Bio-ethanol valorization towards C4s including 1-butanol over metal modified alumina and zeolite catalysts

Bio-ethanol has been used as a fuel additive in modern society aimed at reducing CO2-emissions and dependence on oil. However, ethanol is unsuitable as fuel supplement in higher proportions due to its physico-chemical properties. One option to counteract the negative effects is to upgrade ethanol in a continuous fixed bed reactor to more valuable C4 products such as 1-butanol providing chemical similarity with traditional gasoline components. Bio-ethanol based valorization products also have other end-uses than just fuel additives. E.g. 1-butanol and ethyl acetate are well characterised industrial solvents and platform chemicals providing greener alternatives. The modern approach is to apply heterogeneous catalysts in the investigated reactions. The research was concentrated on aluminium oxide (Al2O3) and zeolites that were used as catalysts and catalyst supports. The metals supported (Cu, Ni, Co) gave very different product profiles and, thus, a profound view of different catalyst preparation methods and characterisation techniques was necessary. Additionally, acidity and basicity of the catalyst surface have an important role in determining the product profile. It was observed that ordinary determination of acid strength was not enough to explain all the phenomena e.g. the reaction mechanism. One of the main findings of the thesis is based on the catalytically active site which originates from crystallite structure. As a consequence, the overall evaluation of different by-products and intermediates was carried out by combining the information. Further kinetic analysis was carried out on metal (Cu, Ni, Co) supported self-prepared alumina catalysts. The thesis gives information for further catalyst developments aimed to scale-up towards industrially feasible operations.

PDM system functions and utilizations analysis to improve efficiency of sheet metal product design and manufacturing

This study will concentrate on Product Data Management (PDM) systems, and sheet metal design features and classification. In this thesis, PDM is seen as an individual system which handles all product-related data and information. The meaning of relevant data is to take the manufacturing process further with fewer errors. The features of sheet metals are giving more information and value to the designed models. The possibility of implementing PDM and sheet metal features recognition are the core of this study. Their integration should make the design process faster and manufacturing-friendly products easier to design. The triangulation method is the basis for this research. The sections of this triangle are: scientific literature review, interview using the Delphi method and the author’s experience and observations. The main key findings of this study are: (1) the area of focus in triangle (the triangle of three different point of views: business, information exchange and technical) depends on the person’s background and their role in the company, (2) the classification in the PDM system (and also in the CAD system) should be done using the materials, tools and machines that are in use in the company and (3) the design process has to be more effective because of the increase of industrial production, sheet metal blank production and the designer’s time spent on actual design and (4) because Design For Manufacture (DFM) integration can be done with CAD-programs, DFM integration with the PDM system should also be possible.

Belt conveyor energy efficiency analysis and energy model development

An energy model of a belt conveyor was designed. Operation of a belt conveyor was researched. Operational indexes were calculated. Energy optimization process and recommendations were presented.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Polysulfidiprosessin vaikutukset höyrynkulutukseen sulfaattisellutehtaassa

Diplomityön tavoitteena on kartoittaa höyrynkulutuksen merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia sekä todennettuja muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Diplomityössä analysoidaan muutoksiin johtaneita syitä ja erityisesti peilataan niitä ennalta odotettuihin muutoksiin, joita kandidaatintyö ”Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa” (Szepaniak 2014) esitti kirjallisuuden pohjalta. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Tutkimustulosten perusteella esitetään jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon ja keittämöön. Keittämön höyrynkulutus kasvaa, haihduttamon kuorma vähenee ja soodakattilan lämmöntuotanto heikkenee. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen muutokset ovat tilastollisesti merkityksettömiä. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Bio- ja maakaasu liikennepolttoaineena Suomessa

Työssä tarkastellaan bio- ja maakaasun käyttöä Suomen tieliikenteen polttoaineena. Työn lähtökohtana on selvittää kaasukäyttöisten ajoneuvojen käytön kannattavuutta Suomessa ja niiden etuja muihin polttoaineisiin nähden. Tutkielmassa perehdytään erityisesti biokaasun käyttöön fossiilisten polttoaineiden korvaajana ja mitä vaatimuksia sen käytön lisääminen edellyttää. Työssä perehdytään kaasujen tuotantomenetelmiin, jakeluun, taloudelliseen kannattavuuteen, ympäristöystävällisyyteen ja tulevaisuuden näkymiin.

