Männyn käytön vaikutukset paperi- ja kartonkihiokkeen raaka-aineena

Diplomityössä seurattiin ensiharvennusmännyn koekäyttöä painehiokkeen valmistuksessa Stora Enson Anjalankosken tehtailla. Tavoitteena oli selvittää, mitä laadullisia ja taloudellisia vaikutuksia ensiharvennusmännyllä on mekaanisen massan valmistukseen ja lopputuotteeseen, kun sitä annostellaan kuusen joukkoon. Prosessin uuteainepitoisuus nousi pääosin mäntyajon aikana. Paperista ja kartongista määritettyjen uuteainepitoisuuksien mukaan rasva- ja hartsihappopitoisuus nousi 5 % -mäntyajon aikana 15 % ja 20 % -mäntyajon aikana noin 60 % referenssitasosta. Selvimmin uuteainepitoisuuksien kasvu havaittiin hiomakoneiden suihkuvesistä ja annosteluhiokkeista. Männyn vaikutus näkyi myös prosessin kohonneena sameutena ja varaustilana. Hiokkeen bulkki oli jokaisella hiomalinjalla mäntykoeajon aikana hieman suurempi kuin referenssijaksolla. 20 % -mäntyajon aikana havaittiin myös laskua hiokkeen lujuuksissa. Yhdellä paperikoneella havaittiin märkäviirojen värjääntymistä ja tukkeutumista mäntyajon aikana. Tutkimuksen mukaan ensiharvennusmäntyä voidaan käyttää 5 % kuusen joukossa ilman, että suuria muutoksia prosessissa tai lopputuotteiden laadussa havaitaan. Männyn käytöllä voidaan saavuttaa puun hankintakustannuksissa säästöä noin 1,2 euroa/hioketonni.

Characterization of Microparticle Retention Systems with Retention Process Analyzer

In the literature survey retention mechanisms, factors effecting retention and microparticles were studied. Also commercial microparticle retention systems and means to measure retention were studied. Optical retention measurement with RPA and Lasentec FBRM was studied. The experimental part contains study of different cationic polyacrylamides, anionic silica, bentonite and new generation micropolymer. In these studies the dosage, dosing order and dosing history were changing factors. The experimental work was done with RPA-apparatus with which, the retention process can be followed in real time. In testing was found that silica yielded better retention, when dosed nontraditionally before the polymer. Also silica was very dependant on the polymer dosage. With bentonite good colloidal retention was achieved with relatively low doses. Unlike silica bentonite was not dependant on polymer dosage. The relation of bentonite and polymer dosage is more defining when high retention is wanted. With 3-component systems using bentonite very high retention was achieved. With silica no improvement in retention was found in 3-component systems compared to dual component systems.

Magnesiumhydroksidialkalin käytön vaikutukset päällystämättömän aikakauslehtipaperin valmistukseen

Magnesiumhydroksidin on havaittu soveltuvan natriumhydroksidin korvaajaksi mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkalina. Työssä selvitettiin, miten magnesiumhydroksidi vaikuttaa paperin valmistukseen ja valmiin paperin ominaisuuksiin. Laboratoriokokeet osoittivat magnesiumhydroksidin soveltuvan mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkaliksi, sillä vaaleustavoite saavutettiin sen avulla. Valkaistun massan varaustila, johtokyky sekä ζ -potentiaali laskivat magnesiumhydroksidin vaikutuksesta. Nämä johtivat huomattavasti korkeampaan paperin täyteaineretentioon. Massan vedenpidätyskyky kasvoi korvattaessa natriumhydroksidi magnesiumhydroksidilla. Arkkien ominaisuuksista vetoindeksi, valonsirontakerroin ja taivutusjäykkyys kasvoivat. Kaikki edellä mainitut ominaisuudet viittaavat siihen, että magnesiumhydroksidin käyttö parantaa hienoaineen sitoutumista paperiin.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

