Effects of the partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp

The objective of this work was to study the effects of partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp.The work was conducted by extracting hemicelluloses (1) by a softwood chip pretreatment process prior to kraft pulping, (2) by alkaline extraction from bleached birch kraft pulp, and (3) by enzymatic treatment, xylanase treatment in particular, of bleached birch kraft pulp. The qualitative and quantitative changes in fibers and paper properties were evaluated. In addition, the applicability of the extraction concepts and hemicellulose-extracted birch kraft pulp as a raw material in papermaking was evaluated in a pilot-scale papermaking environment. The results showed that each examined hemicellulose extraction method has its characteristic effects on fiber properties, seen as differences in both the physical and chemical nature of the fibers. A prehydrolysis process prior to the kraft pulping process offered reductions in cooking time, bleaching chemical consumption and produced fibers with low hemicellulose content that are more susceptible to mechanically induced damages and dislocations. Softwood chip pretreatment for hemicellulose recovery prior to cooking, whether acidic or alkaline, had an impact on the physical properties of the non-refined and refined pulp. In addition, all the pretreated pulps exhibited slower beating response than the unhydrolyzed reference pulp. Both alkaline extraction and enzymatic (xylanase) treatment of bleached birch kraft pulp fibers indicated very selective hemicellulose removal, particularly xylan removal. Furthermore, these two hemicellulose-extracted birch kraft pulps were utilized in a pilot-scale papermaking environment in order to evaluate the upscalability of the extraction concepts. Investigations made using pilot paper machine trials revealed that some amount of alkalineextracted birch kraft pulp, with a 24.9% reduction in the total amount of xylan, could be used in the papermaking stock as a mixture with non-extracted pulp when producing 75 g/m2 paper. For xylanase-treated fibers there were no reductions in the mechanical properties of the 180 g/m2 paper produced compared to paper made from the control pulp, although there was a 14.2% reduction in the total amount of xylan in the xylanase-treated pulp compared to the control birch kraft pulp. This work emphasized the importance of the hemicellulose extraction method in providing new solutions to create functional fibers and in providing a valuable hemicellulose co-product stream. The hemicellulose removal concept therefore plays an important role in the integrated forest biorefinery scenario, where the target is to the co-production of hemicellulose-extracted pulp and hemicellulose-based chemicals or fuels.

Prediction of blackwood wood and pulp quality parameters using NIR-PLS-R spectral modelling : wavenumber ranges and smoothing points

Só está disponível o resumo.

The art of paper-making : a practical handbook of the manufacture of paper from rags, esparto, straw, and other fibrous materials, including the manufacture of pulp from wood fibre, with a description of the machinery and appliances used, to which are added details of processes for recovering soda from waste liquors /

Printed in Great Britain.

Lignocellulosic polysaccharides and lignin degradation by wood decay fungi: the relevance of nonenzymatic Fenton-based reactions

The brown rot fungus Wolfiporia cocos and the selective white rot fungus Perenniporia medulla-panis produce peptides and phenolate-derivative compounds as low molecular weight Fe(3+)-reductants. Phenolates were the major compounds with Fe(3+)-reducing activity in both fungi and displayed Fe(3+)-reducing activity at pH 2.0 and 4.5 in the absence and presence of oxalic acid. The chemical structures of these compounds were identified. Together with Fe(3+) and H(2)O(2) (mediated Fenton reaction) they produced oxygen radicals that oxidized lignocellulosic polysaccharides and lignin extensively in vitro under conditions similar to those found in vivo. These results indicate that, in addition to the extensively studied Gloeophyllum trabeum-a model brown rot fungus-other brown rot fungi as well as selective white rot fungi, possess the means to promote Fenton chemistry to degrade cellulose and hemicellulose, and to modify lignin. Moreover, new information is provided, particularly regarding how lignin is attacked, and either repolymerized or solubilized depending on the type of fungal attack, and suggests a new pathway for selective white rot degradation of wood. The importance of Fenton reactions mediated by phenolates operating separately or synergistically with carbohydrate-degrading enzymes in brown rot fungi, and lignin-modifying enzymes in white rot fungi is discussed. This research improves our understanding of natural processes in carbon cycling in the environment, which may enable the exploration of novel methods for bioconversion of lignocellulose in the production of biofuels or polymers, in addition to the development of new and better ways to protect wood from degradation by microorganisms.

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.

