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.

Abstract The rapid increase of energy demand for transportation generates a rise of environmental pollution, stimulating the development of alternative sources of energy. Biomass is considered as the main organic carbon source of energy to substitute petroleum permitting sustainable production of chemicals and transportation fuels. Biowastes, residues and non-edible feedstock possess high potential resources avoiding food competition. This research aims to convert starch-based industrial waste, potato peels, into reducing sugars and platform molecules, such as glucose. These high added-value chemicals can further be transformed into chemicals and fuels. Catalytic conversion of starch, the main constituent of potato peels, was activated with non-conventional technologies to enhance the depolymerisation rate and to reduce energy consumption according to the principles of green chemistry. Depolymerisation of starch was first performed in acidic water as reaction medium assisted with ultrasonic and/or microwave irradiation. Ultrasonic irradiation enhanced mass transfer of heterogeneous system, whereas the use of microwaves improved heat transfer in the reaction medium. The frequency applied leads to different effects on heterogeneous systems: low frequencies irradiation (below 100 kHz) generates turbulences resulting in enhanced transport properties, whereas higher frequencies produce chemical effects. Catalytic conversion of starch into reducing sugars required more energy than individual irradiation could provide. Simultaneous irradiation, combining ultrasound and microwave or several ultrasonic frequencies, on potato peels led to 50% yield of sugars without former separation processes, at moderate temperature. A weak synergetic effect was only observed with potato peels. The second part of this research is dedicated to study the effect of catalytic reaction medium (acids, ionic liquids). More appropriate systems possess the ability to dissolve and hydrolyse carbohydrates: specific ionic liquids. A room-temperature ionic liquid and a task-specific ionic liquid were selected for their solvability properties to dissolve and depolymerise starch present in potato peels. The depolymerisation of starch in the task-specific ionic liquid generated a yield of 43% of sugars, without former separation process. / Tiivistelmä Liikenteen energiantarpeen nopea kasvu on johtanut päästöjen sekä ympäristösaasteiden lisääntymiseen. Biomassa on merkittävä raaka-ainevaihtoehto fossiiliselle hiilelle energian, kemikaalien ja liikenteen polttonesteiden tuotannossa. Erityisesti jätebiomassoilla on suuri merkitys biomassaraaka-aineena, koska ne eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on tärkkelyspohjaisen teollisen jätteen, perunan kuorilietteen, katalyyttinen muuttaminen pelkistäviksi sokereiksi ja ns. platform-kemikaaleiksi, kuten glukoosiksi. Näistä korkean lisäarvon omaavista välituotteista voidaan edelleen valmistaa uusia biomassapohjaisia kemikaaleja ja polttoaineita. Tärkkelyksen, perunankuoren keskeisimmän aineosan, muuttaminen tehtiin tässä työssä mm. ultraääni- ja mikroaaltoavusteisella hajotuksella. Tavoitteena oli parantaa perunan kuorilietteen liukenemis- ja hajoamisnopeutta, lisätä saantoa sekä vähentää energian kulutusta vihreän kemian periaatteiden mukaisesti. Tärkkelyksen depolymerointi tehtiin ensin happokatalysoidussa liuoksessa ultraäänen ja/tai mikroaaltojen avulla. Ultraäänihajotus lisäsi aineensiirtoa heterogeenisessä reaktioväliaineessa, kun taas mikroaallot lisäsivät lämmönsiirtoa reaktioseoksessa. Eri ultraäänitaajuuksilla havaittiin olevan erilaisia vaikutuksia reaktioseokseen: alhaisilla taajuuksilla (alle 100 kHz) muodostuneet pyörteiset virtaukset edistivät aineensiirtoa ja korkeammat taajuudet kemiallisia ilmiöitä. Tärkkelyksen katalyyttinen depolymerointi vaatii enemmän energiaa kuin perinteisillä menetelmillä, kuten lämmittämällä, voidaan tuottaa. Yhdistämällä ultraäänen ja mikroaaltojen säteilytystä tai eri taajuuden omaavia ultraääniä, yli 50% perunajätteen tärkkelyksestä saadaan hajotettua pelkistyneiksi sokereiksi alhaisissa lämpötiloissa. Sen sijaan, ainoastaan perunankuorijätteellä havaittiin heikko synenerginen efekti mitä ei havaittu vertailunäytteellä (perunajauho). Toisena tavoitteena oli tutkia katalyyttisen reaktioseoksen (hapot, ioniset liuottimet) vaikutusta perunan kuorijätteen ja sen sisältämän tärkkelyksen liuottamiseen ja hajottamiseen. Erityisesti keskityttiin uusiin, spesifisiin ionisiin liuottimiin, jotka kykenevät samanaikaisesti sekä liuottamaan että hydrolysoimaan hiilihydraatteja. Huoneenlämpötilassa toimiva spesifinen ioninen liuotin valittiin sen katalyyttisten ominaisuuksien vuoksi. Tässä liuottimessa kuorilietteen sisältämästä tärkkelyksestä pelkistyneiden sokerien saanto oli 43%. / Résumé La forte demande en énergie, la conscience sociale sur les changements climatiques mondiaux et l'épuisement à moyen terme des réserves d’énergies fossiles stimulent le développement de ressources alternatives. Considérée comme la principale source de carbone organique renouvelable, la biomasse peut être utilisée pour remplacer les carburants d’origine fossile tout en étant plus respectueuse de l’environnement. Des déchets biosourcés ainsi que des végétaux d’origine agricole ou forestière, appelés biomasse végétale, possèdent de fort potentiels évitant la concurrence alimentaire. Cette recherche a pour objectif de convertir un déchet industriel amidonné, des pelures de pommes de terre, en sucres réducteurs et molécules plateformes, tels que le glucose, qui par la suite peuvent être transformées en carburants de transport. L’utilisation des ultrasons ainsi que des micro-ondes, méthodes non-conventionnelles, en milieu acide ont permis d’améliorer le rendement ainsi que de réduire la consommation énergétique en accord avec les principes de la chimie verte. L’irradiation ultrasonore améliore le transfert de masse de systèmes hétérogènes, alors que les micro-ondes renforcent le transfert de chaleur dans le milieu réactionnel. De plus, la fréquence ultrasonore appliquée induit différents effets sur le système : les ultrasons de basse fréquence (en dessous de 100 kHz) génèrent des turbulences améliorant les propriétés de transport de la matière, alors que les ultrasons de plus haute fréquence produisent des effets chimiques, tels que la formation de radicaux libres. L’apport énergétique fourni par les ultrasons et micro-ondes seuls étant insuffisant, l’utilisation d’irradiations simultanées et combinées a conduit à un rendement de 50% de sucres depuis l’amidon, ne nécessitant aucun procédé de séparation pré-réactionnel. Un faible effet synergique a pu être observé sur la dépolymérisation de la pelure de pommes de terre. L’étude d’un milieu réactionnel permettant simultanément la dissolution ainsi que l’hydrolyse des glucides présents dans la matière première est développée dans la seconde partie de ce mémoire. Certains liquides ioniques possèdent les propriétés recherchées. La dépolymérisation de l'amidon dans un liquide ionique à tâches spécifiques a permis d’obtenir un rendement de 43% de sucres, sans aucun procédé de séparation pré-réactionnel.

Abstract Lignocellulosic biomass is the most abundant renewable raw material on the earth and it is so far the most suitable and promising resource for the production of biofuels to replace long-term use of fossil oil. This research aims to convert lignocellulose-based industrial residuals, fibre sludge (FS) from a pulp mill and pine sawdust (PSD) from a sawmill, into platform sugars by two different bifunctionalised pretreatments of lignocellulosic biomass. The bifunctionalised pretreatment combines the ordinary pretreatment (deconstruction) of lignocellulosic biomass with lignocellulosic polysaccharides saccharification. The outcome from both pretreatments can be further transformed into biofuels and chemicals. PSD and FS were converted into platform sugars by acid-catalysed mechanical depolymerisation in a planetary ball mill in the first part of this research. The efficiency of the conversion was mainly affected by the transferred energy caused by collisions, the total milling time, acid concentration and moisture content in the reaction. Approximately 30 wt% of the sugars was yielded from PSD and FS both in the short milling process with a low acid/substrate (A/S) concentration without any prior treatment. The second part of this research focuses upon the conversion of FS into platform sugars using hydroxyalkylimidazolium hydrogen