The Effects of Some Furnish and Paper Structure Related Factors on Wet Web Tensile and Relaxation Characteristics

The objective of this thesis was to identify the effects of different factors on the tension and tension relaxation of wet paper web after high-speed straining. The study was motivated by the plausible connection between wet web mechanical properties and wet web runnability on paper machines shown by previous studies. The mechanical properties of wet paper were examined using a fast tensile test rig with a strain rate of 1000%/s. Most of the tests were carried out with laboratory handsheets, but samples from a pilot paper machine were also used. The tension relaxation of paper was evaluated as the tension remaining after 0.475 s of relaxation (residual tension). The tensile and relaxation properties of wet webs were found to be strongly dependent on the quality and amount of fines. With low fines content, the tensile strength and residual tension of wet paper was mainly determined by the mechanical interactions between fibres at their contact points. As the fines strengthen the mechanical interaction in the network, the fibre properties also become important. Fibre deformations caused by the mechanical treatment of pulp were shown to reduce the mechanical properties of both dry and wet paper. However, the effect was significantly higher for wet paper. An increase of filler content from 10% to 25% greatly reduced the tensile strength of dry paper, but did not significantly impair wet web tensile strength or residual tension. Increased filler content in wet web was shown to increase the dryness of the wet web after the press section, which partly compensates for the reduction of fibrous material in the web. It is also presumable that fillers increase entanglement friction between fibres, which is beneficial for wet web strength. Different contaminants present in white water during sheet formation resulted in lowered surface tension and increased dryness after wet pressing. The addition of different contaminants reduced the tensile strength of the dry paper. The reduction of dry paper tensile strength could not be explained by the reduced surface tension, but rather on the tendency of different contaminants to interfere with the inter-fibre bonding. Additionally, wet web strength was not affected by the changes in the surface tension of white water or possible changes in the hydrophilicity of fibres caused by the addition of different contaminants. The spraying of different polymers on wet paper before wet pressing had a significant effect on both dry and wet web tensile strength, whereas wet web elastic modulus and residual tension were basically not affected. We suggest that the increase of dry and wet paper strength could be affected by the molecular level interactions between these chemicals and fibres. The most significant increases in dry and wet paper strength were achieved with a dual application of anionic and cationic polymers. Furthermore, selectively adding papermaking chemicals to different fibre fractions (as opposed to adding chemicals to the whole pulp) improved the wet web mechanical properties and the drainage of the pulp suspension.

Täyteaineen dispergoinnin vaikutus paperin ominaisuuksiin

Kuljetettaessa täyteainetta pidempiä matkoja voidaan aikaan saada säästöjä, mikäli täyteaineliete valmistetaan korkeaan kuiva-ainepitoisuuteen. Dispergointiaineen avulla täyteainelietteen kuiva-ainepitoisuutta voidaan nostaa ilman, että menetetään täyteainelietteen virtausominaisuuksia. Dispergointiaineen tehtävänä on stabiloida täyteaineliete niin, että täyteainepartikkelit pysyvät lietteessä erillään, jolloin lietteen kuiva-ainepitoisuuden kasvattaminen on mahdollista. Täyteainepartikkelien agglomeroituminen estyy, kun dispergointiaine kiinnittyy täyteainepartikkelin pinnalle lisäten partikkelin sähkövarausta ja vahvistaen näin partikkeleiden välisiä repulsiovoimia. Dispergointi on mahdollista tehdä myös steerisellä stabiloinnilla. Yleisimmät käytössä olevat dispergointiaineet ovat polyakryylaatteja. Työssä tutkittiin MBF- laitteella valmistettujen arkkien avulla dispergoinnin vaikutusta täyteaineiden käyttäytymiseen ja paperin ominaisuuksiin. Dispergointiaineen todettiin heikentävän täyteaineen retentiota paperiin, sillä dispergointiaineen aiheuttama täyteaineen anionisuuden kasvu lisää kuidun ja täyteaineen välistä repulsiota. Dispergoitujen täyteaineiden käyttö vaatii retentioaineannoksen kasvattamista, mikä voi johtaa puolestaan formaation heikkenemiseen. Dispergointiaineen todettiin alentavan hienopaperin bulkkia, sillä paksuutta lisääviä agglomeraatteja esiintyi todennäköisesti vähemmän. Lisäksi dispergointiaineen havaittiin heikentävän hienopaperin ja TMP:stä valmistetun paperin optisia ominaisuuksia. Hienopaperilla dispergointiaineen käyttö puolestaan paransi paperin lujuusominaisuuksia. TMP- arkeilla bulkki ja lujuusominaisuudet muuttuivat dispergointiaineannostuksen myötä. 5 ‰:n dispergointiaineannostuksella päästiin samaan bulkkiin sekä lujuusominaisuuksiin kuin ei-dispergoidulla täyteaineella.

