Determination of sugars and organic acids in pulp samples by capillary electrophoresis with UV detection

This MSc work was done in the project of BIOMECON financed by Tekes. The prime target of the research was, to develop methods for separation and determination of carbohydrates (sugars), sugar acids and alcohols, and some other organic acids in hydrolyzed pulp samples by capillary electrophoresis (CE) using UV detection. Aspen, spruce, and birch pulps are commonly used for production of papers in Finland. Feedstock components in pulp predominantly consist of carbohydrates, organic acids, lignin, extractives, and proteins. Here in this study, pulps have been hydrolyzed in analytical chemistry laboratories of UPM Company and Lappeenranta University in order to convert them into sugars, acids, alcohols, and organic acids. Foremost objective of this study was to quantify and identify the main and by-products in the pulp samples. For the method development and optimization, increased precision in capillary electrophoresis was accomplished by calculating calibration data of 16 analytes such as D-(-)-fructose, D(+)-xylose, D(+)-mannose, D(+)-cellobiose, D-(+)-glucose, D-(+)-raffinose, D(-)-mannitol, sorbitol, rhamnose, sucrose, xylitol, galactose, maltose, arabinose, ribose, and, α-lactose monohydratesugars and 16 organic acids such as D-glucuronic, oxalic, acetic, propionic, formic, glycolic, malonic, maleic, citric, L-glutamic, tartaric, succinic, adipic, ascorbic, galacturonic, and glyoxylic acid. In carbohydrate and polyalcohol analyses, the experiments with CE coupled to direct UV detection and positive separation polarity was performed in 36 mM disodium hydrogen phosphate electrolyte solution. For acid analyses, CE coupled indirect UV detection, using negative polarity, and electrolyte solution made of 2,3 pyridinedicarboxylic acid, Ca2+ salt, Mg2+ salts, and myristyltrimethylammonium hydroxide in water was used. Under optimized conditions, limits of detection, relative standard deviations and correlation coefficients of each compound were measured. The optimized conditions were used for the identification and quantification of carbohydrates and acids produced by hydrolyses of pulp. The concentrations of the analytes varied between 1 mg – 0.138 g in liter hydrolysate.

Development of an environmentally friendly method of starch oxidation by hydrogen peroxide and a complex water-soluble Iron catalyst

Oxidized starch is a key component in the paper industry, where it is used as both surfacing sizer and filler. Large quantities are annually used for this purpose; however, the methods for the oxidation are not environmentally friendly. In our research, we have studied the possibility to replace the harmful oxidation agents, such as hypochlorite or iodates and transition metal catalysts, with a more environmentally friendly oxidant, hydrogen peroxide (H2O2), and a special metal complex catalyst (FePcS), of which only a small amount is needed. The work comprised batch and semi-batch studies by H2O2, ultrasound studies of starch particles, determination of low-molecular by-products and determination of the decomposition kinetics of H2O2 in the presence of starch and the catalyst. This resulted in a waste-free oxidation method, which only produces water and oxygen as side products. The starch oxidation was studied in both semi-batch and batch modes in respective to the oxidant (H2O2) addition. The semi-batch mode proved to yield a sufficient degree of substitution (COOH groups) for industrial purposes. Treatment of starch granules by ultrasound was found to improve the reactivity of starch. The kinetic results were found out to have a rather complex pattern – several oxidation phases were observed, apparently due to the fact that the oxidation reaction in the beginning only took place on the surface, whereas after a prolonged reaction time, partial degradation of the solid starch granules allowed further reaction in the interior parts. Batch-mode experiments enabled a more detailed study of the mechanisms of starch in the presence of H2O2 and the catalyst, but yielded less oxidized starch due to rapid decomposition of H2O2 due to its high concentrations. The effect of the solid-liquid (S/L) ratio in the reaction system was studied in batch experiments. These studies revealed that the presence of the catalyst and the starch enhance the H2O2 decomposition.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Uimahallien vedestä haihtuvat epäpuhtaudet ja niiden leviäminen allastilassa

