Seed production characters and germination performance of reed canary grass in Finland

Selostus: Ruokohelven siementuotanto-ominaisuudet ja itävyys Suomessa

Variation in biomass related variables of reed canary grass

Selostus: Ruokohelven biomassan tuotantoon vaikuttavien ominaisuuksien vaihtelu

Evaluation of reed canary grass for different end-uses and in breeding

Selostus: Ruokohelven soveltuvuus non-food-, rehun- ja siementuotantoon

Ensimmäisen ja toisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöjenvertailu

Elinkaariarviointia voidaan käyttää ensimmäisen ja toisensukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöjen ja primäärienergian kulutuksen vertailuun. Elinkaariarviointia käyttämällä pyritään tuottamaan luotettavaa tietoa koko elinkaaren ajalta. Nestemäisiä liikennebiopolttoaineita käsittelevissä tutkimuksissa elinkaari jaetaan yleensä kahteen osaan,joista suurempi painoarvo on elinkaaren alkuosalla. Tässä diplomityössä tehdään yksinkertaistettu elinkaariarviointi selluloosaetanolin ja Fischer-Tropsch-dieselin elinkaaren alkuosalle ja verrataan niitä sitten ohraetanoliin ja rypsimetyyliesteriin. Tässä työssä keskitytään primäärienergian kulutukseen sekä hiilidioksidi-, metaani- ja dityppioksidipäästöihin. Selluloosaetanolin raaka-aineena tarkasteltiin ruokohelpeä, Fischer-Tropsch-dieselin raaka-aineena metsätähdettä. Diplomityö osoitti, että toisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden tuotannossa kuluu vähemmän primäärienergiaa ja syntyy vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä kuin ensimmäisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden tuotannossa. Sama tulos on saatu myös muissa aihetta käsittelevissä tutkimuksissa.

Pellettien laatu ja ominaisuudet eri raaka-aineilla ja niiden seoksilla

Diplomityö tehtiin osana Vapon toteuttamaa monivuotista pelletin kehitysohjelmaa. Kehitysohjelma koostuu useista pienemmistä osaprojekteista, jotka täydentävät toinen toisiaan. Pellettien raaka-ainepohjan laajentaminen on eräs näistä osaprojekteista. Tutkimustyön tavoitteena oli selvittää erilaisten potentiaalisten bioraaka-aineiden soveltuvuutta pelletointiin joko sellaisenaan tai erilaisina seoksina. Raaka-aineiden pelletoitavuutta tutkittiin kenttäolosuhteissa mobiilipelletointilaitoksella. Laitoksen pääkomponentit muodostivat Kahl C 38–780 tasomatriisipuristin, jäähdytin ja täryseula. Pelletointikokeissa tutkittuja raaka-aineita olivat mäntysahanpuru, männynkuori, harvennusranka, haapa, koivu, jyrsinturve ja ruokohelpi. Raaka-aineiden irtotiheys käyttökosteudessa vaihteli välillä 73–244 kg/m3 ja keskimääräinen kosteuspitoisuus 6,5–15 %. Useissa tapauksissa säkitettyjä raaka-aineita säkkikostutettiin haluttuun kosteuspitoisuuteen ennen pelletointia. Säkkikostutettujen raaka-aineiden kosteuspitoisuudet vaihtelivat tällöin välillä 12–14 m- %. Valtaosa tutkituista raaka-aineista ja niiden seoksista pystyttiin pelletoimaan puristimen matriisilla 8/40 mm, jossa puristuskanavan halkaisija oli 8 mm ja kanavan suoran osan pituus 40 mm. Vaikeuksia tuotti ainoastaan pelkän koivupurun ja ruokohelven pelletointi. Käytetty matriisi oli kanavapituudeltaan liian pitkä koivupurun pelletointiin nostaen puristusvastuksen suureksi. Ruokohelven pelletoinnin vaikeudet johtuivat pääasiassa pelletointiin liian karkeasta raaka-aineesta. Myös matriisia 8/55 mm kokeiltiin, mutta se osoittautui liian ”tiukaksi” valtaosalle puuraaka-aineista. Ainoastaan jyrsinturpeen pelletointi onnistui tällä matriisilla. Männynkuoren pelletointia ei matriisilla 8/55 mm yritetty. Kenttäkokeissa valmistetuista pelleteistä määritettiin erilaisia ominaisuuksia, kuten keskipituus, kosteuspitoisuus, irtotiheys, hienoaineksen määrä ja käsittelykestävyys. Lujuus mitattiin sekä Ligno-testillä että CEN-rummutuslujuuden määrityksellä. Lisäksi pelleteille määritettiin alkuaineanalyysi, tuhkapitoisuus ja lämpöarvo ENAS Oy:n laboratoriossa Jyväskylässä. Ligno-testauksessa parhaimman luokan pelletin tulee yltää arvoon 97,5 %. Pelletoitaessa raaka-aineita ja niiden seoksia tasomatriisikoneella sopivalla matriisilla yllettiin usein näihin tai parempiin tuloksiin. Puumateriaaleilla raaka-aineen optimaalinen lähtökosteus oli välillä 12–14 m- % ja turpeella sekä ruokohelvellä 14–16 m- %. Pelletointi onnistui tällöin vaivattomasti, kunhan sopivat puristimen ajoparametrit oli löydetty. Pellettiä alkoi muodostua matriisin puristuskanavien lämpötilan kohotessa noin 70 ºC. Pellettien lämpötila stabiilitilanteessa heti pelletoinnin jälkeen oli useissa tapauksissa 80–90 ºC. Pelletoinnin aikainen tehontarve vaihteli välillä 90–150 kWh/t, ollen suurimmillaan irtotiheydeltään keveillä materiaaleilla. Raaka-aineen suuri partikkelikoko kasvatti puristimen tehontarvetta. Tämä havaittiin selvästi lisättäessä karkeaa ruokohelpisilppua eri raaka-aineiden joukkoon. Kestävyydeltään erinomaisia pellettejä saatiin, kun raaka-aineena oli jyrsinturve, harvennusranka tai mäntypuru. Varsinkin jyrsinturpeen ja harvennusrangan seoksesta valmistetut pelletit osoittautuivat erittäin kestäviksi. Myös jyrsinturpeen ja ruokohelven sekä mäntypurun ja ruokohelven seoksien pelleteille määritettiin hyviä kestävyysarvoja. Männynkuoresta valmistetut pelletit jäivät Ligno-testauksessa kestävyydeltään alle 97,5 % rajan. Pääsyynä tähän oli kuoren pelletointiin käytetyn matriisin 8/40 mm liian lyhyet puristuskanavat.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

