Den fundamentala principen för tillverkning av papper är inte en särskilt komplicerad sådan. Men för att pappret skall erhålla specifika egenskaper blir processen alltmer komplicerad. Bland annat tillsätts olika typer av kemikalier och processen övervakas ständigt av olika system. Ett av dessa system mäter pH-halten i pappersmassan. Mätsystemet är dock utsatt för frekventa mätfel vilket medför en felaktig dosering av den koldioxid som används för att sänka pH-värdet. Detta kan slutligen ha negativ påverkan på papprets egenskaper. Syftet bakom arbetet är att mätsystemet ska bidra till en jämn reglering av pH och därigenom garantera jämn papperskvalitet. För detta arbete har en frågeställning och ett antal mål och delmål etablerats. De övergripande målen omfattar att etablera en statistisk modell över mätfel och beräkna eventuella ekonomiska besparingar. För att uppfylla mål och besvara frågeställningen måste en grunduppfattning byggas uppför berörda delar av tillverkningsprocessen, pH-värdets påverkan i processen, pH-sensorns mätprincip, mätsystemets utformning och rutiner som berör mätsystemet. Med denna grund undersöks uppkomsten av mätfel för de sex mätpunkterna. Detta utförs med två tillvägagångssätt: Sammanställning av lagrade historiska data och sammanställningar avprovtagningar utförda under kontrollerade förhållanden. De aspekter som undersöks är magnitud, frekvens och hur dessa förhåller sig till olika processrelaterade värden. En kalkyl för kostnader berörande mätsystemet upprättas även. Denna omfattar aktuella kostnader för koldioxid och underhåll. I resultatet presenteras en statistisk modell över mätfel, uppdelat på historiska och i närtid. Den historiska modellen visar, för samtliga behandlade positioner, en medelavvikelse på <0,3 pH-enheter. Den min- och maximala avvikelsen kan däremot uppgå till >0,8 pH-enheter. Modellen för närtid visar på kraftiga avvikelser för fyra av de sex behandlade systempositionerna, som relaterar både till papperskvalitet och ytvikt. Denna statistiska modell används sedan för att beräkna möjliga besparingar. Här påvisades att viss besparing fanns, både för koldioxid och för underhållskostnader. Slutsatsen för detta arbete är att ett mätfel existerar för majoriteten av de behandlade positionerna. Det har även kunnat påvisas ett samband med de undersökta processrelaterade aspekterna, men resultatet kan inte garanteras fullständigt. Med detta kunde även en möjlig besparing av koldioxid uppskattas vid bättre mätnoggrannhet. Besparingen uppgick till c:a 200 tkr, vilket i jämförelse med företagets omsättning endast utgör 0,075‰ av denna. / The fundamental principle for manufacturing paper is not a complicated one. However, for the paper to acquire specific properties, the process becomes increasingly complicated.Among other things, different chemicals are added, and the process is continuouslymonitored by various systems. One of these systems measures the pH-level of the pulp. This system is however constantly affected by measuring errors, which in turn leads to the incorrect dosage of the carbon dioxide used to lower the pH-level. This could in turn have a negative impact on the properties of the final paper. The underlaying purpose of this project is for the measuring system to ensure an even regulation of pH and therethrough guarantee an even paper quality. For this project, several question at issue, goals and subgoals have been established. The general goals cover establishing a statistical model for the error and estimate possible economical savings. To fulfil the goals and answer the questions at issue, firstly a basic understanding must be established for: concerned parts of the manufacturing process, the effect pH-level has on the process, the measuring principle of the pH-sensor, the design of the measuring systemand the routines concerning the measuring system. With this basis, the occurrence of measuring error is examined for the six measuring points. This is accomplished with two methods: The compilation of historical data and the compilation of manual measurementsexecuted under controlled conditions. The aspects examined are magnitude, frequency and the relation to process related values. Finally, a calculation for costs regarding the measuring system was established. This includes current carbon dioxide and maintenance costs. The result presents a statistical model for the measuring error, divided into historical and near time. The historical model shows that for all the addressed positions, a mean deviation occurred <0.3 pH-units. However, the minimum and maximum deviation could reach >0.8 pH-units. The model for near time shows significant deviations for four out of the six covered positions, which in turn shows relations to both paper quality and surface weight. With this statistical model possible savings were calculated. This in turn showed the possibility of savings for both carbon dioxide and maintenance. The conclusion for this project is the existence of a measuring error. Also, a connection between this and the process related aspects could be established. Although, the result cannot be completely guarantied. With this, possible savings through better accuracy could be estimated. Though, these were only in the size of 0.075‰ of the company’s total revenue.