Uimaveden klooridesinfioinnissa syntyy sivutuotteena haihtuvia ja haitallisia halogeeniyhdisteitä, kuten trihalometaaneja ja triklooriamiinia, jotka voivat heikentää allas-tilan sisäilman laatua merkittävästi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa näiden desinfioinnin sivutuotteiden pitoisuuksia suomalaisissa uimahalleissa sekä selvittää epäpuhtauksien kulkeutumista allastiloissa. Lisäksi pyrittiin löytämään merkittävimmät veden laatu- ja käsittelyparametrit sekä ilmanvaihtotekniset tekijät, jotka vaikuttavat vedestä haihtuvien epäpuhtauksien pitoisuuksiin hallitiloissa. Mittaukset tehtiin kymmenessä eri puolilla Suomea sijaitsevassa uimahallissa. Mittausten perusteella havaittiin, että allastilojen kloroformipitoisuudet vaihtelivat välillä 8,9-84,0 ¿g/m3. Terapia-allasostoilta mitatut pitoisuudet olivat pääallastiloista mitattuja pitoisuuksia suurempia ja aamulla mitattu pitoisuus alhaisempi kuin illalla mitattu. Lisäksi ilmastoiduista valvomoista mitatut pitoisuudet olivat merkittävästi allastilojen pitoisuuksia pienempiä. Triklooriamiininäytteistä suurin osa oli alle määritysrajan. Sisäilman kloroformipitoisuuden havaittiin korreloivan veden lämpötilan sekä ilman kosteuden kanssa. Triklooriamiinille tilastollista analyysiä ei voitu tehdä mm. määritys-rajan alle jääneiden näytteiden suuren osuuden vuoksi. Teknisten kyselyiden ja ilmanvaihtomittausten perusteella todettiin, että uimahallien ilmanvaihto toimii lämmitystarpeen vuoksi sekoittavana ja epäpuhtauksien leviämistä allastilassa ei voida käytännössä katsoen estää. Ilman virtausnopeudet pääaltaiden reunoilla olivat pieniä ja ilman virtauskenttien ei todettu vaikuttavan epäpuhtauksien kulkeutumiseen allastiloissa. Mittauskohteiden vähyydestä ja vedenkäsittelyn hallikohtaisista erityispiirteistä johtuen luotettavia johtopäätöksiä vedenkäsittelymenetelmien vaikutuksesta allasveden ja allastilan ilman laatuun ei pystytty tekemään.

Levyteollisuuden energia-, kustannus- ja ympäristövaikutukset

Kuluvien vuosien aikana ei ole tehty kattavia tutkimuksia levyteollisuuden sähkönkulutuksista, joten on aika selvittää suurimpien sähkökäyttöjen kulutukset sekä muodostaa tutkittaville tehtaille energiataseet. Tutkittavia tehtaita ovat OSB- ja lastulevytehtaat. Yksittäisten sähkömoottoreiden kulutukset saadaan selville käyttämällä hyväksi teoreettisia lähteitä, kenttä-ja laboratoriotutkimusta. Ympäristölainsäädäntö ja siihen kiinteästi liittyvä lupakäytäntö muodostavat levyteollisuudelle yhden viimeaikojen suurimmista haasteista. Tulevaisuudessa lainsäädäntö tulee vielä entisestäänkin kiristymään. Euroopan ympäristölainsäädäntö perustuu pitkälti yhtenäislupadirektiiviin eli IPPC-direktiiviin. Direktiivin keskeinen osa on ympäristöluvan hankkiminen, koska teollista toimintaa ei voi harjoittaa ilman hyväksyttyä viranomaisen lupaa. Lupa myös velvoittaa toiminnanharjoittajan käyttämään parasta käyttökelpoista tekniikkaa päästöjen kontrolloinnissa. Yhdysvalloissa parhaan käyttökelpoisen tekniikan (BAT) vaatimus on sisälletty ympäristövirasto EPA:n MACT-standardeihin. Levyteollisuuden tehtaista syntyvät päästöt ovat hyvin samankaltaisia. Tehtaista on helposti erotettavissa kaksi suurta päästölähdettä, joita ovat kuivaus ja kuumapuristus. Merkittävimpiä päästöjä ovat haihtuvat orgaaniset yhdisteet, hiukkaset, typen oksidit, hiilimonoksidi ja rikkidioksidit. Työn loppuosa on varattu tuotantojen kustannusvaikutusten ja tunnuslukujen tarkasteluille. Saatavilla tiedoilla on keskeinen rooli tehtaiden jokapäiväisessä toiminnassa. Analysoinnin tarpeeseen vaikuttaa osaltaan nykyisen toimintaympäristön muutosherkkyys ja levymarkkinoiden kireä kilpailutilanne.

