposites under Ultra-Violet and visible photoexcitations. Materials Letters, 1.10.1016/j.matlet.2019.03.030.

Raud, M.; Kikas, T.; Sippula, O.; Shurpali, N. J. (2019). Potentials and challenges in lignocellulosic biofuel production technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 111, 44−56. 10.1016/j.rser.2019.05.020.

Raud, M.; Krennhuber, K.; Jäger, A.; Kikas, T. (2019). Nitrogen explosive decompression pre-treatment: an alternative to steam explosion. Energy, 177, 175−182. 10.1016/j.energy.2019.04.071.

Rocha-Meneses, Lisandra; Raud, Merlin; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2019). Potential of bioethanol production-waste for methane recovery. Energy, 173, 133−139. 10.1016/j.energy.2019.02.073.

Rocha-Meneses, Lisandra; Ferreira, Jorge A; Bonturi, Nemailla; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2019). Enhancing Bioenergy Yields from Sequential Bioethanol and Biomethane Production by Means of Solid–Liquid Separation of the Substrates. Energies, 12 (19), 3683. 10.3390/en12193683.

Rocha-Meneses, Lisandra; Bergamo, Thaísa Fernandes; Kikas, Timo (2019). Potential of cereal-based agricultural residues available for bioenergy production. Data in Brief, 23, 103829. 10.1016/j.dib.2019.103829.

Rocha-Meneses, Lisandra; Silva, Jose Carlos; Cota, Sandra; Kikas, Timo (2019). Thermodynamic, Environmental and Economic Simulation of an Organic Rankine Cycle (ORC) for Waste Heat Recovery: Terceira Island Case Study. Environmental and Climate Technologies, 23 (2), 347−365. 10.2478/rtuect-2019-0073.

Rocha-Meneses, Lisandra; Ivanova, Anastasia; Atouguia, Guilherme; Ávila, Isaac; Raud, Merlin; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2019). The effect of flue gas explosive decompression pretreatment on methane recovery from bioethanol production waste. Industrial Crops And Products, 127, 66−72.10.1016/j.indcrop.2018.10.057.

Raud, Merlin; Rooni, Vahur; Kikas, Timo (2018). The Efficiency of Nitrogen and Flue Gas as Operating Gases in Explosive Decompression Pretreatment. Energies, 11 (2074).10.3390/en11082074.

Pitman, Kätlin; Raud, Merlin; Scotti, Gianmario; Jokinen, Ville P.; Franssila, Sami; Nerut, Jaak; Lust, Enn; Kikas, Timo (2017). Electrochemical Characterization of the Microfabricated Electrochemical Sensor-Array system. Electroanalysis, 29, 249−258.10.1002/elan.201600559.

Podkuiko, L.; Olt, J.; Kikas, T. (2017). Growth of Scenedesmus obliquus under artificial flue gas with a high sulphur concentration neutralized with oil shale ash. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 66(2), 151−158.10.3176/proc.2017.2.03.

Rocha-Meneses, Lisandra; Raud, Merlin; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2017). Second-generation bioethanol production: A review of strategies for waste valorisation. Agronomy Research, 15(3), 830−847.

Rooni, Vahur; Raud, Merlin; Kikas, Timo (2017). Technical solutions used in different pretreatments of lignocellulosic biomass: a review. Agronomy Research, 15 (3), 848−858.

Rooni, Vahur; Raud, Merlin; Kikas, Timo (2017). The Freezing Pre-Treatment of Lignocellulosic Material: A Cheap Alternative for Nordic Countries. Energy, 139, 1−7.10.1016/j.energy.2017.07.146.

Raud, Merlin; Mitt, Marion; Oja, Tõnu; Olt, Jüri; Orupõld, Kaja; Kikas, Timo (2017). Utilization potential of urban greening waste: Tartu case-study. Urban Forestry and Urban Greening, 21, 96−101.10.1016/j.ufug.2016.11.014.