Jatkuvatoiminen ioninvaihto ja kompleksoituvien metallien sorptio kloridiympäristössä

Työn tarkoituksena oli tutkia kompleksoituvien metallien erotusta kloridiliuoksesta ioninvaihdolla. Kirjallisessa osassa perehdyttiin metallikompleksien muodostumiseen, ja erityisesti hopean, kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin muodostamiin komplekseihin kloridin ja nitraatin kanssa. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös metallien erottamista kiintopetikolonneissa jatkuvatoimisilla ioninvaihtomenetelmillä. Tässä työssä jatkuvatoimisen ioninvaihdon prosessivaihtoehdot jaoteltiin pyöriviin ja paikallaan pysyviin kolonneihin, sekä tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtoja kolonnien kytkentöjen suhteen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenarvoisten metallien erottamista yhdenarvoisista metalleista sekä luotiin koedataa vastaavanlaisen erotusprosessin simulointiin. Kokeissa käytettiin anioninvaihtohartsia ja kelatoivaa selektiivistä ioninvaihtohartsia. Kahdenarvoisen kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin adsorptiota hartseihin tutkittiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Anioninvaihtohartsilla tehtyjen tasapaino- ja kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti sinkkiä kloridiliuoksista, koska sinkki muodostaa stabiileja anionisia klorokomplekseja. Muiden tutkittujen kahdenarvoisten metallien adsorptio hartsiin oli huomattavasti vähäisempää. Tulosten perusteella tutkittu anioninvaihtohartsi on hyvä vaihtoehto sinkin erottamiseen muista tutkituista kahdenarvoisista metalleista kloridiympäristössä. Kelatoivalla hartsilla tehdyt tasapaino- ja kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kloridiliuoksista hyvin kahdenarvoista kalsiumia, magnesiumia, lyijyä ja sinkkiä, mutta ei adsorboi yhdenarvoista hopeaa. Tulosten perusteella kahdenarvoisten metallien erottaminen yhdenarvoisista metalleista voidaan toteuttaa kokeissa käytetyllä kelatoivalla ioninvaihtohartsilla.