Utilization of non-wood pulp in different fibers products

The correct utilization of non-wood raw material allows reducing tree cutting and reduces emissions of carbon dioxide from burning of non-wood plants on farmers fields. Also it allows increasing economical situation in regions that non-wood plants are grown and where they are converted into pulp and paper. Also it gives positive effect on population pressure of work by addition of working place. In the literature survey included an overview of the historical meaning of non-wood pulp on developing paper production and structure of non-wood pulps. Moreover, anatomical and chemical composition of straw, reed and bamboo were studied more detailed. Also, an overview of the utilization of non-wood pulp in papermaking was made. Especially tissue, tree-free and release papers were reviewed. In the experimental part the goal was to investigate suitability of non-wood pulp like wheat straw pulp and bamboo pulp for different fiber products. Finally release and tree-free paper products were selected for experimental studies. It was discovered that wheat straw, especially screened wheat straw, showed good results for release paper. Also utilization of wheat straw and bamboo pulp in tree-free paper showed good results and suitability of these non-wood pulps for tree-free paper production. Also it was noticed that addition of wheat straw pulp gave positive effect on initial wet strength for release and tree-free paper.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Ruokohelven käytön lisääminen Joensuun voimalaitoksen kattilassa – käytettävyys, hyötysuhde ja taloudellisuus

Ruokohelpi soveltuu ympäristöystävällisyyden ja korkean lämpöarvon vuoksi hyvin energiantuotantoon. Fortumin Joensuun voimalaitoksella ruokohelpi on syötetty kattilaan tähän asti pääasiassa pääpolttoaineisiin, turpeeseen tai hakkeeseen seostettuna pieninä energiaosuuksina. Pääpolttoaineisiin verrattuna ruokohelvellä on alhaisempi irto- ja energiatiheys, korkeampi klooripitoisuus ja kattilaa likaavampi tuhka, mikä asettaa rajoitteita sen käytön lisäämiselle voimalaitoksella. Alhaisesta irto- ja energiatiheydestä johtuvan holvautumisen sekä tukoksien lisääntymisen ja Joensuun voimalaitoksen nykyisten kuljettimien kapasiteettiongelmien vuoksi ruokohelven osuuden lisääminen suuremmaksi kuin 5 % polttoaine-energiasisällöstä on riskialtista ja edellyttää täten investointia erilliseen ruokohelven käsittely- ja syöttöjärjestelmään. Yksi vaihtoehto on murskata ruokohelpipaalit joko sähkökäyttöisellä, puolikiinteällä ja nopeakäyntisellä Haybuster H1130 tilt -murskaimella tai kiinteällä ja hidaskäyntisellä Raumaster-murskaimella ja ohjata ruokohelpisilppu joko pitkän mekaanisen kuljettimen ja sen perässä olevien lyhyiden pneumalinjojen tai pelkkien pitkien pneumalinjojen kautta suoraan kattilapesään. Työssä tutkitut investoinnit ovat taloudellisesti sitä kannattavampia mitä enemmän ruokohelpeä voidaan vuositasolla polttaa voimalaitoksella. Ruokohelven käyttömäärää voimalaitoksella kannattanee lisätä kuljetusmatkaa pidentämällä. Investointien valinta ei ole itsestäänselvyys. Nopeakäyntinen murskain on hidaskäyntistä murskainta edullisempi investointi, tosin hidaskäyntisen murskaimen käyttövarmuus on parempi kuin nopeakäyntisen murskaimen. Kattilan käytettävyyden kannalta ruokohelven käytön lisääminen edellyttää kattilan palamistekniikan analysointia laskennallisesti virtausmallinnuksella ennen kuin lopullisia päätöksiä investointien suhteen voidaan tehdä.