Pitman, K.; Nerut, J.; Lust, E.; Franssila, S.; Raud, M.; Kikas, T. (2017). Electrooxidation of Hexacyanoferrate(II) Anions and Electroreduction of Oxygen in the Microfabricated Electrochemical Sensor-Array System. ECS Transactions, 77 (11), 1771−1782.10.1149/07711.1771ecst.

Kikas, Timo; Tutt, Marti; Raud, Merlin; Alaru, Maarika; Lauk, Ruth; Olt, Jüri (2016). Basis of Energy Crop Selection for Biofuel Production: Cellulose vs. Lignin. International Journal of Green Energy, 13 (1), 49−54.10.1080/15435075.2014.909359.

Tutt, Marti; Raud, Merlin; Kahr, Heike; Pointner, Manuel; Olt, Jüri; Kikas, Timo (2016). Nitrogen explosion pretreatment of lignocellulosic material for bioethanol production. Energy Sources, 38 (12), 1785−1789.10.1080/15567036.2014.1002950.

Raud, Merlin; Olt, Jüri; Kikas, Timo (2016). N2 explosive decompression pretreatment of biomass for lignocellulosic ethanol production. Biomass & Bioenergy, 90, 1−6.10.1016/j.biombioe.2016.03.034.

Raud, Merlin; Tutt, Marti; Olt, Jüri; Kikas, Timo (2016). Dependence Of The Hydrolysis Efficiency On The Lignin Content In Lignocellulosic Material. International Journal of Hydrogen Energy, 41 (37), 16338−16343.10.1016/j.ijhydene.2016.03.190.

Uurimisrühma olulisemad patendid:

Patentne leiutis: Sisemise valgusallikaga topeltseinaga silindriline pöörlev fotobioreaktor; Omanikud: Eesti Maaülikool, tehnikainstituut, Põllundus- ja tootmistehnika osakond, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut; Autorid: Timo Kikas, Lara Podkuiko, Jüri Olt; Prioriteedi number: P201400048
Patentne leiutis: Lämmastiklõhkamismeetod biomassi rakustruktuuri lõhkumiseks; Omanikud: Eesti Maaülikool, tehnikainstituut, Põllundus- ja tootmistehnika osakond, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut; Autorid: Timo Kikas, Merlin Raud, Marti Tutt, Jüri Olt; Prioriteedi number: P201400050;
 
Patentne leiutis: Lignotselluloossest biomassist etanooli tootmise integreeritud läbivooluline seade; Omanikud: Eesti Maaülikool; Autorid: Jüri Olt, Timo Kikas; Prioriteedi number: P201300016

Uurimisrühma jooksvad projektid:

PM180260TIBT "Biojäätmetest kõrge lisandväärtusega toodeteni - TIBT (1.01.2019−31.12.2022)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Biomajandustehnoloogia õppetool.

L190027TIBT "Osalemine Rahvusvahelise Energiaagentuuri ülesandes nr 37 – „Energia biogaasist ja prügilagaasist“ (22.03.2019−21.03.2022)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut.

F180175TIBT "Emerging orders in quantum and nanomaterials" (1.09.2018 – 31.12.2022), Erwan Yann Rauwel, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut.

F170096TIPT "Development of an Integrated Process for Conversion of Biomass to Affordable Liquid Biofuel (1.04.2017−31.10.2020)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut.

F170042TIPT "Holistic processes and practices for clean energy in strengthening bioeconomy strategies in Europe and India (1.04.2017−31.09.2020)", Merlin Raud, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut.

PM180107TIBT "Innovaatilise idee konkursi võidutöö „Pidevprotsessiline kemikaalivaba eeltöötlusseade töötlemaks lignotselluloosset biomassi – eeltöötlus plahvatusliku rõhulangetuse meetodi abil“ teostamine (1.04.2018−31.03.2021)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool, tehnikainstituut.

V200070TIBT (843723) "Integrating torrefaction of pulp and paper industry sludge with microbial conversion: A new approach to produce bioenergy carriers and biochemicals in a view of bio and circular economy. (1.09.2020−31.08.2022)", Tharaka Rama Krishna Chowdary Doddapaneni, Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut.