Biodieselin valmistusprosessin suunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli kehittää prosessi, jolla rypsiöljystä voidaan valmistaa dieselöljyn korvaavaa biodieseliä. Työssä tutustuttiin raaka-aineiden sekä sivu- ja lopputuotteiden aine- ja laatuominaisuuksiin, biodieselin käytettävyyteen ja käytössä oleviin valmistusprosesseihin. Työn aikana kehitettiin uusi tekniikka biodieselin tuottamiseen. Diplomityön tuloksena syntyi pilot-laitteen suunnitelma, jonka mukaan laite rakennettiin. Pilot-laitteen koeajot varmistivat tekniikan toimivuuden ja lopputuote täyttää biodieselille asetetut vaatimukset. Menetelmä tarvitsee vielä jatkokehittelyä tuotantokustannuksien alentamiseksi.

Marjojen flavonoidien uuttaminen

Flavonoidit ovat kasvien polyfenolisia sekundäärimetaboliitteja, jotka koostuvat 15-hiilisestä C6-C3-C6-perusrungosta. Niillä on havaittu useita terveyden kannalta edullisia ominaisuuksia kuten antioksidatiivisia, antikarsinogeenisia, antiallergeenisia, anti-inflammatorisia, estrogeenisia sekä antimikrobiaalisia vaikutuksia. Kasvimateriaalia käyttävän elintarviketeollisuuden sivuvirrat ovat flavonoidi-pitoisten jakeiden arvokkaita raaka-aineita. Tässä työssä tarkoituksena oli tutkia marjojen puristusjäännöksen sisältämien flavonoidien uuttamista ja uuttautumiseen vaikuttavia tekijöitä kuten liuottimen koostumusta ja määrää, uuttolämpötilaa ja -aikaa sekä liuottimen lisäaineita. Uutteet analysointiin HPLC:lla käyttäen ODS-2-kolonnia ja gradienttieluointia. Komponentit detektoitiin niille tyypillisillä UV-VIS-aallonpituuksilla ja identifioitiin vertaamalla flavonoidiprofiililtaan tunnettujen marjojen kromatogrammeihin. Antosyaanien kvantitatiiviseen analysointiin käytettiin spektrofotometrista pH-eromenetelmää ja tulokset ilmoitettiin syanidiini-3-glukosidina. Uutteiden kestävyyttä tutkittiin säilyttämällä näytteitä eri olosuhteissa sekä lisäämällä niihin uuton saantoon ja komponenttien säilyvyyteen vaikuttavia aineita. Useimmat tutkituista hapoista paransivat flavonoidien saantoa ja uutteiden säilyvyyttä, mutta esim. askorbiinihapon lisääminen nopeutti tiettyjen uutteen sisältämien flavonoidien tuhoutumista.

Kustannussäästöpotentiaali sivutuotekuljetuksissa

Tämä diplomityö tehtiin UPM-Kymmene Oyj:lle. Työssä tutkittiin kustannussäästöpotentiaalia hakkeiden, purujen ja kuorien kuljetuksissa uudenlaisten reittisuunnitelmien avulla. Tavoitteena oli löytää uusi tehokkaampi toimintamalli. Sivutuotevolyymeina käytettiin vuonna 2004 toteutuneita määriä ja laskelmat tehtiin vuodelta 2003 olevilla taulukkotaksoilla. Niitä ei ole päivitetty vuoden 2003 jälkeen eikä niihin ole lisätty polttoaineen hinnan noususta johtuvia korotuksia. Vertailun vuoksi liitteissä on esitetty sama laskelma vuoden 2004 sopimushinnoilla. Kustannussäästöjä saavutettiin nykytoimintamallin perusteella muodostettujen monipistekuljetusreittien sekä lineaarisen optimoinnin avulla. Optimoinnissa käsiteltiin ainoastaan koivuviiluhakkeiden ja purujen volyymeja. Monipistekuljetusreitteihin lisättiin mukaan jätepaperikuljetuksia ja vaneritehtaiden välisiä viilukuljetuksia. Niiden avulla oli mahdollista hyödyntää volyymien vastavirtoja. Kustannussäästöjen muodostumiseen vaikutti oleellisesti kuljetusten keskitetty ohjausmalli.