Topochemistry of physical and chemical pretreatments of biomass as investigated by FE-SEM, XPS and ToF-SIMS

Surface chemistry is of great importance in plant biomass engineering and applications. The surface chemical composition of biomass which includes lignin, carbohydrates and extractives influences its interactions with chemical agents, such as pulp processing/papermaking chemicals, or enzymes for different purposes. In this thesis, the changes in the surface chemical composition of lignocellulosic biomass after physical modification for the improvement of resulting paper properties and chemical treatment for the enhancement of enzymatic hydrolysis were investigated. Low consistency (LC) refining was used as physical treatment of bleached softwood and hardwood pulp samples, and the surface chemistry of refined samples was investigated. The refined pulp was analysed as whole pulp while the fines-free fibre samples were characterized separately. The fines produced in LCrefining contributed to an enlarged surface specific area as well as the change of surface coverage by lignin and extractives, as investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The surface coverage by lignin of the whole pulp decreased after refining while the surface coverage by extractives increased both for pine and eucalyptus. In the case of pine, the removal of fines resulted in reduction of the surface coverage by extractives, while the surface coverage by lignin increased on fibre sample (without fines). In the case of eucalyptus, the surface coverage by lignin of fibre samples decreased after the removal of fines. In addition, the surface distribution of carbohydrates, lignin and extractives of pine and eucalyptus samples was determined by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). LC-refining increased the amounts of pentose, hexose and extractives on the surface of pine samples. ToF-SIMS also gave clear evidence about xylan deposition and reduction of surface lignin distribution on the fibre of eucalyptus. However, the changes in the surface chemical composition during the physical treatment has led to an increase in the adsorption of fluorescent whitening agents (FWAs) on fibres due to a combination of electro-static forces, specific surface area of fibres and hydrophobic interactions. Various physicochemical pretreatments were conducted on wood and non-wood biomass for enhancing enzymatic hydrolysis of polysaccharides, and the surface chemistry of the pretreated and enzymatically hydrolysed samples was investigated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), XPS and ToF-SIMS. A hydrotrope was used as a relatively novel pretreatment technology both in the case of wood and non-wood biomass. For comparison, ionic liquid and hydrothermal pretreatments were applied on softwood and hardwood as well. Thus, XPS analysis showed that the surface lignin was more efficiently removed by hydrotropic pretreatment compared to ionic liquid or hydrothermal pretreatments. SEM analysis also found that already at room temperature the ionic liquid pretreatments were more effective in swelling the fibres compared with hydrotropic pretreatment at elevated temperatures. The enzymatic hydrolysis yield of hardwood was enhanced due to the decrease in surface coverage of lignin, which was induced by hydrotropic treatment. However, hydrotropic pretreatment was not appropriate for softwood because of the predominance of guaiacyl lignin structure in this material. In addition, the reduction of surface lignin and xylan during pretreatment and subsequent increase in cellulose hydrolysis by enzyme could be observed from ToF-SIMS results. The characterisation of the non-wood biomass (e.g. sugarcane bagasse and common reed) treated by hydrotropic method, alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments were carried out by XPS and ToF-SIMS. According to the results, the action for the removal of the surface lignin of non-wood biomass by hydrotropic pretreatment was more significant compared to alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments, although a higher total amount of lignin could be removed by alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatment. Furthermore, xylan could be remarkably more efficiently removed by hydrotropic method. Therefore, the glucan yield achieved from hydrotropic treated sample was higher than that from samples treated with alkaline or alkaline hydrogen peroxide. Through the use of ToF-SIMS, the distribution and localization of lignin and carbohydrates on the surface of ignocelluloses during pretreatment and enzymatic hydrolysis could be detected, and xylan degradation during enzymatic hydrolysis could also be assessed. Thus, based on the results from XPS and ToF-SIMS, the mechanism of the hydrotropic pretreatment in improving the accessibility of enzymes to fibre and further ameliorating of the enzymatic saccharification could be better elucidated.