Adsorptive removal of harmful organic compound from aqueous solutions

Adsorption is one of the most commonly used methods in water treatment processes. It is attractive due to it easy operation and the availability of a wide variety of commercial adsorbents. This doctoral thesis focuses on investigating and explaining the influence of external phase conditions (temperature, pH, ionic strength, acidity, presence of cosolutes) on adsorption phenomena. In order to cover a wide range of factors and phenomena, case studies were chosen from various fields where adsorption is applied. These include the adsorptive removal of surface active agents (used in cleaning chemicals, for example) from aqueous effluents, the removal of hormones (estradiol) from drinking water, and the adsorption of antibiotics onto silica. The latter can beused to predict the diffusion of antibiotics in the aquatic system if they are released into the environment. Also the adsorption of living cells on functionalized polymers to purify infected water streams was studied. In addition to these examples, the adsorptive separation of harmful compounds from internal water streams within a chemical process was investigated. The model system was removal of fermentation inhibitors from lignocelluloses hydrolyzates. The detoxification of the fermentation broth is an important step in the manufacture of bioethanol from wood, but has not been studied previously in connection with concentrated acid hydrolyzates. New knowledge on adsorption phenomena was generated for all of the applications investigated. In most cases, the results could be explained by combining classical theories for individual phenomena. As an example, it was demonstrated how liquid phase aggregation could explain abnormal-looking adsorption equilibrium data. In addition to the fundamental phenomena, also process performance was of interest. This aspect is often neglected in adsorption studies. It was demonstrated that adsorbents should not be selected for a target application based on their adsorption properties only, but regeneration of the spent adsorbent must be considered. It was found that using a suitable amount of organic co-solvent in the regeneration can significantly improve the productivity of the process.

Formation of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes in dual polymer treatment of papermaking pulp

The goal of this study was to find a new approach to modify chemically the properties of paper by improving fiber quality. This Master’s thesis includes the multiple polymer treatment in general and themeasurement methods with which the formation of multilayers and complexes can be noticed. The treatment by an oppositely charged dual polymer system is a good approach to increase paper strength. In this work, starch, a cationic polymer, and carboxymethyl cellulose (CMC), an anionic polymer, were used step-by-step to improve paper strength. The adsorption of cationic starch and CMC on cellulose fibers were analyzed via polyelectrolyte titration. The results showed that paper strength was enhanced slightly with a layer-by-layer assembly of the polymers. However, if the washing stage, which was required for layer-by-layer assembly, was eliminated, the starch/CMC complex was deposited on fibers more efficiently, and the paper strength was improved more significantly.

Pinta-aktiiviaineiden vaikutus kuitulinjan toimintaan

Työssä tutkittiin kahden eri pinta-aktiiviaineen A ja B käytön vaikutusta kahdella eri kuitulinjalla. Molempien pinta-aktiiviaineiden pääfunktiona oli vaikuttaa nes-teen pintajännitykseen, jolloin nesteen tunkeutumisnopeus kuitumatriisiin ja kui-tujen huokosiin paranee. Lisäksi pinta-aktiiviaineilla A ja B oli kyky stabiloida nesteeseen liuenneita uuteainekomponentteja, jolloin uudelleensaostumisen riski pienenee. Koeajoilla pyrittiin vaikuttamaan happidelignifiointivaiheen uuteainetasoihin, alkali- ja happiannoksiin sekä kappareduktioon. Lisäksi tarkasteltiin annostelun vaikutusta kuitulinjan pesurien toimintaan, uuteainetasojen kehittymiseen koko kuitulinjalla sekä valkaisun kemikaalikulutukseen. Työssä kokeiltiin myös pinta-aktiiviaineen B vaikutusta EOP-vaiheen uuteainetasoon. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin puun uuteaineisiin ja niiden käyttäytymiseen kuitulinjalla, pinta-aktiiviaineisiin, pesun teoriaan sekä kuitulinjan kemikaaliannosteluihin vaikuttaviin tekijöihin. Molemmissa koeajoissa pinta-aktiiviaineet A ja B annosteltiin massan joukkoon juuri ennen happivaihetta. EOP-vaiheeseen pinta-aktiiviaine B annostelu tehtiin D0-vaiheen pesurin jälkeiseen massaan. Asetoniuutemääritykset tehtiin massasta ennen happivaihetta, happivaiheen jälkeen ja valkaistulle massalle sekä pinta-aktiiviaine B koeajon yhteydessä EOP-vaiheen jälkeen. Pinta-aktiiviaineiden käytöllä havaittiin olevan positiivinen vaikutus kuitulinjan asetoniuutetasojen kehittymisessä. Verrattuna referenssijaksoon, oli happivaiheen alkali- ja happiannokset pienemmät pinta-aktiiviaineiden käytön aikana ilman, että saavutettu kappareduktio heikkeni. Pesurien toiminnan kannalta pinta-aktiiviaineiden käytöllä oli myönteisiä vaikutuksia pesutehokkuuden ja pesun ta-saisuuden kannalta. Lisäksi havaittiin valkaisussa merkittävä muutos D0- ja D1-vaiheiden klooridioksiveden käytössä ja EOP-vaiheen alkaliannoksessa.