This thesis presents a method of measuring the distribution of fiber bonding ability in mechanical pulp furnishes. The method is intended for industrial use, where today only average values are used to describe fiber bonding ability, despite the differences in morphology of the fibers entering the mill. Fiber bonding ability in this paper refers to the mechanical fiber’s flexibility and ability to form large contact areas to other fibers, characteristics required for good paper surfaces and strength. Five mechanical pulps (Pulps A-E), all produced in different processes from Norway spruce (Picea Abies) were fractionated in hydrocyclones with respect to the fiber bonding ability. Five streams were formed from the hydrocyclone fractionation, Streams 1-5. Each stream plus the feed (Stream 0) was fractionated according to fiber length in a Bauer McNett classifier to compare the fibers at equal fiber lengths (Bauer McNett screens 16, 30, 50, and 100 mesh were used). Stream 1 was found to have the highest fiber bonding ability, evaluated as tensile strength and apparent density of long fiber laboratory sheets. External fibrillation and collapse resistance index measured in FiberLabTM, an optical measurement device, also showed this result. Stream 5 was found to have the lowest fiber bonding ability, with a consecutively falling scale between Stream 1 and Stream 5. The results from acoustic emission measurements and cross-sectional scanning electron microscopy analysis concluded the same pattern. The amount of fibers in each hydrocyclone stream was also regarded as a measure of the fibers’ bonding ability in each pulp. The equation for predicted Bonding Indicator (BIN) was calculated by combining, through linear regression, the collapse resistance index and external fibrillation of the P16/R30 fractions for Pulps A and B. Predicted Bonding Indicator was found to correlate well with measured tensile strength. The BIN-equation was then applied also to the data for Pulps C-E, P16/R30, and Pulp A-E, P30/R50, and predicted Bonding Indicator showed good correlations with tensile strength also for these fibers. From the fiber raw data measured by the FiberLabTM instrument, the BIN-equation was used for each individual fiber. This made it possible to calculate a BIN-distribution of the fibers, that is, a distribution of fiber bonding ability. The thesis also shows how the BIN-distributions of fibers can be derived from FiberLabTM measurements of the entire pulp without mechanically separating the fibers by length first, for example in a Bauer McNett classifier. This is of great importance, as the method is intended for industrial use, and possibly as an online-method. Hopefully, the BIN-method will become a useful tool for process evaluations and optimizations in the future. / Den här studien presenterar en metod för att mäta fördelning av fiberbindning i mekaniska massor. Metoden hoppas kunna användas industriellt, där i dagsläget enbart medelvärden används för att mäta fiberbindnings-fördelning, trots råvarans (fibrernas) morfologiska skillnader.  Fem mekaniska massor (Massa A-E) från olika massaprocesser men från samma råvara, norsk gran (Picea Abies), har fraktionerats i hydrocykloner med avseende på fiberbindningsförmåga. Från hydrocyklon-fraktioneringen bildades fem strömmar, Ström 1-5. Varje ström plus injektet (Ström 0) fraktionerades också med avseende på fiberlängd i en Bauer McNett för att kunna jämföra fibrerna vid samma fiberlängd (Bauer McNett silplåtarna 16, 30, 50 och 100 mesh användes). Fiberbindingsförmåga i den här studien härrör till fiberns flexibilitet och förmåga att skapa stora kontaktytor med andra fibrer, vilket bidrar till papprets yt- och styrkeegenskaper. Ström 1 visade sig ha den högsta fiberbindningsförmågan, utvärderat som dragstyrka och densitet av långfiberark, samt yttre fibrillering och kollaps resistans index mätt i den optiska analysatorn FiberLabTM. Akustisk emission och tvärsnittsanalyser visade samma resultat. Ström 5 visade sig ha den lägsta fiberbindningsförmågan, med en avtagande skala från Ström 1 till Ström 5. Andelen fibrer från injektet som gick ut med varje hydrocyklon-ström ansågs också vara ett mått på fibrernas bindningsförmåga i varje massa. Genom att kombinera fiberegenskaperna kollaps resistans och yttre fibrillering från den optiska mätningen på varje fiber genom linjär regression, kunde Bindnings Indikator (BIN) predikteras. Medelvärdet av Bindnings Indikator för varje hydrocyklon-ström korrelerar med dragstyrka för långfiber-labark.  Det visade sig att predikterad Bindnings Indikator inte bara fungerade för Massa A och Massa B P16/R30 fraktionen, som var de fraktioner som användes i den linjära regressionen, utan även för Massa C-E, P16/R30, och Massa A-E P30/R50 som också visade goda korrelationer med långfiber-dragstyrka när de sattes in i BIN-formeln. BIN-formeln användes sedan för varje enskild fiber, i den rådata som levererats från FiberLabTM. Detta gjorde det möjligt att få en BIN-distribution av fibrerna, d.v.s. en fördelning av fiberbindningsförmåga. Den här rapporten visar också hur det går att få BIN-distributioner också från mätningar på hela massan, för valbara fiberlängder, utan att först mekaniskt separera massan efter fiberlängd. Det är viktigt, då metoden är tänkt att användas som en industriell metod, och eventuellt som en online-metod. Förhoppningsvis kommer BIN-metoden att bli ett användbart verktyg för processutveckling- och optimering i framtiden. / <p>FSCN – Fibre Science and Communication Network</p> / Bonding ability distribution of fibers in mechanical pulp furnishes

