Intensification of hemicellulose hot-water extraction from spruce wood by parameter tuning

The growing population on earth along with diminishing fossil deposits and the climate change debate calls out for a better utilization of renewable, bio-based materials. In a biorefinery perspective, the renewable biomass is converted into many different products such as fuels, chemicals, and materials, quite similar to the petroleum refinery industry. Since forests cover about one third of the land surface on earth, ligno-cellulosic biomass is the most abundant renewable resource available. The natural first step in a biorefinery is separation and isolation of the different compounds the biomass is comprised of. The major components in wood are cellulose, hemicellulose, and lignin, all of which can be made into various end-products. Today, focus normally lies on utilizing only one component, e.g., the cellulose in the Kraft pulping process. It would be highly desirable to utilize all the different compounds, both from an economical and environmental point of view. The separation process should therefore be optimized. Hemicelluloses can partly be extracted with hot-water prior to pulping. Depending in the severity of the extraction, the hemicelluloses are degraded to various degrees. In order to be able to choose from a variety of different end-products, the hemicelluloses should be as intact as possible after the extraction. The main focus of this work has been on preserving the hemicellulose molar mass throughout the extraction at a high yield by actively controlling the extraction pH at the high temperatures used. Since it has not been possible to measure pH during an extraction due to the high temperatures, the extraction pH has remained a “black box”. Therefore, a high-temperature in-line pH measuring system was developed, validated, and tested for hot-water wood extractions. One crucial step in the measurements is calibration, therefore extensive efforts was put on developing a reliable calibration procedure. Initial extractions with wood showed that the actual extraction pH was ~0.35 pH units higher than previously believed. The measuring system was also equipped with a controller connected to a pump. With this addition it was possible to control the extraction to any desired pH set point. When the pH dropped below the set point, the controller started pumping in alkali and by that the desired set point was maintained very accurately. Analyses of the extracted hemicelluloses showed that less hemicelluloses were extracted at higher pH but with a higher molar-mass. Monomer formation could, at a certain pH level, be completely inhibited. Increasing the temperature, but maintaining a specific pH set point, would speed up the extraction without degrading the molar-mass of the hemicelluloses and thereby intensifying the extraction. The diffusion of the dissolved hemicelluloses from the wood particle is a major part of the extraction process. Therefore, a particle size study ranging from 0.5 mm wood particles to industrial size wood chips was conducted to investigate the internal mass transfer of the hemicelluloses. Unsurprisingly, it showed that hemicelluloses were extracted faster from smaller wood particles than larger although it did not seem to have a substantial effect on the average molar mass of the extracted hemicelluloses. However, smaller particle sizes require more energy to manufacture and thus increases the economic cost. Since bark comprises 10 – 15 % of a tree, it is important to also consider it in a biorefinery concept. Spruce inner and outer bark was hot-water extracted separately to investigate the possibility to isolate the bark hemicelluloses. It was showed that the bark hemicelluloses comprised mostly of pectic material and differed considerably from the wood hemicelluloses. The bark hemicelluloses, or pectins, could be extracted at lower temperatures than the wood hemicelluloses. A chemical characterization, done separately on inner and outer bark, showed that inner bark contained over 10 % stilbene glucosides that could be extracted already at 100 °C with aqueous acetone.

Lean-projektin kannattavuuden ennalta-arviointi soveltamalla tuottojakauma-menetelmää

