Forest Biomass Resources and Technological Prospects for the Production of Second-generation Biofuels in Finland by 2020

Introduction of second-generation biofuels is an essential factor for meeting the EU’s 2020 targets for renewable energy in the transport sector and enabling the more ambitious targets for 2030. Finland’s forest industry is strongly involved in the development and commercialising of second-generation biofuel production technologies. The goal of this paper is to provide a quantified insight into Finnish prospects for reaching the 2020 national renewable energy targets and concurrently becoming a large-scale producer of forest biomass based second-generation biofuels feeding the increasing demand in European markets. The focus of the paper is on assessing the potential for utilising forest biomass for liquid biofuels up to 2020. In addition, technological issues related to the production of second-generation biofuels were reviewed. Finland has good opportunities to realise a scenario to meet 2020 renewable energy targets and for large-scale production of wood based biofuels. In 2020, biofuel production from domestic forest biomass in Finland may reach nearly a million ton (40 PJ). With the existing biofuel production capacity (20 PJ/yr) and national biofuel consumption target (25 PJ) taken into account, the potential net export of biofuels from Finland in 2020 would be 35 PJ, corresponding to 2–3% of European demand. Commercialisation of second-generation biofuel production technologies, high utilisation of the sustainable harvesting potential of Finnish forest biomass, and allocation of a significant proportion of the pulpwood harvesting potential for energy purposes are prerequisites for this scenario. Large-scale import of raw biomass would enable remarkably greater biofuel production than is described in this paper.

Identification of extractives and polysaccharides as foulants in membrane filtration of pulp and paper mill effluents

The search for new renewable materials has intensified in recent years. Pulp and paper mill process streams contain a number of potential compounds which could be used in biofuel production and as raw materials in the chemical, food and pharmaceutical industries. Prior to utilization, these compounds require separation from other compounds present in the process stream. One feasible separation technique is membrane filtration but to some extent, fouling still limits its implementation in pulp and paper mill applications. To mitigate fouling and its effects, foulants and their fouling mechanisms need to be well understood. This thesis evaluates fouling in filtration of pulp and paper mill process streams by means of polysaccharide model substance filtrations and by development of a procedure to analyze and identify potential foulants, i.e. wood extractives and carbohydrates, from fouled membranes. The model solution filtration results demonstrate that each polysaccharide has its own fouling mechanism, which also depends on the membrane characteristics. Polysaccharides may foul the membranes by adsorption and/or by gel/cake layer formation on the membrane surface. Moreover, the polysaccharides interact, which makes fouling evaluation of certain compound groups very challenging. Novel methods to identify wood extractive and polysaccharide foulants are developed in this thesis. The results show that it is possible to extract and identify wood extractives from membranes fouled in filtration of pulp and paper millstreams. The most effective solvent was found to be acetone:water (9:1 v/v) because it extracted both lipophilic extractives and lignans at high amounts from the fouled membranes and it was also non-destructive for the membrane materials. One hour of extraction was enough to extract wood extractives at high amounts for membrane samples with an area of 0.008 m2. If only qualitative knowledge of wood extractives is needed a simplified extraction procedure can be used. Adsorption was the main fouling mechanism in extractives-induced fouling and dissolved fatty and resin acids were mostly the reason for the fouling; colloidal fouling was negligible. Both process water and membrane characteristics affected extractives-induced fouling. In general, the more hydrophilic regenerated cellulose (RC) membrane fouled less that the more hydrophobic polyethersulfone (PES) and polyamide (PA) membranes independent of the process water used. Monosaccharide and uronic acid units could also be identified from the fouled synthetic polymeric membranes. It was impossible to analyze all monosaccharide units from the RC membrane because the analysis result obtained contained degraded membrane material. One of the fouling mechanisms of carbohydrates was adsorption. Carbohydrates were not potential adsorptive foulants to the sameextent as wood extractives because their amount in the fouled membranes was found to be significantly lower than the amount of wood extractives.

