Lipeäkierron kemiallisesti parhaat käytännöt

Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa kemiallisesti parhaita käytäntöjä sellutehtaiden kemikaalien talteenottoprosessissa. Kirjallisuudesta ei löytynyt lipeäkiertoon liittyvää kemiallista tietoutta. Laiteteknisten ratkaisujen kautta yritettiin saada selville parhaat käytännöt. Teoriaosassa on myös käsitelty lipeäkierrossa esiintyvien vierasaineiden lähteitä, rikastumista ja poistumista prosessista. Työ tehtiin Stora Enson Suomessa sijaitseville tehtaille. Kokeellisessa osassa on suoritettu tehtailta saadun materiaalin perusteella tunnuslukujen laskentaa sekä PCA-analyysin teko. Työssä tarkastelualueena on lipeäkierto liuottajasta meesauuniin. Kaukopäässä on käytössä lipeäkierrossa kaksi lipeälinjaa ja muilla tehtailla vain yksi. Saatujen tunnuslukujen perusteella tehtaille on annettu pisteitä nollasta viiteen. Viisi pistettä on saanut parhaan arvon saanut tehdas ja nolla pistettä kaukana parhaasta arvosta olevat. Tunnuslukuja on valittu 14 ja edellä esitetyllä tavalla pisteytettynä on parhaaksi tehtaaksi saatu Kaukopään 1-lipeälinja ja huonoin on Kemijärvi. Huomioitavaa on Kaukopään 2-lipeälinjan sijoittuminen vasta neljänneksi, vaikka lipeälinjoilla on valkolipeän ja meesan käsittelyssä yhteiset syöttösäiliöt. PCA-analyysin perusteella havaittiin, että kuukausikeskiarvoja käytettäessä tulokset tasoittuvat verrattuna päiväarvoilla tehtyyn analyysiin. Analyysi osoittaa, että tehtailla lipeäkierto ei ole täysin hallinnassa. Tämä ilmenee suurina objektien liikkeinä kuvissa. Päiväarvoilla analyysi tehtiin vain Oulun tehtaalle. Tarkastelussa valittiin kuukauden mittainen ajanjakso niin hyvää kuin huonoakin jaksoa. Mallien selitysasteista voidaan nähdä eroja hyvän ja huonon jakson välillä. Tämä ilmenee niin, että hyvän jakson mallin selitysaste on korkeampi kuin huonon jakson. Objektien sijoittuminen kuvissa on myös erilainen. Hyvän jakson aikana objektit ovat pieninä ryhminä, kun huonon jakson objektit ovat hajonneet yksittäisiksi arvoiksi ja päivien väliset erot ovat suuret.

Recovery of Hemicelluloses from Wood Hydrolysates by Membrane Filtration

Hemicelluloses are among the most important natural resources that contain polysaccharides. In this study the separation and purification of hemicelluloses from water extraction liquors containing wood hemicelluloses, lignin compounds and monosaccharide by using membrane filtration was investigated. The isolation of the hemicelluloses from the wood hydrolysates was performed in two steps: concentration of high molar mass hemicelluloses by ultrafiltration and separation of low molar mass hemicelluloses from monomeric sugars using tight ultrafiltration membranes. The purification of the retained hemicelluloses was performed by diafiltration. During the filtration experiments, the permeate flux through ultrafiltration and tight ultrafiltration membranes was relatively high. The fouling ability of the used membranes was relatively low. In our experiments, the retention of hemicelluloses using two filtration steps was almost complete. The separation of monosaccharides from hemicelluloses was relatively high and the purification of hemicelluloses by diafiltration was highly efficient. The separation of lignin from hemicelluloses was partially achieved. Diafiltration showed potential to purify retained hemicelluloses from lignin and other organics. The best separation of lignin from hemicelluloses in the first filtration step was obtained using the UC005 membrane. The GE-5 and ETNA01PP membranes showed potential to purify and separate lignin from hemicelluloses. However, the feed solution of the second filtration stages (from different ultrafiltration membranes) affected the permeate flux and the separation of various extracted compounds from hemicelluloses. The GE-5 and ETNA01PP membranes gave the efficient purification of the hemicelluloses when using diafiltration. Separation of degraded xylan from glucomannan (primary spruce hemicelluloses) was also possible using membrane filtration. The best separation was achieved using the GE-5 membrane. The retention of glucomannan was three times higher than xylan retention.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Offdesign operation of kraft recovery boiler