Tämän Pro Gradu-tutkielman tavoitteena on muodostaa työkalu Lean-projektin kannattavuuden ennalta-arvioinnin toteuttamiseen soveltamalla tuottojakauma-menetelmää. Lisäksi tutkimus pyrkii selvittämään, minkälaista siihen liittyvää akateemista tutkimusta on aikaisemmin toteutettu sekä mitä haasteita tämänkaltaisen arvion toteuttamiselle on. Tutkimuksen syntymistä on motivoinut Lean-pro-jektien kannattavuuden ennalta-arvioimisen akateemisesta tutkimuksesta tunnistettu tutkimusaukko. Empiirinen tutkimus on toteutettu kvalitatiivisena tapaustutkimuksena, yhteistyössä Lean-projekteihin erikoistuneen konsultointiyrityksen kanssa. Empiiristä tutkimusta on ohjannut sille valittu metodologia, jonka tavoitteena on ollut systemaattisesti muodostaa tutkimuksen tavoitteen mukainen työkalu. Aineistonkeruumenetelmänä on toiminut teemahaastattelu, joka on toteutettu kaksiosaisena. Niiden pohjalta saadut aineistot on analysoitu Grounded theory-menetelmää käyttäen. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että muodostetulla tuottojakauma-menetelmää soveltavalla työkalulla on mahdollista toteuttaa Lean-pro¬jektin kannattavuuden ennalta-arviointi. Tulosten perusteella, sen avulla pystytään myös vastaamaan tutkimuksessa tunnistettuihin haasteisiin, jotka ovat aikaisemmin rajoittaneet tämän arvion toteuttamista. Työkalulla on mahdollista, tutkimuksen perusteella, myös tukea sen yhteistyöyrityksen Lean-projektien myyntiä.

Hydrologisen tilanteen ja tuulivoimatuotannon muutosten vaikutus vesiarvoihin pohjoismaisilla sähkön spot-markkinoilla

Vesivoimalla on merkittävä rooli pohjoismaisessa sähköntuotantojärjestelmässä. Spot-markkinoille tarjottavan vesivoiman hinta riippuu vaihtoehtoisen tuotannon hinnasta ja odotetusta vesivoimantuottajien käytettävissä olevasta veteen sitoutuneen potentiaalienergian määrästä. Hydrologisella tilanteella tarkoitetaan tässä tämän potentiaalienergian poikkeamaa normaalitasostaan. Viime vuosina tuulivoimatuotanto pohjoismaisella sähkömarkkina-alueella on kasvanut voimakkaasti, ja on tullut aiheelliseksi tarkastella, millaisia vaikutuksia tällä on vesivoimantuottajien toimintaan. Työssä määritellään vesivoimalle vaihtoehtoisen sähköntuotannon tuotantokustannus, joka pitkällä aikavälillä toimii vertailutasona, jonka perusteella vesivoimantuottajat määrittävät markkinoilla tarjontahinnan tuotannolleen. Tarkastellaan, kuinka hydrologisen tilanteen ja vaihtoehtoisen tuotannon tuotantokustannusten muutokset vaikuttavat vesiarvoon, joka on hinta, jolla hintariippuvaista eli säätyvää vesivoimaa tarjotaan spot-markkinoille. Todetaan, että hydrologisen tilanteen vahvistuminen ja vaihtoehtoisen tuotantokustannuksen aleneminen alentavat vesiarvoja. Todetaan lisäksi, että tuulivoima vaikuttaa sähkön hinnanmuodostukseen markkinoilla samankaltaisesti kuin hintariippumaton vesivoimatuotanto. Esitetään aikasarjamalli vesivoimatuotannon hintariippuvuuden mallintamiseksi. Vertaillaan vesivoimatuottajien toimintaa kahdella vesivoimatuotantoa sisältävällä hinta-alueella, joista toisella tuulivoimatuotanto on kasvanut voimakkaammin kuin toisella. Havaitaan, että molemmilla hinta-alueilla hydrologisen tilanteen vahvistuminen on alentanut ja heikkeneminen nostanut vesiarvoja. Lisäksi havaitaan, että alueella, jonka tuulivoimatuotanto on kasvanut enemmän, vesiarvot ovat laskeneet suhteessa alueen, jolla tuulivoimatuotanto on kasvanut vähemmän, vesiarvoihin. Tuulivoiman voidaan todeta syrjäyttäneen markkinoilta tuotantokustannuksiltaan kalliimpaa tuotantoa.

