Feasibility study for acidic biorefinery concept

The integration a recovery process for spent sulfite liquor from a sulfite cooking process with a kraft pulp mill was studied in this thesis work. The process includes a fermentation process for the production of biofuel. The calculation for three cases was done. The three cases considered were with a spruce sulfite pulp production of 100, 250 and 1000 Adt/day corresponding to 10, 25 and 100% of the total pulp production. A kraft cooking process with prehydrolysis was taken in consideration as reference. Compared to kraft cooking with prehydrolysis a bigger amount of ethanol can be produced by sulfite cooking. In the kraft prehydrolysis case 40 t/day of ethanol and 1000 Adt/day pine pulp is produced and in the sulfite case the production is 113 t/day of ethanol and 1000 Adt/day of spruce pulp. The energy consumption in the sulfite process is assumed to be slightly higher than in the kraft prehydrolysis process. The recovery system for spent liquor mix was studied. The evaporation of the spent cooking liquors should be done separately. The approximately composition of melt was calculated. A comparison of all four cases was done and profitability was estimated.

Chemical derivatization of galactoglucomannan for functional materials

In the framework of the biorefinery concept researchers aspire to optimize the utilization of plant materials, such as agricultural wastes and wood. For most of the known processes, the first steps in the valorisation of biomass are the extraction and purification of the individual components. The obtained raw products by means of a controlled separation can consecutively be modified to result in biofuels or biogas for energy production, but also in value-added products such as additives and important building blocks for the chemical and material industries. Considerable efforts are undertaken in order to substitute the use of oil-based starting materials or at least minimize their processing for the production of everyday goods. Wood is one of the raw materials, which have gained large attention in the last decades and its composition has been studied in detail. Nowadays, the extraction of water-soluble hemicelluloses from wood is well known and so for example xylan can be obtained from hardwoods and O-acetyl galactoglucomannans (GGMs) from softwoods. The aim of this work was to develop water-soluble amphiphilic materials of GGM and to assess their potential use as additives. Furthermore, GGM was also applied as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels for the removal of toxic metals and metalloid ions from aqueous solutions. The distinguished products were obtained by several chemical approaches and analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), thermal gravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope SEM, among others. Bio-based surfactants were produced by applying GGM and different fatty acids as starting materials. On one hand, GGM-grafted-fatty acids were prepared by esterification and on the other hand, well-defined GGM-block-fatty acid derivatives were obtained by linking amino-functional fatty acids to the reducing end of GGM. The reaction conditions for the syntheses were optimized and the resultant amphiphilic GGM derivatives were evaluated concerning their ability to reduce the surface tension of water as surfactants. Furthermore, the block-structured derivatives were tested in respect to their applicability as additives for the surface modification of cellulosic materials. Besides the GGM surfactants with a bio-based hydrophilic and a bio-based hydrophobic part, also GGM block-structured derivatives with a synthetic hydrophobic tail, consisting of a polydimethylsiloxane chain, were prepared and assessed for the hydrophobization of surface of nanofibrillated cellulose films. In order to generate GGM block-structured derivatives containing a synthetic tail with distinguished physical and chemical properties, as well as a tailored chain length, a controlled polymerization method was used. Therefore, firstly an initiator group was introduced at the reducing end of the GGM and consecutively single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP) was performed by applying three different monomers in individual reactions. For the accomplishment of the synthesis and the analysis of the products, challenges related to the solubility of the reactants had to be overcome. Overall, a synthesis route for the production of GGM block-copolymers bearing different synthetic polymer chains was developed and several derivatives were obtained. Moreover, GGM with different molar masses were, after modification, used as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels. Hereby, a cationic monomer was used during the free radical polymerization and the resultant hydrogels were successfully tested for the removal of chromium and arsenic ions from aqueous solutions. The hydrogel synthesis was tailored and materials with distinguished physical properties, such as the swelling rate, were obtained after purification. The results generated in this work underline the potential of bio-based products and the urge to continue carrying out research in order to be able to use more green chemicals for the manufacturing of biorenewable and biodegradable daily products.

