Extraction of polymeric galactoglucomannans from spruce wood by pressurized hot water

The major type of non-cellulosic polysaccharides (hemicelluloses) in softwoods, the partly acetylated galactoglucomannans (GGMs), which comprise about 15% of spruce wood, have attracted growing interest because of their potential to become high-value products with applications in many areas. The main objective of this work was to explore the possibilities to extract galactoglucomannans in native, polymeric form in high yield from spruce wood with pressurised hot-water, and to obtain a deeper understanding of the process chemistry involved. Spruce (Picea abies) chips and ground wood particles were extracted using an accelerated solvent extractor (ASE) in the temperature range 160 – 180°C. Detailed chemical analyses were done on both the water extracts and the wood residues. As much as 80 – 90% of the GGMs in spruce wood, i.e. about 13% based on the original wood, could be extracted from ground spruce wood with pure water at 170 – 180°C with an extraction time of 60 min. GGMs comprised about 75% of the extracted carbohydrates and about 60% of the total dissolved solids. Other substances in the water extracts were xylans, arabinogalactans, pectins, lignin and acetic acid. The yields from chips were only about 60% of that from ground wood. Both the GGMs and other non-cellulosic polysaccharides were extensively hydrolysed at severe extraction conditions when pH dropped to the level of 3.5. Addition of sodium bicarbonate increased the yields of polymeric GGMs at low additions, 2.5 – 5 mM, where the end pH remained around 3.9. However, at higher addition levels the yields decreased, mainly because the acetyl groups in GGMs were split off, leading to a low solubility of GGMs. Extraction with buffered water in the pH range 3.8 – 4.4 gave similar yields as with plain water, but gave a higher yield of polymeric GGMs. Moreover, at these pH levels the hydrolysis of acetyl groups in GGMs was significantly inhibited. It was concluded that hot-water extraction of polymeric GGMs in good yields (up to 8% of wood) demands appropriate control of pH, in a narrow range about 4. These results were supported by a study of hydrolysis of GGM at constant pH in the range of 3.8 – 4.2 where a kinetic model for degradation of GGM was developed. The influence of wood particle size on hot-water extraction was studied with particles in the range of 0.1 – 2 mm. The smallest particles (< 0.1 mm) gave 20 – 40% higher total yield than the coarsest particles (1.25 – 2 mm). The difference was greatest at short extraction times. The results indicated that extraction of GGMs and other polysaccharides is limited mainly by the mass transfer in the fibre wall, and for coarse wood particles also in the wood matrix. Spruce sapwood, heartwood and thermomechnical pulp were also compared, but only small differences in yields and composition of extracts were found. Two methods for isolation and purification of polymeric GGMs, i.e. membrane filtration and precipitation in ethanol-water, were compared. Filtration through a series of membranes with different pore sizes separated GGMs of different molar masses, from polymers to oligomers. Polysaccharides with molar mass higher than 4 kDa were precipitated in ethanol-water. GGMs comprised about 80% of the precipitated polysaccharides. Other polysaccharides were mainly arabinoglucuronoxylans and pectins. The ethanol-precipitated GGMs were by 13C NMR spectroscopy verified to be very similar to GGMs extracted from spruce wood in low yield at a much lower temperature, 90°C. The obtained large body of experimental data could be utilised for further kinetic and economic calculations to optimise technical hot-water extractionof softwoods.

