The initial phase of sodium sulfite pulping of softwood : A comparison of different pulping options

Single stage and two-stage sodium sulfite cooking were carried out on either spruce, pine or pure pine heartwood chips to investigate the influence of several process parameters on the initial phase of such a cook down to about 60 % pulp yield. The cooking experiments were carried out in the laboratory with either a lab-prepared or a mill-prepared cooking acid and the temperature and time were varied. The influences of dissolved organic and inorganic components in the cooking liquor on the final pulp composition and on the extent of side reactions were investigated. Kinetic equations were developed and the activation energies for delignification and carbohydrate dissolution were calculated using the Arrhenius equation. A better understanding of the delignification mechanisms during bisulfite and acid sulfite cooking was obtained by analyzing the lignin carbohydrate complexes (LCC) present in the pulp when different cooking conditions were used. It was found that using a mill-prepared cooking acid beneficial effect with respect to side reactions, extractives removal and higher stability in pH during the cook were observed compared to a lab-prepared cooking acid. However, no significant difference in degrees of delignification or carbohydrate degradation was seen.  The cellulose yield was not affected in the initial phase of the cook however; temperature had an influence on the rates of both delignification and hemicellulose removal. It was also found that the  corresponding activation energies increased in the order:  xylan, glucomannan, lignin and cellulose. The cooking temperature could thus be used to control the cook to a given carbohydrate composition in the final pulp. Lignin condensation reactions were observed during acid sulfite cooking, especially at higher temperatures. The LCC studies indicated the existence of covalent bonds between lignin and hemicellulose components with respect to xylan and glucomannan. LCC in native wood showed the presence of phenyl glycosides, ϒ-esters and α-ethers; whereas the α-ethers  were affected during sulfite pulping. The existence of covalent bonds between lignin and wood polysaccharides might be the rate-limiting factor in sulfite pulping.

Alkaline-sulfite chemithermomechanical pulping of Eucalyptus grandis biotreated by Ceriporiopsis subvermispora under varied culture conditions

The effect of different culture conditions have been evaluated concerning the extracellular enzyme activities of the white-rot fungus Ceriporiopsis subvermispora growing on Eucalyptus grandis wood. The consequence of the varied fungal pretreatment on a subsequent chemithermomechanical pulping (CTMP) was addressed. In all cultures, manganese peroxidase (MnP) and xylanase were the predominant extracellular enzymes. The biopulping efficiency was evaluated based on the amount of fiber bundles obtained after the first fiberizing step and the fibrillation levels of refined pulps. It was found that the MnP levels in the cultures correlated positively with the biopulping benefits. On the other hand, xylanase and total oxalate levels did not vary significantly. Accordingly, it was not possible to determine whether MnP accomplishes the effect alone or depends on synergic action of other extracellular agents. Pulp strength and fiber size distribution were also evaluated. The average fiber length of CTMP pulps prepared from untreated wood chips was 623 mu m. Analogous values were observed for most of the biopulps; however, significant amounts of shorter fibers were found in the biopulp prepared from wood chips biotreated in cultures supplemented with glucose plus corn-steep liquor. Despite evidence of reduced average fiber length, biopulps prepared from these wood chips presented the highest improvement in tensile indexes (+28% at 23 degrees Schopper-Riegler).

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.

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%.

