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.

Chemical changes in biomass during torrefaction

Torrefaction is moderate thermal treatment (~200-300 °C) of biomass in an inert atmosphere. The torrefied fuel offers advantages to traditional biomass, such as higher heating value, reduced hydrophilic nature, increased its resistance to biological decay, and improved grindability. These factors could, for instance, lead to better handling and storage of biomass and increased use of biomass in pulverized combustors. In this work, we look at several aspects of changes in the biomass during torrefaction. We investigate the fate of carboxylic groups during torrefaction and its dependency to equilibrium moisture content. The changes in the wood components including carbohydrates, lignin, extractable materials and ashforming matters are also studied. And at last, the effect of K on torrefaction is investigated and then modeled. In biomass, carboxylic sites are partially responsible for its hydrophilic characteristic. These sites are degraded to varying extents during torrefaction. In this work, methylene blue sorption and potentiometric titration were applied to measure the concentration of carboxylic groups in torrefied spruce wood. The results from both methods were applicable and the values agreed well. A decrease in the equilibrium moisture content at different humidity was also measured for the torrefied wood samples, which is in good agreement with the decrease in carboxylic group contents. Thus, both methods offer a means of directly measuring the decomposition of carboxylic groups in biomass during torrefaction as a valuable parameter in evaluating the extent of torrefaction. This provides new information to the chemical changes occurring during torrefaction. The effect of torrefaction temperature on the chemistry of birch wood was investigated. The samples were from a pilot plant at Energy research Center of the Netherlands (ECN). And in that way they were representative of industrially produced samples. Sugar analysis was applied to analyze the hemicellulose and cellulose content during torrefaction. The results show a significant degradation of hemicellulose already at 240 °C, while cellulose degradation becomes significant above 270 °C torrefaction. Several methods including Klason lignin method, solid state NMR and Py-GC-MS analyses were applied to measure the changes in lignin during torrefaction. The changes in the ratio of phenyl, guaiacyl and syringyl units show that lignin degrades already at 240 °C to a small extent. To investigate the changes in the extractives from acetone extraction during torrefaction, gravimetric method, HP-SEC and GC-FID followed by GC-MS analysis were performed. The content of acetone-extractable material increases already at 240 °C torrefaction through the degradation of carbohydrate and lignin. The molecular weight of the acetone-extractable material decreases with increasing the torrefaction temperature. The formation of some valuable materials like syringaresinol or vanillin is also observed which is important from biorefinery perspective. To investigate the change in the chemical association of ash-forming elements in birch wood during torrefaction, chemical fractionation was performed on the original and torrefied birch samples. These results give a first understanding of the changes in the association of ashforming elements during torrefaction. The most significant changes can be seen in the distribution of calcium, magnesium and manganese, with some change in water solubility seen in potassium. These changes may in part be due to the destruction of carboxylic groups. In addition to some changes in water and acid solubility of phosphorous, a clear decrease in the concentration of both chlorine and sulfur was observed. This would be a significant additional benefit for the combustion of torrefied biomass. Another objective of this work is studying the impact of organically bound K, Na, Ca and Mn on mass loss of biomass during torrefaction. These elements were of interest because they have been shown to be catalytically active in solid fuels during pyrolysis and/or gasification. The biomasses were first acid washed to remove the ash-forming matters and then organic sites were doped with K, Na, Ca or Mn. The results show that K and Na bound to organic sites can significantly increase the mass loss during torrefaction. It is also seen that Mn bound to organic sites increases the mass loss and Ca addition does not influence the mass loss rate on torrefaction. This increase in mass loss during torrefaction with alkali addition is unlike what has been found in the case of pyrolysis where alkali addition resulted in a reduced mass loss. These results are important for the future operation of torrefaction plants, which will likely be designed to handle various biomasses with significantly different contents of K. The results imply that shorter retention times are possible for high K-containing biomasses. The mass loss of spruce wood with different content of K was modeled using a two-step reaction model based on four kinetic rate constants. The results show that it is possible to model the mass loss of spruce wood doped with different levels of K using the same activation energies but different pre-exponential factors for the rate constants. Three of the pre-exponential factors increased linearly with increasing K content, while one of the preexponential factors decreased with increasing K content. Therefore, a new torrefaction model was formulated using the hemicellulose and cellulose content and K content. The new torrefaction model was validated against the mass loss during the torrefaction of aspen, miscanthus, straw and bark. There is good agreement between the model and the experimental data for the other biomasses, except bark. For bark, the mass loss of acetone extractable material is also needed to be taken into account. The new model can describe the kinetics of mass loss during torrefaction of different types of biomass. This is important for considering fuel flexibility in torrefaction plants.