Pressurized hot water flow-through extraction of birch wood

Effective processes to fractionate the main compounds in biomass, such as wood, are a prerequisite for an effective biorefinery. Water is environmentally friendly and widely used in industry, which makes it a potential solvent also for forest biomass. At elevated temperatures over 100 °C, water can readily hydrolyse and dissolve hemicelluloses from biomass. In this work, birch sawdust was extracted using pressurized hot water (PHWE) flow-through systems. The hypothesis of the work was that it is possible to obtain polymeric, water-soluble hemicelluloses from birch sawdust using flow-through PHW extractions at both laboratory and large scale. Different extraction temperatures in the range 140–200 °C were evaluated to see the effect of temperature to the xylan yield. The yields and extracted hemicelluloses were analysed to obtain sugar ratios, the amount of acetyl groups, furfurals and the xylan yields. Higher extraction temperatures increased the xylan yield, but decreased the molar mass of the dissolved xylan. As the extraction temperature increased, more acetic acid was released from the hemicelluloses, thus further decreasing the pH of the extract. There were only trace amounts of furfurals present after the extractions, indicating that the treatment was mild enough not to degrade the sugars further. The sawdust extraction density was increased by packing more sawdust in the laboratory scale extraction vessel. The aim was to obtain extracts with higher concentration than in typical extraction densities. The extraction times and water flow rates were kept constant during these extractions. The higher sawdust packing degree decreased the water use in the extractions and the extracts had higher hemicellulose concentrations than extractions with lower sawdust degrees of packing. The molar masses of the hemicelluloses were similar in higher packing degrees and in the degrees of packing that were used in typical PHWE flow-through extractions. The structure of extracted sawdust was investigated using small angle-(SAXS) and wide angle (WAXS) x-ray scattering. The cell wall topography of birch sawdust and extracted sawdust was compared using x-ray tomography. The results showed that the structure of the cell walls of extracted birch sawdust was preserved but the cell walls were thinner after the extractions. Larger pores were opened inside the fibres and cellulose microfibrils were more tightly packed after the extraction. Acetate buffers were used to control the pH of the extracts during the extractions. The pH control prevented excessive xylan hydrolysis and increased the molar masses of the extracted xylans. The yields of buffered extractions were lower than for plain water extractions at 160–170 °C, but at 180 °C yields were similar to those from plain water and pH buffers. The pH can thus be controlled during extraction with acetate buffer to obtain xylan with higher molar mass than those obtainable using plain water. Birch sawdust was extracted both in the laboratory and pilot scale. The performance of the PHWE flow-through system was evaluated in the laboratory and the pilot scale using vessels with the same shape but different volumes, with the same relative water flow through the sawdust bed, and in the same extraction temperature. Pre-steaming improved the extraction efficiency and the water flow through the sawdust bed. The extracted birch sawdust and the extracted xylan were similar in both laboratory and pilot scale. The PHWE system was successfully scaled up by a factor of 6000 from the laboratory to pilot scale and extractions performed equally well in both scales. The results show that a flow-through system can be further scaled up and used to extract water-soluble xylans from birch sawdust. Extracted xylans can be concentrated, purified, and then used in e.g. films and barriers, or as building blocks for novel material applications.

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.

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.

Alikriittisen veden käyttö kromatografisessa erotuksessa

Alikriittisellä vedellä tarkoitetaan paineistettua vettä, joka on kriittisen lämpötilansa (374 °C) alapuolella nestemäisessä tilassa. Veden tiheys pienenee lämpötilan kasvaessa Veden liuotinominaisuuksia voidaan säädellä lämpötilan avulla. Veden pintajännitys, viskositeetti, tiheys ja polaarisuus pienenevät lämpötilan kasvaessa, ja alikriittisen veden aineominaisuudet muuttuvat lähemmäksi orgaanista liuotinta. Alikriittisen veden dielektrisyysvakion aleneminen johtuu pääasiassa lämpötilan vaikutuksesta ja vain vähän paineen vaikutuksesta. Alikriittistä vettä on käytetty liuottimena uutossa, mutta nyt myös alikriittinen kromatografia on kehittymässä oleva erotusmenetelmä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin kromatografinen laitteisto alikriittiselle vedelle, jolla tutkittiin sokerialkoholien ja sokerien kromatografista erotusta alikriittisen veden avulla. Lisäksi tutkittiin sokerialkoholien, sokereiden ja stationäärifaasien termistä kestävyyttä. Tutkittavina komponentteina olivat sorbitoli, mannitoli, ksylitoli, arabinoosi, mannoosi, ksyloosi, maltoosi ja ramnoosi. Stationäärifaaseina käytettiin makrohuokoista funktionalisoimatonta polystyreenidivinyylibentseenikopolymeeriä, sekä vahvoja ja heikkoja divinyylibentseenillä ristisilloitettuja kationinvaihtohartseja, jotka olivat joko Na+- tai Ca2+-ionimuodoissa. Veden lämpötilan nostaminen vaikuttaa sekä kromatografisen stationäärifaasin tilavuusmuutoksiin että näytekomponenttien ominaisuuksiin. Vahvoilla kationinvaihtimilla havaittiin termisten tilavuusmuutosten riippuvan ionimuodosta: Na+-muotoiset hartsit turpoavat ja Ca2+-muotoiset kutistuvat lämpötilan noustessa. Heikot kationinvaihtimet kutistuvat molemmissa ionimuodoissa, mutta Ca2+-muoto kutistuu Na+-muotoa voimakkaammin. Näytekomponenteista sokerialkoholien havaittiin kestävän paremmin korkeita lämpötiloja kuin sokerien. Sokerialkoholeista kestävimmäksi havaittiin ksylitoli ja sokereista ramnoosi. Tutkittavien komponenttien piikkien havaittiin kapenevan, häntimisen vähenevän, ja piikkien eluoituvan aikaisemmin riippuen käytettävästä stationäärifaasista. Ca2+-muotoisen vahvan kationinvaihtimen kompleksinmuodostuskyky heikkeni lämpötilan kasvaessa. Näytekomponenttien erotus ei kuitenkaan parantunut lämpötilan noustessa tutkituilla stationäärifaaseilla.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

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.

Vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen teknistaloudellinen vertailu

Lopputyössä vertailtiin vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen erilai-sia ominaisuuksia. Vertailuparametreinä olivat lattialämmitysten mitoitus, säätö, asen-nus, investointikustannukset, käyttökustannukset, vikaantuminen ja korjaus, asumis-viihtyvyys, käyttöön liittyvät tekijät, markkinat ja toimijat sekä lattian päällysteet. Näistä lat-tialämmityksien asumisviihtyvyys, säätö ja kustannukset otettiin tarkempaan vertailuun. Lämmitysjärjestelmien kokonaiskustannuksia vertailtiin 25 vuoden jaksolla ja 4 % ko-rolla. Investointikustannuksiin sisältyi lämmitysjärjestelmien lisäksi lkv-varaajan ja tek-nisen tilan kustannukset sekä liittymismaksut. Käyttökustannusten vertailussa otettiin huomioon lämmityskulujen lisäksi myös lämmityksen hyötysuhde, yö- ja päiväsähköosuudet ja -energian hinnat, taloussähkön kustannukset, perusmaksut sekä huoltokulut. Tutkimuksen mukaan halvin pientalojen lämmitysmuoto on osittain varaava huonekoh-tainen sähkölämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 11452 mk. Sähkölämmi-tyksen tekee vertailtavista halvimmaksi lämmitysjärjestelmäksi pientaloille (n. 150 m2) sen pienet pääomakustannukset, lämmityksen hyvä hyötysuhde sekä varsin kilpailuky-kyiset käyttökustannukset. Vertailun kallein oli öljyä energialähteenä käyttävä vesikiertoi-nen lattialämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 13080 mk. Öljy on energia-hinnaltaan halpa, mutta öljylämmityksen huono hyötysuhde sekä varsin korkeat pää-omakustannukset tekevät siitä vertailtavista kalleimman lämmitysmuodon. Energian hin-tojen herkkyysanalyysissä huomattiin sähkön säilyttävän kilpailukykynsä, vaikka öljyn ja maakaasun hinnat laskisivatkin huomattavasti. Asumismukavuuden ja säädön kohdalla vertailtiin lämpötilojen tasaisuutta huonetilois-sa. Mittauskohteiden huonelämpötiloja on seurattu eri projekteissa jatkuvatoimisesti jo-pa yli kahden vuoden ajan. Mittaustulosten mukaan vesikiertoisella lattialämmityksellä huonelämpötilat ovat tasaisemmat kuin osittain varaavalla huonekohtaisella sähköläm-mityksellä. Tämä johtuu sähkölämmityksen varaavuudesta. Hyvillä yhdistelmätermostaateilla päästään tosin myös huonekohtaisen sähkölämmityksen yhteydessä tasaisiin huonelämpötiloihin. Molempien lämmitysmuotojen säädön heikkoutena on hidas reagointi sisäisten lämmönlähteiden aiheuttamaan nopeaan sisälämpötilan nousuun.

The effect of pulp washing on bleaching efficiency

The main aim of this study was to inspect the influence of the ultrafiltration implementation on the washing and on bleaching efficiency. Four cases corresponding to four washing stages were observed: two with hardwood pulp and two with softwood pulp; each case had a reference and a trial experiment. The experiments with hardwood pulp were arranged in a manner to explore predominantly the possibility of bleaching performance improvement by applying for washing instead of untreated filtrate (reference case) the same treated one (trial case). Despite that the ultrafiltration reduced the COD of the wash filtrates allowing the decreasing of COD carry-over to the bleaching stage it didn’t affect the bleaching performance. Another set was used in the experiments with softwood pulp. It implied the ultrafiltration and recirculation of the filtrate to the same washing stage with the purpose to reduce the volumes and pollution of the bleaching effluents. In one case the negative result was obtained which was expressed by worse parameters of the pulp after bleaching. Another case showed the opportunity to replace hot water with the filtrate and reduce the fresh water consumption.