Management of Metals in the Pulping Process

Diplomityön tarkoituksena oli löytää keino korkean mangaanipitoisuuden hallintaan ECF-valkaisussa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin eri metallien ja kuidun vuorovaikutuksia sekä niiden vaikutuksia prosessiin. Lisäksi käytiin läpi sellunvalmituksen yleisimpiä metallienhallintamenetelmiä. Työn kokeellisessa osassa tehtiin esikokeina laboratoriokokeita, jotta löydettiin oikeat kelatointistrategiat tehdasmittakaavan koeajoille. Laboratoriovalkaisut suoritettiin kuudella eri kemikaalilla käyttäen DD3-pesurin jälkeistä massaa ja samanlaisia parametrejä kuin tehdasvalkaisussa. Kolmesta eri valkaisusekvenssistä paras tulos saavutettiin D0-QEP-sekvenssillä. Tehdasmittakaavan koeajojen tavoitteena oli saavuttaa alle 1 mg/kg jäännösmangaanipitoisuus valkaistussa massassa ja korkeampi vaaleus EOP-vaiheessa pienemmällä klooridioksidin kulutuksella. Koeajoissa käytettiinDTPA:ta ja EDTA:ta kahdeksassa eri koepisteessä. Pienimpiin jäännöspitoisuuksiin päästiin koepisteissä, joissa kelatointiaine annosteltiin ennen valkaisun viimeistä pesuvaihetta tai sen jälkeen. Samanlaisia tuloksia saavutettiin koepisteissä, joissa kelatointiaine lisättiin suoraan EOP-vaiheeseen. Tällöin kelatointiaineen käyttö johti myös korkeampaan vaaleuteen EOP-vaiheessa pienemmällä kappakertoimella kuin referenssissä. Säästöt klooridioksidin kulutuksessa eivät olleet kuitenkaan tarpeeksi suuret kattaakseen kelatointiaineiden käytön kustannuksia. Kustannustehokkain tapa kontrolloida jäännösmangaanipitoisuutta oli EDTA:n annostelu D2 DD-pesurin jälkeen. Haittapuolena tälläisessä kelatoinnissa oli metallikompleksien palautuminen valkaisuun kuivauskoneen kiertoveden mukana. Tärkeimmät onnistuneeseen kelatointiin vaikuttavat parametrit olivat lajittelussa käytetyn rikkihapon annos, D0-vaiheen pH ja D0 DD-pesurin pesutehokkuus.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Cost-Efficiency of Birch Sprinkling in Kraft Pulping

Työn tavoitteena oli selvittää koivun kasteluvarastoinnin kannattavuus selluteollisuudessa. Lisäksi tutkittiin, kuinka kastelu vaikuttaa puuaineeseen varastoinnin aikana ja kuinka koivun kasteluvarastointi vaikuttaa puun kuorintaan ja haketukseen, keitettävyyteen, vaalenevuuteen sekä sellun laatuun. Enocellin puukentälle rakennettiin kasteluvarasto, jossa varastoitiin 40,000 m3sob koivua. Kastelu oli päällä huhtikuusta lokakuuhun asti. Kastelun vaikutusta puuaineen muutoksiin arvioitiin lahotutkimusten avulla. Tehdaskoeajoissa verrattiin tuoretta, kasteluvarastoitua ja kuivavarastoitua koivua. Puuaines säilyi lähes muuttumattomana yhden kesän kasteluvarastoinnissa. Kastellulla koivulla terveen puun osuus oli yli 85 % kesän lopussa, kun se oli alle 20 % kuivavarastoidulla koivulla. Kuorinnan puuhäviö laskee selvästi kastelukoivulla ja myös hakkeen laatu oli parempaa kuin kuivavarastoidulla koivulla. Kastelukoivulla hakkeen kuoripitoisuus oli vain 0.13 %. Kuoren kuiva-aine oli 12 prosenttiyksikköä alhaisempi kuin kuivalla koivulla, mutta kuoren lämpöarvossa ero oli vain 1 €/ADt. Varastointimenetelmällä ei ollut vaikutusta hakkeen keitettävyyteen, mutta tuoreella puulla keitettävyys oli parempi kuin varastoidulla puulla. Sellun asetoniuutepitoisuus oli samalla tasolla tuoreella ja kastellulla puulla. Kuivalla syyspuulla uutetaso oli korkeampi, vaikka hartsisaippuan annostusta nostettiin 10 kg/ADt. Betulinolitaso oli kastellulla puulla erittäin alhainen puun hyvän kuoriutuvuuden vuoksi. Kastellun ja tuoreen puun vaalenevuus oli parempi kuin kuivalla puulla. Aktiivikloorin kulutus oli 3 – 4 kg/ADt alhaisempi kuin kuivalla syyspuulla. Puun varastoinnilla ei ollut vaikutusta sellun laatuun. Koivun kasteluvarastoinnin kannattavuus on erittäin hyvä. Tuotantokustannukset määritettiin tuoreelle, kastellulle, kierrätetylle sekä kuivalle koivulle. Kasteluvarastointi laskee tuotantokustannuksia noin 10 €/ADt verrattuna kierrätettyyn koivuun. Kuivavarastoidun puun käyttö nostaa tuotantokustannuksia noin 5 €/ADt verrattuna kastelukoivuun. Kierrätetyn ja kuivavarastoidun puun kustannusero johtuu kierrätyskustannuksista. Kasteluvarastolle, jota käytettiin kesällä 2004, takaisinmaksuaika on vain 0.4 vuotta. Jos tavoiteltu takaisinmaksuaika olisi kaksi vuotta, niin perusinvestointi 80,000 m3sob varastolle voisi maksaa noin 370 k€.