Entsyymien talteenotto ja kierrätys selluloosaetanolin valmistuksessa

Bioetanolin valmistus selluloosapitoisista raaka-aineista vaatii selluloosapolymeerien pilkkomisen liukoisiksi sokereiksi. Tämä voidaan toteuttaa entsymaattisella hydrolyysillä. Selluloosan pilkkomiseen tarkoitetut entsyymit, sellulaasit, ovat entsymaattisen hydrolyysin jälkeen sitoutuneet joko kiintoainefaasiin tai ovat nestemäisessä faasissa ns. vapaina entsyymeinä. Prosessin taloudellisuuden kannalta on erityisen tärkeää minimoida siinä käytettävien entsyymien tarve, sillä tehokkaat entsyymivalmisteet ovat suhteellisen kalliita. Yksi varteenotettava vaihtoehto bioetanoliprosessin saamiseksi taloudellisemmaksi on käytettyjen entsyymien talteenotto ja kierrätys. Työn tarkoituksena oli selvittää kirjallisuudesta, millaisia menetelmiä on kehitetty entsyymien talteenottoon ja kierrätykseen lignoselluloosasta valmistettavan bioetanolin valmistuksessa. Työssä on keskitytty tuoreisiin tutkimuksiin ja menetelmien käyttökelpoisuuteen ja taloudellisuuteen. Viime vuosina sellulaasien talteenotto- ja kierrätysmenetelmiä koskevat tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa käsittelemään nanopartikkelien avulla tapahtuvaa entsyymien immobilisointia, ultrasuodatusta, erilaisia desorptiomenetelmiä, kiinteän hydrolyysijäännöksen kierrättämistä, tuoreen substraatin lisäämistä sekä myös tislausvaiheen jälkeistä entsyymien kierrättämistä. Jotta kierrätysmenetelmä olisi tehokas, tulisi sen pyrkiä säilyttämään entsyymien aktiivisuuksia, sokerisaantoa menettämättä ja sisältää sekä neste-, että kiintoainefaasista tapahtuva kierrätys. Jokaisella kierrätysmenetelmällä on hyvät ja huonot puolensa. Entsyymien talteenottoastetta saadaan kuitenkin parannettua yhdistämällä erilaisia menetelmiä. Useista tutkimuksista huolimatta, taloudellisinta ja käyttökelpoisinta entsyymien talteenotto- ja kierrätysmenetelmää ei ole vielä saavutettu.

Framework for Regional Heating Energy Efficiency Assessment

The aim of this project was to develop general framework for systematic assessment of energy efficiency of heating on regional level in Russia. The framework created during this project includes two main instruments, namely: general regional heating energy efficiency assessment model (REEMod) and general regional heating energy efficiency assessment criteria for housing areas (REECrit). Framework pays extreme attention to realization of energy saving, overall cost efficiency and comfortable indoor climate. Life-cycle ideology was applied during creation of the framework. Application of the framework can provide decision-making process with systematically collected and processed information on current state of areas energy efficiency. Such information will help decision makers to evaluate current situation of the whole energy chain, to compare different development scenarios and to identify the most efficient improvement methods, thus supporting realization of regions efficient energy management. Simultaneous pursuit of energy savings, cost efficiency and indoor air quality can contribute to development of sustainable community. Presented instruments should be continuously developed further as an iterative process based on knew experience, development of technology and overall understanding of energy efficiency issues.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Power efficiency estimation and simulation of different control methods for the rotary screw compressor

Nowadays the energy efficiency has become one of the most concerned topics. Compressors are the equipment, which is very common in industry. Moreover, they tend to operate during long cycles and therefore even small decrease in power consumption can significantly reduce electricity costs during the year. And therefore it is important to investigate ways of increasing the energy efficiency of the compressors. In the thesis rotary screw compressor alongside with different control approaches is described. Simulation models for various control types of rotary screw compressor are developed. Analysis of laboratory equipment is conducted and results are compared with simulation. Suggestions of the real laboratory equipment improvement are given.