Laboratory and mill scale evaluation of biopulping of Eucalyptus grandis Hill ex Maiden with Phanerochaete chrysosporium RP-78 under non-aseptic conditions

Biopulping of Eucalyptus grandis wood chips with Phanerochaete chrysosporium RP-78 was evaluated under non-aseptic conditions in laboratory and mill wood-yard. The ability of P. chrysosporium to compete with indigenous fungi present in fresh wood chips was notorious under controlled laboratory experiments. A subsequent step involved an industrial test performed with 10-ton of fresh wood chips inoculated and maintained at 37 +/- 38 degrees C for 39 days in a biopulping pilot plant. Biotreated wood chips were pulped in a chemithermomechanical pulping mill. Net energy consumption during refining was 745 kWh ton(-1) and 610 kWh ton(-1) of processed pulp for control and biotreated wood chips, respectively. Accordingly, 18.5% net energy saving could be achieved. Biopulps contained lower shive content and had improved strength properties compared to control pulps. Tensile index improved from 25 +/- 1 N m g(-1) to 33.6 +/- 0.5 N m g(-1) and delamination strength from 217 +/- 19 kPa to 295 +/- 30 kPa.

Reactivity of syringyl and guaiacyl lignin units and delignification kinetics in the kraft pulping of eucalyptus globulus wood using Py-Gc-Ms/FID

Eucalyptus globulus sapwood and heartwood showed no differences in lignin content (23.0% vs. 23.7%) and composition: syringyl-lignin (17.9% vs. 18.0%) and guaiacyl-lignin (4.8% vs. 5.2%). Delignification kinetics of S- and G-units in heartwood and sapwood was investigated by Py-GC–MS/FID at 130, 150 and 170 °C and modeled as double first-order reactions. Reactivity differences between S and G-units were small during the main pulping phase and the higher reactivity of S over G units was better expressed in the later pulping stage. The residual lignin composition in pulps was different from wood or from samples in the initial delignification stages, with more G and H-units. S/G ratio ranged from 3 to 4.5 when pulp residual lignin was higher than 10%, decreasing rapidly to less than 1. The S/H was initially around 20 (until 15% residual lignin), decreasing to 4 when residual lignin was about 3%.

Basic density and pulp yield relationship with some chemical parameters in eucalyptus trees

The objective of this work was to evaluate the use of basic density and pulp yield correlations with some chemical parameters, in order to differentiate an homogeneous eucalyptus tree population, in terms of its potential for pulp production or some other technological applications. Basic density and kraft pulp yield were determined for 120 Eucalyptus globulus trees, and the values were plotted as frequency distributions. Homogenized samples from the first and fourth density quartiles and first and fourth yield quartiles were submitted to total phenols, total sugars and methoxyl group analysis. Syringyl/guaiacyl (S/G) and syringaldehyde/vanillin (S/V) ratios were determined on the kraft lignins from wood of the same quartiles. The results show the similarity between samples from high density and low yield quartiles, both with lower S/G (3.88-4.12) and S/V (3.99-4.09) ratios and higher total phenols (13.3-14.3 g gallic acid kg-1 ). Woods from the high yield quartile are statistically distinguished from all the others because of their higher S/G (5.15) and S/V (4.98) ratios and lower total phenols (8.7 g gallic acid kg-1 ). Methoxyl group and total sugars parameters are more adequate to distinguish wood samples with lower density.

The Influence of Process Conditions on the Deresination Efficiency in Mechanical Pulp Washing

The aim of this thesis was to produce information for the estimation of the flow balance of wood resin in mechanical pulping and to demonstrate the possibilities for improving the efficiency of deresination in practice. It was observed that chemical changes in wood resin take place only during peroxide bleaching, a significant amount of water dispersed wood resin is retained in the pulp mat during dewatering and the amount of wood resin in the solid phase of the process filtrates is very small. On the basis of this information there exist three parameters related to behaviour of wood resin that determine the flow balance in the process: 1. The liberation of wood resin to the pulp water phase 2. Theretention of water dispersed wood resin in dewatering 3. The proportion of wood resin degraded in the peroxide bleaching The effect of different factors on these parameters was evaluated with the help of laboratory studies and a literature survey. Also, information related to the values of these parameters in existing processes was obtained in mill measurements. With the help of this information, it was possible to evaluate the deresination efficiency and the effect of different factors on this efficiency in a pulping plant that produced low-freeness mechanical pulp. This evaluation showed that the wood resin content of mechanical pulp can be significantly decreased if there exists, in the process, a peroxide bleaching and subsequent washing stage. In the case of an optimal process configuration, as high as a 85 percent deresination efficiency seems to be possible with a water usage level of 8 m3/o.d.t.