Att minska plastavfall och uppmuntra återvinning har fått hög prioritet i många affärsverksamheter och olika typer av regleringar implementeras för att minska den negativa påverkan av plastanvändningen. Papper och kartong består i huvudsak av cellulosa som har många egenskaper som är essentiella för en hållbar ekonomi (t.ex. förnyelsebar, återvinningsbar och bionedbrytbar) och pappersprodukter kan ersätta plast i många applikationer. Återvinningsgraden för pappersförpackningar är i vissa områden redan hög men det finns fortfarande begränsningar i att använda återvunna fibrer i vissa applikationer. Återvunna fibrer kan innehålla mineraloljor som kan migrera och ansamlas i mat som lagras i förpackningarna. Utvecklingen av barriärer för papper och kartong är nödvändig för att öka graden av användningsområden för förpackningar. Laminering är en traditionell teknik som används för bestrykningar, dock kan metoden leda till lägre återvinningsgrad.  Dispersionsbarriärer är en typ av barriär där en emulsionspolymer stelnar till en icke porös film på pappersytan. Dispersionsbarriärer är enkla att separera från pappret under återvinningsprocesser och bra barriäregenskaper kan uppnås redan för låga ytvikter.  I denna masteruppsats testas tre olika pigment (kaolin, talk och kalciumkarbonat) i olika koncentrationer i styrenakrylat latex och effekten på barriäregenskaper utvärderas. Dispersionerna beströks på papper med hjälp av bänkbestrykning. Viskositeten mättes med en reometer och pigmenten tenderade att sänka viskositeten under lägre skjuvhastigheter. Mineraloljebarriäregenskaper testades genom att mäta migrationen av ett flyktigt kolväte (n-heptan) genom barriären. Oljeresistens testades med palmkärnoljemetoden och ingen oljemigration observerades efter 24 timmar. Vikt oljeresistens testades också för alla prover. Kaolin tenderade att ge sämre fettbarriär efter viktning, jämfört med talk. Detta förklarades genom att kaolin har en högre modul än talk vilket kan skapa sprickbildning i barriären under vikning. Vatten och vattenångbarriär testades med Cobb och WVTR. Testen visade bättre barriäregenskaper för tillsatt kaolin, liknande eller sämre för talk, och sämre för kalciumkarbonat. Försämringen av egenskaper förklarades genom sprickbildning orsakad i toppbestrykningen för de prover som innehöll kalciumkarbonat. Kaolin gav generellt sett mer stabila förbättringar i barriäregenskaper, vilket förklarades av de bättre dispergerade och mindre partiklarna jämfört med talk, samt den höga formfaktorn. Delaminering av barriären från pappret förekom i alla prover, utom för talk i högre koncentrationer. Svepelektronmikroskop användes för att studera ytråhet, pinholes, vätning, barriärens tjocklek och struktur, pigmentens form och orientering samt sprickbildning efter vikning.  Resultaten visade på en barriär med få eller inga pinholes. Diskformade pigment tenderade att orientera sig parallellt med papperets yta. Ingen direkt skada på barriären eller sprickbildning kunde observeras i vecken efter vikning. FTIR användes för att studera interaktioner i gränsytan mellan matris och filler. Det fanns ingen indikation för nya kemiska bindningar i något av proverna. Återvinningstest utfördes också vilka visade att barriären enkelt kan separeras från pappret och en hög grad fibrer kan utvinnas under återvinning. / Reducing plastic littering and encouraging recycling have become top priorities for many businesses, and regulatory actions are taken around the world to target the adverse effects of plastic materials. Paper and paperboards mainly consist of cellulose which has many properties that are essential for a sustainable economy (e.g., renewable, recyclable and biodegradable), and paper products can be an alternative for plastics in many applications. Although the recycling rate for paper and cardboard in some areas is already relatively high, there are still some concerns about using recirculated fibres in some applications. Recycled cardboard can contain mineral oil hydrocarbons which could migrate and accumulate in food during storage.  Developing coatings for paperboards is necessary to increase the range of usage for paper products in packaging applications. A traditional way of coating paper is by lamination, but this technique tends to lead to lower recycling rates. Dispersion coating is a type of barrier where an emulsion polymer is applied and solidified to a non-porous protective film on the paper surface.  Dispersion coatings are readily removed from the paper during recycling, and proper barrier functions can be achieved already at low coat weights.  In this thesis, three different types of pigments (kaolin, talc, and calcium carbonate) were tested in different concentrations in a styrene acrylate copolymer latex, and the effect on barrier properties was evaluated. The dispersions were coated onto papers by rod coating. Viscosity tests were done by using a rheometer. The pigments tended to decrease viscosity at low shear rates. Mineral oil barrier properties were tested by measuring the migration of a volatile hydrocarbon (n-heptane) through the barrier. Grease resistance was tested with the palm kernel oil test, and no oil migration was observed in any of the samples after 24h. The effect of folding on barrier properties depending on the pigment type and concentration was also evaluated as a part of testing grease resistance. Reduced barrier performance was seen after folding for kaolin compared to talc which was explained by the higher modulus of kaolin which may cause crack formation in the coating. Water and water vapour barrier properties were tested through the Cobb test, and by a Water Vapour Transmission Rate (WVTR) analyser. The results showed an increased barrier performance with kaolin in higher concentrations and a reduction with calcium carbonate. This behaviour was explained by crackelations in the top-coating layers for the samples containing calcium carbonate. Kaolin seemed to give a more stable improvement of barrier performance, and this was explained by a better dispersion of smaller particles with a high aspect ratio. Adhesive strength and delamination were measured by heat seal tests. Delamination of the barrier was seen in all samples except for talc in higher concentrations. Scanning Electron Microscope (SEM) was used to evaluate surface roughness, voids, wetting of particles, barrier thickness and integrity, pigment shape and orientation, and crack formation after folding.  The results showed a barrier with good integrity and few voids, and platy particles tended to orient parallel to the paper surface. No clear visual damage was observed after folding, and no crack formation could be seen at the creases. Fourier Transform Infrared Spectroscopy – Attenuated Total Reflectance (FTIR–ATR) was used to study matrix/filler interactions, and bond formation during consolidation. No indication of additional bond formation was seen in any of the samples. Recyclability tests were also performed which showed that the coatings are readily removable, and a large fibre fraction is available during the recycling of the fibres.

