High-yield kraft pulping of Eucalyptus grandis Hill ex Maiden biotreated by Ceriporiopsis subvermispora under two different culture conditions

In the present study, it was evaluated how two different culture conditions for the biotreatment of Eucalyptus grandis by Ceriporiopsis subvermispora affect a subsequent high-yield kraft pulping process. Under the varied culture conditions investigated, different extracellular enzyme activities were observed. Manganese-peroxidase (MnP) secretion was 3.7 times higher in cultures supplemented with glucose plus corn-steep liquor (glucose/CSL) as compared to non-supplemented (NS) cultures. The biotreated samples underwent diverse levels of wood component degradation as losses of weight and lignin were increased in glucose/CSL cultures. Mass balances for lignin removal during kraft pulping showed that delignification was facilitated when both biotreated wood samples were cooked. Delignification efficiency did not correlate positively with MnP levels in the cultures. On the other hand, biopulps from NS and glucose/CSL cultures saved 27% and 38% beating time to achieve 288 Schopper-Riegler freeness during refining, respectively. Biopulps disposed of decreased tensile and tear resistances, thus easier refining of the biokraft pulps seems to be a consequence of less resistant fiber walls. Improved beatability of biopulps was tentatively related to short fibers and fines formation during refining. We suggest that to some extent polysaccharide depolymerization occurred during the biotreatment, which also resulted in diminished pulp yields in the case of glucose/CSL cultures.

Heterogeneous modeling of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR)

The objective of this study was to estimate the first-order intrinsic kinetic constant (k(1)) and the liquid-phase mass transfer coefficient (k(c)) in a bench-scale anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) fed with glucose. A dynamic heterogeneous mathematical model, considering two phases (liquid and solid), was developed through mass balances in the liquid and solid phases. The model was adjusted to experimental data obtained from the ASBBR applied for the treatment of glucose-based synthetic wastewater with approximately 500 mg L-1 of glucose, operating in 8 h batch cycles, at 30 degrees C and 300 rpm. The values of the parameters obtained were 0.8911 min(-1) for k(1) and 0.7644 cm min(-1) for kc. The model was validated utilizing the estimated parameters with data obtained from the ASBBR operating in 3 h batch cycles, with a good representation of the experimental behavior. The solid-phase mass transfer flux was found to be the limiting step of the overall glucose conversion rate.

Engineered ecosystem for sustainable on-site wastewater treatment

A Pilot-Scale Engineered Ecosystem (PSEE) operated for over two years in sub-tropical conditions, produced an effluent with COD (median 38 mg/L) and TSS (median 3 mg/L) levels comparable to that required by the AS/NZS 1547:2000 Onsite Domestic Wastewater Management standard. Only partial nitrification was achieved as dissimilatory nitrate reduction to ammonia occurred; however the level of NH4-N was reduced by 75% and total inorganic nitrogen by 53%. Phosphorus was not removed by the system due to the lack of regular sludge removal. Mass balances around the system showed that bacteria removed 36% of the influent nitrogen and 76% of the influent COD. Algae and plants were shown to remove 5% of the influent nitrogen, and 6% of the influent phosphorus. Challenges in developing a sustainable on-site wastewater treatment system were largely met by minimising chemical, energy and labour inputs, eliminating the need for frequent sludge handling, and creating an effluent quality suitable for re-use in non-potable applications. However, the sludge removal from the system needs to be adequately managed to avoid excessive accumulation as this can cause a range of negative impacts.

Metabolic analysis of poly(3-hydroxybutyrate) production by recombinant Escherichia coli

Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) production by fermentation was examined under both restricted- and ample-oxygen supply conditions in a single fed-batch fermentation. Recombinant Escherichia coli transformed with the PHB production plasmid pSYL107 was grown to reach high cell density (227 g/l dry cell weight) with a high PHB content (78% of dry cell weight), using a glucose-based minimal medium. A simple flux model containing 12 fluxes was developed and applied to the fermentation data. A superior closure (95%) of the carbon mass balance was achieved. When the data were put into use, the results demonstrated a surprisingly large excretion of formate and lactate. Even though periods of severe oxygen limitation coincided with rapid acetate and lactate excretion, PHB productivity and carbon utilization efficiency were not significantly impaired. These results are very positive in reducing oxygen demand in an industrial PHA fermentation without sacrificing its PHA productivity, thereby reducing overall production costs.