Sahojen energiajärjestelmien kehittäminen

Tyypillisesti sahoilla tarvittava lämpö tuotetaan omalla lämpölaitoksella, jossa hyödynnetään sahalla syntyviä sivutuotteita kuten kuorta ja purua. Lämmöntuotantoon ei yleensä käytetä lainkaan öljyä. Jos lämpölaitoksen teho ei riitä tai lämmöntuotannossa syntyy katkoksia, tyydytään rajoittamaan tuotantoa tai annetaan sahatavaran laadun kärsiä. Diplomityössä etsitään taloudellisesti kannattavia konsepteja, joilla voidaan parantaa lämmöntuotannon varmuutta sahoilla. Työssä tarkastellaan sahoja kolmessa eri kokoluokassa, kattaen yleisimmät sahalaitokset. Koska diplomityöhön ei otettu malliksi mitään tiettyä sahaa, määritettiin em. kolmelle kokoluokalle materiaali- ja energiavirrat yleisten tunnuslukujen perusteella. Lisäksi sahoille määritettiin kuivaustiedot, kun kaikilla sahoilla oletettiin olevan ainoastaan kamarikuivaamoita. Sahojen käyttämä kuori on kosteaa, ja se asettaa käytettävälle polttotekniikalle korkeat vaatimukset. Kuoren lämpöarvoa voidaan parantaa kuivattamalla sitä ennen polttoa erillisessä kuivurissa. Diplomityössä tarkastellaan suoraa ja epäsuoraa kuivatusta, joista molemmat perustuvat kiertoleijutekniikkaan. Suorassa kuivatuksessa hyödynnetään kattilasta saatavia savukaasuja, kun taas epäsuorassa kuivatuksessa lämmönlähteenä käytetään kuuma vettä. Molempien kuivatuskonseptien osalta käydään läpi toimintaperiaate ja kytkentä lämpölaitokseen, sekä lasketaan lämmöntuotannon omakustannushinta. Lisäksi tarkastellaan suoran kuivatuksen asentamista nykyiseen kostean polttoaineen laitokseen. Kuoren kuivatuksen lisäksi arvioidaan kuumavesikattilan käyttöä sahoilla ja sahatavaran kuivauksessa tarvittavan erillisen höyrynkehityksen korvaamista kuumavesiakulla. Lopuksi diplomityössä tarkastellaan pienimuotoista sähköntuotantoa sahojen lämpölaitosten yhteydessä ja sen kannattavuutta. Tarkasteltavia tekniikoita ovat ORC –tekniikka sekä höyrykone.

Sakkaroosin hydrolyysi immobilisoidulla entsyymillä

Työssä tutkittiin sakkaroosin hydrolyysiä anioninvaihtohartseihin immobilisoidun entsyymin avulla tavoitteena löytää sellainen kantaja-entsyymi -yhdistelmä, jolla konversio halutuiksi lopputuotteiksi olisi mahdollisimman korkea. Työhön valittiin aikaisemmissa laboratoriokokeissa parhaita tuloksia saavuttaneet kantaja-entsyymi -parit. Entsyymeinä oli kaksi nestemäistä Saccharomyces cerevisiae -hiivasta eristettyjä entsyymivalmistetta. Kokeissa käytetyt kantajamateriaalit olivat erilaisia heikkoja anioninvaihtohartseja. Entsyymit immobilisoitiin kantajaan sekoitusreaktorissa ja niiden aktiivisuudet määritettiin sitomisen jälkeen. Hydrolyysikokeet tehtiin jatkuvatoimisessa kiintopetireaktorissa ja lisäksi panos-kokeina tutkittiin ominaisuuksiltaan erilaisten kantajien eroja hydrolyysissä. Reaktio-olosuhteet pidettiin kaikissa kokeissa samoina. Sakkaroosiliuoksen pitoisuus oli 50 p-%, reaktiolämpötila 50 oC ja pH 5. Kiintopetikolonnissa tutkittiin myös sakkaroosi-liuoksen viipymäajan vaikutusta sivutuotteiden syntyyn. Näytteet analysoitiin neste-kromatografilla. Kiintopetikolonnissa lyhimmän viipymäajan (15 min) kokeissa ainoastaan hitaimmilla kantaja-entsyymi -pareilla muodostui sivutuotteita, jotka hydrolyysireaktion edetessä kuitenkin hävisivät. Kun viipymäaikaa kasvatettiin sivutuotteiden synty väheni ja lopulta niitä ei havaittu syntyvän lainkaan. Hydrolyysin edetessä viipymäajan ollessa tarpeeksi pitkä pienet sivutuotekomponentit hävisivät sakkaroosin hajotessa kokonaan glukoosiksi ja fruktoosiksi. Verrattaessa partikkelikoon ja hartsimatriisin vaikutusta samaan entsyymiin sidottuna havaittiin, että niillä kummallakin on vaikutusta sekä sakkaroosin hydrolyysi-nopeuteen että sivutuotteiden muodostumiseen.