Yhdyskuntajätteen mekaanisen erottelun erotustehokkuus

EU:n jätehierarkia asettaa jätteenkäsittelyssä materiaalien hyötykäytön energiahyötykäytön edelle. EU on asettanut korkeat tavoitteet jätteenkierrätykseen, 50 painoprosenttia kotitalousjätteestä on ohjattava kierrätykseen vuoteen 2020 mennessä. Suomessa kaatopaikoista on pyritty eroon lisäämällä jätteenpolttokapasiteettia. Jätteiden hyödyntämisen osalta tilanne Suomessa on hyvä, mutta kierrätystavoitteiden täyttyminen nykyisillä toimilla vaikuttaa epätodennäköiseltä. Tässä työssä selvitetään mitä mekaanisia jätteen erottelumenetelmiä maailmalla on käytössä ja kuinka tehokkaita ne ovat. Työn tavoitteena on tutkia voitaisiinko kierrätystä Suomessa tehostaa yhdyskuntajätteen mekaanisella käsittelyllä. Kirjallisuusselvityksen lisäksi työssä on simuloitu mekaanisia erotteluketjuja ja verrattu niillä saatuja tuloksia Suomen syntypaikkalajittelun tasoon. Tämän tutkimuksen perusteella, mikään yksittäinen mekaaninen erottelumenetelmä ei riittävän tehokas erottelemaan kierrätettäviä materiaaleja yhdyskuntajätteestä. Mekaanisia erottelumenetelmiä tulee yhdistää lajittelulinjastoiksi, joiden optimoiminen on monen tekijän summa. Lajittelulinjaston suunnitteluun vaikuttavat muun muassa lähtömateriaalin laatu ja lopputuotteiden käyttötarkoitukset. Yhdyskuntajätteen sisältämä biojäte likaa herkästi muut jätteet ja vaikeuttaa mekaanisesti eroteltujen jätejakeiden uudelleenkäyttöä. Biojätteen poistaminen muiden jätteiden joukosta olisi ensiarvoisen tärkeää mekaanisen erotuksen tehokkuuden kannalta. Mekaaniset erotteluketjut poistavat tehokkaasti biojätettä ja metalleja, mutta lasin ja kuitujen osalta erotusketjujen tehokkuudet jäävät alhaisiksi. Muovien osalta mekaaninen erottelu voi parhaimmillaan ollaan erittäin tehokasta, toisaalta vaatimukset lähtömateriaalin laadulle ovat suuret. Muovien osalta syntypaikkalajittelun ja mekaanisen erottelun yhtäaikainen tehostaminen voisi tarjota ratkaisun kierrätysasteen nostamiseen.

Effect of the Knowledge Representation Form on the Efficiency of Knowledge Sharing

The goal of this thesis is to estimate the effect of the form of knowledge representation on the efficiency of knowledge sharing. The objectives include the design of an experimental framework which would allow to establish this effect, data collection, and statistical analysis of the collected data. The study follows the experimental quantitative design. The experimental questionnaire features three sample forms of knowledge: text, mind maps, concept maps. In the interview, these forms are presented to an interviewee, afterwards the knowledge sharing time and knowledge sharing quality are measured. According to the statistical analysis of 76 interviews, text performs worse in both knowledge sharing time and quality compared to visualized forms of knowledge representation. However, mind maps and concept maps do not differ in knowledge sharing time and quality, since this difference is not statistically significant. Since visualized structured forms of knowledge perform better than unstructured text in knowledge sharing, it is advised for companies to foster the usage of these forms in knowledge sharing processes inside the company. Aside of performance in knowledge sharing, the visualized structured forms are preferable due the possibility of their usage in the system of ontological knowledge management within an enterprise.

Modification of a quantum efficiency measurement system for multi-junction solar cells

In this thesis the basic structure and operational principals of single- and multi-junction solar cells are considered and discussed. Main properties and characteristics of solar cells are briefly described. Modified equipment for measuring the quantum efficiency for multi-junction solar cell is presented. Results of experimental research single- and multi-junction solar cells are described.

Innovation Process and Organizational Adoption of Disruptive Innovation: Empirical Evidence from Finnish Bio-Economy Companies.

The thesis aims to build a coherent view and understanding of the innovation process and organizational technology adoption in Finnish bio-economy companies with a focus on innovations of a disruptive nature. Disruptive innovations are exceptional hence in order to create generalizations and a unified view of the subject the perspective is also on less radical innovations. Other interests of the thesis are how ideas are discovered and generated and how the nature of the innovation and size of the company affect the technology adoption and innovation process. The data was collected by interviewing six small and six large Finnish bio-economy companies. The results suggest companies regardless of size consider innovation as a core asset in the competitive markets. Organizations want to be considered innovators and early adopters yet these qualities are limited by certain, mainly resource-based factors. In addition the industry, scalability and Finland’s geographical location when seeking funding provide certain challenges. The innovation process may be considered relatively similar whether the idea or technology stems from an internal or external source suggesting the technology adoption process can in fact be linked to the innovation process theories. Thus the thesis introduces a new theoretical model which based on the results of the study and the theories of technology adoption and innovation process aims on characterizing how ideas and technology from both external and internal sources generate into innovations. The innovation process is in large bio-economy companies most often similar to or a modified version of the stage-gate model, while small companies generally have less structured processes. Nevertheless the more disruptive the innovation, the less it fits in the structured processes. This implies disruptive innovation cannot be put in a certain mould but it is rather processed case-by-case.