Reaktio- ja aineensiirtokinetiikka usean faasin bioreaktoreissa – kokeellinen tutkimus ja mallinnus

Bioteknisten tuotantoprosessien osuus kemianteollisuuden tuotannosta on lisääntynyt viime vuosina. Muutosta kuitenkin osaltaan hidastaa prosessikehitys teolliseen tuotantokapasiteettiin.

Väitöstyössä kehitettiin mallinnustyökaluja biotekniikan prosesseihin, jotka perinteisesti ovat olleet erittäin haasteellisia mallintamisen kannalta. Luotettava mallinnus on tärkeää erityisesti siinä vaiheessa, kun perustutkimustasolta lähdetään kehittämään teknologiaa kohti tuotantoprosessia.

Puupohjaisen biomassan entsymaattisen hajotuksen mallinnusta kehitettiin reaktiokinetiikan tasolla, ja erityisesti huomiota kiinnitettiin mallin luotettavuuden arviointiin ja kehityskohteisiin. Mikrobipohjaisia tuotantoprosesseja arvioitiin reaktoritason mallinnuksella ja tutkimalla uudenlaisia reaktoriratkaisuja. Yritysyhteistyössä tehdystä reaktoritutkimuksesta saatiin lupaavia tuloksia.

Osa väitöstyöstä on tehty Business Finlandin Fermatra-projektissa, jossa ratkotaan bioreaktorien aineensiirron haasteita. Yksi projektin yrityskumppaneista on kaivos- ja rikastusteollisuudesta tunnettu teknologiayhtiö Outotec. Projektissa todettiin, että vaatimukset bioreaktoreille ovat osin hyvin samankaltaisia kuin tietyissä metallurgian prosesseissa, joihin Outotec on kehittänyt reaktoriteknologiaa. Väitöskirjan tulosten perusteella sovellukset myös bioteknisiin prosesseihin vaikuttavat lupaavilta.

Fermatra-projektissa tutkitaan laajemmin myös muita arvoketjuja, kuten hiilidioksidin ja hiilimonoksidin bioteknistä hyödyntämistä kemikaalien ja polttonesteiden tuotannossa. Yhteisenä tekijänä prosesseissa on kaasu-neste -aineensiirron haasteet.

Tulevaisuudessa bioteknisten prosessien odotetaan olevan yhä merkittävämmässä roolissa, kun siirrytään fossiilitaloudesta kohti bio- ja kiertotaloutta. Erityisesti peruskemikaalien tuotannossa vaaditaan suurempaa reaktorikapasiteettia kuin nykyisissä bioprosesseissa on tyypillisesti käytössä. Uusien reaktori- ja prosessiratkaisujen kehitys on tärkeä osa tätä trendiä. Paremmilla mallinnustyökaluilla voidaan nopeuttaa prosessien kehitysvaihetta ja parantaa myös kannattavuuslaskelmien luotettavuutta.