Abstract In the sugar platform of biorefining, the complex polymeric structure of lignocellulose biomass is degraded into sugars, which are utilized by microbial cells in the further processing steps. The reaction steps in both biomass degradation and microbial fermentation processes involve multiphase reactions in which mass transfer and reaction kinetics often play a key role. The aim of this thesis is to characterize the effect of these conditions on enzymatic hydrolysis of cellulose and utilization of sugars by aerobic microbes. These types of liquid-solid (cellulose hydrolysis) and liquid-gas (microbial cultivation) systems are typically very demanding on the reactors that are used in the process. By the fed-batch process utilized in this work, sufficient mixing in enzymatic hydrolysis of cellulose is achieved even with high final substrate concentration. One of the main outcomes of this work is the kinetic model that concentrates on the kinetics of fed-batch process by discretizing the substrate into subpopulations. By using this approach, the model parameters were identified in an adequate manner, and the poorly identified parameters could be sorted out. Parameter identifiability has been an issue in previous models for enzymatic hydrolysis of cellulose. Based on the experiments and modelling studies, it can be concluded that the enzymes remain intact for time scales relevant for the hydrolysis process. Thus, the decrease in the hydrolysis rate found in many literature studies is probably mostly due to substrate-enzyme interactions rather than denaturation of the enzyme. In aerobic cell cultivations, the mixing and mass transfer conditions are often more critical for the process performance. In this work, we studied the performance and suitability of alternative reactor types to be used in aerobic cell cultivations and obtained some promising results. In addition, the thesis presents a modelling approach to study the effect of process conditions on metabolism and growth rate of Pichia pastoris yeast. The model combines a kinetic model for yeast growth and a model for the mixing and mass transfer conditions in stirred tank reactor. / Tiivistelmä Biojalostuksen sokerialustassa lignoselluloosapohjaisen biomassan monimutkaista polymeerirakennetta muokataan ja sieltä vapautetaan monomeerisia sokereita, joita voidaan edelleen hyödyntää jatkojalostuksessa. Monet jatkojalostusprosessit käyttävät mikrobeja, joiden aineenvaihdunnassa sokereita voidaan jalostaa arvokkaammiksi tuotteiksi ns. fermentointiprosesseissa. Tämän väitöstyön tarkoitus on tutkia reaktio- ja aineensiirtokinetiikan vaikutusta selluloosan entsymaattiseen hydrolyysiin ja aerobisiin mikrobifermentointeihin. Näistä ensimmäinen on neste-kiintoainesysteemi ja jälkimmäinen neste-kaasusysteemi, ja tällaiset prosessit asettavat tyypillisesti merkittäviä vaatimuksia niissä käytettäville reaktoreille. Tässä työssä hyödynnettiin kiinteän raaka-aineen vähittäistä syöttöä (ns. fed-batch prosessi) selluloosan hydrolyysissä, jolloin sekoitus voidaan pitää riittävänä suurillakin kiintoainemäärillä. Työn merkittävin tuotos on kineettinen malli, jossa hyödynnetään fed-batch prosessia ja koedataa osittamalla mallinnusyhtälöt raaka-aineen syöttöajan perusteella. Tällä tavalla mallin parametrit saatiin identifioitua kohtuullisella tarkkuudella sekä eriteltyä huonosti identifioituneet parametrit. Mallin parametrien identifiointi on ollut ongelmallista monissa vastaavan tyyppisissä malleissa aiemmin. Kokeiden ja mallinnustulosten perusteella voidaan sanoa, että hydrolyysissä käytettävät entsyymit pysyvät aktiivisina prosessin aikana, ja usein todettu hydrolyysin hidastuminen johtuu ennemmin kiinteän kuidun ja entsyymien vuorovaikutuksen muutoksista kuin entsyymin denaturoitumisesta. Aerobisiin mikrobikasvatuksiin liittyen tässä työssä tutkittiin vaihtoehtoisten reaktorityyppien hyödyntämistä, joista saatiin myös lupaavia tuloksia. Lisäksi työssä kehitettiin mallinnustyökaluja, joilla voidaan tutkia prosessiolosuhteiden vaikutusta Pichia pastoris –hiivan metaboliaan ja kasvunopeuteen. Mallissa yhdistetään hiivan kasvun kineettinen malli sekä reaktoriolosuhteiden mallinnus.