Ved består huvudsakligen av tre typer av polymerer, cellulosa, hemicellulosa och lignin. Lignin bildas i naturen genom enzymatiskt initierad oxidativ koppling av tre olika typer av fenylpropan-enheter. Dessa bygger genom olika kol-kol- och kol-syre-bindningar upp en amorf tredimensionell polymer. När kemisk massa tillverkas bryts lignin ner och löses ut i kokluten. Luten innehåller de förbrukade kokkemikalierna och bränns generellt i en sodapanna för att regenerera kemikalierna och producera ånga. Sodapannan är emellertid dyr. Därför har den blivit produktionsbegränsande på många massabruk. Att avlägsna en del av ligninet från avluten vore därför önskvärt och att finna ekonomiskt intressanta produkter baserade på lignin från svartlut är därför ett viktigt forskningsområde . Ett lämpligt område för ligninprodukter vore som tillsatts i oblekt massa. Oblekt massa används till stor del för tillverkning av kraftliner, topp- och bottenskikten på wellpapp. När lådor av wellpapp lagras i containrar som färdas över haven, förändras den relativa luftfuktigheten. Detta gör att lådorna kollapsar lättare än om de skulle ha lagrats vid konstant luftfuktighet, även en hög sådan. Detta är på grund av det så kallade mekanosorptiva- eller accelererade krypfenomenet. Genom tillsatts av våtstyrkemedel till kraftliner eller behandla den med hydrofoba ämnen, finns indikatoner på att mekanosorptiva effekten skulle kunna minska. För att försöka minska den effekten har ett lågmolekylärt kraftlignin, som utvunnits med hjälp av tvärsflödesfiltrering av svartlut och svavelsyrafällning, använts. Genom derivatisering av detta lignin med linolja erhölls ett hydrofobt ligninderivat som uppvisar strukturella likheter med biopolymeren suberin. När detta suberinlika ligninderivat tillsätts till massa verkar det mekanosorptiva krypet minska. När lågmolekylärt lignin används tillsammans med ligninradikalinitiatorerna lackas eller mangan(III) i kraftlinermassa erhålls dessutom en våtstyrka på ca 5% av torrstyrkan. Efter aminering av detta lignin gav en tillsatts till kraftlinermassan en våtstyrka på upp till 10% av torrstyrkan. Det finns indikationer på att det mekanosorptiva krypet samtidigt minskar när dessa behandlingar görs som ger upphov till ökad våtstyrka. / Wood consists mainly of three types of polymers; cellulose, hemi cellulose and lignin. Lignin is formed in nature through enzymatic initiated oxidative coupling of three different kinds of phenyl propane units. These form by various carbon-carbon and carbon-oxygen bonds, an amorphous three-dimensional polymer. As chemical pulp is produced, lignin is degraded and dissolved into pulping liquors. These liquors contain the spent cooking chemicals and are generally burnt in a recovery boiler to regenerate cooking chemicals and produce steam. However, the recovery boiler is expensive. Hence, it has become the bottleneck for production in many pulp mills. Removal of some lignin from the spent cooking liquor would, for that reason, be desired and valuable products based on lignin from cooking liquors are searched for. One suitable area for lignin products would be as additive in unbleached pulp. A major product from unbleached pulp is kraftliner, the top and bottom layers of corrugated board. When boxes of corrugated board are stored in containers travelling overseas the relative humidity is varying. This makes the boxes collapse more easily than if they were stored at constant humidity, even a high one. This is due to the so called mechano-sorptive or accelerated creep phenomenon. By addition of wet strength additive to kraftliner or treating it with hydrophobic compounds there are indications on that the mechano-sorptive effect would decrease. Trying to decrease this effect, low molecular weight kraft lignin has been used. It was obtained by cross-flow filtration of black liquor and precipitation by sulphuric acid. By derivatisation of this lignin by linseed oil, a hydrophobic lignin derivative was obtained, similar in structure to units in the biopolymer suberin. As this suberin-like lignin-derivative was added to pulp the mechano-sorptive creep seemed to be lowered. Furthermore, when the low molecular weight lignin was used together with the lignin radical initiators laccase or manganese(III) in kraftliner pulp, a wet strength of about 5% of dry strength was obtained. An amination treatment of this lignin and addition to kraftliner pulp resulted in a wet strength of up to 10% of dry strength. There are indications of that the mechano-sorptive creep also decreases as these treatments, resulting in increased wet strength, are made. / QC 20101103

En ”lätt-att-rengöra” yta definieras som en yta som stöter bort vatten och smuts. I detta projekt har klarlack med olika sammansättningar studerats i syfte att introducera egenskapen ”lätt-att-rengöra”. För att uppnå denna egenskap måste beläggningen vara superhydrofob och oleofob. Detta innebär att kontaktvinklarna för både vatten (WCA) och dijodmetan (DMCA) måste vara över 150°. En hybrid sol-gel-metod valdes för detta projekt på grund av dess många fördelar som kontroll av ytmorfologi, enkel inkorporering av nanopartiklar och organiska komponenter i nätverket samt förmåga att bilda ett antal kompositioner. Hybrid sol-gelfilmerna, som innehåller både organiska och oorganiska komponenter, ger mekanisk beständighet, flexibilitet och förmåga att härda vid låga temperaturer. De organiska komponenterna fyller porerna i den oorganiska oxidkedjan, vilket gör att det hybridorganiskt-oorganiska materialet når slutlig densitet vid lägre temperatur. Både hydrofoba och hydrofila kiselnanopartiklar studerades för att undersöka vilken av dem som bäst inkorporeras i filmen. Den