Microgeneration of electricity with producer gas in dual fuel mode operation

Among the alternatives to meet the increasing of world demand for energy, the use of biomass as energy source is one of the most promising as it contributes to reducing emissions of carbon dioxide in the atmosphere. Gasification is a technological process of biomass energy production of a gaseous biofuel. The fuel gas has a low calorific value that can be used in Diesel engine in dual mode for power generation in isolated communities. This study aimed to evaluate the reduction in the consumption of oil Diesel an engine generator, using gas from gasification of wood. The engine generator brand used was a BRANCO, with direct injection power of 7.36 kW (10 HP) coupled to an electric generator 5.5 kW. Diesel oil mixed with intake air was injected, as the oil was injected via an injector of the engine (dual mode). The fuel gas was produced in a downdraft gasifier. The engine generator was put on load system from 0.5 kW to 3.5 kW through a set of electrical resistances. Diesel oil consumption was measured with a precision scale. It was concluded that the engine converted to dual mode when using the gas for the gasification of wood decreased Diesel consumption by up to 57%.

Rheological behavior of Chlorella sp. e Scenedesmus sp. cultures in different biomass concentrations

Studies involving the use of microalgae are increasingly intensifying for the potential they present to produce biofuels, because they are a renewable energy source that does not compete directly with food production, and because they enable the obtaining of a fuel with less environmental impact when compared to fossil fuel. In this context, the use of microalgae is directly associated to its capacity to be produced on a large scale and to be extracted from the culture medium. Rheological studies are important for obtaining the information needed in the elaboration of projects and equipment that will be used in various operations existing in systems of production and extraction of algal biomass. In the evaluation of different levels of dry biomass concentration, studies have been conducted of the rheological behavior of cultures of Chlorella sp. BR001 and Scenedesmus sp. BR003. The Power Law model adjusted well to the data of shear stress as a function of strain rate. In all concentrations the cultures showed non-Newtonian behavior. It was observed to Scenedesmus sp. BR003 little effect of biomass concentration on the apparent viscosity and shear stress.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.

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.

Biopolttoaineen rinnakkaispolton kannattavuustarkastelu hiilipölypolttokattilassa Martinlaakso 2:ssa

Euroopan unionin asettamat tavoitteet kasvihuonepäästöjen vähennykselle johtavat vih-reämpään teknologiaan. Tämä diplomityö on teoreettinen tutkimus, joka käsittelee biopolt-toaineen rinnakkaispolton kannattavuutta Vantaan Energian Martinlaakso 2:sen hiilipöly-polttokattilassa. Työssä perehdytään viiteen eri biopolttoainevaihtoehtoon, joita tarkastellaan viidessä eri skenaariossa, jotka vastaavat: 10, 20, 30, 40 ja 50 % biopolttoaineen osuutta kattilassa tuo-tetusta energiasta. Skenaarioissa on pohdittu tarvittavia investointikustannuksia ja muutos-töitä hiilipölypolttokattilassa. Tutkimuksessa on huomioitu myös uusi isojen laitosten pääs-töjä koskeva direktiivi, kattilan oletettava käyttöikä sekä biopolttoaineiden tuet. Saaduista arvioista on lopuksi laskettu vuosittainen polttoainekohtainen kustannusarvio ja investoin-nin kannattavuusarvio. Tuloksista voidaan päätellä, että sahanpurun mahdollisimman suuri hyötykäyttö on kannat-tavaa. Mikäli halutaan käyttää suuria määriä biopolttoainetta, (yli 20 % tuotetusta energias-ta) ei sahanpuru ole varteenotettava vaihtoehto huonon saatavuutensa johdosta. Tällöin hakkeen kaasutuslaitos olisi paras ratkaisu, mutta laitoksen kannattavuus riippuu tulevista energiatuista. Ilman energiatukia sahanpurun hyötykäyttö on ainoa kannattava investointi.

