Reaaliaikaisen esikäsittelyn kehittäminen hemiselluloosa-analytiikalle

Tämän työn tavoitteena oli kehittää esikäsittelymenetelmä, jolla voidaan reaaliaikaisesti vähentää hydrolysaatin ligniinipitoisuutta ja näin vähentää fluoresenssia hemiselluloosan analysoimisessa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien rakennetta sekä niiden erottamista puusta, sekä käydään läpi hemiselluloosien käyttömahdollisuuksia ja niiden reaaliaikaiseen analysointiin soveltuvia tekniikoita. Kokeellisessa osassa tutkittiin ultrasuodatusta sekä adsorptiohartsikäsittelyä hydrolysaatin esikäsittelynä ennen Raman-analyysiä. Esikäsittelyn tavoitteena oli vähentää Raman-analyysia häiritsevää ligniinistä johtuvaa fluoresenssia. Suodatukset tehtiin Amicon-suodatuslaitteistolla käyttäen viittä eri suodatuskalvoa. Hartsikäsittelyissä käytettiin Amberliten XAD16 ja XAD7HP adsorbtiohartseja. Hartsisuhteina käytettiin 1/80, 1/40, 1/19 ja 1/13. Käytetyt ultrauodatuskalvot osoittautuivat suodatusnäytteistä tehtyjen HPLC-analyysien perusteella cut-off-luvultaan liian pieniksi, sillä hemiselluloosien ja ligniinin erotus ei onnistunut, vaan molemmat väkevöityivät konsentraattiin. Hartsikäsittelyillä saatiin ligniiniä poistettua aiheuttamatta hemiselluloosahäviöitä. Parhaimmillaan ligniinin poistumista kuvaava UV-absorbanssi pieneni hartsilla XAD16 37 % ja hartsilla XAD7 25 %. Vaikka ligniinipitoisuus aleni, näytteet fluoresoivat edelleen voimakkaasti Raman-mittauksessa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että hartsikäsittelyä optimoimalla analyysiä häiritsevää fluoresenssia olisi edelleen mahdollista vähentää.

Hemicellulose extracted Kraft pulp as a raw material of paper

The transformation of a traditional pulp mill into an integrated forest biorefinery utilizing wood-derived biomass presents a promising opportunity for enterprise revival of the pulp and paper industry by offering new sources of revenue and significantly improved industry profitability. One proposed next generation process step for an integrated forest biorefinery is the extraction of hemicelluloses, allowing the co-production of pulp and ethanol or chemicals. The extraction of hemicelluloses, however, will likely have downstream effects on pulp quality. In the literature survey an overview of the integrated forest biorefinery and possible next generation technologies implementable in such facility were reviewed. Moreover, some hemicellulose extraction methods suitable for the co-production of pulp and hemicellulose products were looked into in more detail. Also, an overview on the significance of pulp’s hemicellulose content on papermaking properties of pulp fibers was made. In the literature it is stated that the hemicellulose content of pulp affects on many papermaking properties of pulp fibers, hornification and paper strength properties in particular. In the experimental part the goal was to investigate what effects alkaline hemicellulose extraction after bleaching has on the papermaking properties of birch Kraft pulp. It was discovered that tested pulps, normal and hemi-poor birch Kraft pulp, were different in many ways regarding to pulp properties. Differences were observed in both physical and chemical characteristics. Furthermore, clear distinctions were seen in tested paper properties, especially in strength properties, between the handsheets made from hemi-poor or normal birch Kraft pulp. Hemi-poor and normal birch Kraft pulps were also compared as a raw material of laboratory made copy paper. Based on this comparison, usage of hemi-poor birch pulp as the raw material of copy paper does not drastically deteriorate its quality.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

