Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

On the potential utilisation of sawdust and wood chip screenings

This work is based on the utilisation of sawdust and wood chip screenings for different purposes. A substantial amount of these byproducts are readily available in the Finnish forest industry. A black liquor impregnation study showed that sawdust-like wood material behaves differently from normal chips. Furthermore, the fractionation and removal of the smallest size fractions did not have a significant effect on the impregnation of sawdust-like wood material. Sawdust kraft cooking equipped with an impregnation stage increases the cooking yield and decreases the lignin content of the produced pulp. Impregnation also increases viscosity of the pulp and decreases chlorine dioxide consumption in bleaching. In addition, impregnation increases certain pulp properties after refining. Hydrotropic extraction showed that more lignin can be extracted from hardwood than softwood. However, the particle size had a major influence on the lignin extraction. It was possible to extract more lignin from spruce sawdust than spruce chips. Wood chip screenings are usually combusted to generate energy. They can also be used in the production of kraft pulp, ethanol and chemicals. It is not economical to produce ethanol from wood chip screenings because of the expensive wood material. Instead, they should be used for production of steam and energy, kraft pulp and higher value added chemicals. Bleached sawdust kraft pulp can be used to replace softwood kraft pulp in mechanical pulp based papers because it can improve certain physical properties. It is economically more feasible to use bleached sawdust kraft pulp in stead of softwood kraft pulp, especially when the reinforcement power requirement is moderate.

Elemental analysis of wood materials by external millibeam thick target PIXE

PIXE (Particle Induce X-ray Emission spectrometry) was used for analysing stem bark and stem wood of Scots pine, Norway spruce and Silver birch. Thick samples were irradiated, in laboratory atmosphere, with 3 MeV protons and the beam current was measured indirectly using a photo multiplicator (PM) tube. Both point scans and bulk analyses were performed with the 1 mm diameter proton beam. In bulk analyses, whole bark and sectors of discs of the stem wood were dry ashed at 550 ˚C. The ashes were homogenised by shaking and prepared to target pellets for PIXE analyses. This procedure generated representative samples to be analysed, but the enrichment also enabled quantification of some additional trace elements. The ash contents obtained as a product of the sample preparation procedure also showed to be of great importance in the evaluation of results in environmental studies. Spot scans from the pith of pine wood outwards, showed clearly highest concentrations of manganese, calcium and zinc in the first spot irradiated, or 2-3 times higher than in the surrounding wood. For stem wood from the crown part of a pine this higher concentration level was found in the first four spots/mms, including the pith and the two following growth rings. Zinc showed increasing concentrations outwards in sapwood of the pine stem, with the over-all lowest concentrations in the inner half of the sapwood. This could indicate emigration of this element from sapwood being under transformation to heartwood. Point scans across sapwood of pine and spruce showed more distinct variations in concentrations relative to hearth wood. Higher concentrations of e.g. zinc, calcium and manganese were found in earlywood than in denser latewood. Very high concentrations of iron and copper were also seen for some earlywood increments. The ash content of stem bark is up to and order higher than for the stem wood. However, when the elemental concentration in ashes of bark and wood of the same disc were compared, these are very similar – this when trees are growing at spots with no anthropogenic contamination from the atmosphere. The largest difference was obtained for calcium which appeared at two times high concentrations in ashes of bark than in ashes of the wood (ratio of 2). Pine bark is often used in monitoring of atmospheric pollution, where concentrations in bark samples are compared. Here an alternative approach is suggested: Bark and the underlying stem wood of a pine trees are dry ashed and analysed. The elemental concentration in the bark ash is then compared to the concentration of the same element in the wood ash. Comparing bark to wood includes a normalisation for the varying availability of an element from the soil at different sites. When this comparison is done for the ashes of the materials, a normalisation is also obtained for the general and locally different enrichment of inorganic elements from wood to bark. Already a ratio >2 between the concentration in the bark ash and the concentration in the wood ash could indicate atmospheric pollution. For monitoring where bark is used, this way of “inwards” comparison is suggested - instead of comparing to results from analyses of bark from other trees (read reference areas), growing at sites with different soil and, locally, different climate conditions. This approach also enables evaluation of atmospheric pollution from sampling of only relative few individual trees –preferable during forest felling.