Runkopaperin imukyvyn optimointi

Diplomityön tarkoituksena oli optimoida laminaatin valmistuksessa käytettävän runkopaperin imukyky niin, että pienemmällä hartsimäärällä saavutetaan vähintään jo olemassa olevat impregointi- ja laminaatin ominaisuudet tai että nykyisellä hartsimäärällä saadaan nopeampi imeytyminen läpi paperirakenteen. Kirjallisuusosassa etsittiin ja selvitettiin erilaisten tekijöiden tai toimintatapojen vaikutukset, joilla voitaisiin muokata paperin imukyky halutulle tasolle. Kirjallisuudesta löydetyistä tekijöistä ja menetelmistä valittiin kokeelliseen osaan tutkittavaksi potentiaalisimmat sekä toteutuskelpoisimmat tavat. Diplomityön kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa kirjallisuudesta löydettyjä menettelyjä testattiin laboratoriomittakaavassa erilaisilla esikokeilla. Työn toisessa vaiheessa suoritettiin pilotpaperikoneella koeajo, jossa tutkittiin tarkemmin esikokeiden menetelmiä, jotka olivat antaneet lupaavia tuloksia. Lisäksi tutkittiin menetelmiä, joita ei esikokeissa kokeiltu, mutta jotka olivat teoreettisesti kiinnostavia. Tulosten perusteella paperin hartsinottokykyä pystyttiin madaltamaan nestemäisen AKD-liiman sekä erään kemikaalin avulla. Hartsin imeytymisnopeutta paperiin pystyttiin kasvattamaan kuidun entsymaattisella käsittelyllä, lämpösarveistamalla sekä käyttämällä erästä pinta-aktiivista ainetta.

Verhopäällystyspastojen analyysimenetelmät

Diplomityön tarkoitus oli selvittää verhopäällystyspastoille sopivia analyysimenetelmiä. Verhopäällystyksessä onnistunut päällystystapahtuma vaatii venymäviskositeetin ja pintajännityksen hyvää hallintaa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin verhopäällystystä, verhopäällystyspastojen koostumusta, reologiaa ja pintajännitystä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin lisäksi verhopäällystyspastojen reologian ja pintajännityksen mittaamiseen soveltuvia mittausmenetelmiä. Verhopäällystyksen luonteen vuoksi kirjallisuusosassa syvennyttiin venymäviskositeetin ja dynaamisen pintajännityksen mittaamiseen tarkoitettuihin menetelmiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin päällystyspastasarjojen reologiaa ja pintajännitystä verhopäällystystä varten. Osaan päällystyspastoista luotiin venymäviskositeettia ja osasta laskettiin pintajännitystä. Venymäviskositeetin mittaamista varten työssä käytettiin ACAV A2 -reometriin liitettyjä teräsreikälevyjä. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten työssä käytettiin KSV BPA-800P -pintajännitysmittaria. ACAV A2 -reometriin liitettyjen teräsreikälevyjen (reiän sisähalkaisija 0,5 tai 0,7 mm) avulla mitattiin venymäviskositeettia kuvaavia Eulerin lukuarvoja onnistuneesti suurilla kiintoainepitoisuuksilla (50, 60 tai 65 p %). Erikoispaksuntajan määrää lisäämällä onnistuttiin luomaan huomattavaa venymäviskositeettia. Kiintoainepitoisuuden kasvaessa kasvoi myös venymäviskositeetti. Tavanomaisille paksuntajille mitattiin hieman kohonneita venymäviskositeetteja verrattuna referenssipäällystyspastaan. Pigmenttikoostumuksella (kalsiumkarbonaatti/kaoliini) ei näyttänyt olevan vaikutusta venymäviskositeettiin, tai vaikutus oli suhteellisen pieni. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten käytössä ollut KSV BPA-800P -pintajännitysmittari ei toiminut luotettavasti, vaikka näytteitä laimennettiin. Kiintoainepitoisuudessa 10 p-% olleilla laimennoksilla saavutettiin analysoinnin kannalta parhaat tulokset. Tuloksista saatiin kuitenkin viitteitä, että kyseinen mittari voisi olla potentiaalinen menetelmä dynaamisen pintajännityksen mittaamiseksi.