Mäntyöljyn tislauksen esikäsittely

Raakamäntyöljy on selluteollisuuden sivutuote. Suopa erotetaan mustalipeästä ja palstoitetaan tuottaen siten raakamäntyöljyä. Raakamäntyöljy tislataan tavanomaisesti viiteen pääjakeeseen: rasvahapot, hartsihapot, mäntyöljytisle, esiöljy ja mäntyöljypiki. Näiden jakeiden lisäksi raakamäntyöljyssä on erityisesti mustalipeästä siihen erottuneita epäpuhtauksia, jotka haittaavat raakamäntyöljyn prosessointia. Epäpuhtauksia ovat orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet, kuten metallit, suolat ja ligniini. Nämä epäpuhtaudet aiheuttavat haitallisia reaktioita prosessissa huonontaen siten lopputuotejakeiden laatua. Tämän lisäksi epäpuhtaudet aiheuttavat saostumia prosessilaitteissa alentaen siten prosessointitehokkuutta. Raakamäntyöljyn esikäsittelyllä tehostetaan tislauksen toimintaa. Työssä esitetään esikäsittelymenetelmistä mm. degumming-menetelmä, laimea happopesu, hiilidioksidikäsittely, valkaisu ja lämpökäsittely. Menetelmien pohjalta valitaan tätä työtä varten yksi menetelmä, jonka pohjalta suunnitellaan kokeellisessa osassa suoritettavat kokeet. Kokeellinen osuus koostuu esikokeista, varsinaisista kokeista ja lisäkokeista. Menetelmän tarkoituksena on saavuttaa epäpuhtauksille 90–95 % reduktioaste. Kokeiden onnistumista tutkitaan analysoimalla alkuperäinen raakamäntyöljy, sekä jokaisen kokeen jälkeen erotetut faasit. Työssä saavutettiin hyvä erotustehokkuus. Alkuperäisen tavoitteen mukaista reduktioastetta ei pystytty määrittämään eri analyysimenetelmien ja niiden analyysituloksissa ilmenneiden eroavaisuuksien vuoksi, mutta lisäkokeiden ansiosta pystyttiin vahvistamaan kyseisen koejärjestelmän optimaalinen poistoaste. Lisäksi työssä havaittiin että esikäsittelytulos on hyvin riippuvainen käsiteltävän raaka-aineen koostumuksesta.

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.

Droplet Deposition in the Last Stage of Steam Turbine

During the expansion of steam in turbine, the steam crosses the saturation line and hence subsequent turbine stages run under wet condition. The stages under wet condition run with low efficiency as compared to stages running with supersaturated steam and the life of the last stage cascade is reduced due to erosion. After the steam crosses the saturation line it does not condense immediately but instead it becomes supersaturated which is a meta-stable state and reversion of equilibrium results in the formation of large number of small droplets in the range of 0.05 - 1 μm. Although these droplets are small enough to follow the stream lines of vapor however some of the fog droplets are deposited on the blade surface. After deposition they coagulate into films and rivulets which are then drawn towards the trailing edge of the blade due to viscous drag of the steam. These large droplets in the range of radius 100 μm are accelerated by steam until they impact on the next blade row causing erosion. The two phenomenon responsible for deposition are inertial impaction and turbulent-diffusion. This work shall discuss the deposition mechanism in steam turbine in detail and numerically model and validate with practical data.