En ny era för kemin och kemitekniken: från petro till bio Bjarne Holmbom FC vid ÅA:s Lärardagar 16.9. 2006

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Specialkemikalier och -material ur skogen

Redan på stenåldern Torsten Edgren Museiverket 3 cm Kerimäki ca. 7000 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 (?)

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.

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

Från xylaner till xylitol Finska Socker: Xylitolfabrik i Kotka 1974 Xylitoltuggummi - Hellas 1975 - Det första funktionella livsmedlet ?

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

Granlignanen HMR

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 !

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 ?

1998 En ful gran fälldes Prov av en kvistnöt

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

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)

Stefan Willför Christer Eckerman

ChipSep pilotanläggning i Åbo 2001 – 2002 Oy Separation Research Ab

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 (?)

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

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

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. www.hmrlignan.com

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

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

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

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

Galaktoglukomannaner (GGM) i TMP vatten C H 2 - A c DP = 200 - 400

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

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

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

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

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

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

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

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”