Utilizing hemicelluloses – the first step : controlled extraction with hot water

Människor utnyttjar ofta kemi mångsidigt i sitt vardagliga liv utan att närmare tänka på detaljerna. Nuförtiden kan man framställa en ökande mängd av produkter ur förnybara råmaterial och en av de mest mångsidiga nybara råmaterialet i Norden är barrträd. Den lyriska lägerelden eller spiselden och möbler av ved samt papper är en väsentlig del av vardagen. Också livsmedel och läkemedel kan innehålla föreningar ur ved. Ved som råmaterial består av tre huvudkomponenten: cellulosa, som är uppbyggd av druvsockermolekyler är en långkedjad, oförgrenad polymer; lignin, som sammanhåller fibrerna i vedmaterialet som lim samt hemicellulosor, som ofta är uppbyggda av olika sockerarter och är en förgrenad polymer. Följaktligen består vedmaterialet av 70 % socker. I detta arbete har vi koncentrerat på i hemicellulosa och dess extraktion ur gran, samt bestämning av hemicellulosans egenskaper. Den slutliga målsättningen i forskningen var att skapa nya produkter ur gran. Forskning i extraktionens hemligheter eller hur hemicellulosa kan effektivt extraheras i den önskade formen kräver nya typers experimentellasanläggningar och experiment samt matematisk modellering. Den långkedjade hemicellulosan är lämplig för att användas t.ex. i skyddshinnor eller i livsmedel. Medel- och småmolekylär hemicellulosa kan användas som utgångsämne för framställning av bränslen, smörjmedel, sockersyror och alkoholer, av vilka xylitol är mest känd för alla pga hälsobefrämjande effekter. Det är utomordentligt viktigt ur miljöns och energiekonomins synvinkel att sträva efter effektivering av utnyttjandet av den värdefullaste och största naturtillgången, skogen i vårt land, med alla möjliga sätt. Resultaten av denna forskning utnyttjar avsevärt den växande, nya, på skogen baserande biobaseradeindustrin, som framställer nya spetsprodukter samt skapar nya arbetsplatser. ----------------------------------------------------- Ihmiset hyödyntävät usein huomaamattaan kemiaa monipuolisesti jokapäiväisessä elämässä. Nykyään kasvava määrä tuotteista kyetään valmistamaan uusiutuvista raaka-aineista ja yksi monipuolisimmista uusiutuvista luonnonvaroistamme pohjolassa ovat havupuut. Tunnelmallinen nuotio tai takkatuli ja puiset huonekalut sekä paperi ovat olennainen osa arkea. Myös elintarvikkeet ja lääkkeet voivat sisältää puusta peräisin olevia yhdisteitä. Puu materiaalina koostuu rakenteeltaan pääosin kolmesta osasta; selluloosasta, joka on rypälesokerista koostuva pitkäketjuinen haaroittumaton polymeeri, ligniinistä, joka toimii puun koossa pitävänä liima-aineena ja hemiselluloosasta, joka on useista eri sokereista rakentunut haaroittunut polymeeri. Näin ollen puusta 70 % on sokeria. Tässä työssä olemme keskittyneet hemiselluloosaan ja sen uuttamiseen kuusesta, sekä ominaisuuksien kartoittamiseen. Tutkimusaiheen lopullinen tavoite on luoda uusia tuotteita kuusesta. Uuton salojen tutkiminen eli miten hemiselluloosa saadaan tehokkaasti uutettua halutunlaisena vaatii uudenlaisia koelaitteistoja ja kokeita, sekä matemaattista mallintamista. Suurikokoinen hemiselluloosa on sopivaa käytettäväksi esimerkiksi suojakalvoissa tai elintarvikkeissa. Keskikokoista ja pienimolekyylistä hemiselluloosaa voidaan käyttää lähtöaineena valmistettaessa polttoaineita, voiteluaineita, sokerihappoja ja sokerialkoholeja, joista xylitoli on terveysvaikutustensa vuoksi kaikille tuttu. Niin ympäristömme kuin myös energiataloutemme kannalta on ensiarvoisen tärkeää pyrkiä kaikin keinoin tehostamaan maallemme arvokkaan, sekä luonnonvaroistamme yhden suurimman, metsän, vastuullista hyödyntämistä. Tämän tutkimuksen tulokset hyödyntävät merkittävästi maahamme nousevaa uutta metsään pohjautuvaa biojalostusteollisuutta, joka valmistaa uusia huipputuotteita sekä luo työpaikkoja.

