Abstract Limited oil resources, environmental concerns and legislation promoting renewable energy and restricting carbon dioxide emissions have increased biofuel production in recent years. Other alternatives besides bioethanol and biodiesel are also needed to fulfil the continuously increasing transportation fuel demand. Production processes should be material, energy and resource efficient and sustainable, i.e. causing as low negative economic, environmental and social impacts as possible. There are still some limitations and development areas to be solved before feasible industrial biofuels and biochemicals production processes are obtained. The production of biobutanol and bioethanol was studied in this work. Production processes, challenges and improvement requirements were considered especially in the case of the Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation process. In addition, the sustainability assessment of biofuels production was discussed and an indicator-based approach to sustainability evaluation for different raw materials was used. Pervaporation as a product removal and purification method was experimentally studied. Two different applications were tested: a hydrophobic composite membrane with polydimethyl siloxane and polyacrylonitrile layers was used for the separation of acetone, n-butanol and ethanol from dilute aqueous solutions on a laboratory scale, and a hydrophilic polyvinyl alcohol membrane was applied for the dehydration of bioethanol at a pilot-scale. Results indicated that pervaporation can be used as a separation technique in biofuels production processes. New knowledge obtained during the research also promotes the efficient and sustainable production of biofuels and biochemicals and the development of industrial-scale applications. / Tiivistelmä Rajalliset öljyvarannot, huoli ympäristöstä sekä uusiutuvaa energiaa tukeva ja hiilidioksidipäästöjä rajoittava lainsäädäntö ovat lisänneet biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien valmistusta ja käyttöä viime vuosina. Jatkuvasti kasvavan polttoainetarpeen täyttämiseksi tarvitaan myös muita vaihtoehtoja nykyisin käytössä olevien bioetanolin ja -dieselin lisäksi. Tuotantoprosessien tulisi olla materiaali-, energia- ja kustannustehokkaita sekä kestäviä aiheuttaen mahdollisimman vähän haitallisia taloudellisia, sosiaalisia ja ympäristöllisiä vaikutuksia. Biokemiallisissa, käymisen avulla tapahtuvissa polttoaineiden valmistusprosesseissa on kuitenkin vielä rajoitteita ja kehitystarpeita, jotka tulee ratkaista kannattavan teollisen mittakaavan tuotannon mahdollistamiseksi. Tässä työssä tutkittiin biopolttoaineiden, erityisesti biobutanolin ja -etanolin, valmistusta. Tuotantoprosesseja on esitelty työssä haasteiden ja kehitystarpeiden näkökulmasta. Lisäksi on käsitelty biopolttoaineiden tuotannon kestävyyden arviointia ja osoitettiin tapa verrata eri raaka-aineiden kestävyyttä valittujen indikaattoreiden avulla. Työn kokeellisessa osuudessa tutkittiin pervaporaatiota tuotteiden (asetoni, n-butanoli, etanoli) erotuksessa ja puhdistuksessa. Kahta eri sovellusta testattiin: hybrofobista polydimetyylisiloksaani- ja polyakrylonitriili-kerroksista koostuvaa komposiittikalvoa käytettiin asetonin, n-butanolin ja etanolin erottamiseen erilaisista vesiliuoksista laboratoriomittakaavan laitteistolla sekä hydrofiilistä, polyvinyylialkoholi-kalvoa bioetanolin vedenpoistoon pilot-mittakaavassa. Lisäksi testattiin aktiivihiilisuodatuksen käyttöä bioetanolin esipuhdistuksessa haitallisten komponenttien osalta ennen pervaporaatiota. Koetulokset osoittavat, että pervaporaatiota voidaan käyttää biopolttoaine-sovellusten erotusmenetelmänä. Tutkimuksen aikana saatu uusi tieto edistää biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien tehokasta ja kestävää tuotantoa ja kehitystä kohti teollisen mittakaavan sovelluksia.