Suomen metsäteollisuuden päästökehitys vuoteen 2020

Metsäteollisuudessa on käynnissä rakennemuutos, joka tuo haasteita toimialan ympäristöasioiden hallintaan sekä ympäristölupia myöntävän ja valvovan viranomaisen toimintaan. Lähivuosina tulee myös runsaasti voimaan uutta lainsäädäntöä, joka vaikuttaa metsäteollisuuden ympäristöasioiden hallintaan. Tämän työn tarkoituksena oli arvioida Suomen kemiallisen metsäteollisuuden päästökehitystä vuoteen 2020 huomioiden metsäteollisuuden uusi tuotanto sekä lähivuosina voimaan tuleva ympäristölainsäädäntö, erityisesti päivitettävänä oleva massa- ja paperiteollisuuden BREF-asiakirja. Päästökehitystä arvioitiin viiden skenaarion avulla. Vesistöpäästöjen osalta tarkasteltiin COD- ja AOX-päästöjä sekä typpi- ja fosforipäästöjä, ja ilmapäästöjen osalta sellun tuotannon rikki- ja typpioksidi- sekä hiukkaspäästöjä. Massan- ja paperintuotannon oletettiin pysyvän muutaman prosentin nykyistä tasoa korkeammalla tasolla. Uuden tuotannon osalta kahdessa skenaariossa huomioitiin nestemäisten biopolttoaineiden tuotanto kolmella laitoksella, yhteensä 600 000 t/a. Päästölaskennassa käytettiin päivitettävänä olevan massa- ja paperiteollisuuden BREF-asiakirjan BAT-päätelmissä annettuja luonnoksia uusista päästötasoista. Skenaarioiden pohjalta havaittiin, että massa- ja paperiteollisuuden BAT-päätelmien mukaiset päästötasot eivät tuo merkittäviä muutoksia metsäteollisuuden vesistöpäästöihin vuoteen 2020 mennessä. Biojalosteiden tuotannon vaikutus vesistöpäästöihin todettiin myös hyvin vähäiseksi. Sen sijaan ilmaan johdettavat päästöt pienenevät huomattavasti: hiukkaspäästöt vähenivät 42–50 prosenttia uusien päästötasojen myötä. Biojalosteiden tuotannon vaikutus oli myös merkittävämpi kuin ilmapäästöihin kuin vesistöpäästöihin. Prosentuaalisesti eniten biojalostus lisäsi rikkidioksidipäästöjä.

Jätteistä ja prosessitähteistä etanolia – Arvon muodostuminen ja mahdolliset liiketoimintamallit

Työn tarkoitus on löytää parhaat mahdolliset toimintatavat eli liiketoimintamallit, joiden avulla yritys pystyy laajentamaan jätteistä ja prosessitähteistä etanolia -liiketoimintaa kolmansille osapuolille. Työn teoriaosassa perehdytään eri liiketoimintamalleihin sekä selvitetään valittujen energia-alan yrityksien käyttämiä liiketoimintamalleja. Lisäksi työssä on perehdytty tarkemmin franchisingin soveltamiseen teollisessa liiketoiminnassa sekä yrityksen mahdollisena toimintamallina. Arvon muodostuminen on oleellisesti liiketoimintamallin valintaan vaikuttava tekijä, minkä takia työssä perehdytään myös yrityksen ja sen asiakkaiden arvonmuodostumiseen ja arvonluontitapoihin teorioiden ja haastattelujen pohjalta. Teorioiden ja kerätyn aineiston perusteella pystytään sanomaan, että tulevan liiketoimintamallin on oltava kaikille Etanolix®-liiketoiminnan osapuolille selkeä ja nykyistä parempi ratkaisu niin taloudellisesti kuin imagollisesti. Työssä on päädytty liiketoimintamalliin, jossa hyödynnetään franchisingia ja BOOT-konsortiota, jotka yhdistetään kokonaisuudeksi arvopaja- ja arvoverkkoajattelulla.