högsta uppnådda hydrofobiciteten och oleofobiciteten var av ett prov med 133° WCA och 152° DMCA. Provet bestod av en organisk och oorganisk komponent såväl som hydrofoba kiselnanopartiklar. / An easy-to-clean surface is defined as a surface that repels water and dirt. In this project, clearcoats with different composition have been studied in the process of introducing easy-to-clean properties in the coating. To achieve these properties the coating needs to be both superhydrophobic and oleophobic. This means that the contact angles against both water (WCA) and diiodomethane contact angle (DMCA) should be above 150 °. A hybrid sol-gel approach was chosen for this project due to the several advantages it provides such as, control of surface morphology, easy incorporation of nanoparticles and organic components into the network and ability to form a range of compositions. The hybrid sol-gel films, which contain both organic and inorganic components, provide mechanical resistance, flexibility, and ability to cure at low temperatures. The organic compounds fill the pores between the inorganic oxide chain; hence, the hybrid organic-inorganic material reaches final density at lower temperature. Both hydrophobic and hydrophilic silica nanoparticles were studied to analyze which of them would be best incorporated into the film. The highest hydrophobicity and oleophobicity achieved were by a sample with 133° WCA and 152° DMCA. The sample consisted of an organic and inorganic component as well as hydrophobic silica nanoparticles.

De 20 största massabruken i Sverige släpper tillsammans ut ungefär 20 miljoner ton CO2 per år. Dessa utsläpp har biogent ursprung och anses därför vara klimatneutrala. Massa- och pappersindustrin är därmed en lämplig kandidat för implementeringen av BECCS (eng. Bioenergy with Carbon Capture and Storage) och har en betydande potential att nå de, av den svenska regeringen, uppsatta klimatmålen som säger att Sverige inte ska några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären senast år 2045. I detta examensarbete simulerades kemiska absorptions- och desorptionsprocesser med MEA som lösningsmedel genom att tillämpa den hastighetsbaserade metoden i en rigorös modell i Aspen Plus. Stripper- och absorptionsmodellerna validerades innan standardprocessen modifierades till en konfiguration som möjliggör värmeintegration av koldioxidinfångningens överskottsvärme med, exempelvis, ett sulfatmassabruk. Avskiljningsgraden och laddning hos den mättade lösningen användes som prestandaindikatorer för att validera absorptionskolonnerna. Återkokarens energiåtgång och laddning hos den omättade lösningen användes somprestandaindikatorer för att validera stripperkolonnerna. Samtliga kolonner dimensionerades för att erhålla 90 vikt% avskiljningsgrad. Olika flödeshastigheter av lösningsmedlet testades för att säkerställa effektivt nyttjande av packningen i absorptions- och stripperkolonnerna. Lämpliga temperaturnivåer för värmeintegration, inom och utanför, koldioxidinfångningen erhölls genom att utvärdera olika varianter av en stripper-overhead-kompression konfiguration. Utvärderingen av den modifierade MEA processen tog hänsyn till potentialen för ångbesparing och energieffektivisering. Resultat från simuleringarna tyder på att den modifierade strippern skulle kunna ge besparingar på upp emot 11 % i ånganvändning. Energibesparingar i samma storleksordning kunde även erhållas genom värmeintegration mellan koldioxidinfångningen och en särskild process i ett referensbruk. Implementering av BECCS-konceptet på det här sättet skulle därmed kunna bli ett mer attraktivt alternativ för den svenska massa- och pappersindustrin att bekämpa klimatförändringarna. / The 20 largest pulp mills in Sweden emit around 20 million tonnes of CO2 per year. These emissions are considered carbon-neutral since they originate from biogenic sources. The pulp and paper industry is therefore a good candidate for the application of BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage) and has the potential to play a significant role for reaching the long-term mitigation target set by the Swedish government that Sweden should be climate-neutral by year 2045. In this thesis, a MEA-based chemical absorption and desorption process was rigorously modelled in Aspen Plus using the rate-based method. Validation of the absorber and stripper model was conducted before the standard process was modified to a configuration that enables heat integration of a significant amount of excess heat from the capture process in, for example, a Kraft pulp mill. CO2 removal rate and rich solvent loading were used as performance indicators to validate the absorber columns. The reboiler duty and lean solvent loading served as performance indicators in the stripper validation. The columns were dimensioned considering 90 wt% capture rate. Efficient use of the entire packing in the absorber and stripper columns was ensured by testing different solvent flow rates. Suitable temperature levels for heat integration, within and across the capture plant, were obtained through an assessment of different versions of a stripper overhead compression configuration. The evaluation of the modified MEA processes took into account the steam conservation potential and energy efficiency potential. The simulation results indicate that the modified stripper may lead to savings of up to 11% in steam consumption. Heat integration between the capture plant and a specific process in a reference Kraft pulp mill resulted in energy savings of the same order of magnitude. Thereby, making the BECCS concept a more attractive solution for the Swedish pulp and paper industry to mitigate climate change.