Chemical characteristics and Kraft pulping of tension wood from Eucalyptus globulus labill

Tension (TW) and opposite wood (OW) of Eucalyptus globulus trees were analyzed for its chemical characteristics and Kraft pulp production. Lignin content was 16% lower and contained 32% more syringyl units in TW than in OW. The increase in syringyl units favoured the formation of β-O-4 bonds that was also higher in TW than in OW (84% vs. 64%, respectively). The effect of these wood features was evaluated in the production of Kraft pulps from both types of wood. At kappa number 16, Kraft pulps obtained from TW demanded less active alkali in delignification and presented slightly higher or similar pulp yield than pulps made with OW. Fiber length, coarseness and intrinsic viscosity were also higher in tension than in opposite pulps. When pulps where refined to 30°SR, TW pulps needed 18% more revolutions in the PFI mill to achieve the same beating degree than OW pulps. Strength properties (tensile, tear and burst indexes) were slightly higher or similar in tension as compared with opposite wood pulps. After an OD0(EO)D1 bleaching sequence, both pulps achieved up to 89% ISO brightness. Bleached pulps from TW presented higher viscosity and low amount of hexenuronic acids than pulps from OW. Results showed that TW presented high xylans and low lignin content that caused a decrease in alkali consumption, increase pulp strength properties and similar bleaching performance as compared with pulps from OW.

Reduction of specific energy consumption of a thermomechanical pulping plant

Kuumahiertoprosessi on erittäin energiaintensiivinen prosessi, jonka energianominaiskulutus (EOK) on yleisesti 2–3.5 MWh/bdt. Noin 93 % energiasta kuluu jauhatuksessa jakautuen niin, että kaksi kolmasosaa kuluu päälinjan ja yksi kolmasosa rejektijauhatuksessa. Siksi myös tämän työn tavoite asetettiin vähentämään energian kulutusta juuri pää- ja rejektijauhatuksessa. Päälinjan jauhatuksessa tutkimuskohteiksi valittiin terityksen, tehojaon ja tuotantotason vaikutus EOK:een. Rejektijauhatuksen tehostamiseen pyrittiin yrittämällä vähentää rejektivirtaamaa painelajittelun keinoin. Koska TMP3 laitoksen jauhatuskapasiteettia on nostettu 25 %, tavoite oli nostaa päälinjan lajittelun kapasiteettia saman verran. Toisena tavoitteena oli pienentää rejektisuhdetta pää- ja rejektilajittelussa ja siten vähentää energiankulutusta rejektijauhatuksessa. Näitä tavoitteita lähestyttiin vaihtamalla päälinjan lajittimiin TamScreen-roottorit ja rejektilajittimiin Metso ProFoil-roottorit ja optimoimalla kuitufraktiot sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Syöttävällä terätyypillä pystyttiin vähentämään EOK:ta 100 kWh/bdt, mutta korkeampi jauhatusintensiteetti johti myös alempiin lujuusominaisuuksiin, korkeampaan ilmanläpäisyyn ja korkeampaan opasiteettiin. Myös tehojaolla voitiin vaikuttaa EOK:een. Kun ensimmäisen vaiheen jauhinta kuormitettiin enemmän, saavutettiin korkeimmillaan 70 kWh/bdt EOK-vähennys. Tuotantotason mittaamisongelmat heikensivät tuotantotasokoeajojen tuloksia siinä määrin, että näiden tulosten perusteella ei voida päätellä, onko EOK tuotantotasoriippuvainen vai ei. Päälinjan lajittelun kapasiteettia pystyttiin nostamaan TS-roottorilla vain 18 % jääden hieman tavoitetasosta. Rejektilajittelussa pystyttiin vähentämään rejektimäärää huomattavasti Metso ProFoil-roottorilla sekä sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Lajittamokehityksellä saavutettu EOK-vähennys arvioitiin massarejektisuhteen pienentymisen ja rejektijauhatuksessa käytetyn EOK:n avulla olevan noin 130 kWh/bdt. Yhteenvetona voidaan todeta, että tavoite 300 kWh/bdt EOK-vähennyksestä voidaan saavuttaa työssä käytetyillä tavoilla, mikäli niiden täysi potentiaali hyödynnetään tuotannossa.

Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Acumulação de competências tecnológicas e os processos subjacentes de aprendizagem na indústria de bens de capital: O caso KVAERNER PULPING no Brasil

This dissertation is concerned with the implications of the learning processes for the technological capability accumulation at the firm level. This relationship was examined in Kvaerner Pulping over the period from 1980 to 2000. The firm is located in Curitiba/PR and supplies equipment and complete plants (capital goods) for pulp mills. In other words, based on an individual case study, this dissertation examines how the learning processes influence the building and accumulation of technological capability. The accumulation of technological capabilities is crucial for the survival and the competitive performance of the firms. An analytical framework already available in the literature was used to describe the paths (way and speed) of technological capability accumulation in the firm studied. However, the framework was adapted specifically for the capital goods industry for the pulp & paper sector. The paths of technological capability accumulation are analysed for three different technological functions: ¿engineering activities and project management¿, ¿operational processes and practices¿ and ¿process equipment¿. The learning mechanisms were examined in the light of four key features: variety, intensity, functioning and interaction. During the 1980s and 1990s the firm accumulated different levels of technological capability in the technological functions studied. It was only when the firm started to coordinate systematically the efforts to acquire and convert the knowledge from the individual to the organizational level, at the mid 1990s, that the accumulation of technological capability was accelerated. By the end of this decade the firm was able to accumulate innovative capabilities in all the functions analysed. Similarly to previous studies that investigated other types of firms, the conclusion of this dissertation suggests that the way and rate by which the firm accumulates technological capability can be explained by the learning process and its key features over time.

SUGARCANE BAGASSE PULPING and BLEACHING: THERMAL and CHEMICAL CHARACTERIZATION

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A simple method for estimating global DNA methylation using bisulfite PCR of repetitive DNA elements

We report a method for studying global DNA methylation based on using bisulfite treatment of DNA and simultaneous PCR of multiple DNA repetitive elements, such as Alu elements and long interspersed nucleotide elements (LINE). The PCR product, which represents a pool of approximately 15000 genomic loci, could be used for direct sequencing, selective restriction digestion or pyrosequencing, in order to quantitate DNA methylation. By restriction digestion or pyrosequencing, the assay was reproducible with a standard deviation of only 2% between assays. Using this method we found that almost two-thirds of the CpG methylation sites in Alu elements are mutated, but of the remaining methylation target sites, 87% were methylated. Due to the heavy methylation of repetitive elements, this assay was especially useful in detecting decreases in DNA methylation, and this assay was validated by examining cell lines treated with the methylation inhibitor 5-aza-2'deoxycytidine (DAC), where we found a 1-16% decrease in Alu element and 18-60% LINE methylation within 3 days of treatment. This method can be used as a surrogate marker of genome-wide methylation changes. In addition, it is less labor intensive and requires less DNA than previous methods of assessing global DNA methylation.

Anaerobic treatment of wastewater from coffee pulping in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) in two stages

In this work, the efficiency of two-stage upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors was evaluated in bench scale, for treating a liquid effluent from coffee pulping. Hydraulic detention times (HDT) were 4.0; 5.2 and 6.2 days, resulting in organic loading rates (OLR) of 5.8; 3.6 and 3.0g total COD per (L-d) in the first reactor (Rl) and HDT of 2.0; 2.6 and 3.1 days with OLR of 5.8; 0.5 and 0.4 g total COD per (L-d) in the second reactor (R2). The medium values of total COD affluent varied from 15.440 to 23.040 mg O 2/L, and in the effluent to the reactors 1 and 2 were from l.lOO to 11.500 mg 0 2/L and 420 to 9.000 mg O 2/L, respectively. The medium values of removal efficiencies of total COD and TSS varied from 66 to 98% and 93 to 97%, respectively, in the system of treatment with the UASB reactors, in two stages. The content of methane in the biogas varied from 69 to 89% in the Rl and from 52 to 73% in the R2. The maximum volumetric methane production of 0.483 m 3 CH 4per (m 3 reactor d) was obtained with OLR of 3.6 g total COD per (L reactor d) and HDT of 6.2 days in the Rl. The volatile fatty acids concentration was kept below 100mg/L with HDT of 5.2 and 6.2 days in the Rl and HDT of 2.6 and 3.1 days in the R2.