Different pathways in the larval development of the crab Ucides cordatus (Decapoda, Ocypodidae) and their relation with high mortality rates by the end of massive larvicultures

One of the most limiting factors affecting the larval rearing of Ucides cordatus in the laboratory is a period of high mortality, which usually occurs late in the course of the larviculture during the metamorphosis from the zoeal to the megalopal phase. The objective of the present research was to analyze the post-embryonic development of U. cordatus on an individual basis and, in particular, to search for patterns linking disturbances in the molting process to the high larval death rates observed in massive larvicultures. A total of 50 larvae were individually reared from hatching to metamorphosis into the megalopal phase under controlled conditions, fed a combination of microalgae and rotifers. The survivorship rate was 70% until zoea V. The 35 surviving zoea V larvae followed two different pathways. Eleven underwent metamorphosis directly to megalopa, eighteen molted to zoea VI and six died as zoea V. In the last molting event, only two zoea VI larvae reached the megalopal stage, while the remaining sixteen died. In further observation under microscope, 13 of the dead zoea VI showed characteristics of the pre-molt stage and pereiopods disproportionably large in relation to the carapace. The observed pattern resembles the Molt Death Syndrome (MDS) described for other decapod species, in which larvae die in the late pre-molt phase of the molting cycle. We suggest that U. cordatus larvae develop disturbances in the molting process similar to the MDS described for other species and that these disturbances are related to a more complex pathway involving the emergence of larval stage zoea VI.

Prediction of 3D structure and ligand-binding properties : ABC transporters and flavodiiron proteins from Synechocystis sp. strain PCC 6803

Cyanobacteria are unicellular, non-nitrogen-fixing prokaryotes, which perform photosynthesis similarly as higher plants. The cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is used as a model organism in photosynthesis research. My research described herein aims at understanding the function of the photosynthetic machinery and how it responds to changes in the environment. Detailed knowledge of the regulation of photosynthesis in cyanobacteria can be utilized for biotechnological purposes, for example in the harnessing of solar energy for biofuel production. In photosynthesis, iron participates in electron transfer. Here, we focused on iron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803 and particularly on the environmental regulation of the genes encoding the FutA2BC ferric iron transporter, which belongs to the ABC transporter family. A homology model built for the ATP-binding subunit FutC indicates that it has a functional ATPbinding site as well as conserved interactions with the channel-forming subunit FutB in the transporter complex. Polyamines are important for the cell proliferation, differentiation and apoptosis in prokaryotic and eukaryotic cells. In plants, polyamines have special roles in stress response and in plant survival. The polyamine metabolism in cyanobacteria in response to environmental stress is of interest in research on stress tolerance of higher plants. In this thesis, the potd gene encoding an polyamine transporter subunit from Synechocystis sp. strain PCC 6803 was characterized for the first time. A homology model built for PotD protein indicated that it has capability of binding polyamines, with the preference for spermidine. Furthermore, in order to investigate the structural features of the substrate specificity, polyamines were docked into the binding site. Spermidine was positioned very similarly in Synechocystis PotD as in the template structure and had most favorable interactions of the docked polyamines. Based on the homology model, experimental work was conducted, which confirmed the binding preference. Flavodiiron proteins (Flv) are enzymes, which protect the cell against toxicity of oxygen and/or nitric oxide by reduction. In this thesis, we present a novel type of photoprotection mechanism in cyanobacteria by the heterodimer of Flv2/Flv4. The constructed homology model of Flv2/Flv4 suggests a functional heterodimer capable of rapid electron transfer. The unknown protein sll0218, encoded by the flv2-flv4 operon, is assumed to facilitate the interaction of the Flv2/Flv4 heterodimer and energy transfer between the phycobilisome and PSII. Flv2/Flv4 provides an alternative electron transfer pathway and functions as an electron sink in PSII electron transfer.