Backcasting-menetelmä ekologisesti kestävän kaupunkikehittämisen apuvälineenä: Tapaustutkimus Turun kaupungista

Sanotaan, että kun maailma jatkaa kaupungistumistaan tulevat myös kestävän kehityksen haasteet keskittymään yhä enemmän kaupunkialueisiin. Vastatakseen yhteiskunnan sosiaalisiin, taloudellisiin ja ympäristöllisiin haasteisiin ovat monet paikallishallinnot omaksuneet strategioita ja toimintaohjelmia entistä kestävämmän kaupunkitulevaisuuden saavuttamiseksi. Myös Turun kaupunki on uudessa kaupunkistrategiassaan asettanut kunnianhimoisen tulevaisuusvision vuodelle 2029. Yhtenä kaupunkistrategian tavoitteista mainitaan muun muassa hiilineutraalisuuden saavuttaminen vuoteen 2040 mennessä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella Turun kaupungin tulevaisuusvisiota ekologisesti kestävän kaupunkikehittämisen näkökulmasta ja rakentaa kolme vaihtoehtoista tulevaisuusskenaariota entistä kestävämmän Turun kaupungin saavuttamiseksi. Osana tutkimusta Turun kaupungin toimijoille ja sidosryhmille järjestettiin tulevaisuustyöpaja, jossa kaupungin tulevaisuutta lähdettiin visioimaan tulevaisuudentutkimuksen backcasting-menetelmän avulla, edeten halutusta tulevaisuudentilasta kohti nykypäivää. Tutkimuksen tavoitteena on osallistuvan havainnoinnin ja työpajaan osallistuneilta kerätyn palautteen avulla selvittää, miten backcasting-menetelmä soveltuu ekologisesti kestävän kaupunkikehittämisen apuvälineeksi, ja mitä mahdollisuuksia tai haasteita menetelmän hyödyntämiseen liittyy. Tämän lisäksi tutkimus tarkastelee tulevaisuustyöpajassa aikaansaatuja tulevaisuusskenaarioita ja pyrkii selvittämään, mitä hyötyä skenaariotyöskentelystä voi olla Turun tulevalle kaupunkikehittämiselle. Tutkimustulokset osoittavat, että backcasting-menetelmä voi auttaa kaupungin strategisessa suunnittelussa, kun kaupunki pyrkii määrittämään keinoja ja toimenpiteitä ekologisesti kestävämmän kaupunkitulevaisuuden saavuttamiseksi. Turun tulevaisuustyöpajassa backcasting-menetelmä auttoi työskentelyyn osallistuneita sidosryhmiä sisäistämään kaupunkistrategian tavoitteet ja pääsemään yhteisymmärrykseen strategian toteuttamiseksi vaadittavista toimenpiteistä. Menetelmään liittyvistä haasteista huolimatta backcasting toimii hyvänä esimerkkinä päätöksentekomallista, joka on entistä kommunikatiivisempi ja ottaa huomioon eri sidosryhmien omat intressit ja näkökulmat. Backcasting-menetelmällä aikaansaadut tulevaisuusskenaariot eivät ole ennustuksia Turun tulevasta kaupunkikehityksestä, vaan ne tarkastelevat keinoja kaupunkistrategian asettaman tulevaisuusvision saavuttamiseksi, erilaisten globaalien kehityskulkujen vallitessa. Tulevaisuusskenaarioiden tarkoituksena on herättää keskustelua Turun kaupunkikehittämisen strategisista linjauksista sekä vaadittavista toimenpiteistä kaupungin asettamien tavoitteiden saavuttamiseksi.

