Pretreatment in membrane filtration of wood hydrolysate

Interest in recovery of valuable components from process streams has increased in recent years. Purpose of biorefinery is to utilize components that otherwise would go to waste. Hemicelluloses, for example, could be utilized in production of many valuable products. One possible way to separate and fractionate hemicelluloses is membrane filtration. In the literature part of this work membrane fouling in filtration processes of pulp and paper process- and wastewaters was investigated. Especially purpose was to find out the possible fouling compounds, after which facilities to remove or modify such components less harmful were studied. In the experimental part different pretreatment methods, mainly to remove or degrade lignin from wood hydrolysate, were studied. In addition, concentration of hemicelluloses and separation from lignin were examined with two ultrafiltration membranes; UFX5 and RC70PP. Changes in feed solution, filtration capacity and fouling of membranes were used to evaluate the effects of pretreatment methods. Changes in hydrolysate composition were observed with different analysis methods. Filtration of hydrolysate proved to be challenging, especially with the UFX5 membrane. The more hydrophilic RC70PP membrane did not seem to be fouled as severely as the UFX5 membrane, according to pure water flux measurements. The UFX5 membrane retained hemicelluloses rather well, but problems arose from rapid flux decline resulting from concentration polarization and fouling of membrane. Most effective pretreatment methods in the case with the UFX5 membrane proved to be prefiltration with the RC70PP membrane, activated carbon adsorption and photocatalytic oxidation using titanium dioxide and UV radiation. An additional experiment with PHW extract showed that pulsed corona discharge treatment degraded lignin quite efficiently and thus improved filtration capacity remarkably, even over six times compared to the filtration with untreated extract.

Kiinnostus arvokkaiden komponenttien talteenottoon prosessivirroista on kasvanut viime vuosina. Biojalostamon tarkoitus on hyödyntää komponentit, jotka muuten menisivät hukkaan jätteinä. Hemiselluloosat esimerkiksi voitaisiin hyödyntää monien arvokkaiden tuotteiden valmistuksessa. Yksi mahdollinen keino hemiselluloosien erottamiseen ja fraktioimiseen on kalvosuodatus. Tämän työn kirjallisuusosassa tutkittiin kalvojen likaantumista prosesseissa, joissa suodatetaan sellu- ja paperiteollisuuden prosessi- ja jätevesiä. Erityisesti pyrittiin selvittämään mahdolliset likaavat komponentit, jonka jälkeen otettiin selvää keinoista, joilla kyseisiä komponentteja voitaisiin joko poistaa tai muuttaa harmittomimmiksi. Kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisia esikäsittelymenetelmiä, pääasiassa ligniinin poistamiseksi tai hajottamiseksi puuhydrolysaatista. Lisäksi tutkittiin hemiselluloosien konsentrointia ja erotusta ligniinistä kahdella ultrasuodatuskalvolla; UFX5 ja RC70PP. Muutoksia syöttöliuoksessa, suodatuskapasiteetissa ja kalvojen foulaantumisessa käytettiin esikäsittelymenetelmien vaikutusten arviointiin. Muutosta hydrolysaatissa seurattiin erilaisin analyysimenetelmin. Hydrolysaatin suodatus oli hankalaa, erityisesti UFX5 –kalvon kohdalla. RC70PP –kalvo ei tuntunut likaantuvan yhtä pahasti kuin UFX5 –kalvo puhdasvesivuomittausten perusteella. UFX5 –kalvo pidätti hemiselluloosat melko hyvin, mutta ongelmia tuotti vuon nopea lasku johtuen konsentraatiopolarisaatiosta ja kalvon likaantumisesta. Esikäsittelymenetelmistä tehokkaimmiksi osoittautuivat esisuodatus RC70PP –kalvolla UFX5 –kalvon tapauksessa, adsorptio aktiivihiileen sekä fotokatalyyttinen hapetus käyttäen titaanidioksidia ja UV-säteilyä. Lisäkoe kuumavesiutteella näytti koronapurkauskäsittelyn hajottavan ligniiniä melko tehokkaasti ja siten parantavan suodatuskapasiteettia merkittävästi, jopa yli kuusinkertaiseksi verrattuna käsittelemättömän uutteen suodatukseen.