Mathematical modelling of supercritical CO2 extraction of volatile oils from aromatic plants

The modelling of the experimental data of the extraction of the volatile oil from six aromatic plants (coriander, fennel, savoury, winter savoury, cotton lavender and thyme) was performed using five mathematical models, based on differential mass balances. In all cases the extraction was internal diffusion controlled and the internal mass transfer coefficienty (k(s)) have been found to change with pressure, temperature and particle size. For fennel, savoury and cotton lavender, the external mass transfer and the equilibrium phase also influenced the second extraction period, since k(s) changed with the tested flow rates. In general, the axial dispersion coefficient could be neglected for the conditions studied, since Peclet numbers were high. On the other hand, the solute-matrix interaction had to be considered in order to ensure a satisfactory description of the experimental data.

Modelação de um Sistema de AVAC, em Software LabVIEW

Na União Europeia, a energia utilizada nos edifícios é responsável por uma grande parte do consumo total, cerca de 40%, de toda a energia produzida, contribuindo em grande escala para as emissões de gases de efeito de estufa, como o CO2. [ADENE, 2014]. A minimização deste consumo, durante o período de ciclo de vida de um edifício, é um grande desafio associado ao ambiente e à economia. Na atualidade assistimos, cada vez mais, ao emergir de novas tecnologias. Faz parte dessa realidade, o crescimento e o desenvolvimento das UTA’s, que surgem como resposta do ser humano pela busca de otimização da sua zona de conforto, da qualidade de ar interior e da eficiência energética. Assim, para que não se sacrifique o conforto térmico, há que conciliar a qualidade de ar interior com a energia dispensada para climatizar os espaços. Para ajudar à minimização de CO2 em conjunto com uma eficiência energética e conforto térmico, traduzindo-se numa melhor qualidade de ar no interior de espaços climatizados, surge o objetivo de implementar uma aplicação através do software LabVIEW para prever uma experiência real. Como solução, recorreu-se a modelos matemáticos que traduzissem os vários balanços térmicos, balanços de massa e de CO2. As principais conclusões deste trabalho foram: validação do comportamento do modelo matemático da temperatura; validação do comportamento do modelo matemático de CO2; humidade relativa com 25% de registos válidos.

Modelització i control d'un reactor de producció d'hidrogen per a l'alimentació de piles de combustible

Les piles de combustible permeten la transformació eficient de l’energia química de certs combustibles a energia elèctrica a través d’un procés electroquímic. De les diferents tecnologies de piles de combustible, les piles de combustible de tipus PEM són les més competitives i tenen una gran varietat d’aplicacions. No obstant, han de ser alimentades únicament per hidrogen. Per altra banda, l’etanol, un combustible interessant en el marc dels combustibles renovables, és una possible font d’hidrogen. Aquest treball estudia la reformació d’etanol per a l’obtenció d’hidrogen per a alimentar piles de combustible PEM. Només existeixen algunes publicacions que tractin l’obtenció d’hidrogen a partir d’etanol, i aquestes no inclouen l’estudi dinàmic del sistema. Els objectius del treball són el modelat i l’estudi dinàmic de reformadors d’etanol de baixa temperatura. Concretament, proposa un model dinàmic d’un reformador catalític d’etanol amb vapor basat en un catalitzador de cobalt. Aquesta reformació permet obtenir valors alts d’eficiència i valors òptims de monòxid de carboni que evitaran l’enverinament d’una la pila de combustible de tipus PEM. El model, no lineal, es basa en la cinètica obtinguda de diferents assaigs de laboratori. El reformador modelat opera en tres etapes: deshidrogenació d’etanol a acetaldehid i hidrogen, reformat amb vapor d’acetaldehid, i la reacció WGS (Water Gas Shift). El treball també estudia la sensibilitat i controlabilitat del sistema, caracteritzant així el sistema que caldrà controlar. L’anàlisi de controlabilitat es realitza sobre la resposta de dinàmica ràpida obtinguda del balanç de massa del reformador. El model no lineal és linealitzat amb la finalitat d’aplicar eines d’anàlisi com RGA, CN i MRI. El treball ofereix la informació necessària per a avaluar la possible implementació en un laboratori de piles de combustibles PEM alimentades per hidrogen provinent d’un reformador d’etanol.