Unusual bismuth-containing surface layers of III-V compound semiconductors

The understanding and engineering of bismuth (Bi) containing semiconductor surfaces are signi cant in the development of novel semiconductor materials for electronic and optoelectronic devices such as high-e ciency solar cells, lasers and light emitting diodes. For example, a Bi surface layer can be used as a surfactant which oats on a III-V compound-semiconductor surface during the epitaxial growth of IIIV lms. This Bi surfactant layer improves the lm-growth conditions if compared to the growth without the Bi layer. Therefore, detailed knowledge of the properties of the Bi/III-V surfaces is needed. In this thesis, well-de ned surface layers containing Bi have been produced on various III-V semiconductor substrates. The properties of these Bi-induced surfaces have been measured by low-energy electron di raction (LEED), scanning-tunneling microscopy and spectroscopy (STM), and synchrotron-radiation photoelectron spectroscopy. The experimental results have been compared with theoretically calculated results to resolve the atomic structures of the studied surfaces. The main ndings of this research concern the determination of the properties of an unusual Bi-containing (2×1) surface structure, the discovery and characterization of a uniform pattern of Bi nanolines, and the optimization of the preparation conditions for this Bi-nanoline pattern.

Modelling of potentiometric ion sensors

Potentiometric ion sensors are a very important subgroup of electrochemical sensors, very attractive for practical applications due to their small size, portability, low-energy consumption, relatively low cost and not changing the sample composition. They are investigated by the researchers from many fields of science. The continuous development of this field creates the necessity for a detailed description of sensor response and the electrochemical processes important in the practical applications of ion sensors. The aim of this thesis is to present the existing models available for the description of potentiometric ion sensors as well as their applicability and limitations. This includes the description of the diffusion potential occurring at the reference electrodes. The wide range of existing models, from most idealised phase boundary models to most general models, including migration, is discussed. This work concentrates on the advanced modelling of ion sensors, namely the Nernst-Planck-Poisson (NPP) model, which is the most general of the presented models, therefore the most widely applicable. It allows the modelling of the transport processes occurring in ion sensors and generating the potentiometric response. Details of the solution of the NPP model (including the numerical methods used) are shown. The comparisons between NPP and the more idealized models are presented. The applicability of the model to describe the formation of diffusion potential in reference electrode, the lower detection limit of both ion-exchanger and neutral carrier electrodes and the effect of the complexation in the membrane are discussed. The model was applied for the description of both types of electrodes, i.e. with the inner filling solution and solidcontact electrodes. The NPP model allows the electrochemical methods other than potentiometry to be described. Application of this model in Electrochemical Impedance Spectroscopy is discussed and a possible use in chrono-potentiometry is indicated. By combining the NPP model with evolutionary algorithms, namely Hierarchical Genetic Strategy (HGS), a novel method allowing the facilitation of the design of ion sensors was created. It is described in detail in this thesis and its possible applications in the field of ion sensors are indicated. Finally, some interesting effects occurring in the ion sensors (i.e. overshot response and influence of anionic sites) as well as the possible applications of NPP in biochemistry are described.

Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.