Puuperäiset polymeerit synteettisten sideaineiden korvaajina

Tämän kandidaatintyön aiheena oli löytää biojalostamon näkökulmasta käyttökelpoisia tuotantoreittejä puuperäisistä materiaaleista bioperäisiin kemikaaleihin, joilla olisi mahdollista korvata synteettisiä sideaineita. Tällä hetkellä suurin osa sideaineista ja päällystemateriaaleista tuotetaan uusiutumattomista luonnonvaroista, kuten maakaasusta ja öljystä. Lopputuotteiden kierrätettävyyden ja vihreyden ohella yksi metsäteollisuuden tulevaisuuden trendejä on pyrkiä irti öljy- ja maakaasuriippuvuudesta. Muutoksella voidaan säästää sekä ympäristöä, että rahaa. Biopohjaisilla drop-in kemikaaleilla ja muilla biopohjaisilla vaihtoehdoilla tämä on mahdollista Tässä työssä tutkittiin ja havainnollistettiin mahdollisin tuotantoreitein useiden tällä hetkellä käytössä olevien sideaineiden korvaamista biopohjaisilla versioilla. Työ tehtiin kirjallisuustutkielmana, eikä siihen kuulunut laboratoriokokeita. Työn ensimmäisessä osassa painopiste on biojalostamossa ja dispersiopäällystyksessä. Toisessa osassa esitellään tällä hetkellä käytettyjä sideaineita ja niiden mahdollisia biopohjaisia korvaajia tuotantoreitteineen. Työn toissijainen tarkoitus oli selvittää lyhyesti mitä muita puuperäisiä komponentteja voidaan käyttää suoraan paperin ja kartongin päällystämiseen. Viimeiseksi on esitelty vielä lyhyesti kaupallisesti käytössä olevia biomuoveja ja päällysteitä.

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.

Wood-derived biomaterials for biomedical applications

Driven by the global trend in the sustainable economy development and environmental concerns, the exploring of plant-derived biomaterials or biocomposites for potential biomedical and/or pharmaceutical applications has received tremendous attention. Therefore, the work of this thesis is dedicated to high-value and high-efficiency utilization of plant-derived materials, with the focus on cellulose and hemicelluloses in the field of biomedical applications in a novel biorefinery concept. The residual cellulose of wood processing waste, sawdust, was converted into cellulose nanofibrils (CNFs) with tunable surface charge density and geometric size through 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO)-mediated oxidation and mechanical defibrillation. The sawdust-based CNFs and its resultant free-standing films showed comparable or even better mechanical properties than those from a commercial bleached kraft pulp at the same condition, demonstrating the feasibility of producing CNFs and films thereof with outstanding mechanical properties from birch sawdust by a process incorporated into a novel biorefinery platform recovering also polymeric hemicelluloses for other applications. Thus, it is providing an efficient route to upgrade sawdust waste to valuable products. The surface charge density and geometric size of the CNFs were found to play key roles in the stability of the CNF suspension, as well as the gelling properties, swelling behavior, mechanical stiffness, morphology and microscopic structural properties, and biocompatibility of CNF-based materials (i.e. films, hydrogels, and aerogels). The CNFs with tunable surface chemistry and geometric size was found promising applications as transparent and tough barrier materials or as reinforcing additive for production of biocomposites. The CNFs was also applied as structural matrices for the preparation of biocomposites possessing electrical conductivity and antimicrobial activity by in situ polymerization and coating of polypyrrole, and incorporation of silver nanoparticles, which make the material possible for potential wound healing application. The CNF-based matrices (films, hydrogels, and aerogels) with tunable structural and mechanical properties and biocompatibility were further prepared towards an application as 3D scaffolds in tissue engineering. The structural and mechanical strength of the CNF matrices could be tuned by controlling the charge density of the nanocellulose, as well as the pH and temperature values of the hydrogel formation conditions. Biological tests revealed that the CNF scaffolds could promote the survival and proliferation of tumor cells, and enhance the transfection of exogenous DNA into the cells, suggesting the usefulness of the CNF-based 3D matrices in supporting crucial cellular processes during cell growth and proliferation. The CNFs was applied as host materials to incorporate biomolecules for further biomedical application. For example, to investigate how the biocompatibility of a scaffold is influenced by its mechanical and structural properties, these properties of CNF-based composite matrices were controlled by incorporation of different hemicelluloses (O-acetyl galactoglucomanan (GGM), xyloglucan (XG), and xylan) into CNF hydrogel networks in different ratios and using two different approaches. The charge density of the CNFs, the incorporated hemicellulose type and amount, and the swelling time of the hydrogels were found to affect the pore structure, the mechanical strength, and thus the cells growth in the composite hydrogel scaffolds. The mechanical properties of the composite hydrogels were found to have an influence on the cell viability during the wound healing relevant 3T3 fibroblast cell culture. The thusprepared CNF composite hydrogels may work as promising scaffolds in wound healing application to provide supporting networks and to promote cells adhesion, growth, and proliferation.