Abstract Decreasing oil reserves, the need to reduce CO2 emissions and increasing energy demand are issues that are forcing scientists to search for new opportunities in the field of energy. As a result, biofuels have been considered as one possible solution to solve part of these challenges. This research is one small part of that effort. For both human and economic reasons the use of edible raw materials for biofuel production is not sustainable. This study aims to convert forest industry waste, namely fibre sludge, into reducing sugars (glucose). This platform chemical can then be converted to value-added products, biofuels such as ethanol or butanol for example. Depolymerisation of fibre sludge (cellulose) to glucose monomers was performed firstly by pretreatment with ionic liquids [BMIM]Cl and [AMIM]Cl and secondly hydrolysed by acids (dilute maleic and sulphuric acids) and enzymes. To go further with the research the two pretreatment steps, dissolution and hydrolysis were combined into a one-step reaction by using a task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl. With the ionic liquid [AMIM]Cl used for pretreatment in this study, we were able to recover 85% of sugars relative to the initial dry mass of the fibre sludge. Corresponding yield was about 30% without pretreatment. The task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl was able to dissolve and hydrolyse fibre sludge in a one-step reaction. This ionic liquid was also able to dissolve wet fibre sludge with a moisture content of up to 50%. Enzymatic hydrolysis of [AMIM]Cl pretreated fibre sludge showed also very promising yields of reducing sugars. / Tiivistelmä Biotaloudessa keskeisiä globaaleja haasteita ovat kasvava energiantarve, vähenevät fossiiliset öljyvarannot sekä tarve vähentää energiantuotannon ja liikenteen hiilidioksidipäästöjä, mikä on lisännyt viime vuosina aktiivisuutta biopolttoainetutkimuksen saralla. Biopolttoaineet voidaankin nähdä eräänä mahdollisuutena lisätä uusiutuvien luonnonvarojen käyttöä sekä siten edistää vähähiilistä taloutta. Uusien kestävän kehityksen periaatteita noudattavien energiantuotantomenetelmien kehittämisessä on suosittava biomassoja, jotka eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa samoista raaka-aineista. Tässä suhteessa erityisen keskeisessä asemassa ovat mm. teollisuuden sivutuotteet, joita myös tässä työssä on tutkittu. Väitöskirjatutkimuksessa biomassaraaka-aineena on käytetty selluteollisuuden sivutuotteita, erityisesti kuitulietettä. Kuitulietteessä on korkea selluloosa- ja hemiselluloosapitoisuus, minkä vuoksi se soveltuisi ns. platform-kemikaalien valmistuksen raaka-aineeksi ja edelleen arvokkaiden kemikaalien ja polttoaineiden valmistukseen. Tutkimuksessa tavoitteena on ollut kuitulietteen sisältämien polymeerien liuottaminen ja hydrolyysi pelkistyneiksi sokereiksi, erityisesti glukoosiksi, mahdollisimman korkealla saannolla. Kuitulietteen, kuten yleensäkin selluloosan, haasteena on sen niukkaliukoisuus perinteisiin liuottimiin. Tämän vuoksi kuitulietettä esikäsiteltiin ionisissa liuottimissa ([BMIM]Cl ja [AMIM]Cl), jotta depolymerisaatio glukoosimonomeereiksi olisi mahdollinen korkealla saannolla. Esikäsittelyn jälkeen hydrolyysi tehtiin joko laimealla hapolla tai entsymaattisesti. Esikäsittelyä tutkittiin myös ns. spesifisessä ionisessa liuottimessa ([SBMIM]Cl), jossa kuitulietteen liukeneminen ja hydrolyysi tapahtuivat yhdessä vaiheessa. Esikäsittely [AMIM]Cl:ssa mahdollisti sen, että alkuperäisen kuivan kuitulietteen sokereista saatiin talteen 85 % entsymaattisen hydrolyysin jälkeen. Ilman esikäsittelyä vastaava saanto oli noin 30 %. Ionineste, [SBMIM]Cl, onnistui liuottamaan ja hydrolysoimaan kuitulietteen yhdessä vaiheessa, tosin sokerisaannot jäivät alhaisiksi. Märkä kuituliete, jonka kosteuspitoisuus oli 50 %, liukeni myös tähän ioninesteeseen.