Sulfaattiselluloosatehtaan rikki- ja natriumtase sekä kemikaalikierron malli

Tämän diplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu sulfaattiselluloosatehtaan ympäristöpäästöjen vähentämiseen liittyvää ongelmallisuutta sekä luomaan pääpiirteittäinen kuvaus sulfaattiselluloosatehtaan kemikaalikierrosta lähinnä rikki- ja natriumyhdisteiden kiertoja huomioiden. Pääasiassa kemikaalisäästöjen ja ympäristösyiden vuoksi tehtävää kemikaalikierron sulkemista seuraa rikki- ja natriumtaseisiin sekä kemikaalikierron vierasaineisiin liittyviä ongelmia, kuten prosessilaitteistojen likaantumista, korroosiota ja hajukaasuyhdisteiden muodostumista. Diplomityön mallinnusosassa on luotu Metsä-Botnian Rauman sellutehtaan kemikaalikierron malli pohjautuen tehtaan virtauskaavioihin sekä muuhun tehtaalta saatuun prosessi-informaatioon. BALAS-simulointiohjelmiston avulla luotuja mallikaavioita on käytetty hyväksi tehtaan kokonais- rikki- ja natriumtaseiden laskennassa. Varsinainen simulointi on jätetty projektin aikataulullisten syiden vuoksi jatkoprojektin piiriin.

Vortex-putken ominaisuudetkuivaussovellutuksessa

Työssä tarkastellaan vortex-putken soveltuvuutta kostean ilman kuivatukseen ja vapautuvan latenttilämmön hyödyntämiseen. Soveltuvuutta arvioidaan veden ja ilman massataseita hyväksi käyttäen ja stationaarisen systeemin energiataseen avulla. Työn mittauksia varten rakennettiin koelaitteisto, jonka avulla mitattiin miten lämpötilaerot kuumassa ja kylmässä päässä käyttäytyivät mitattaessa kuivalla ilmalla ja ilmalla, jota oli kostutettu. Mitattavia suureita olivat syöttöpaine- ja lämpötila, lämpötilat kuumassa ja kylmässä päässä, kuuman pään paine ja tilavuusvirta tai virtausnopeus ja kuuman pään suhteellinen kosteus. Mittaustulosten avulla laskettiin lämpötilan muutokset kummassakin päässä ja verrattiin kuivan ja kostean ilman mittauksien tuloksia toisiinsa. Lisäksi laskettiin tiivistyneen veden määrä ja veden ja ilman massavirrat molemmissa päissä. Näin voitiin laskea tiivistymisessä vapautuva energia ja tarkastella mihin se siirtyy. Tulosten perusteella vortex-putki soveltuu hyvin huonosti ilman kuivatukseen. Tiivistyneen veden määrä ja sitä kautta tiivistymisessä vapautunut energia, olivat pieniä. Suurin osa kosteudesta meni kuuman pään virtauksen mukana. Tiivistymisessä vapautunut energia siirtyi kylmään päähän.

Jauhatuspiirin ilmakierron optimointi

Luokittuminen erilaisine mekanismeineen aiheuttaa yleisesti ongelmia, kun on kysymyksessä kiintoaineen väliaikainenkin varastointi siilossa. Sitä voidaan vähentää kiintoaineiden, prosessin ja laitesuunnittelun muutoksilla. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuuksia vähentää ilmeniitin luokittumista sen jauhatuspiirin ilmakiertoa optimoimalla. Suljetun kuivajauhatuspiirin keskeisimmäksi laitteeksi voitaisiin ajatella siinä oleva luokitin, joka voi olla esim. sykloni. Tässä piirissä tapahtuva kiintoaineen liikkuminen voidaan saada aikaiseksi esim. pneumaattisella kuljetuksella. Ilmeniitin jauhatus tapahtuu suljetussa kuivajauhatuspiirissä, jonka ajavana voimana on siinä oleva ilmakierto. Piirin oleellisia laitteita ovat kuulamylly, luokitin, erotussykloni ja pölykaappi sekä kiertoilma- ja poistoilmapuhaltimet. Ilmakierron optimointia varten suoritettiin kahden vastaavan jauhatuspiirin ainetasemääritykset. Lisäksi määritettiin yhden isomman piirin perustila. Jauhatuspiirien ainetasemäärityksissä määritettiin niiden massa- ja ilmavirrat sekä kiertokuorma ja luokittimen erotusterävyys, kuten myös ilmeniitin hiukkaskokojakaumat. Perustilamittauksissa määritettiin ainoastaan piirin ilmavirrat ja ilmeniitin hiukkaskokojakaumat. Optimointimittauksissa pienennettiin pikkumyllypiirin ilmamäärät vastaamaan kutakuinkin vastaavan toisen piirin määriä. Tällä yritettiin selvittää näiden toisiaan vastaavien piirien ilmamäärien ja varsinkin kiertokuormien eroavuutta. Tämä ilmamäärien pienentäminen ei tuottanut mainittavampaa muutosta piirin ainetaseisiin, joten voitaneen todeta, että piirin ilmamääriä pienentämällä saadaan aikaiseksi säästöjä, lähinnä kiertoilmapuhaltimen tehon alennuksen kautta.