The total material requirement -concept applied to agriculture : a case study from Finland

Selostus: Luonnonvarojen kokonaiskäyttö sovellettuna maatalouteen: esimerkki Suomesta

The soil quality concept and its importance in the study of Finnish arable soils

Selostus: Maan laadun käsite suomalaisen maatalousmaan tutkimuksessa

Developing Service Promise Concept Based on Supply Chain

Diplomityön tavoitteena on analysoida ja kehittää palvelulupauskonseptia toimitusketjuun perustuen Halton Oy:ssä. Työ toteutettiin, koska asiakaslähtöinen liiketoimintatapa on voimakkaasti valtaamassa alaa tuote- ja tuotantopainotteiselta toimintatavalta. Tuotteiden erinomaisuus koetaan markkinoilla yhä useammin itsestään selvyytenä. Prosessien tehokas hallitseminen ja asiakkaan kokeman lisäarvon muodostaminen ovat muodostuneet ratkaisevimmaksi kilpailuedun luojaksi. Toimitusketjun hallinnalla ja sähköisellä kaupankäynnillä on tärkeä rooli tämän kilpailuedun muodostumisessa.Diplomityö käsittelee uuden palvelulupauskonseptin tarjoamia etuja Halton Oy:lle. Työssä pureudutaan toimitusketjun ja sähköisen kaupankäynnin integraatiomahdollisuuksiin. Tarkoituksena on selvittää parhaat mahdolliset kriteerit Haltonin palvelulupauskonseptilleja luoda menetelmät yrityksen materiaalivirtojen sekä uuden konseptin analysoinnille ja kehittämiselle jatkossa.

Unlicensed Mobile Access Concept from Testing Point of View

Viime vuosikymmenien aikana kommunikaatioteknologiat ovat kehittyneet erittäin paljon. Uusia verkkoja, liityntätekniikoita, protokollia ja päätelaitteita on luotu alati kehittyvällä vauhdilla, eikä hidastumisen merkkejä ole näkyvissä. Varsinkin mobiilisovellukset ovat kasvattaneet markkinaosuuksiaan viime aikoina. Unlicensed MobileAccess (UMA) on uusi liityntätekniikka mobiilipäätelaitteille, joka mahdollistaa liitynnän GSM- runkoverkkoon WLAN- tai Bluetooth - tekniikoiden avulla. Tämä diplomityö keskittyy UMAan liittyviin teknologioihin, joita tarkastellaan lähemmin ensimmäisissä kappaleissa. Tavoitteena on esitellä, mitä UMA merkitsee, ja kuinka eri tekniikoita voidaan soveltaa sen toteutuksissa. Ennenkuin uusia teknologioita voidaan soveltaa kaupallisesti, täytyy niiden olla kokonaisvaltaisesti testattuja. Erilaisia testausmenetelmiä sovelletaan laitteistonja ohjelmiston testaukseen, mutta tavoite on kuitenkin sama, eli vähentää testattavan tuotteen epäluotettavuutta ja lisätä sen laatua. Vaikka UMA käsittääkin pääasiassa jo olemassa olevia tekniikoita, tuo se silti mukanaan uuden verkkoelementin ja kaksi uutta kommunikaatioprotokollaa. Ennen kuin mitään UMAa tukevia ratkaisuja voidaan tuoda markkinoille, monia erilaisia testausmenetelmiä on suoritettava, jotta varmistutaan uuden tuotteen oikeasta toiminnallisuudesta. Koska tämä diplomityö käsittelee uutta tekniikkaa, on myös testausmenetelmien yleisen testausteorian käsittelemiselle varattu oma kappale. Kappale esittelee erilaisia testauksen näkökulmia ja niihin perustuen rakennetaan myös testausohjelmisto. Tavoitteena on luoda ohjelmisto, jota voidaan käyttää UMA-RR protokollan toiminnan varmentamiseen kohdeympäristössä.