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

Pretreatment in membrane filtration of wood hydrolysate

Interest in recovery of valuable components from process streams has increased in recent years. Purpose of biorefinery is to utilize components that otherwise would go to waste. Hemicelluloses, for example, could be utilized in production of many valuable products. One possible way to separate and fractionate hemicelluloses is membrane filtration. In the literature part of this work membrane fouling in filtration processes of pulp and paper process- and wastewaters was investigated. Especially purpose was to find out the possible fouling compounds, after which facilities to remove or modify such components less harmful were studied. In the experimental part different pretreatment methods, mainly to remove or degrade lignin from wood hydrolysate, were studied. In addition, concentration of hemicelluloses and separation from lignin were examined with two ultrafiltration membranes; UFX5 and RC70PP. Changes in feed solution, filtration capacity and fouling of membranes were used to evaluate the effects of pretreatment methods. Changes in hydrolysate composition were observed with different analysis methods. Filtration of hydrolysate proved to be challenging, especially with the UFX5 membrane. The more hydrophilic RC70PP membrane did not seem to be fouled as severely as the UFX5 membrane, according to pure water flux measurements. The UFX5 membrane retained hemicelluloses rather well, but problems arose from rapid flux decline resulting from concentration polarization and fouling of membrane. Most effective pretreatment methods in the case with the UFX5 membrane proved to be prefiltration with the RC70PP membrane, activated carbon adsorption and photocatalytic oxidation using titanium dioxide and UV radiation. An additional experiment with PHW extract showed that pulsed corona discharge treatment degraded lignin quite efficiently and thus improved filtration capacity remarkably, even over six times compared to the filtration with untreated extract.

Kiintoaineen ja nesteen erotusprosessit lignoselluloosaetanolin tuotannossa

Työn tarkoituksena on tehdä kirjallisuuskatsaus kiintoaine-neste-erotusprosesseihin lignoselluloosaetanolin tuotannossa. Työssä keskitytään hydrolysoidun ligniinipitoisen lignoselluloosamateriaalin kiintoaine-neste-erotukseen. Tarkoituksena on tutkia lignoselluloosamateriaalin suodatus- ja sentrifugointiprosesseja sekä niiden vaikutusta lignoselluloosaetanolin tuotantoon.