A model to solve heat and mass balances during the offdesign load calculations was created. These equations are complex and nonlinear. The main new ideas used in the created offdesign model of a kraft recovery boiler are the use of heat flows as torn iteration variables instead of the current practice of using the mass flows, vectorizing equation solving, thus speeding up the process, using non dimensional variables for solving the multiple heat transfer surface problem and using a new procedure for calculating pressure losses. Recovery boiler heat and mass balances are reduced to vector form. It is shown that these vectorized equations can be solved virtually without iteration. The iteration speed is enhanced by the use of the derived method of calculating multiple heat transfer surfaces simultaneously. To achieve this quick convergence the heat flows were used as the torn iteration parameters. A new method to handle pressure loss calculations with linearization was presented. This method enabled less time to be spent calculating pressure losses. The derived vector representation of the steam generator was used to calculate offdesign operation parameters for a 3000 tds/d example recovery boiler. The model was used to study recovery boiler part load operation and the effect of the black liquor dry solids increase on recovery boiler dimensioning. Heat flows to surface elements for part load calculations can be closely approximated with a previously defined exponent function. The exponential method can be used for the prediction of fouling in kraft recovery boilers. For similar furnaces the firing of 80 % dry solids liquor produces lower hearth heat release rate than the 65 % dry solids liquor if we fire at constant steam flow. The furnace outlet temperatures show that capacity increase with firing rate increase produces higher loadings than capacity increase with dry solids increase. The economizers, boiler banks and furnaces can be dimensioned smaller if we increase the black liquor dry solids content. The main problem with increased black liquor dry solids content is the decrease in the heat available to superheat. Whenever possible the furnace exit temperature should be increased by decreasing the furnace height. The increase in the furnace exit temperature is usually opposed because of fear of increased corrosion.

Comparison of a deterministic and a data driven model to describe MBR fouling

Membrane bioreactors (MBRs) are a combination of activated sludge bioreactors and membrane filtration, enabling high quality effluent with a small footprint. However, they can be beset by fouling, which causes an increase in transmembrane pressure (TMP). Modelling and simulation of changes in TMP could be useful to describe fouling through the identification of the most relevant operating conditions. Using experimental data from a MBR pilot plant operated for 462days, two different models were developed: a deterministic model using activated sludge model n°2d (ASM2d) for the biological component and a resistance in-series model for the filtration component as well as a data-driven model based on multivariable regressions. Once validated, these models were used to describe membrane fouling (as changes in TMP over time) under different operating conditions. The deterministic model performed better at higher temperatures (>20°C), constant operating conditions (DO set-point, membrane air-flow, pH and ORP), and high mixed liquor suspended solids (>6.9gL-1) and flux changes. At low pH (<7) or periods with higher pH changes, the data-driven model was more accurate. Changes in the DO set-point of the aerobic reactor that affected the TMP were also better described by the data-driven model. By combining the use of both models, a better description of fouling can be achieved under different operating conditions

Optimization of energy in a pulp mill

This study presents examination of ways to increase power generation in pulp mills. The main purpose was to identify and verify the best ways of power generation growth. The literature part of this study presented operation of energy pulp mill departments, energy consumption and generation by the recovery and power boilers. The second chapter of this part described the main directions for increase of electricity generation rise of black liquor dry solid content, increase of main steam parameters, flue gas heat recovery technologies, feed water and combustion air preheating. The third chapter of the literature part presented possible technical, environment and corrosion risks appeared from described alternatives. In the experimental part of this study, calculations and results of possible models with alternatives was presented. The possible combinations of alternatives were generated in 44 `models of energy pulp mill. The target of this part was define extra electricity generation after alternatives using and estimate profitability of generated models. The calculations were made by computer programme PROSIM. In the conclusions, the results were estimated on the basis of extra electricity generation and equipment design data of models. The profitability of cases was verified by their payback periods and additional incomes.