Developing and exploiting a consignment stock concept

Tämän työn tavoitteena on kehittää kaksi vaihtoehtoista kaupintavarastomallia erään yrityksen käyttöön ja selvittää, millaisilla toiminta- ja kustannusparametreilla kyseiset mallit tulisivatyrityksen tapauksessa toimimaan. Työn tavoitteena on myös tutkia, millaisia kokonaiskustannusten muutoksia kaupintavarastomallit toisivat yrityksen nykytilanteeseen. Selvitys tehtiin tutkimalla yrityksen varasto-ohjautuvia tuotteita ja valitsemalla niistä kymmenen tuotetta kaupintavarastointikäyttöön. Tuotteiden perustietojen sekä varastointitietojen pohjalta rakennettiin kaksi ohjausmallia, ja ohjausmalleista saatuja kustannustietoja käytettiin sitten yrityksen nykytilanteen kustannusten sekä kaupintavarastotilanteen vertailuun. Saatujen tulosten pohjalta laadittiin arviointi siitä, mitä toiminnallisia hyötyjä kaupintavarastomallit toisivat nykytilanteeseen nähden ja millä kustannuksilla siirtyminen kaupintavarastointiin voitaisiin mahdollisesti aloittaa. Lopuksi suunniteltiin jatkotoimenpiteitä, joiden avulla voidaan vielä tarkemmin tutkia kaupintavarastoinnin kannattavuutta ja selvittää, kannattaako kaupintavarastointi yrityksessä mahdollisesti aloittaa.