Suunnittelulla ja ruo´on hyötykäytöllä tehokkuutta rantojen hoitoon : Tuloksia ja kokemuksia VELHO-hankkeesta

Varsinais-Suomen ELY-keskuksen toteuttamassa VELHO-hankkeessa kehitettiin kustannustehokkaita ratkaisuja ranta-alueiden umpeenkasvun aiheuttamiin ongelmiin luomalla uusi konsepti ranta-alueiden monikäyttösuunnitteluun, edistämällä järviruo’on hyötykäyttöä ja valmistelemalla esityksiä uuteen maaseudun kehittämisohjelmaan. Tässä julkaisussa esitellään työn tulokset ja johtopäätökset. Hankkeessa laadittiin kolme ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmaa: Mynälahden Sarsalanaukko ja Musta-aukko, Oukkulanlahti – Naantalinaukko ja Eurajoen - Luvian rannikko. Suunnitelmissa sovitettiin yhteen ranta-alueiden eri käyttömuotoja ja pyrittiin löytämään optimaalinen verkosto hyötykäyttöön leikattavien ruovikoiden, avoimena pidettävien merenrantaniittyjen ja säilytettävien ruovikoiden välille. Kustannustehokkuuteen pyrittiin kohdentamalla hoitotoimet laajoihin kokonaisuuksiin sekä järviruo’on hyötykäytöllä. Suunnitelmat laadittiin laajassa osallistavassa prosessissa. Hankkeessa laadituissa ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmissa esitettiin erilaisia maankäyttötavoitteita ja hoitosuosituksia yli 2000 hehtaarille. Ruovikoiden ja rantaniittyjen lisäksi suunnittelun kohteena olivat myös rantojen läheiset peltoalueet, reunavyöhykkeet ja muut perinnebiotoopit. Hoitotoimilla tavoitellaan alueiden luonnon monimuotoisuuden ja vesien tilan paranemista, maiseman avartumista ja virkistyskäytön helpottumista. Ruovikoiden erilaisia leikkuumenetelmiä (talvileikkuut, vesileikkuut, maaleikkuut) testattiin 90 hehtaarin alalla. Rantaniittyjen kunnostuksessa testattiin maaleikkuun lisäksi ruovikon niittomurskausta. Ruokomassan hyötykäyttökokeissa testattiin kahden eri ruokolaadun eli tuoreen kesäruo’on ja kuivan talviruo’on esikäsittelyä ja hyötykäyttöä energiantuotannossa (poltto, biokaasutus) ja maataloudessa (maanparannusaine, viherlannoite, kuivike, katemateriaali). Maaseudun kehittämisohjelmaan tehtiin esityksiä tukimuotojen kehittämiseksi: rantaniittyjen kunnostuksen lisääminen ja hoidon laadun parantaminen, ruovikoiden vesileikkuut ravinteiden poistajina sekä ruokomassojen käyttö maan orgaanisen aineen lisääjänä. Hankkeen kokemusten mukaan yksi kustannustehokkaimmista hoito- ja käyttöketjuista on ruovikon leikkuu loppukesällä ja siitä kertyvän massan käyttö ranta-alueiden läheisillä pelloilla viherlannoitteena ja maanparannusaineena. Yhden hehtaarin ruovikon kesäleikkuulla poistetaan keskimäärin 80 kg typpeä ja 7 kg fosforia. Vesiensuojelullisten hyötyjen lisäksi leikkuulla parannetaan umpeenkasvusta kärsivien lajien elinoloja, lisätään rantojen vetovoimaisuutta ja edistetään luonnonhoitoyrittäjyyden edellytyksiä. Peltokäytössä käsittelyketju on lyhyt eikä se vaadi pitkiä kuljetusmatkoja. Ruokomassa kierrättää ravinteita takaisin pelloille ja parantaa maan rakennetta. Järviruo’on hyötykäytöllä ei pystytä kattamaan koko leikkuu- ja käyttöketjun kustannuksia. Leikkuusta ja hyötykäytöstä saatavien monien eri aineellisten ja aineettomien ekosysteemipalveluhyötyjen vuoksi toimintaan on tarpeen suunnata yhteiskunnan tukea ja luoda käytännön toteutusta edistäviä tukimuotoja. Kustannustehokkuutta voidaan edelleen parantaa laitteita ja menetelmiä kehittämällä.