Pré-tratamentos de melaço de cana-de-açúcar e água de maceração de milho para a bioprodução de carotenóides

This work studied the pretreatment of sugarcane molasses (CM) and corn steep liquor (CS) for the production of carotenoids by Sporidiobolus salmonicolor (CBS 2636). The acid pretreatment removed less micronutrients than that with activated carbon and led to high removals of Cu and Mn. Reduction in optical density of the prepared medium and removal of glucose from it were 22% and 7% for CM and 95% and 38% for CS, respectively. Total carotenoids obtained with substrates pretreated with acids (541 mg/L) were higher than the results obtained when the medium was treated with activated carbon (208 mg/L).

The influence of crystallization conditions on the filtration characteristics of sulphathiazole suspensions

Cooling crystallization is one of the most important purification and separation techniques in the chemical and pharmaceutical industry. The product of the cooling crystallization process is always a suspension that contains both the mother liquor and the product crystals, and therefore the first process step following crystallization is usually solid-liquid separation. The properties of the produced crystals, such as their size and shape, can be affected by modifying the conditions during the crystallization process. The filtration characteristics of solid/liquid suspensions, on the other hand, are strongly influenced by the particle properties, as well as the properties of the liquid phase. It is thus obvious that the effect of the changes made to the crystallization parameters can also be seen in the course of the filtration process. Although the relationship between crystallization and filtration is widely recognized, the number of publications where these unit operations have been considered in the same context seems to be surprisingly small. This thesis explores the influence of different crystallization parameters in an unseeded batch cooling crystallization process on the external appearance of the product crystals and on the pressure filtration characteristics of the obtained product suspensions. Crystallization experiments are performed by crystallizing sulphathiazole (C9H9N3O2S2), which is a wellknown antibiotic agent, from different mixtures of water and n-propanol in an unseeded batch crystallizer. The different crystallization parameters that are studied are the composition of the solvent, the cooling rate during the crystallization experiments carried out by using a constant cooling rate throughout the whole batch, the cooling profile, as well as the mixing intensity during the batch. The obtained crystals are characterized by using an automated image analyzer and the crystals are separated from the solvent through constant pressure batch filtration experiments. Separation characteristics of the suspensions are described by means of average specific cake resistance and average filter cake porosity, and the compressibilities of the cakes are also determined. The results show that fairly large differences can be observed between the size and shape of the crystals, and it is also shown experimentally that the changes in the crystal size and shape have a direct impact on the pressure filtration characteristics of the crystal suspensions. The experimental results are utilized to create a procedure that can be used for estimating the filtration characteristics of solid-liquid suspensions according to the particle size and shape data obtained by image analysis. Multilinear partial least squares regression (N-PLS) models are created between the filtration parameters and the particle size and shape data, and the results presented in this thesis show that relatively obvious correlations can be detected with the obtained models.

Utilização de resíduos agroindustriais para a produção de proteases pelo termofílico Bacillus sp em fermentação submersa: otimização do meio de cultura usando a técnica de planejamento experimental

Thermophilic Bacillus sp. SMIA-2, produced protease when grown on apple pectic, whey protein and corn step liquor medium, whose concentration was varied from 3 to 10 gL-1, according to the central composite design 2³. The experiments were conducted in shaker, at 50 °C, 150 rpm and initial pH 6.5. The results revealed that the culture medium affected both, cell growth and enzyme production. After graphical and numerical optimization procedure, the enzyme production reached its maximum value at 30 h fermentation, reaching, approximately, 70 U protein mg-1, suggesting that this process was partially associated to the growth.