sulphate ionic liquids (ILs). Around 29 wt% of the sugars was produced from FS using an IL/water mixture. The added water acted as a co-solvent and played a critical role in the utilisation of these ILs. The blended water reduced the viscosity of the ILs and enhanced the mass transfer between solvent and solute. In addition, the anions of the ILs provided their acidic property in an aqueous solution and offered an acidic environment for hydrolysis simultaneously. / Tiivistelmä Lignosellulossapohjainen biomassa on runsaimmin saatavilla oleva ja yksi lupaavimmista raaka-aineista biopolttoaineiden valmistukseen korvaamaan fossiilisia polttoaineita. Väitöskirjassa tutkitaan teollisuuden lignoselluloosapohjaisten sivutuotteiden, selluteollisuuden kuitulietteen ja sahateollisuuden sahanpurun (mäntypuru), muuntamista sokereiksi kahdella erilaisella ns. bifunktionaalisella esikäsittelyllä, joissa yhdistyvät lignoselluloosabiomassan perinteinen esikäsittely (hajotus) ja polysakkaridien sokeroituminen. Muodostuneet sokerit voidaan edelleen muuntaa biopolttoaineiksi ja -kemikaaleiksi. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa sahanpuru ja kuituliete muunnettiin sokereiksi happokatalysoidussa mekaanisessa käsittelyssä, joka tehtiin kuulamyllyssä. Reaktiossa katalyyttisen käsittelyn tehokkuuteen vaikuttivat erityisesti jauhatuksen kineettinen energia, jauhatusaika, happokonsentraatio ja reaktioseoksen kosteus. Tulosten perusteella todettiin, että ilman lähtöaineen esikäsittelyä sekä sahanpurun että kuitulietteen sokerisaanto oli noin 30 massa% lyhyen, matalassa happokonsentraatiossa tehdyn jauhatuksen jälkeen. Tutkimuksen toisessa vaiheessa kuituliete muutettiin sokereiksi käyttämällä ionista liuotinta (IL), hydroksialkyyli-imidatsoliumvetysulfaattia. Sokerisaanto kuitulietteestä oli noin 29 massa% IL-vesiseoksessa. Vesi toimi reaktiossa apuliuottimena ja sen rooli on keskeinen ionisten liuottimien käytössä. Sekoittunut vesi laski ionisen liuottimen viskositeettia sekä edisti aineensiirtoa liuottimen ja liukenevan aineen välillä. IL:n anionit lisäsivät happamuutta vesiliuoksessa ja mahdollistivat happamat olosuhteet samanaikaiselle hydrolyysille. / Abstract Biomasse aus Lignocellulose ist der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff der Erde und wird aktuell als eine der besten Alternativen für die Produktion von Biokraftstoffen gesehen. Diese sollen langfristig die fossilen Öl-basierten Produkte ersetzen. Diese Forschungsarbeit untersucht die Herstellung von Zucker aus Lignocellulose basierten Abfällen. Faserschlamm aus der Zellstoffindustrie und Kiefern-Sägemehl aus der Holzverarbeitung wurden durch zwei unterschiedliche Bifunktionelle Vorbehandlungen aufgespalten. Diese Bifunktionelle Vorbehandlung kombiniert zwei Schritte in einem Prozess; die gewöhnliche Dekonstruktion der Biomasse und die Verzuckerung von Polysacchariden aus der Lignocellulose. Das so erzeugte Produkt dient als Ausgangsstoff für die weitere Herstellung von Biokraftstoffen und Chemikalien. Im ersten Teil dieser Forschungsarbeit wurden Kiefern-Sägemehl und Faserschlamm in einer Planeten-Kugelmühle zermahlen und gleichzeitig durch eine Säure depolymerisiert. Der Wirkungsgrad dieser säurekatalysierten mechanischen Depolymerisation wurde hauptsächlich durch die Übertragung der Reibungsenergie, der Mahldauer der Zerkleinerung, der Konzentration der Säure und der Feuchtegehalt der Proben beeinflusst. Etwa 30 wt% Zucker wurde so durch den kurzen Zermahlungsprozess aus Kiefern-Sägemehl und Faserschlamm gewonnen. Dabei wurden die Proben nicht vorbehandelt und enthielten eine geringe Säure/Probe Konzentration. Der zweite Teil der Forschungsarbeit untersucht die Umwandlung von Faserschlamm in Zucker mittels der Ionischen Flüssigkeit (ILs) Hydroxyalkyl Imidazolium Hydrogensulfat. Aus den Faserschlamm Proben konnte 29 wt% Zucker durch eine Mischung von ILs und Wasser gewonnen werden. Das zugesetzte Wasser spielte als Co-Lösemittel eine wichtige Rolle in der Nutzung der Ionischen Flüssigkeit, dessen Viskosität so reduziert wurde. Dies führte zu einem erhöhten Stoffübergang zwischen dem Lösemittel und dem Solvat. Zusätzlich sorgten die Anionen der Ionischen Flüssigkeit für ein saures Milieu in der wässrigen Lösung und ermöglichten so eine gleichzeitige Hydrolyse.