Ekologisen kuorilevyn valmistaminen puunjalostusteollisuuden sivutuotteista

Puunjalostusteollisuudessa syntyy huomattavia määriä sivutuotteita, joiden hyödyntäminen on vielä vajavaista. Sahajauhon ja puukuoren pääasiallinen käyttö rajoittuu energiantuotantoon eli polttamiseen voimalaitoksissa. Selostettavassa tutkimustyössä, joka on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston puunjalostustekniikan levylaboratoriossa, on pyritty selvittämään kotimaisten kuusi-, mänty- ja koivukuorten käyttömahdollisuuksia raaka-aineina lastulevyn tapaan ns. ekologisen kuorilevyn valmistamisessa, mutta ilman liimaa. Tutkimusmateriaalina käytettiin puunjalostusteollisuudesta hankittua tuoretta kuusen ja männyn rumpukuorintajätettä sekä koivun roottorikuorintajätettä, joista kukin raaka-aine pienennettiin kahteen eri partikkelikokoon käyttäen oksasilppuria ja vasaramyllyä. Raaka-ainemäärät mitattiin ja kaadettiin viiran päällä olevaan puusta valmistettuun muottiin ja muotin poisnostamisen jälkeen levyaihio puristettiin 1-välikuumapuristimessa sykleittäin. Valmistetut kuorilevyt olivat 1 -kerroksisia. Koelevyistä tutkittiin kosteuspitoisuus, tilavuuspaino, taivutuslujuus ja Brinell -kovuus.Saadut tulokset osoittavat, että kuusen, männyn ja koivun kuoresta voidaan valmistaa kuorilevyä ilman liima-ainetta, sillä puukuoren sisältämät omat liimaavuutta parantavat uuteaineet antavat riittävän vaikutuksen kuorilevyn rakenteen stabiloimiseksi. Tällaisen kuorilevyn taivutuslujuus on kuitenkin huomattavasti heikompi kuin puulastulevyllä. Kaikki jauhetusta raaka-aineesta sekä pelkästään silputusta koivuraaka-aineesta valmistetut kuorilevyt täyttävät taivutuslujuuden osalta kuitenkin huokoiselle, A-lujuusluokan standardi-kuitulevylle asetetut vaatimukset. Tarkasteltaessa eri raaka-aineista valmistettujen levyjen ominaisuuksia, voidaan todeta, että tilavuuspainoltaan suurinta sekä kovuudeltaan ja taivutuslujuudeltaan parasta levyä saadaan valmistettua jauhetusta koivukuoresta. Jokaisen valmistetun kuorilevyn kovuusarvo ylittää Suomen johtavan lastulevyn valmistajan lastulevyn kovuusarvon lukuun ottamatta pelkästään silputuista kuusi- ja mäntykuorista valmistettuja levyjä.Vaikka tulokset ovat suuntaa-antavia, osoittavat ne selvästi millaisia mahdollisuuksia tarjoaa puun kuoren tai sahajauhon käyttäminen lastulevyn tapaan valmistettavien levyjen raaka-aineena. Koko tutkimuskenttä on tässä käsiteltävänä olevalla alueella varsin laaja, ja tässä tutkimuksessa selvitetyt asiat ovat siitä vain pieni osa antaen kuitenkin suunnan useille tärkeille jatkossa selvitettäville asioille. Näistä mainittakoon mm. ekologisen levyn jatkojalostus ja tuotesuunnittelu, levyn valmistuksen taloudellisuus ja tuotteiden markkinointi, kuorilevyn valmistusprosessin kehittäminen sekä eri raaka-aineyhdistelmien kokeilu kuorilevyn raaka-aineena.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Paikalliset elinkeinot ja ilmastonmuutos Kaakkois-Suomen alueella

