Abstract Nanocellulose is envisioned as one of the key product innovations of future biorefineries, since it can potentially function in numerous high-end applications and replace many current petroleum-based products due to its superior properties, abundance and renewable nature. The main difficulty hindering the industrial upscaling of nanocellulose is the lack of feasible techniques for processing cellulose fibres on a nanoscale. At the same time, ongoing research efforts have concentrated on charting the suitability of nanocellulose for various novel applications. The chemical functionalization of cellulose is currently regarded as a significant step for both enhancing nanocellulose fabrication and increasing its value as a product by virtue of its adjustable surface properties. This thesis reports on the surface functionalization of cellulosic fibres by means of two new chemical pre-treatments based on periodate oxidation and sequential chlorite oxidation or reductive amination for use in the fabrication of nanocelluloses. The properties of the resulting nanocelluloses were characterized and their applicability to novel film structures was investigated. Both nanoporous thin films for composite membranes and self-standing barrier films were manufactured and studied for their suitability in water purification and packaging applications, respectively. The oxidation of cellulose to 2,3-dicarboxylic acid cellulose (DCC) significantly enhanced the nanofibril production as only 1-4 passes through the homogenizer were required for disintegration of the fibres down to nano-scale. The fabricated DCC-nanofibrils had both high optical transmittance and viscosity comparable to that of TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils. DCC-nanofibrils with a carboxyl content of 1.75 mmol/g showed a potential for functioning as a nanoporous thin-film membrane layer in ultrafiltration tests. The second pre-treatment introduced an acid-free fabrication of amphiphilic cellulose nanocrystals (CNCs) with uniform width and length into nanocellulose production for the first time. Reaction conditions of periodate oxidation were presumed to be one of the key factors to impact the formation of either CNCs or cellulose nanofibrils. The butylamino-functionalized CNCs were used to fabricate barrier films that showed good mechanical strength and high resistance to permeation by oxygen even at elevated relative humidity. / Tiivistelmä Yksi metsäteollisuuden viimeisimmistä tuoteinnovaatiosta on nanoselluloosa, jolle on esitetty lukuisia uusia sovellusmahdollisuuksia sekä potentiaalia toimia korvaavana raaka-aineena öljypohjaisille tuotteille sen erinomaisten materiaaliominaisuuksien sekä globaalin saatavuuden ja uusiutuvuuden takia. Nanoselluloosan teollista hyödyntämistä on kuitenkin hidastanut kustannustehokkaiden valmistusmenetelmien puuttuminen. Samanaikaisesti on tehty laaja-alaista tutkimustyötä nanoselluloosan soveltuvuudesta uusiin käyttökohteisiin. Selluloosan kemiallista funktionalisointia pidetään tällä hetkellä yhtenä lupaavimpana menetelmänä tehostamaan sekä nanoselluloosan valmistusta että tuomaan lisäarvoa nanokuiduille, joiden pintaominaisuuksia voidaan muokata. Tässä työssä tutkittiin selluloosakuitujen funktionalisointia perjodaattihapetukseen sekä kloriittihapetukseen tai pelkistävään aminointiin perustuen ja nanoselluloosan valmistusta esikäsitellystä selluloosasta. Työssä tutkittiin erityisesti valmistettujen nanoselluloosien ominaisuuksia ja selvitettiin niiden soveltuvuutta uudentyyppisiin filmirakenteisiin. Filmirakenteita muokkaamalla tehtiin nanohuokoisia komposiittimembraaneita vedenpuhdistukseen sekä barrier-filmejä pakkausmateriaaleihin. Selluloosan hapetus 2,3-dikarboksyylihapposelluloosaksi tehosti nanoselluloosan valmistusta huomattavasti ja kuidut saatiin hajotettua 1-4 läpäisyllä homogenisaattorissa. Valmistetut DCC-nanofibrillit olivat optisesti läpinäkyviä sekä niiden viskositeetti oli yhtä korkea kuin aiemmin raportoiduilla TEMPO-hapetettuilla nanofibrilleillä. Ultrasuodatuskokeissa DCC-nanofibrilleistä pystyttiin muodostamaan nanohuokoinen kerros membraaninpinnalle, jota on mahdollista käyttää vedenpuhdistuksessa. Pelkistävällä aminointiesikäsittelyllä selluloosakuiduista onnistuttiin ensimmäistä kertaa valmistamaan kooltaan yhdenmukaisia amfifiilisiä selluloosananokiteitä ilman yleisesti käytettyä happohydrolyysiä. Siten työssä nanoselluloosien valmistukseen käytetyn perjodaattihapetuksen havaittiin soveltuvan sekä selluloosananokiteiden että selluloosananofibrillien valmistukseen. Butyyliamino-funktionalisoiduista selluloosananokiteistä valmistetut barrier-filmit olivat mekaanisesti vahvoja ja ne ehkäisivät hapenläpäisyä jopa korkeassa ilmankosteudessa.

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.