Hakkeen kuivaus ennen varastointia ja biopolttoaineterminaalin suunnittelu

Lempäälään aiotaan rakentaa uusi kaukolämpölaitos, jossa polttoaineena käytettäisiin haketta. Nykyään Lempäälässä tuotetaan kaukolämpöä maakaasulla, jonka käyttämisestä halutaan siirtyä käyttämään lähialueilta saatavaa biopolttoainetta. Tässä työssä halutaan selvittää, mitä hyötyjä saataisiin hakkeen koneellisesta kuivauksesta. Työn toisena tavoitteena on suunnitella ja pohtia biopolttoaineterminaalin rakentamista sekä käsitellä hakkeen varastointia yleensä. Työssä tutustutaan hakkeeseen aiheesta kertovan kirjallisuuden avulla. Työssä on myös laskettu hakkeen kuivauksesta saatavia hyötyjä hakkeen lämpöarvoon sekä energiatiheyteen. Erityisesti perehdytään metsätähdehakkeeseen, rankahakkeeseen, kuorihakkeeseen sekä sahanpuruun. Laskelmien tuloksista on havaittu, että suurin hyöty hakkeen energiatiheyden parantumisessa saadaan kun hake kuivataan 35 % kosteuspitoisuuteen. Tämän jälkeen energiatiheyden paraneminen tapahtuu hitaammin. Hakkeen kuivauksesta saadaan myös muita hyötyjä kuin energiatiheyden paraneminen. Kuivan hakkeen käsittelyn ja varastoinnin on havaittu olevan vaivattomampaa kuin märän hakkeen. Biopolttoaineterminaalin ja voimalaitoksen tulisi sijaita rinnakkain, jotta hakkeen kuivauksesta saadaan mahdollisimman kustannustehokasta. Näin ollen syntyisi myös säästöjä hakkeen kuljetuksen suhteen. Biopolttoaineterminaalin rakentamista varten tarvittaisiin tilaa alustavien laskelmien perusteella noin yksi hehtaari. Työssä on myös laskettu biopolttoaineterminaalin rakentamisesta aiheutuvia kustannuksia sekä hakkeen kuljetuksesta koituvia logistiikka kustannuksia. Haketerminaalin ja voimalaitoksen sijaintia Lempäälässä on myös kartoitettu.

Sugarcane stems as larval habitat for the stable fly (Stomoxys calcitrans) in sugarcane plantations

Outbreaks of stable fly, Stomoxys calcitrans, cause losses for livestock producers located near sugarcane mills in Brazil, especially in southern Mato Grosso do Sul. The sugarcane mills are often pointed by local farmers as the primary source of these outbreaks; some mills also joined the farmers in combating the flies. Brazilian beef cattle production has great economic importance in similar level to bio-fuel production as ethanol. In this context, the wide-ranging knowledge on the biology and ecology of the stable fly, including larval habitats and their reproduction sites is extremely important for further development of control programs. This paper aims to report the occurrence and development of S. calcitrans larvae inside sugarcane stems in three municipalities of Mato Grosso do Sul. The sugarcane stems give protection against bad weather conditions and insecticide application. In this way, for sustainable sugarcane growth specific research concerning this situation should be conducted.

Fast pyrolysis in circulating fluidized bed: feasibility study

Today the limitedness of fossil fuel resources is clearly realized. For this reason there is a strong focus throughout the world on shifting from fossil fuel based energy system to biofuel based energy system. In this respect Finland with its proven excellent forestry capabilities has a great potential to accomplish this goal. It is regarded that one of the most efficient ways of wood biomass utilization is to use it as a feedstock for fast pyrolysis process. By means of this process solid biomass is converted into liquid fuel called bio-oil which can be burnt at power plants, used for hydrogen generation through a catalytic steam reforming process and as a source of valuable chemical compounds. Nowadays different configurations of this process have found their applications in several pilot plants worldwide. However the circulating fluidized bed configuration is regarded as the one with the highest potential to be commercialized. In the current Master’s Thesis a feasibility study of circulating fluidized bed fast pyrolysis process utilizing Scots pine logs as a raw material was conducted. The production capacity of the process is 100 000 tonne/year of bio-oil. The feasibility study is divided into two phases: a process design phase and economic feasibility analysis phase. The process design phase consists of mass and heat balance calculations, equipment sizing, estimation of pressure drops in the pipelines and development of plant layout. This phase resulted in creation of process flow diagrams, equipment list and Microsoft Excel spreadsheet that calculates the process mass and heat balances depending on the bio-oil production capacity which can be set by a user. These documents are presented in the current report as appendices. In the economic feasibility analysis phase there were at first calculated investment and operating costs of the process. Then using these costs there was calculated the price of bio-oil which is required to reach the values of internal rate of return of 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%.

Tieliikenteen biopolttoaineet Suomessa

Kandidaatintyössä selvitetään minkälaisia biopolttoaineita Suomessa on tieliikenteeseen tarjolla sekä minkälaisiin ajoneuvoihin ne soveltuvat.