Roal Oy:n käyttöhyödykejärjestelmän arviointi, optimointi ja raportointi

Prosessiteollisuudessa tarvitaan usein erilaisia apujärjestelmiä pääprosessin tueksi. Tyypillisiä tällaisia järjestelmiä ovat jäähdytys-, höyry- ja ilmajärjestelmät. Hyödykejärjestelmien kehitys jää helposti pääprosessin varjoon, joka usein johtaa tarpeettoman suuriin hyödykekustannuksiin ja järjestelmien teknisen tilan laskuun. Työn kirjallisuusosassa käsitellään Roal Oy:n fermentointiprosessin kannalta olennaisimpia hyödykevaatimuksia, niiden laskennallista ilmaisua ja vuorovaikutuksia sekä PINCH-menetelmää lämpöenergian hyötykäyttöön. Jäähdytysjärjestelmän osalta käydään läpi merkittävimmät laitetekniset ratkaisut, jäähdytystorni ja lämpöpumppu, toimintaperiaatteineen sekä luonnonvesien käyttö jäähdytykseen. Työn soveltavassa osassa seurattiin Aspergillus, Trichoderma ja Bacillus fermentointeja, joiden pohjalta luotiin kasvatuskohtainen empiirinen malli jäähdytystarpeen arviointiin perustuen sekoitustehoon, kasvatuksen hiilidioksidituottoon ja haihtumisen vaikutukseen. Kasvatuksien aikana seurattiin myös tilavuusperusteista lämmönsiirtokerrointa. Mitattujen lämmönsiirtokertoimien perustella laskettiin ominaislämmöntuottoon perustuva maksimilämpötila käytettävälle jäähdytysvedelle ja fermentorien maksimitilavuudet tunnetuilla kasvatusparametreilla eri lämpöisille jäähdytysvesille. Soveltavassa osassa käydään myös läpi Roalin höyry- ja kuumavesikulutukset ja tärkeimmät käyttökohteet. Mittaustulosten ja mallien perusteella on tehtiin kehitysehdotukset hyödykejärjestelmän optimoimiseksi.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Aurinkoenergian hyödyntäminen olemassa olevassa pientalossa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia aurinkoenergian hyödyntämistä olemassa olevassa pientalossa. Työssä tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen kannattavuutta vaihtoehtoisten lämmitysjärjestelmien osana sekä aurinkosähkön tuotantoa rakennuksen sähköenergian kulutukseen. Lisäksi tarkastellaan, missä määrin aurinkoenergian käyttö vähentää rakennuksen hiilidioksidipäästöjä. Suomi on asettanut itselleen kunnianhimoisen tavoitteen pienentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta vuoteen 2050 mennessä. Olemme myös sitoutuneet EU:n uusiutuvan energiankäytön lisäämistavoitteisiin. Normiohjauksen avulla voidaan huolehtia uudisrakennustuotannon energiatehokkuudesta, mutta olemassa olevaan rakennuskantaan on löydettävä muita kustannustehokkaita keinoja vähentää ostoenergian kulutusta ja lisätä uudistuvan energian osuutta energiankulutuksesta. Suomalaiselle asuntorakennuskannalle on tyypillistä pientalovaltaisuus sekä asuntokannan hidas uusiutuvuus. Tämä osaltaan lisää haastetta kansallisten sekä kansainvälisten tavoitteiden saavuttamisessa. Aurinkoenergian hyödyntämisen kannattavuutta tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen rajakustannuksen avulla. Laitteen tekninen käyttöikä ja ostoenergian hintakehitys ovat arvioituja. Näin tarkastellen öljylämmitys ja suora sähkölämmitys saavat suurimman hyödyn aurinkoenergiasta, kun sillä tuotetaan lämmintä käyttövettä.