Wood as a model material for medical biomaterials. In vivo and in vitro studies with bone and Betula pubescens Ehrh

Novel biomaterials are needed to fill the demand of tailored bone substitutes required by an ever‐expanding array of surgical procedures and techniques. Wood, a natural fiber composite, modified with heat treatment to alter its composition, may provide a novel approach to the further development of hierarchically structured biomaterials. The suitability of wood as a model biomaterial as well as the effects of heat treatment on the osteoconductivity of wood was studied by placing untreated and heat‐treated (at 220 C , 200 degrees and 140 degrees for 2 h) birch implants (size 4 x 7mm) into drill cavities in the distal femur of rabbits. The follow‐up period was 4, 8 and 20 weeks in all in vivo experiments. The flexural properties of wood as well as dimensional changes and hydroxyl apatite formation on the surface of wood (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood) were tested using 3‐point bending and compression tests and immersion in simulated body fluid. The effect of premeasurement grinding and the effect of heat treatment on the surface roughness and contour of wood were tested with contact stylus and non‐contact profilometry. The effects of heat treatment of wood on its interactions with biological fluids was assessed using two different test media and real human blood in liquid penetration tests. The results of the in vivo experiments showed implanted wood to be well tolerated, with no implants rejected due to foreign body reactions. Heat treatment had significant effects on the biocompatibility of wood, allowing host bone to grow into tight contact with the implant, with occasional bone ingrowth into the channels of the wood implant. The results of the liquid immersion experiments showed hydroxyl apatite formation only in the most extensively heat‐treated wood specimens, which supported the results of the in vivo experiments. Parallel conclusions could be drawn based on the results of the liquid penetration test where human blood had the most favorable interaction with the most extensively heat‐treated wood of the compared materials (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood). The increasing biocompatibility was inferred to result mainly from changes in the chemical composition of wood induced by the heat treatment, namely the altered arrangement and concentrations of functional chemical groups. However, the influence of microscopic changes in the cell walls, surface roughness and contour cannot be totally excluded. The heat treatment was hypothesized to produce a functional change in the liquid distribution within wood, which could have biological relevance. It was concluded that the highly evolved hierarchical anatomy of wood could yield information for the future development of bulk bone substitutes according to the ideology of bioinspiration. Furthermore, the results of the biomechanical tests established that heat treatment alters various biologically relevant mechanical properties of wood, thus expanding the possibilities of wood as a model material, which could include e.g. scaffold applications, bulk bone applications and serving as a tool for both mechanical testing and for further development of synthetic fiber reinforced composites.

Puupelletin hybridipoltto

Diplomityö on tehty osana laajempaa kehitysprojektia. Kehitysprojektin tavoitteena on kehittää poltin jossa polttoaineena käytetään kevyt polttoöljyä ja puupellettiä. Työ on jaettu kahteen osioon, kirjallisuus- ja tutkimusosioon. Kirjallisuusosiossa on käsitelty kehitystyön pohjana käytettyä teoriatietoa. Tutkimusosassa esitellään laitteistolle tehdyt savukaasumittaukset.