Abstract Fertilizer industry often generates phosphorous rich wastewaters containing heavy metals. While phosphorous is a valuable compound for the industry, heavy metals hinder the recovery of phosphorous due to their detrimental effects on human health and the environment. Consequently, heavy metals must be removed from the wastewaters. In this study the use of micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) was evaluated for the removal of cadmium, copper, zinc and nickel from phosphorous rich wastewaters. This study has been conducted following a systematic methodology from single metal synthetic wastewaters to more complex synthetic and real wastewaters. The experimental work was conducted in a laboratory scale stirred cell using 3, 5 and 10 kDa regenerated cellulose membranes and in a cross flow semi-pilot scale equipment using a 10 kDa spiral wound polyethersulphone membrane. Statistical design of experiments was used as the research methodology to evaluate the effect of factors on the MEUF process performance as well as for finding optimal conditions. The factors studied were heavy metal, phosphorous and surfactant feed concentrations, pH, membrane nominal molecular weight limits, transmembrane pressure and cross flow velocity. The membrane performance was characterized by the heavy metal retention/rejection coefficients and the permeate flux. The experimental results showed that the removal of heavy metals from single synthetic wastewaters by MEUF is more efficient for more diluted systems. In complex systems containing phosphorous, simultaneous removal of heavy metals was successfully achieved obtaining rejection coefficients up to 80%. Phosphorous was not retained by the membrane showing the potential applicability of MEUF to purify phosphorous rich wastewaters. The study of metal complex formation and heavy metal competition has been shown to be very important in order to predict the MEUF results. Concentration polarization phenomenon was insignificant in the synthetic wastewaters but it was more severe when applying MEUF to real wastewaters. In addition, with real wastewaters SDS leakage was insignificant. This study has provided new and valuable knowledge regarding the applicability of MEUF to industrial wastewater treatment. / Tiivistelmä Lannoiteteollisuus tuottaa usein jätevesiä, jotka sisältävät huomattavia määriä fosforia, sekä pieniä määriä raskasmetalleja. Vaikka fosfori on tärkeä raaka-aine lannoiteteollisuudelle, jätevesissä olevat raskasmetallit kuitenkin estävät sen hyötykäyttöä fosforin lähteenä. Raskasmetallit ovat haitallisia sekä luonnolle että ihmisten terveydelle, joten niiden erottaminen jätevesistä on tärkeää. Tässä työssä tutkittiin miselliavusteisen ultrasuodatuksen (MEUF) käyttöä kadmiumin, kuparin, sinkin ja nikkelin poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Väitöskirjatyössä tutkittiin systemaattisesti synteettisiä jätevesiä, jotka sisälsivät joko yhtä tai useita raskasmetalleja, sekä lannoitetehtaalta kerättyjä jätevesiä. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavan sekoituskennolla, jossa käytettiin 3, 5 ja 10 kDa:n regeneroituja selluloosakalvoja, sekä semi-pilot -mittakaavan spiraalielementillä, jonka materiaalina oli 10 kDa:n polyeetterisulfonikalvo. Väitöskirjatyössä hyödynnettiin tilastollista koesuunnittelua, jonka avulla arvioitiin muuttujien vaikutuksia MEUF-prosessin käyttäytymiseen. Koesuunnittelua hyödynnettiin myös optimiolosuhteiden määrittelemisessä. Koesuunnitelmien muuttujina olivat raskasmetallien, fosforin ja pinta-aktiivisen aineen pitoisuudet, pH, suodatuskalvojen katkaisukoot, paine sekä ristikkäisvirtauksen nopeus. Kalvon käyttäytymistä arvioitiin raskasmetallien erotustehokkuuden ja permeaattivuon avulla. Koetulokset osoittivat raskasmetallien erotuksen olevan tehokkainta synteettisistä, yhtä metallia sisältävistä jätevesistä, joiden raskasmetallipitoisuus oli pieni. Fosforia sisältävistä monimetalliliuoksista saavutettiin 80 %:inen raskametallien poistotehokkuus. Kalvoerotuksessa fosforipitoisuus ei muuttunut merkittävästi, mikä osoittaa MEUF:n olevan potentiaalinen menetelmä raskasmetallien poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Metallikompleksien muodostumisen ja raskasmetallien välisen kilpailun ymmärtäminen osoittautuivat erittäin tärkeiksi MEUF-tuloksien ennustamisessa. Konsentraatiopolarisaatioilmiö ei ollut merkittävä käsiteltäessä synteettisiä jätevesiä, mutta teollisten jätevesien käsittelyssä ilmiöllä oli huomattava vaikutus permeaattivuohon. Kuitenkin teollisen jätevesien käsittelyssä SDS:n vuotaminen kalvon läpi oli merkityksetöntä. Tämä tutkimus on antanut uutta ja merkittävää tietoa MEUF:n soveltuvuudesta teollisten jätevesien käsittelyn.