There is growing demand for a more efficient use of polymers that originate from renewable feedstocks due to the depleting supply of fossil fuels, based on economic and environmental reasons. As a result, lignin has attracted renewed interest as a resource for various bioproducts. Lignin is a natural biopolymer with a high carbon content and is composed of aromatic moieties, with a high level of polar functionalities. This makes it a unique precursor for certain high-value applications, such as in biofuels, bioplastics, composite materials, carbon fibers and activated carbons and as a source of phenolic monomers and fine chemicals. Industrial lignins are formed as byproducts of pulping processes (such as kraft, sulfite or alkaline pulping) or result from the biorefining process, where carbohydrates are used for sugar production. Lignin’s intrinsic structure is significantly modified during the processing of lignocellulose, resulting in the formation of more diverse, condensed and less reactive raw materials. Since molecular mass and polydispersity are the most important parameters affecting the chemical reactivity and thermal properties of lignin, additional process steps to improve the quality of crude technical lignins, including kraft lignin, are needed. Solvent extraction is a potentially useful technique for further improving the polydispersity of technical lignins. This work summarizes the impact of solvent fractionation on the chemical structure, antioxidant activity, heating value, and thermal and sorption properties of industrial hardwood and softwood kraft lignins. The purpose was to understand the correlation between certain structural features in the lignin fractions and their properties to select the appropriate solvent combinations for specific applications of lignin raw materials. Four common industrial solvents, namely, ethyl acetate, ethanol, methanol and acetone, in various combinations were used to separate both spruce and eucalyptus kraft lignins into fractions with lower polydispersities. Gel-permeation chromatography analysis was used to evaluate the efficiency of the chosen solvent combination for lignin fractionation. The composition and structure of the lignin material were characterized by elemental analysis, analytical pyrolysis (Py-GC/MS/FID) and 31P NMR spectroscopy. The thermal properties of the lignin samples were studied by thermogravimetric analysis. Proximate analysis data (ash, volatile components, organic matter and fixed carbon) were obtained through the direct measurement of weight changes during the analysis, while the high heating values (in MJ/kg) were calculated according to equations suggested in the literature. The sorption properties of fractionated kraft lignins were studied with respect to methylene blue dye. Additionally, lignin fractions with different molecular weights (and therefore various chemical structures) that were isolated from both softwood and hardwood kraft lignins were incorporated into a tunicate cellulose nanofiber (CNF)-starch mixture to prepare 100% bio-based composite films. The aim was to investigate the correlation between lignin diversity and film performance. The transmittance, density and thermal properties of the films were investigated, as were their mechanical properties, including the tensile stress and Young’s modulus. This part of the study addressed the importance of lignin diversity on composite film performance, which could be helpful for tailoring lignin applications in bio-based composite materials based on the material’s specific requirements.

It is in the nature of the human species to find solutions of complex technical problems and always strive for improvements. The development of new materials is not an exception. One of the many man-made materials is carbon fibre (CF). Its excellent mechanical properties and low density have made it attractive as the reinforcing agent in lightweight composites. However, the high price of CF originating from expensive production is currently limiting CF from wider utilisation, e.g. in the automotive sector.   The dominating raw material used in CF production is petroleum-based polyacrylonitrile (PAN). The usage of fossil-based precursors and the high price of CF explain the strong driving force of finding cheaper and renewable alternatives. Lignin and cellulose are renewable macromolecules available in high quantities. The high carbon content of lignin is an excellent property, while its structural heterogeneity yields in CF with poor mechanical properties. In contrast, cellulose has a beneficial molecular orientation, while its low carbon content gives a low processing yield and thus elevates processing costs.   This work shows that several challenges associated with CF processing of each macromolecule can be mastered by co-processing. Dry-jet wet spun precursor fibres (PFs) made of blends of softwood kraft lignin and kraft pulps were converted into CF. The corresponding CFs demonstrated significant improvement in processing yield with negligible loss in mechanical properties relative to cellulose-derived CFs. Unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp performed as good as more expensive retentate lignins and dissolving grade kraft pulp, which is beneficial from an economic point of view.   