Kasvihuonekaasujen vähentäminen on lähitulevaisuudessa välttämätöntä ilmastonmuutoksen torjunnassa. Tämä tosiasia tulisi nähdä niin yrityksissä kuin kunnissakin mahdollisuutena, johon liittyvillä toimenpiteillä voitaisiin kehittää myös alueen liiketoimintaa ja elinkeinoelämää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli löytää Kaakkois- Suomen kannalta tehokkaimmat keinot ja toimintamallit alueen liiketoiminnan edistämiseksi kasvihuonekaasupäästöjä hillitsevään suuntaan. Työssä on käsitelty erityisesti kunnan toimintaan liittyviä vaikutusmahdollisuuksia tavoitteiden saavuttamisessa. Tutkimus on toteutettu osana Suomen Kuntaliitto Ry:n koordinoimaa kuntienilmastonsuojelukampanjaa. Tutkimus on luonteeltaan kirjallisuuden pohjalta tehty esiselvitys. Työhön sisältyvien esimerkkitapausten osalta on tietoa hankittu myös haastattelemalla alueen yrityksiä. Tutkimuksen alkuvaiheessa on kartoitettu Kaakkois-Suomen alueellisia erityispiirteitä ja potentiaaleja. Työssä on arvioitu esimerkiksi uusiutuvien energialähteiden lisäämispotentiaalien käyttöönottamisella saavutettavat kasvihuonekaasupäästöjen vähenemät sekä työllisyysvaikutukset Kaakkois-Suomen alueella. Potentiaalien luoman pohjan perusteella on selvitetty mahdollisuuksia kehittää alueen elinkeinorakenteeseen soveltuvaa liiketoimintaa. Kasvihuonekaasuja vähentävän liiketoiminnan edistämiseksi on selvitetty keinoja sekä olemassa olevien yritysten kilpailukyvyn parantamiseen että uuden liiketoiminnan kehittämiseen liittyen. Näiden tavoitteiden saavuttamisessa nähtiin yritysten verkostoitumisen olevan eräs tärkeä keino, jolla voidaan parantaa mm. alueen lukuisten pienten yritysten mahdollisuuksia suurten kokonaistoimitusten tuottamisessa. Työssä on esitetty kunnan toimintaan soveltuva toimintamalli yritysten verkostoimiseksi. Jätteiden ja sivutuotteiden osalta työssä on esitetty materiaalivirtojen hyötykäyttöön ohjaamiseen erikoistunutta liiketoimintaa niin sanotun materiaalipörssin muodossa. Myös koulutuksen, tutkimuksen ja rahoituksen tarjontaa kasvihuonekaasuja vähentävän liiketoiminnan kehittämisen tueksi on selvitetty Kaakkois-Suomen alueella. Tutkimuksen sisällössä ovat esimerkkitapaukset keskeisessä asemassa. Niiden puitteissa on haastateltu paikallisen alueen yrityksiä ja viranomaisia. Esimerkkitapauksissa on selvitetty materiaalipörssin, lämpöyrittäjyyden sekä erään yrityksen verkostoimiseen liittyviä tekijöitä ja keinoja. Haastatteluista ja kirjallisuudesta saatuihin tietoihin perustuen on ehdotettu toimintavaihtoehtoja toiminnan kehittämiseksi. Tutkimuksen tulosten perusteella on lopuksi esitetty suunnitelma jatkotoimenpiteistä, joilla tuloksia lähdetään viemään käytännön tasolle.

