En ny era för kemin och kemitekniken: från petro till bio

En presentation över ämnet: "En ny era för kemin och kemitekniken: från petro till bio"— Presentationens avskrift:

1 En ny era för kemin och kemitekniken: från petro till bio
Bjarne Holmbom FC vid ÅA:s Lärardagar

2 Molekylär processteknik
Processkemiska forskningscentret Förbrännings- och materialkemi Mikko Hupa Kinetik och katalys Tapio Salmi Trä- och papperskemi Bjarne Holmbom Processanalytisk kemi Ari Ivaska Molekylär processteknik

3 Kemin – en vetenskap i kris
Har inte social acceptans Skrämmer bort ungdomar Bara en hjälpvetenskap för ”stora” vetenskaper, som Biovetenskaper och medicin Fysik och elektronik

4 Kemiska industrin i kris
Gör främst olika farliga, giftiga ämnen Inte för människans och naturens goda, utan tvärtom Skapar en egen konstgjord, farlig värld Lika onaturlig och farlig som genmodifiering

5 En ny era för kemin och kemitekniken
Svart kemi Kol 1880 – 1920 Brun kemi Olja 1920 – 2010 Grön kemi Biomassor

6 Grön kemi Förnyelsebara råmaterial, eller produktavfall Rena processer
Naturliga, biokompatibla produkter som kan återcirkuleras i naturen Utnyttjande av molekyl- och materialstrukturer skapade i naturen genom biosyntes

7 Naturliga material ”Behagliga och goda” för människan och naturen (trä, papper, bomull, ylle, naturenlig mat, etc.) De mest funktionella materialen – i de rätta applikationerna

8 Bioraffinaderi – förädlar förnyelsebara biomassor Aurinko
Utsläpp Energi- produktion Utsläpp Energi Produkter Industri- processer Människa Konsument Förnyelsebar biomassa Rå- material- extr. Råmaterial Utsläpp Avfall Avfall Fossila råmaterial Avfall

9 Bioraffinaderier ? Industriell produktion baserad på biomaterial / biomassor - från Skogar Åkrar Djur Vatten

10 Bioraffinaderiprodukter
Massprodukter (trä- och fiberprodukter, livsmedel, foder, osv.) Energi Bränslen Baskemikalier Värdefulla biomaterial och biokemikalier

11 Forest Biorefinery Paper Board Pulping Paper making Biofuels Energy
Side streams Biofuels Energy Wood is mostly used for mechanical forest products, such as sawmill products and boards, and to an increasing extent form pulp and paper via fiber production through pulping and belaching. So we are working on basic wood chemistry which has implications both for mechanical forest products and paper, and fibre and pulping chemistry as well as papermaking chemistry and even to some extent we work on paper recycling chemistry. Aiomme tutkia myös muita käyttöalueita kuin funktionaaliset elintarvikkeet. Puun bioaktiivisia aineita voidaan mahdollisesti käyttää myös luonnonmukaisina torjunta- ja suoja-aineina, esim. limantorjuntaan paperitehtaissa, puunsuoja-aineina tai homeenestoaineina rakennusmateriaaleissa ja rakenteissa. Mech. forest products Speciality Chemicals

12 Specialkemikalier och -material ur skogen

13 Redan på stenåldern Torsten Edgren Museiverket 3 cm Kerimäki
ca f. Kr. 3 cm GC - MS Forests and forest products have always been important in Finland. Here an example form the older Stone Age. Some years ago we got a sample from the Board of Antiquites (Museovirasto, Museiverket) in Finland. I was 9000 years old, found in Kerimäki, close to Savonlinna. We were asked to analyse it Tillverkad av björknäver Björkbeck “Tökötti” Den första teknokemiska produkten (?)

14 Den viktigaste produkten från Finland
Tjära Den viktigaste produkten från Finland från ca 1550 till 1850 The next important technochemical product to emerge was wood tar.

15 Med den industriella eran
Tallolja Terpentin Sulfitsprit CMC Furfural Xylitol Sitosterol / sitostanol

16 Från xylaner till xylitol
Finska Socker: Xylitolfabrik i Kotka 1974 Xylitoltuggummi - Hellas Det första funktionella livsmedlet ?

17 Sitostanolestrar Margarin Grädde Ost Raisio Oy Pasta 1995 - Yoghurt
m.m. Raisio Oy 1995 -

18 Granlignanen HMR

19 Granlignanen HMR 1957: Karl Freudenberg
1976: Rainer Ekman, ÅA, GC-MS av lignaner 1991: prof. Risto Santti (TY) - HMR estrogen i fisk ? Vi preparade några gram ren HMR Ingen estrogen effekt !

20 Granlignanen HMR 1996: In vitro kancer test Hämmade kancerceller !
Hormos Medical in som sponsor 1998: Hur producera HMR ? Samla kvistar i skogen ? Extrahera ur TMP-vatten ?