Metanolin tuotanto biomassasta

Tämä työ käsittelee eri tapoja, joilla biomassasta voidaan valmistaa metanolia. Työssä käydään läpi eri valmistusreitit sekä tarkastellaan biomassaa raaka-aineena. Työhön on myös koottu joidenkin maailmalla tehtyjen tutkimusten aine- ja energiataseita. Tutkimusten pohjalta mietitään onko metanolin tuotanto liikennepolttoaineeksi tällä hetkellä taloudellisesti tai energiatehokkuudeltaan järkevää. Metanolia voidaan valmistaa biomassasta pääsääntöisesti viidellä eri tavalla. Ensimmäinen tapa on kaasuttaa biomassaa, jolloin tuotetaan raaka-kaasua. Raaka-kaasusta jalostetaan synteesikaasua, josta voidaan metanolisynteesillä valmistaa metanolia. Toinen tapa metanolin valmistamiseksi on liittää tuotanto sellunkeiton yhteyteen. Tällöin raaka-aineena olisi selluprosessissa syntyvä mustalipeä, josta metanoli voidaan erottaa. Kolmas mahdollinen valmistusprosessi on biomassan mädätys. Mädätyksessä syntyy biokaasua, josta jalostetaan synteesikaasuaja siitä edelleen metanolia. Neljäs keino metanolin valmistamiseksi biomassasta on pyrolyysi. Puun pyrolyysissä puu kuumennetaan nopeasti hapettomissa tai rajallisen hapensaannin olosuhteissa. Prosessissa syntyvästä pyrolyysiöljystä voidaan erottaa metanolia tislaamalla. Viides mahdollinen reitti metanolin valmistukselle on Fischer¬–Tropsch-synteesi. Biomassasta saatu synteesikaasu johdetaan FT-synteesiin, jossa katalyyttisesti saadaan hiilivetyjen ohella tuotettua metanolia. Biopolttoaineiden kuten metanolin valmistusprosesseja tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti, sillä uusiutumattomat energianlähteet eivät riitä loputtomasti ja niiden aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä halutaan vähentää. Tällä hetkellä tuotantoteknologiat eivät ole vielä tarpeeksi kehittyneet, jotta tuotanto saataisiin vastaamaan kulutusta. Metanolia ei kuitenkaan vielä voida käyttää sellaisenaan liikennepolttoaineena, joten metanolin markkinat ainakin vielä ovat sillä saralla varsin kapeat.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Improving strategic decision-making with simulation based decision support systems

Combating climate change is one of the key tasks of humanity in the 21st century. One of the leading causes is carbon dioxide emissions due to usage of fossil fuels. Renewable energy sources should be used instead of relying on oil, gas, and coal. In Finland a significant amount of energy is produced using wood. The usage of wood chips is expected to increase in the future significantly, over 60 %. The aim of this research is to improve understanding over the costs of wood chip supply chains. This is conducted by utilizing simulation as the main research method. The simulation model utilizes both agent-based modelling and discrete event simulation to imitate the wood chip supply chain. This thesis concentrates on the usage of simulation based decision support systems in strategic decision-making. The simulation model is part of a decision support system, which connects the simulation model to databases but also provides a graphical user interface for the decisionmaker. The main analysis conducted with the decision support system concentrates on comparing a traditional supply chain to a supply chain utilizing specialized containers. According to the analysis, the container supply chain is able to have smaller costs than the traditional supply chain. Also, a container supply chain can be more easily scaled up due to faster emptying operations. Initially the container operations would only supply part of the fuel needs of a power plant and it would complement the current supply chain. The model can be expanded to include intermodal supply chains as due to increased demand in the future there is not enough wood chips located close to current and future power plants.

Sorption of metal ions to wood, pulp and bark materials

Ett huvudmål med denna avhandling var att erhålla ny information om växelverkan mellan metalljoner i vattenfas och träbaserade material såsom olika pappersmassor, ved och bark. Material av gran, tall och björk har studerats. En ny känslig kolonnkromatografisk metod utvecklades för bestämning av affinitetsordningar för 17 olika metalljoner. Av dessa bands trevärt järn och de mycket toxiska tungmetallerna bly, koppar och kadmium starkast till de studerade materialen. Växelverkan i dessa tvåfas system sker som jonbyte, huvudsakligen via komplexbildning av metalljoner till funktionella grupper i den fasta fasen. Vattenfasens pH är den viktigaste parametern som bestämmer totala halten av metalljoner som binds till materialen. Resultatet i denna avhandling kan delvis betraktas som grundforskning. En ny kunskap om metalljoners förekomst och kemiska reaktioner i dessa system är även av stor ekonomisk och ekologisk, betydelse, när man strävar till allt mera slutna system i moderna massafabriker. Avhandlingen visar också att trädbark har stor potential för biosorption av tungmetaller t.ex. från avfallsvatten. Trädbark har nästan lika stor bindningskapacitet som dyra syntetiska jonbytare.