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvän lopputuotteen terminen kuivaus

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvää humusmassaa voidaan käyttää maanparannusaineena ja yleisenä lannoitusaineena. Termisellä kuivauksella saadaan humuksen kuiva-ainepitoisuutta nostettua mekaanisen kuivauksen jälkeen, jolloin sen tuotteistettavuus ja kuljetettavuus paranevat pienentyneen painon ja tilavuuden myötä. Kirjallisuusosassa on esitetty yleisiä termisen kuivauksen periaatteita sekä käsitelty lähemmin humuksen kuivausta. Lisäksi termisen kuivauksen hygienisoivaa vaikutusta on esitelty kirjallisuusosan lopussa. Tutkimusosassa luotiin tietokonepohjainen malli MK Protech Oy:n kehittämälle Traypack-kuivaimelle. Mallin luomisessa käytettiin apuna suoritettujen pilot-ajojen tuloksia sekä kirjallisuudesta saatuja tietoja. Malli sisältää kuivauksen aine- ja energiataseet sekä kuivaimen ja sen apulaitteiden mitoituksen. Sen lisäksi malli tulostaa erillisinä kokonaisuuksina prosessin laiteluettelon, investointikustannuslaskelman ja elinkaarianalyysin. Lisäksi tutkimusosassa laskettiin mallin avulla Rayongin kaupunkiin Thaimaahan rakenteilla olevan jätteenkäsittelylaitoksen tarpeeseen soveltuvan kuivaimen mitoitus- ja käyttötiedot sekä tarkasteltiin kuivaimen taloudellista kannattavuutta. Laitoksessa kuivataan 2080 kg/h kuiva-ainepitoisuudeltaan 30 % humusta loppukuiva-ainepitoisuuteen 50 %. Tarvittavaksi lämpötehoksi kuivaimeen saatiin 3,9 MW. Tästä 2,0 MW tarvitaan uutta systeemiin tuotavaa kuivauskaasua. Tällöin laitoksen investointikustannuksiksi saatiin 359 000 EUR. Laitoksen käyttökustannuksiksi saatiin 40 440 EUR vuodessa.

Kupariliekkisulatusuunin lampohavioiden maarittaminen

Työn teoriaosassa käydään läpi kuparisulaton prosessi pääpiirteittäin, jonka jälkeen siirrytään lämmönsiirron teoriaan. Lämpö siirtyy kolmella penis mekanismilla: johtumalla, säteilemällä ja konvektiolla. Naiden ilmiöiden vaikutusta kupariliekkisulatusuunin eri osissa tapahtuviin lämpöhäviöihin on käyty läpi. Lisaksi työstä löytyy kupariliekkisulatusuunin lämpö- ja ainetase sekä erilaisten lämpötilanmittauslaitteiden vertailua sekä mitä tulee ottaa huomioon lämpötiloja mitatessa. Työn kokeellisessa osassa esitellään lämpötilanmittausten perusteella lasketut kupariliekkisulatusuunin eri osien lämpöhäviöiden suuruudet mittauskampanjan ajalta. Saatuja tuloksia on vertailtu kirjallisuudesta löydettyihin aikaisempiin arvoihin. Uunin keskimääräiseksi kokonaislämpöhäviöksi saatiin 9,8 MW mittauskampanjan ajalle. Lisäksi on vertailtu uunin erilaisten ajoarvojen, kuten rikaste-, lentopöly-, murska-, ja kuonarikastesyötön suuruuden sekä öljyn syötön ja rikasteseoksen vaihtumisen vaikutusta lämpöhäviöihin sekä mietitty muita mahdollisia syitä lämpöhäviöiden vaihtelulle.

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.