21 1998 En ful gran fälldes Prov av en kvistnöt

22 The knot story Analysis 10% lignans ! 1998 4-29% lignans More spruce
Publications Analysis 10% lignans ! Knots from other tree species 50+ species 5-15% phenols Publications Technical sep. of knots Patent ”ChipSep” Pilot plant Farm production 20+ pure phenols in g-amounts Prep. isolation & purification To other labs 2 patent appl. 1998 New structures New reactions New conversions Publications Several patents Fundamental chemistry HMR from spruce knots Techn. antiox. & biocides Applications

23 4 - 29% Lignaner i Picea abies 0.1 - 5 % 0.1 % 0.0 %
Stefan Willför et al. 70-85% av lignanerna Kuusen sisäoksat sisältävät 5-10% lignaaneja. Ulko-oksien sydänpuussa on lignaaneja 2-5% ja rungon sydänpuussa vain n. 0.1%. Pääkomponentti, n. 70% lignaaneista, on hydroksimatairesinoli (HMR). HMR eristettiin kuusipuusta ja sen rakenne määritettiin Saksassa jo 1950-luvulla. Sen rakenne on samankaltainen kuin syötävissä kasveissa esiintyvien matairesinolin sekä secoisolariciresinolin. Hydroximatairesinol (HMR)

24 Stefan Willför Christer Eckerman

25 ChipSep pilotanläggning i Åbo 2001 – 2002
Oy Separation Research Ab

26 Granlignanen HMR Ytterst stark antioxidant (Åbo Univ.)
Förhindrar hjärt- och kärlsjukdomar (?) Omvandlas (metaboliseras) till enterolakton (ENL) i råttor - och människor HMR och ENL inhiberar bröstcancer (i råttförsök) Också aktiv mot prostatacancer och menopausproblem hos kvinnor (?)

27 Granlignanen HMR Bolaget Hormos Medical Oy i Åbo
Kliniska försök på människor: inga negativa effekter Ansökan till FDA i USA 2003 för “näringstillskott” FDA godkännande 2004 Licens till Linnea SA, Locarno 2005

28 Oy Separation Research Ab
UPM-Kymmene Kajana pappersbruk Kvistrik flis Lantgård i Kimito Oy Separation Research Ab ChipSep separation Flis till värmning Ren kvistprodukt Linnea SA, Locarno Extraktion Utfällning I kapslar Pharmacy Shops i USA

29 www.hmrlignan.com Recent research has shown that
plant lignans have a positive influence on the development of breast, prostate and colon cancer which rely specifically on oestrogens in order to progress. Lignans also help to maintain good cardiovascular health and to moderate other oestrogen-dependent health problems such as menopause symptoms and osteoporosis.

30 I andra trädslag – andra lignaner !
HMR I många trädslag också flavonoider och stilbener Matairesinol Kvistnötter: den rikaste källan till antioxidanter i naturen

31 Flera lignanprodukter ?
Funktionella livsmedel Kosmetik (solkrämer) Tekniska antioxidanter Naturliga biocider Träskyddsmedel

32 Stilbener både i kvistnötter och bark
Pinosylvin (Tallkvistar) Resveratrol (Rödvin & Granbark) Piceatannol (Granbark)

33 Galactoglucomannans (GGM) from TMP effluents
Wood-cont. papers TMP UF ? Food ingredient Hydrogel Chel. agent Emulsifier GGM conc.

34 Galaktoglukomannaner (GGM) i TMP vatten
C H 2 - A c DP =

35 Papper Kartong - Blekning Tallolja och terpentin Xylitol
Sitosterol (Benecol) Cellulosaderivat Kokning - Blekning Papper Kartong Pappersframst. Sulfitsprit Slipning Raff. - Blekning GGM Lignaner Flavonoider Stilbener Kosttillskott Funkt. livsm. Tekn. skyddsäm. Kvistnötter Stilbener mm. Betulinol Bark B. Holmbom

36 Slutsatser Molekylär analytisk forskning kan ”inducera och katalysera” utvecklingen av nya industriella produkter till nytta för människan och vår hälsa Träd är en rik källa till bioaktiva molekyler som utvecklats genom Evolutionen under miljoner år

37 Träden i skogen är levande organismer (så som andra växter)
lever länge och blir mycket stora har ett mycket bättre försvar mot skadliga organismer än andra växter (därför lever de så länge) de försvarar sig med hjälp av bioaktiva skyddsämnen

38 Från petro till bio Oundviklig, önskvärd evolution
Under kommande år och årtionden

39 I Finland bioraffinaderier baserade på våra skogsresurser
Evolution av nuvarande skogsindustri Nya högvärdiga, naturenliga produkter Stöd för den traditionella produktionen B. Holmbom

40 Men det kräver ---- Innovativ forskning och produktutveckling
Attitydförändringar Nytt företagstänkande Samarbete mellan olika industrisektorer Entreprenörer Vi har i Finland – och vid ÅA - alla förutsättningar att vara ledande i den här utvecklingen

41 Från Petro till Bio Från brun syntetisk kemi till grön naturenlig kemi
För naturens och vår egen hälsas skull Vi bör förstå och sen klokt dra nytta av Naturens visdom

42 Så andra vetenskaper och industribranscher blir ”gröna i ansiktet”
Vi kan ge kemin och kemiindustrin ett nytt vänligare och naturligare ansikte Så andra vetenskaper och industribranscher blir ”gröna i ansiktet”