Sellutehtaan vedenkäytön vähentäminen

Työn tarkoituksena oli etsiä mahdollisia kohteita sellutehtaan veden käytön vähen-tämiseksi. Analyysien avulla selvitettiin voidaanko havaittujen kohteiden tällä hetkellä menetettyjä vesivirtoja käyttää uudelleen. Lopuksi arvioitiin miten kierrä-tettävät vedet vaikuttaisivat raakaveden laatuun, mikäli ne yhdistettäisiin tämän joukkoon. Veden käytön vähentämiskohteita etsittiin tutkimalla tehtaan prosessi-kaavioita osastokohtaisesti sekä selvittämällä näin havaittuja kohteita osastoilla. Työn kokeellinen osa koostui vesianalyyseistä. Vesianalyyseissä määritettiin seu-raavat arvot sellutehtaalle tulevasta vedestä: sameus (FTU), kiintoaine, sähkönjoh-tavuus, pH, CODCr, BOD7ATU, kokonaisfosfori P, Mn, Cl, K, Ca, Mg ja AOX. Nämä tehtiin valituista kohteista havaituista tällä hetkellä tehtaalta pois johdetuista mutta mahdollisesti kierrätettävistä vesistä. Työn tuloksien perusteella havaittiin, että seuraavissa tarkasteluun valituissa koh-teissa vedet olivat hyvin puhtaita ja talteen otettavia kierrätykseen. Näitä olivat savukaasupesurin vedet, sekundäärilauhdesäiliön vedet sekä tiivistevedet. Haih-duttamon lämminvesisäiliön sekä kuivauskone 4 kiertovesitornin vedet olivat hieman likaantuneet mutta hyvin kierrätettävissä. Koivulinjan D0-vaiheen, havu-linjan D1-vaiheen sekä kuivauskone 4 lajittamon vesivirtoja ei likaantumisen vuoksi kannattanut kerätä hyötykäyttöön.

Käyttövesivaraajan ekosuunnitteluvaatimusten merkityksen arvioiminen rakennusten energianhallinnassa

Työn lähtökohtana ovat veden lämmittimiä koskeva ekosuunnittelulainsäädäntö ja sen vaatiman testausjärjestelmän laatiminen. Työn tavoitteena on arvioida ekosuunnittelulainsäädännön vaikutusta varaajan toimintaan osana rakennusten energianhallintaa. Työssä laaditaan käyttövesivaraajalle tuoteryhmäkohtaisen ekosuunnittelulainsäädännön mukainen mittausjärjestelmä energiatehokkuuden, lämpimän veden saannon, vuosittaisen sähkönkulutuksen sekä energiamerkinnän määrittämiseksi. Lisäksi tarkastellaan ekosuunnittelulainsäädännön tarkoituksenmukaisuutta, selvitetään varaajan toimintaperiaatteet sekä keinoja käyttöveden tarvitseman energian vähentämiseksi. Testattu käyttövesivaraaja täyttää ekosuunnitteluvaatimukset. Lämmitysenergian vähentäminen käyttövesivaraajan toimintaa tehostamalla on kuitenkin vaikeaa. Hybridijärjestelmien hyödyntäminen sähkölämmityksen ohella muita energianlähteitä ja esim. käyttöveden lämmöntalteenottoa käyttäen on toimivin keino vähentää käyttöveden energiankulutusta sekä parantaa varaajan energiatehokkuutta. Lämpimän käyttöveden energiankulutuksen osuus rakennuksen energiankulutuksesta kasvaa lainsäädännön pakottamana rakennusten kokonaisenergiankäytön vähentyessä. Ekosuunnittelulainsäädännön suora merkitys rakennusten energianhallintaan on Suomessa vähäistä nykyisen energiatehokkuustason ollessa suhteellisen korkea, jolloin käyttöveden tarvitseman energian vähentämiskeinoina on hyödynnettävä vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteis-käyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Tarkoituksena on tuottaa päivittäin tarvittava lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, jonka tarvitsema sähkö tuotetaan aurin-kosähköjärjestelmän avulla keskimäärin kello 12–15. Aurinkosähköjärjestelmän tuotto simuloidaan kuvitteelliselle Lappeenrannassa sijaitsevalle omakotitalolle Homer-ohjelmistolla. Maalämpöpumpun koko pidetään vakiona ja vertai-lussa on 4, 5 ja 6 kW:n kokoiset aurinkosähköjärjestelmät. Yli 5 kW:n aurinkosähköjärjestelmällä saadaan katettua talon peruskuorman lisäksi, myös maalämpöpumpun tarvitsema teho kyseisenä ajanjaksona. 4 kW:n aurinkosähköjärjestel-mällä ja maalämpöpumpulla saadaan tuotettua päivässä riittävästi energiaa neljän henkilön tarvitsemaan käyttöveteen, mutta tällöin maalämpöpumppua täytyy käyttää pidempi ajan-jakso, jos lämmitykseen halutaan käyttää vain tuotettua aurinkosähköä.