The stabilisation stage is considered the most time-consuming step in CF manufacturing. Here it was shown that the PFs could be oxidatively stabilised in less than 2 h or instantly carbonised without any fibre fusion, suggesting a time-efficient processing route. It was demonstrated that PF impregnation with ammonium dihydrogen phosphate significantly improves the yield but at the expense of mechanical properties.   A reduction in fibre diameter was beneficial for the mechanical properties of the CFs made from unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp. Short oxidative stabilisation (&lt;2 h) of thin PFs ultimately provided CFs with tensile modulus and strength of 76 GPa and 1070 MPa, respectively. Considering the high yield (39 wt%), short stabilisation time and promising mechanical properties, the concept of preparing CF from lignin:cellulose blends is a very promising route. / Det ligger i människans natur att hitta lösningar på komplexa tekniska problem, samt att alltid sträva efter förbättringar. Utvecklingen av nya material är inget undantag. Ett av flera material utvecklade av människan är kolfiber. Dess utmärkta mekaniska egenskaper samt låga densitet har gjort det attraktivt som förstärkningsmaterial i lättviktskompositer. Det höga priset på kolfiber, vilket härstammar ur en kostsam framställningsprocess, har förhindrat en mer utbredd användning i exempelvis bilindustrin.   Det dominerande råmaterialet för kolfiberframställning är petroleumbaserad polyacrylonitril (PAN). Användandet av fossila råvaror och det höga priset på kolfiber förklarar den starka drivkraften att hitta billigare och förnyelsebara alternativ. Lignin och cellulosa är förnyelsebara makromolekyler som finns tillgängliga i stora kvantiteter. Det höga kolinnehållet i lignin gör det mycket attraktivt som råvara för kolfiberframställning, men dess heterogena struktur ger en kolfiber med otillräckliga mekaniska egenskaper. Däremot har cellulosa en molekylär orientering som är önskvärd vid framställning av kolfiber, men dess låga kolinehåll ger ett lågt processutbyte som i sin tur bidrar till höga produktionskostnader.             Det här arbetet visar att många av de problem som uppstår med kolfiber från respektive råvara kan kringgås genom att utgå från blandningar av desamma. Prekursorfibrer från blandningar av kraftlignin och kraftmassa från barrved tillverkade med luftgapsspinning konverterades till kolfiber. Utbytet för kolfibrerna som framställdes var mycket högre än vid framställning från endast cellulosa. Ofraktionerat barrvedslignin och kraftmassa av papperskvalitet presterade lika bra som de dyrare retentatligninen och dissolvingmassan, vilket är fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv.   Stabilisering är det mest tidskrävande processteget i kolfibertillverkning. I det här arbetet visades det att prekursorfibrerna kunde stabiliseras på kortare än två timmar, eller direktkarboniseras utan någon sammansmältning av fibrerna. Detta indikerar att en tidseffektiv produktion kan vara möjligt. Impregnering av prekursorfibrerna med ammoniumdivätefosfat ökade utbytet avsevärt, men med lägre mekaniska egenskaper som bieffekt.           Kolfibrernas mekaniska egenskaper ökade vid en diameterreduktion. En kort oxidativ stabilisering under två timmar i kombination med tunna prekursorfibrer gav kolfiber med en elasticitetsmodul på 76 GPa och dragstyrka på 1070 MPa. Att göra kolfiber från blandningar av lignin och cellulosa är ett lovande koncept om det höga utbytet (39%), den korta stabiliseringstiden samt de lovande mekaniska egenskaperna tas i beaktande. / <p>QC 20190226</p>

The aim of this thesis is to explore how theoretical studies on handicrafts may be rewarding and usefull for a craftsman. The aim is also to explore how quality is defined within crafts and to explore different aesthetic qualities that can be achieved within the craft of cabinetmaking. In addition, the aim is also to broaden the view on how skillfullnes may be expressed within the craft of cabinetmaking. The work begins with theoretical studies of two craft philosophers - David Pye and Soetsu Yanagi. Then, their ideas are applied practically through the making of two pieces of furniture. Aesthetic expressions characterized by randomness, imperfection and irregularity is specially sought after. The conclusions of the thesis shows that theoretical studies may be benefiting and rewarding for a craftsman. / Syftet med detta arbete är att visa hur teoretiska studier om hantverk är utvecklande och användbara för en praktiserande hantverkare. Syftet är också att undersöka vad som definierar gott hantverk samt att undersöka vilka olika estetiska kvalitéer som kan åstadkommas inom snickerihantverket. Dessutom vill arbetet bredda synen på hur skicklighet och förståelse för materialet trä kan uttryckas. Arbetet inleds med teoretiska studier av två hantverksfilosofer - David Pye och Soetsu Yanagi. Därefter tillämpas deras idéer praktiskt genom tillverkningen av två möbler. Särskilt fokus läggs på att åstadkomma estetiska uttryck som präglas av slump, imperfektion och irregularitet. Slutsatserna visar att ett teoretiska studier kan bredda en praktiserande hantverkares syn på vad som är möjligt att åstadkomma inom snickerihantverket samt att materialet trä tillåter en bredd av uttryck.