Voimalaitoksen käytönaikaisen optimoinnin määrittely

Tässä diplomityössä määritellään biopolttoainetta käyttävän voimalaitoksen käytönaikainen tuotannon optimointimenetelmä. Määrittelytyö liittyy MW Powerin MultiPower CHP –voimalaitoskonseptin jatkokehitysprojektiin. Erilaisten olemassa olevien optimointitapojen joukosta valitaan tarkoitukseen sopiva, laitosmalliin ja kustannusfunktioon perustuva menetelmä, jonka tulokset viedään automaatiojärjestelmään PID-säätimien asetusarvojen muodossa. Prosessin mittaustulosten avulla lasketaan laitoksen energia- ja massataseet, joiden tuloksia käytetään seuraavan optimointihetken lähtötietoina. Optimoinnin kohdefunktio on kustannusfunktio, jonka termit ovat voimalaitoksen käytöstä aiheutuvia tuottoja ja kustannuksia. Prosessia optimoidaan säätimille annetut raja-arvot huomioiden niin, että kokonaiskate maksimoituu. Kun laitokselle kertyy käyttöikää ja historiadataa, voidaan prosessin optimointia nopeuttaa hakemalla tilastollisesti historiadatasta nykytilanteen olosuhteita vastaava hetki. Kyseisen historian hetken katetta verrataan kustannusfunktion optimoinnista saatuun katteeseen. Paremman katteen antavan menetelmän laskemat asetusarvot otetaan käyttöön prosessin ohjausta varten. Mikäli kustannusfunktion laskenta eikä historiadatan perusteella tehty haku anna paranevaa katetta, niiden laskemia asetusarvoja ei oteta käyttöön. Sen sijaan optimia aletaan hakea deterministisellä optimointialgoritmilla, joka hakee nykyhetken ympäristöstä paremman katteen antavia säätimien asetusarvoja. Säätöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuutta ennustavana. Työn käytännön osuudessa voimalaitosmalli luodaan kahden eri mallinnusohjelman avulla, joista toisella kuvataan kattilan ja toisella voimalaitosprosessin toimintaa. Mallinnuksen tuloksena saatuja prosessiarvoja hyödynnetään lähtötietoina käyttökatteen laskennassa. Kate lasketaan kustannusfunktion perusteella. Tuotoista suurimmat liittyvät sähkön ja lämmön myyntiin sekä tuotantotukeen, ja suurimmat kustannukset liittyvät investoinnin takaisinmaksuun ja polttoaineen ostoon. Kustannusfunktiolle tehdään herkkyystarkastelu, jossa seurataan katteen muutosta prosessin teknisiä arvoja muutettaessa. Tuloksia vertaillaan referenssivoimalaitoksella suoritettujen verifiointimittausten tuloksiin, ja havaitaan, että tulokset eivät ole täysin yhteneviä. Erot johtuvat sekä mallinnuksen puutteista että mittausten lyhyehköistä tarkasteluajoista. Automatisoidun optimointijärjestelmän käytännön toteutusta alustetaan määrittelemällä käyttöön otettava optimointitapa, siihen liittyvät säätöpiirit ja tarvittavat lähtötiedot. Projektia tullaan jatkamaan järjestelmän ohjelmoinnilla, testauksella ja virityksellä todellisessa voimalaitosympäristössä ja myöhemmin ennustavan säädön toteuttamisella.

Täytekappalekolonnin likaantumisen syyt ja likaantumisen vähentämisen menetelmiä

Lateksinvalmistusprosessin aikana syntyvää jätevettä käsitellään täytekappalekolonnissa siinä olevien haihtuvien orgaanisten yhdisteiden poistamiseksi. Käsittelyprosessin aikana jätevedessä oleva kiintoaine kiinnittyy täytekappaleiden pinnalle, lopulta tukkien ne. Täytekappaleiden vaihtotyö sekä likaantuneiden täytekappaleiden pesu aiheuttavat kustannuksia. Lainsäädäntö ja sopimus kunnallisen jäteveden käsittelyn kanssa vaativat, että haihtuvien yhdisteiden päästöt lasketaan tietyn tason alapuolelle. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia lateksitehtaan jätevesivirtojen koostumusta massa- ja ainetaseiden avulla, erityisesti täytekappalekolonnia likaavan aineen osalta. Toisena tavoitteena oli löytää menetelmiä pidentää täytekappalekolonnin ajojaksoa nykyisestä. Kolmantena tavoitteena oli löytää tai kehittää esikäsittelymenetelmä likaavan aineen poistamiseksi ennen täytekappalekolonnia. Viimeisenä tavoitteena oli optimoida prosessin ajotapa, josta saavutettaisiin säästöjä vähentyneenä energiankulutuksena. Tutkimuksen perusteella täytekappalekolonni poistaa syntyvästä jätevedestä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä 100 prosenttia sekä kemiallista hapenkulutusta 99,5 prosenttia. Täytekappalekolonnin ajojaksoa voidaan pidentää ennakoimalla kolonnin ylä- ja alapään paine-eron perusteella sen likaantumisastetta ja täytekappaleiden vaihtotarvetta. Tutkimuksen perusteella soveltuvia jäteveden esikäsittelymenetelmiä ovat dekantointi, jossa kuuden tunnin viipymällä poistetaan kiintoainetta sekä hallittu kiintoaineen saostus, jossa kymmenen minuutin viipymällä poistetaan sekä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, että kiintoainetta. Energiankulutusta voidaan optimoida vähentämällä höyryn virtausta täytekappalekolonniin erotustehokkuuden siitä kärsimättä.