The Development of Weak Signal Concept

Tämän hetken trendit kuten globalisoituminen, ympäristömme turbulenttisuus, elintason nousu, turvallisuuden tarpeen kasvu ja teknologian kehitysnopeus korostavatmuutosten ennakoinnin tarpeellisuutta. Pysyäkseen kilpailukykyisenä yritysten tulee kerätä, analysoida ja hyödyntää liiketoimintatietoa, jokatukee niiden toimintaa viranomaisten, kilpailijoiden ja asiakkaiden toimenpiteiden ennakoinnissa. Innovoinnin ja uusien konseptien kehittäminen, kilpailijoiden toiminnan arviointi, asiakkaiden tarpeet muun muassa vaativatennakoivaa arviointia. Heikot signaalit ovat keskeisessä osassa organisaatioiden valmistautumisessa tulevaisuuden tapahtumiin. Opinnäytetyön tarkoitus on luoda ja kehittää heikkojen signaalien ymmärrystä ja hallintaa sekäkehittää konseptuaalinen ja käytännöllinen lähestymistapa ennakoivan toiminnan edistämiselle. Heikkojen signaalien tyyppien luokittelu perustuu ominaisuuksiin ajan, voimakkuuden ja liiketoimintaan integroinnin suhteen. Erityyppiset heikot signaalit piirteineen luovat reunaehdot laatutekijöiden keräämiselle ja siitä edelleen laatujärjestelmän ja matemaattiseen malliin perustuvan työvälineen kehittämiselle. Heikkojen signaalien laatutekijät on kerätty yhteen kaikista heikkojen signaalien konseptin alueista. Analysoidut ja kohdistetut laatumuuttujat antavat mahdollisuuden kehittää esianalyysiä ja ICT - työvälineitä perustuen matemaattisen mallin käyttöön. Opinnäytetyön tavoitteiden saavuttamiseksi tehtiin ensin Business Intelligence -kirjallisuustutkimus. Hiekkojen signaalien prosessi ja systeemi perustuvat koottuun Business Intelligence - systeemiin. Keskeisinä kehitysalueina tarkasteltiin liiketoiminnan integraatiota ja systemaattisen menetelmän kehitysaluetta. Heikkojen signaalien menetelmien ja määritelmien kerääminen sekä integrointi määriteltyyn prosessiin luovat uuden konseptin perustan, johon tyypitys ja laatutekijät kytkeytyvät. Käytännöllisen toiminnan tarkastelun ja käyttöönoton mahdollistamiseksi toteutettiin Business Intelligence markkinatutkimus (n=156) sekä yhteenveto muihin saatavilla oleviin markkinatutkimuksiin. Syvähaastatteluilla (n=21) varmennettiin laadullisen tarkastelun oikeellisuus. Lisäksi analysoitiin neljä käytännön projektia, joiden yhteenvedot kytkettiin uuden konseptin kehittämiseen. Prosessi voidaan jakaa kahteen luokkaan: yritysten markkinasignaalit vuoden ennakoinnilla ja julkisen sektorin verkostoprojektit kehittäen ennakoinnin struktuurin luonnin 7-15 vuoden ennakoivalle toiminnalle. Tutkimus rajattiin koskemaan pääasiassa ulkoisen tiedon aluetta. IT työvälineet ja lopullisen laatusysteemin kehittäminen jätettiin tutkimuksen ulkopuolelle. Opinnäytetyön tavoitteena ollut heikkojen signaalien konseptin kehittäminen toteutti sille asetetut odotusarvot. Heikkojen signaalien systemaattista tarkastelua ja kehittämistyötä on mahdollista edistää Business Intelligence - systematiikan hyödyntämisellä. Business Intelligence - systematiikkaa käytetään isojen yritysten liiketoiminnan suunnittelun tukena.Organisaatioiden toiminnassa ei ole kuitenkaan yleisesti hyödynnetty laadulliseen analyysiin tukeutuvaa ennakoinnin weak signals - toimintaa. Ulkoisenja sisäisen tiedon integroinnin ja systematiikan hyödyt PK -yritysten tukena vaativat merkittävää panostusta julkishallinnon rahoituksen ja kehitystoiminnan tukimuotoina. Ennakointi onkin tuottanut lukuisia julkishallinnon raportteja, mutta ei käytännön toteutuksia. Toisaalta analysoitujen case-tapausten tuloksena voidaan nähdä, ettei organisaatioissa välttämättä tarvita omaa projektipäällikköä liiketoiminnan tuen kehittämiseksi. Business vastuun ottamiseksi ja asiaan sitoutumiseen on kuitenkin löydyttävä oikea henkilö

Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Value added logistical support service. Part 1 : Trends and new concept model

The aim of `Valssi' study was to find out the service requirements in `business-to-business' (B2B) markets and to present a new logistics service concept, where the traditional logistics service is expanded with significant manufacturing and value addedfacilities. The traditional third-party logistics service providers are not necessarily able to offer services, which cover widely the needs of potential customers. The study has been outlined to spare part markets in metal industry. In the second phase of the Valssi-project the aim is to examine the economical conditions and potentiality of the new logistics business concept. This research report (Part 1) concentrates on examining current trends in global and domestic logistics markets. Based on detailed survey among the participating companies, the study presents basis for a new logistics business concept model. The developed concept consists of 12 different service modules, which are split into deeper details of processes. The integration of worldwide supplier and service provider network together with customer companies systems is a challenge. The report focuses on evaluating the requirements for the new business concept from the customer-companies point of view. The study paints an overall picture of distribution and service provider network including an abstract about the software and system integration possibilities. As a result of the survey, it can be concluded that thereis need for the new business concept among the participating companies, and a modular service concept meets the requirements of them, because the new sophisticated concept considers the specialities involved in spare part logistics in metal industry.