MOBJD703 "Mikrovetikate koostöötlemine tahkete kommunaaljäätmetega null-jäätmelises mikrovetika biorafineerimisprotsessis (1.10.2020−30.09.2022)", Fiaz Ahmad, Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Biomajandustehnoloogiate õppetool.

COVSG9 "Polümeersete nanokomposiitide kasutamine anti-viraalsetes lisandites ja pinnakatetes (1.12.2020−31.12.2021)", Erwan Yann Rauwel, Eesti Maaülikool.

RESTA5 "Termokeemiliste väärindamis-ja biorafineerimistehnoloogiate arendamine ja optimeerimine teise ja kolmanda põlvkonna biokemikaalide tootmiseks lignotselluloossest materjalist (1.01.2021−31.08.2023)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool.

RESTA22 "Ligniini keemilise ja ensümaatilise väärindamise tehnoloogiad: ligniinist ja sellest eraldatud fenoolsetest fragmentidest arendatavad tooted – materjalide sünteesiks kasutatavad algühendid, vaigud, liimid, õlid, plastikud, ehitusmaterjalid (1.07.2020−30.06.2023)", Siim Salmar, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, tehnoloogiainstituut.

RESTA6 "Puidusuhkrute tööstusliku fermentatsiooni protsesside optimeerimine bioreaktorites, sünteetilise bioloogia meetodid kemikaalide ja valkude tootmiseks disainitud tööstuslike rakuvabrikute arendamiseks (1.07.2020−30.04.2023)", Mart Loog, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, tehnoloogiainstituut.

RESTA11 "Pleegitatud keemilis-termilise puitmassi (BCTMP) ja töötlemata sekundaarsete puitmassi voogude keemilise ja biokeemilise väärindamise tehnoloogiate väljaarendamine (1.09.2020−31.05.2023)", Tiit Lukk, Tallinna Tehnikaülikool, Loodusteaduskond, Keemia ja biotehnoloogia instituut.

RESTA7 "Lignotselluloosse biomassi keemiline konverteerimine monomeerideks ja polümeriseerimine kõrgtehnoloogilisteks polümeerideks (1.11.2020−31.08.2023)", Lauri Vares, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, tehnoloogiainstituut.

RESTA9 "Puidutööstuse jääkide gasifitseerimise ja gaasfermentatsioonil kemikaalide tootmine: suurema saagise ja parema stressitaluvusega biotehnoloogiliste tootmistüvede välja töötamine sünteesgaasi põhiselt (1.01.2022−31.08.2022)", Kaspar Valgepea, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, tehnoloogiainstituut.

V210006TIBT (Grandileping nr 4-8/21/18) "Microalgae based, safety-tested and optimized fish feed value chain by using Interdisciplinary R&D and IT solutions" (1.07.2021−30.06.2024); Vastutav täitja: Timo Kikas; Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Biomajandustehnoloogiate õppetool; Finantseerija: Eesti Teadusinfosüsteemi (ETIS) osakond; Eraldatud summa: 64 000 EUR.

V210069TIBT (LV-RESEARCH-0011) "Novel biorefinery concepts for valorization of lignocellulosic residues" (1.05.2021−30.04.2024); Vastutav täitja: Timo Kikas; Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Biomajandustehnoloogiate õppetool (partner); Finantseerija: The EEA and Norway Grants; Eraldatud summa: 215 000 EUR.

P200195TIBT (EMÜ senati otsus 17.12.2020 nr 1-27/40) "Baasfinantseerimise toetus projekti "Torrefaktsiooni integreerimine mikroobsete protsessidega biokemikaalide ja bioenergia kandjate tootmiseks põllumajandusjääkidest" taotlusega seotud teadus- ja arendustegevuse toetamiseks" (1.01.2021−21.12.2022); Vastutav täitja: Timo Kikas; Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Biomajandustehnoloogiate õppetool; Finantseerija: Eesti Maaülikool; Eraldatud summa: 100 000 EUR.