La biomasse lignocellulosique comprend les sous-produits agricoles et industriels pouvant être utilisés comme matière première dans des bioprocédés variés destinés à produire des molécules d'intérêt énergétique ou chimique. Ces ressources lignocellulosiques, peuvent notamment être fournies par l'industrie papetière qui est particulièrement adaptée pour les bio-raffineries modernes car elle est en capacité de produire en grande quantité un substrat ayant une faible teneur en lignine et sans composés inhibiteurs. La bagasse de canne à sucre est également un substrat prometteur par sa composition chimique simple et son abondance dans les pays tropicaux. Lors de l'utilisation de ces substrats, l'hydrolyse enzymatique constitue une étape cruciale permettant la transformation des fibres de cellulose en une source de carbone fermentescible. Si les aspects biochimiques de cette étape d'hydrolyse font l'objet de nombreuses recherches et de développements, les réactions sous haute teneur en matière sèche font apparaître des limitations physiques qui sont beaucoup moins étudiées et analysées mais constituent des verrous scientifiques et technologiques qui freinent actuellement l'utilisation de cette ressource abondante et durable. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et propose l'étude de cette étape d'hydrolyse enzymatique de la lignocellulose en s'intéressant conjointement aux aspects biochimiques et physiques de façon à aller vers une compréhension et une maîtrise des transferts (de masse, de chaleur) dans les réactions à forte concentration en substrat. La stratégie adoptée a consisté à réaliser et analyser des réactions d'hydrolyse sous différentes conditions opératoires en travaillant dans un premier temps sur des concentrations intermédiaires (suspension semi-diluée), c'est-à-dire en introduisant, mais de façon limitée, les complexités dues aux interactions entre particules/fibres de lignocellulose. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour élaborer une stratégie adaptée aux fortes concentrations. Les aspects physiques analysés sont essentiellement le comportement rhéologique du milieu réactionnel ainsi que la morpho-granulométrie des objets en suspension. Différentes métrologies, tant in-situ que ex-situ, ont été mises en œuvre et apportent des résultats complémentaires. Les études ont été menées sur un substrat de référence, le papier Whatman, et deux substrats à vocation industrielle: la pâte à papier et la bagasse de canne à sucre. La stratégie d'étude porte sur les aspects suivants: (i) le suivi de l'évolution des comportements rhéologiques et des propriétés morphologiques des suspensions au cours de l'hydrolyse, (ii) l'étude des mécanismes d'hydrolyse lors de la dégradation des substrats, (iii) l'étude de l'impact de la composition et de la structure des substrats sur les cinétiques de solubilisation et d'hydrolyse, (iv) la quantification de la contribution des différentes activités enzymatiques, seules ou en mélange par une approche physique multi-échelle et (v) le contrôle et l'optimisation des conditions d'alimentation dans un procédé discontinu alimenté (fed-batch) afin d'atteindre des conditions de milieu concentré. Les chapitres 1 et 2 de ce document sont consacrés à une étude bibliographique du sujet et à la présentation des matériels et méthodes mis en œuvre. Le troisième chapitre présente les résultats obtenus et leur analyse. Il est constitué de trois sections: tout d'abord une étude des propriétés des différents enzymes ou cocktail d'enzymes utilisés, des substrats retenus et des suspensions avec, notamment, la détermination des régimes semi-dilués et concentrés. Ensuite sont présentées et analysées les hydrolyses effectuées en milieu semi-dilué. Les mécanismes d'hydrolyse (fragmentation, solubilisation, hydratation et séparation des agglomérats) sont étudiés pour diverses concentrations et divers enzymes/cocktails. Enfin les résultats en milieu concentré sont présentés dans une dernière section. / Lignocellulosic biomass consists of several agriculture and industrial by-products that can be used as raw material for several bioprocesses to obtain range of products. Among lignocellulosic sources, the pulp & paper industry is appropriated for modern bio-refining thank to pulp with low lignin content and free of inhibitory compounds. Besides, sugarcane bagasse is a very promising feedstock because of its simple chemical composition and its abundancy especially in tropical countries. In the bioconversion of lignocellulose, enzymatic hydrolysis is a crucial step that allows the transformation of cellulosic and hemicellulosic fibers into fermentable carbon sources. The lack of knowledge about physical limitations and hydrolysis mechanisms, especially at high dry matter content, stands as the main barrier which forbids the scale-up of bio-refinery processes. Thus, the efficient and sustainable use of lignocellulosic resources is currently a major challenge and need to be investigated. In this context, this PhD focused on the enzymatic hydrolysis of lignocellulose by both physical and biochemical approaches. The strategy consisted in carrying out and in analyzing the hydrolysis reactions under different operating conditions with semi-dilute suspensions. Then, obtained results were used to develop a hydrolysis strategy for concentrated suspensions. Different methodologies, in- and ex-situ analyses, were implemented and provided complementary results. From physical approach, analyses consisted in rheological behavior of suspensions as well as the morpho-granulometry of particles. The study was carried out on a reference substrate, Whatman paper, and on two industrial substrates, paper pulp and sugarcane bagasse. The strategy aimed to investigate different stakes: (i) evolution of rheological behaviors and the morphological properties of suspensions, (ii) hydrolysis mechanisms during the degradation of substrates, (iii) impact of substrate composition and structure on solubilization and hydrolysis kinetics, (iv) quantification of the contribution of single enzyme and enzyme mixture activities by multi-scale physical approaches and (v) control and optimization of feeding parameters for fed-batch process in order to access to concentrated suspension. Chapters 1 and 2 of this document are devoted to a research bibliographic and presentation of materials and methods. The third chapter presents obtained results and discussion in three sections. The first one is a study of the properties of different enzymes and substrates, in particular, the determination of semi-dilute and concentrated regime. Subsequently the enzymatic hydrolysis at semi-dilute regime is presented to highlight the hydrolysis mechanisms (fragmentation, solubilization, solvation and agglomerate separation) in relationship with enzyme mixtures and dosages. Finally, results in concentrated regime are discussed in the final section.