Utilizing hemicelluloses – the first step : controlled extraction with hot water

Människor utnyttjar ofta kemi mångsidigt i sitt vardagliga liv utan att närmare tänka på detaljerna. Nuförtiden kan man framställa en ökande mängd av produkter ur förnybara råmaterial och en av de mest mångsidiga nybara råmaterialet i Norden är barrträd. Den lyriska lägerelden eller spiselden och möbler av ved samt papper är en väsentlig del av vardagen. Också livsmedel och läkemedel kan innehålla föreningar ur ved. Ved som råmaterial består av tre huvudkomponenten: cellulosa, som är uppbyggd av druvsockermolekyler är en långkedjad, oförgrenad polymer; lignin, som sammanhåller fibrerna i vedmaterialet som lim samt hemicellulosor, som ofta är uppbyggda av olika sockerarter och är en förgrenad polymer. Följaktligen består vedmaterialet av 70 % socker. I detta arbete har vi koncentrerat på i hemicellulosa och dess extraktion ur gran, samt bestämning av hemicellulosans egenskaper. Den slutliga målsättningen i forskningen var att skapa nya produkter ur gran. Forskning i extraktionens hemligheter eller hur hemicellulosa kan effektivt extraheras i den önskade formen kräver nya typers experimentellasanläggningar och experiment samt matematisk modellering. Den långkedjade hemicellulosan är lämplig för att användas t.ex. i skyddshinnor eller i livsmedel. Medel- och småmolekylär hemicellulosa kan användas som utgångsämne för framställning av bränslen, smörjmedel, sockersyror och alkoholer, av vilka xylitol är mest känd för alla pga hälsobefrämjande effekter. Det är utomordentligt viktigt ur miljöns och energiekonomins synvinkel att sträva efter effektivering av utnyttjandet av den värdefullaste och största naturtillgången, skogen i vårt land, med alla möjliga sätt. Resultaten av denna forskning utnyttjar avsevärt den växande, nya, på skogen baserande biobaseradeindustrin, som framställer nya spetsprodukter samt skapar nya arbetsplatser. ----------------------------------------------------- Ihmiset hyödyntävät usein huomaamattaan kemiaa monipuolisesti jokapäiväisessä elämässä. Nykyään kasvava määrä tuotteista kyetään valmistamaan uusiutuvista raaka-aineista ja yksi monipuolisimmista uusiutuvista luonnonvaroistamme pohjolassa ovat havupuut. Tunnelmallinen nuotio tai takkatuli ja puiset huonekalut sekä paperi ovat olennainen osa arkea. Myös elintarvikkeet ja lääkkeet voivat sisältää puusta peräisin olevia yhdisteitä. Puu materiaalina koostuu rakenteeltaan pääosin kolmesta osasta; selluloosasta, joka on rypälesokerista koostuva pitkäketjuinen haaroittumaton polymeeri, ligniinistä, joka toimii puun koossa pitävänä liima-aineena ja hemiselluloosasta, joka on useista eri sokereista rakentunut haaroittunut polymeeri. Näin ollen puusta 70 % on sokeria. Tässä työssä olemme keskittyneet hemiselluloosaan ja sen uuttamiseen kuusesta, sekä ominaisuuksien kartoittamiseen. Tutkimusaiheen lopullinen tavoite on luoda uusia tuotteita kuusesta. Uuton salojen tutkiminen eli miten hemiselluloosa saadaan tehokkaasti uutettua halutunlaisena vaatii uudenlaisia koelaitteistoja ja kokeita, sekä matemaattista mallintamista. Suurikokoinen hemiselluloosa on sopivaa käytettäväksi esimerkiksi suojakalvoissa tai elintarvikkeissa. Keskikokoista ja pienimolekyylistä hemiselluloosaa voidaan käyttää lähtöaineena valmistettaessa polttoaineita, voiteluaineita, sokerihappoja ja sokerialkoholeja, joista xylitoli on terveysvaikutustensa vuoksi kaikille tuttu. Niin ympäristömme kuin myös energiataloutemme kannalta on ensiarvoisen tärkeää pyrkiä kaikin keinoin tehostamaan maallemme arvokkaan, sekä luonnonvaroistamme yhden suurimman, metsän, vastuullista hyödyntämistä. Tämän tutkimuksen tulokset hyödyntävät merkittävästi maahamme nousevaa uutta metsään pohjautuvaa biojalostusteollisuutta, joka valmistaa uusia huipputuotteita sekä luo työpaikkoja.

Hemiselluloosien talteenotto paineistetulla kuumavesiuutolla tuotetuista puu-uutteista

Puunjalostusteollisuus keskittyy tällä hetkellä lähinnä sellun ja paperin tuotantoon. Sellun tuotannossa käytetään puun komponenteista vain selluloosa. Puun muita pääkomponentteja ovat hemiselluloosa ja ligniini. Nämä yhdisteet ovat mahdollisia tulevaisuuden biomateriaalien lähtöaineita, mutta tähän mennessä ne on jätetty käyttämättä hyödyksi. Paineistettu kuumavesiuutto on menetelmä, jolla hemiselluloosat ja ligniinit olisi mahdollista erottaa puumateriaalista ennen sellunkeittoa, ja sen jälkeen fraktioida uutteesta erilleen jatkojalostusta varten. Fraktioinnista on tehty tutkimusta monella erilaisella menetelmällä ja eri menetelmiä yhdistelemällä. Tämä kandidaatin työ on kirjallinen työ, jossa käsitellään paineistettua kuumavesiuuttoa, sekä eri yksikköoperaatioita ja niiden mahdollisuuksia hemiselluloosan erotukseen puu-uutteista. Membraanisuodatus on menetelmä, jolla puu-uutteesta saadaan erotettua konsentroitu hemiselluloosafraktio. Membraanisuodatuksessa on kuitenkin puu-uutteiden tapauksessa havaittu ongelmia muun muassa kalvon likaantumisen kanssa. Yhdistämällä muutamia eri yksikköoperaatioita, saadaan parannettua membraanisuodatuksen tehoa, sekä hemiselluloosan puhtautta ja saantoa. Näitä mahdollisia yksikköoperaatioita ovat adsorptio, hapetus, saostus, kromatografiset menetelmät ja neste-nesteuutto.