Interferência do acido ascórbico na determinação de açúcares redutores pelo método de Lane e Eynon

Two studies, both set up as completely randomized design, in a 5x5 and 7x5 factorial schemes, evaluated the interference of 5 and 7 ascorbic acid concentrations and 5 glucose or 5 sucrose concentrations, respectively, on the determination of total and reducing sugars by Lane and Eynon method. The ascorbic acid reducing power (AARP) over the Fehling liquor interfered in the results of total and reducing sugars. On average the AARP was equivalent to 74.83 and 69.71% of the reducing power of glucose and of hydrolyzed sucrose, respectively. The ascorbic acid was stable in all study conditions.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

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.

Mustalipeän kaasutus

Tässä kandidaatintyössä esitellään mustalipeän kaasutusta, joka on vaihtoehtoinen tapa ottaa talteen sellunkeittokemikaalit ja mustalipeän energiasisältö. Työssä esitellään teknologian kehityshistoriaa, mustalipeän kaasutuksen nykytilannetta ja vallitsevan teknologian tulevaisuuden tavoitteita, jotka käsittävät moottoripolttoainetuotannon mustalipeän kaasutuksen avulla. Työ tutustuttaa lukijansa mustalipeän kaasutuksen tarjoamiin etuihin, mutta antaa myös kuvan tietyistä haasteista, joita mustalipeän kaasutuksessa nousee esille.

Hydroksihappojen erotus mustalipeästä nanosuodatuksella

Hydroksihapoille on olemassa useita käyttömahdollisuuksia teollisuudessa, joten niiden hyödyntäminen sellunvalmistuksen sivuvirrasta eli mustalipeästä on suuren kiinnostuksen kohteena. Tässä työssä selvitettiin, onko hydroksihappojen erotus ja puhdistus mustalipeästä mahdollista nanosuodatuksella. Kokeellisessa osassa suodatettiin emäksisen mustalipeän lisäksi hapotettua ja jäähdytyskiteytettyä mustalipeää, johon oli lisätty liuotinta. Mustalipeäsuodatuksissa käytettiin viittä erilaista nanosuodatusmembraania (Microdyn Nadir® NP010 ja NP030, Dow Chemical Company NF-90, Woongjin Chemical NE-70 sekä Ge-Osmonics Desal 5 DK). Kirjallisuusosassa käsiteltiin puun sisältämien yhdisteiden kemiallista koostumusta, sellun valmistuksen pääperiaatteita, mustalipeän ja hydroksihappojen ominaisuuksia sekä hydroksihappojen käyttömahdollisuuksia. Lisäksi tarkasteltiin erilaisia hydroksihappojen erotusmenetelmiä, nanosuodatuksen teoriaa ja prosessiin sopivan membraanin valintakriteerejä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin emäksisen mustalipeän monivaiheisen nanosuodatuksen tehokkuutta hydroksihappojen erotuksessa. Hapotetun ja jäähdytyskiteytetyn mustalipeän suodatuskokeissa tutkittiin erityyppisten membraanien erotuskykyä sekä syötön liuotinlisäyksen vaikutusta hydroksihappojen erottumiseen. Lisäksi tarkasteltiin membraanien kestävyyttä ja foulaantumista suodatusolosuhteissa. Työn tulokset osoittivat, että hydroksihappoja voidaan fraktioida mustalipeästä nanosuodatuksella. Hydroksihappojen fraktiointiin vaikuttaa merkittävästi mustalipeässä käytetyn liuottimen läsnäolo sekä suodatuspaine. Lisäksi koetulosten perusteella havaittiin, että monivaiheisella nanosuodatuksella hydroksihapot läpäisevät membraanin ja permeaattiin saavutetaan puhtaampi happojae.

On the potential utilisation of sawdust and wood chip screenings

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