Auditorinen ja puhemotorinen menetelmä änkyttävän lapsen intensiivikuntoutuksessa – tapaustutkimus

Tutkielman tarkoitus: Tämän pro gradu -tutkielman tarkoituksena oli toteuttaa kuntoutustutkimus perustuen änkytyksen taustalla olevaan kuulotiedon käsittelyn ja puhemotoriikan vaikeuteen. Kuntoutuksen tarkoituksena oli kehittää änkyttävän lapsen auditorisia ja puhemotorisia taitoja sekä vaikuttaa änkytyksen vaikeusasteeseen. Änkytyksen kuntoutusmenetelmiä on paljon, mutta monen menetelmän osalta vaikuttavuustutkimus on vähäistä. Tutkijoiden keskuudessa ei ole yksimielisyyttä siitä, mikä kuntoutusmenetelmistä on tehokkain. Vaikuttavuustutkimusta tarvitaan lisää änkyttävien lasten kuntoutuksesta, eri menetelmistä yksinään sekä eri menetelmien yhdistämisestä. Menetelmät: Tutkielman kuntoutusjaksoille valittiin kaksi eri kuntoutusmenetelmää, auditorinen ja puhemotorinen menetelmä, joiden vaikuttavuutta tutkittiin änkytyksen kuntoutuksessa. Kuntoutuksen vaikuttavuutta mitattiin eri arviointimenetelmien avulla. Arviointimenetelmät mittasivat muutoksia kuulonvaraisissa ja puhemotorisissa taidoissa sekä änkytyksen vaikeusasteessa. Tulokset ja päätelmät: Kuntoutusjaksot vaikuttivat änkyttävän lapsen puhemotorisiin taitoihin sekä änkytyksen vaikeusasteeseen. Kuntoutusjaksoilla ei ollut vaikutusta lapsen auditorisiin taitoihin. Änkytys on heterogeeninen häiriöryhmä, jonka vuoksi auditoriset ja puhemotoriset taidot vaihtelevat ja vaikuttavat änkytyksen oirekuvaan yksilöllisesti. Änkyttävät henkilöt hyötyvät änkytyksen kuntoutuksesta eri tavoin ja kuntoutus tulisikin suunnata tapauskohtaisesti yksilöllisen änkytysprofiilin mukaan. Koska änkytyksen taustalla nähdään olevan useita syitä, on perusteltua, että kuntoutuksen tulisi keskittyä laajemmalle kuin yhdelle osa-alueelle. Änkytyksen kuntoutusmenetelmien vaikuttavuudesta tarvitaan lisää tutkimusta, etenkin koskien puhemotorisia ja auditorisia menetelmiä yksinään.

Hemiselluloosien talteenotto paineistetulla kuumavesiuutolla tuotetuista puu-uutteista

Puunjalostusteollisuus keskittyy tällä hetkellä lähinnä sellun ja paperin tuotantoon. Sellun tuotannossa käytetään puun komponenteista vain selluloosa. Puun muita pääkomponentteja ovat hemiselluloosa ja ligniini. Nämä yhdisteet ovat mahdollisia tulevaisuuden biomateriaalien lähtöaineita, mutta tähän mennessä ne on jätetty käyttämättä hyödyksi. Paineistettu kuumavesiuutto on menetelmä, jolla hemiselluloosat ja ligniinit olisi mahdollista erottaa puumateriaalista ennen sellunkeittoa, ja sen jälkeen fraktioida uutteesta erilleen jatkojalostusta varten. Fraktioinnista on tehty tutkimusta monella erilaisella menetelmällä ja eri menetelmiä yhdistelemällä. Tämä kandidaatin työ on kirjallinen työ, jossa käsitellään paineistettua kuumavesiuuttoa, sekä eri yksikköoperaatioita ja niiden mahdollisuuksia hemiselluloosan erotukseen puu-uutteista. Membraanisuodatus on menetelmä, jolla puu-uutteesta saadaan erotettua konsentroitu hemiselluloosafraktio. Membraanisuodatuksessa on kuitenkin puu-uutteiden tapauksessa havaittu ongelmia muun muassa kalvon likaantumisen kanssa. Yhdistämällä muutamia eri yksikköoperaatioita, saadaan parannettua membraanisuodatuksen tehoa, sekä hemiselluloosan puhtautta ja saantoa. Näitä mahdollisia yksikköoperaatioita ovat adsorptio, hapetus, saostus, kromatografiset menetelmät ja neste-nesteuutto.