Metsäteollisuuden kaatopaikkatoiminnan kehittäminen

Metsäteollisuuden kaatopaikoille läjitetään vuosittain jätteitä yli 400 000 kuiva-ainetonnia. Pääosa jätteestä on peräisin kemiallisen massan valmistuksesta sekä energiantuotannosta. Kaatopaikoille läjitetyn jätteen laatu on muuttunut huomattavasti vuosikymmenien kuluessa. Aikaisemmin kaatopaikoille on läjitetty runsain määrin bioperäistä jätettä, joka anaerobisesti hajotessaan aiheuttaa nykyisin huomattavia biokaasupäästöjä. Inerttien, biohajoamattomien ainesten osuus metsäteollisuuden kaatopaikoille läjitettävän jätteen määrästä on tällä hetkellä noin 75 % ja niiden osuus tullee kasvamaan edelleen. Metsäteollisuuden kaatopaikkakuormitusta pyritään tulevaisuudessa vähentämään prosesseja tehostamalla sivutuotteiden hyötykäyttömahdollisuuksia lisäämällä. Vuonna 1997 voimaan tulleen valtioneuvoston päätöksen mukaan kaatopaikoilla muodostuva biokaasu tulee kerätä ja käsitellä. Tämä koskee kaikkia kaatopaikkoja. Lainsäädäntö antaa kuitenkin mahdollisuuden toteuttaa nämä vaatimukset hieman eri tavoin kaatopaikkojen yksilölliset erot huomioiden. Tässä diplomityössä on kartoitettu voimassaolevaa kaatopaikkalainsäädäntöä ja siinä lähivuosina mahdollisesti tapahtuvia muutoksia. Työssä on esitelty metsäteollisuuden kaatopaikoilla syntyvien päästöjen syntymekanismit ja vertailtu päästöjen hallinnassa käytettäviä vaihtoehtoisia tekniikoita. Tässä työssä on erityisesti keskitytty kaatopaikoilla syntyviin kaasumaisiin päästöihin sekä vertailtu kaasumaisten päästöjen aktiivista ja passiivista käsittelyä. Biokaasun passiivisen käsittelyjärjestelmän aiheuttamat investointi- ja käyttökustannukset ovat vain murto-osa aktiivisen järjestelmän vastaavista kustannuksista. Diplomityön kokeellisessa osuudessa mitattiin erään passiivisen biokaasunkäsittelyjärjestelmän toimivuutta. Saatujen mittaustulosten mukaan biokaasun sisältämä metaani hapettui lähes täysin metrin paksuisessa kuorikerroksessa. Kaasunjakoa parantamalla voidaan kuoripatjan metaaninhapetustehokkuutta vielä hieman nostaa. Mittaustulosten mukaan biokaasun passiivinen käsittely toimii kyseisessä rakenteessa ja on siten varteenotettava vaihtoehto aktiivisille biokaasunkeräily- ja käsittelyjärjestelmille.

Pyrolyysiöljyn tuottaminen kiertoleijukattilaan liitetyllä prosessilla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla saatavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut kiinnostava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, korkeat kiintoainepitoisuudet ja happamuus fossiilisiin polttoöljyihin verrattuna sekä eri raaka-aineista syntyvät ominaisuuksiltaan erilaiset pyrolyysiöljyt. Pyrolyysiöljyn kaupallinen tuotanto on vasta käynnistymässä eikä sen laadulle ole olemassa standardeja, joten eri valmistajien tuotteet voivat poiketa toisistaan huomattavastikin. Suomessa on Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) toimesta kehitetty Integrated Thermal Process (ITP)-konsepti, jossa pyrolyysiöljyn tuotantoprosessi on liitetty kiertoleijukattilaprosessiin. Prosessien yhdistämisellä voidaan parantaa kokonaishyötysuhdetta sekä hyödyntää laitosten yhteistä käyttöä ja polttoaineen hankintaa. Pyrolyysiprosessin tarvitsema lämpöenergia otetaan petihiekan välityksellä kattilasta, jossa poltetaan myös prosessissa syntyvät oheistuotteet. Tässä diplomityössä tutkittiin pyrolyysiprosessin vaikutusta voimalaitoksen toimintaan ja luotiin malli voimalaitoksen energiataseessa tapahtuvien muutosten arviointiin. Malli laskee sekä pyrolysaattorin että raaka-aineen käsittelyn vaikutukset voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotantoon. Lisäksi mallin avulla voidaan arvioida pyrolysaattorin aiheuttama raaka-aineen tarve sekä voimalaitoksen lisäpolttoaineen tarve. Työssä tarkasteltiin myös pyrolyysiöljyn ominaisuuksia ja käyttökohteita, sekä tarvittavia muutoksia olemassa olevaan voimalaitokseen. Lisäksi arvioitiin tuotannon kannattavuutta. Mallia sovellettiin esimerkkivoimalaitokseen, jossa on harkittu pyrolyysiöljyn tuotannon aloittamista. Laskelmien perusteella pyrolyysiöljyn tuotannolla on sähkön- ja lämmöntuotantoa alentava sekä polttoaineen tarvetta korottava vaikutus. Pyrolyysiprosessin lisääminen nostaa voimalaitoksen kokonaishyötysuhdetta. Suotuisissa olosuhteissa öljytuotanto ITP-konseptilla näyttäisi olevan taloudellisesti kannattavaa.