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

Cost efficient extractive removal of birch pulp

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää kustannustehokkaita keinoja uuteaineiden vähentämiseksi koivusulfaattimassasta. Uuteaineet voivat aiheuttaa ongelmia muodostaessaan saostumia prosessilaitteisiin. Saostumat aiheuttavat tukkeumia ja mittaushäiriöitä, mutta irrotessaan ne myös huonontavat sellun laatua. Lopputuotteeseen joutuessaan ne voivat lisäksi aiheuttaa haju- ja makuhaittoja, joilla on erityistä merkitystä esimerkiksi valmistettaessa elintarvikekartonkeja. Tämä työ tehtiin Stora Enson sellutehtaalla, Enocell Oy:llä, Uimaharjussa. Teoriaosassa käsiteltiin uuteaineiden koostumusta ja niiden aiheuttamia ongelmia sellu– ja paperitehtaissa. Lisäksi koottiin aikaisempien tehdaskokeiden fysikaalisia ja kemiallisia keinoja vähentää koivu-uutetta. Tarkastelualueina olivat puunkäsittely, keitto, pesemö ja valkaisu. Kokeellisessa osassa suoritettiin esikokeita laboratorio- ja tehdasmittakaavassa, jotta saavutettaisiin käytännöllistä tietoa itse lopuksi tehtävää tehdasmittakaavan koetta varten. Laboratoriokokeissa tutkittiin mm. keiton kappaluvun, lisäaineiden ja hartsisaippuan vaikutusta koivu-uutteeseen. Lisäksi suoritettiin myös happo- (A) ja peretikkahappovaiheen (Paa) laboratoriokokeet. Tehdasmittakaavassa tarkasteltiin mm. keiton kappaluvun, pesemön lämpötilan, A-vaiheen, valkaisun peroksidi- ja Paa-vaiheen vaikutusta koivu-uutteeseen. Uutteenpoistotehokkuutta eri menetelmien välillä vertailtiin niin määrällisesti kuin rahallisesti. Uutteenpoistotehokkuudella mitattuna vertailuvaihe oli tehokkain pesemön loppuvaiheessa ja valkaisun alkuvaiheessa. Pesemön loppuvaiheessa uutteenpoistoreduktiot olivat noin 30 % ja valkaisun alkuvaiheessa 40 %. Peroksidivaihe oli tehokkain käytettynä valkaisun loppuvaiheessa noin 40 % reduktiolla. Kustannustehokkuudella mitattuna tehokkaimmaksi osoittautui A-vaihe yhdessä peroksidivaiheen kanssa. Säästöt vertailujaksoon verrattuna olivat noin 0.3 €/ADt. Lisäksi kyseinen yhdistelmä osoittautui hyväksi keinoksi säilyttää uutetaso alle maksimirajan kuitulinja 2:lla, kun kuitulinjalla 1 tuotettiin samanaikaisesti armeeraussellua.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Fractionation of wood hydrolysate by ultrafiltration membranes at high temperature

Ultrafiltration (UF) is already used in pulp and paper industry and its demand is growing because of the required reduction of raw water intake and the separation of useful compounds from process waters. In the pulp and paper industry membranes might be exposed to extreme conditions and, therefore, it is important that the membrane can withstand them. In this study, extractives, hemicelluloses and lignin type compounds were separated from wood hydrolysate in order to be able to utilise the hemicelluloses in the production of biofuel. The performance of different polymeric membranes at different temperatures was studied. Samples were analysed for total organic compounds (TOC), lignin compounds (UV absorption at 280 nm) and sugar. Turbidity, conductivity and pH were also measured. The degree of fouling of the membranes was monitored by measuring the pure water flux before and comparing it with the pure water flux after the filtration of hydrolysate. According to the results, the retention of turbidity was observed to be higher at lower temperature compared to when the filtrations were operated at high temperature (70 °C). Permeate flux increased with elevated process temperature. There was no detrimental effect of temperature on most of the membranes used. Microdyn-Nadir regenerated cellulose membranes (RC) and GE-Osmonics thin film membranes seemed to be applicable in the chosen process conditions. The Polyethersulphone (NF-PES-10 and UH004P) and polysulphone (MPS-36) membranes used were highly fouled, but they showed high retentions for different compounds.

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.