Abstract Lignocellulosic biomass, such as wood or agricultural residues, is a resource widely available for use in chemical production. In a lignocellulosic feedstock biorefinery, the major parts of biomass, cellulose, hemicellulose and lignin, are converted to valuable chemicals, materials and energy. Furfural production is one option for the use of the pentose sugars available in hemicellulose, and the process could be integrated with the pulp or cellulosic ethanol industry. In the past, furfural production catalysed by organic acids has been in industrial use, but no detailed studies about the kinetics exist. However, the use of organic acid would prevent the waste problems linked to the mineral acids widely used in the furfural industry. In this thesis, furfural formation in formic acid media was studied. The major part of this work concerns the kinetics of xylose dehydration into furfural and further furfural degradation. Based on the results of this thesis and a literature review, adequate prediction of furfural yield in the conditions used can be achieved using a simple kinetic model, including three reactions: 1) Xylose dehydration into furfural, 2) Furfural degradation, and 3) Xylose degradation to products other than furfural. Moreover, it was shown that the overall order of the furfural degradation reaction, usually modelled as a first order reaction, changes with acidity (H+-concentration). Suggestions for a possible reaction mechanism have been made based on the results. In the last part of this thesis, furfural formation in the presence of kraft lignin (Indulin AT) was considered. Sulphuric acid was used as a baseline for formic acid. It was shown that the lignin has an acid-neutralising capacity, but the higher pH did not explain all the changes in the xylose conversion and the furfural yield. Thus, it is highly likely the lignin inhibits the formation of furfural. Altogether, the effects were smaller in formic acid than in sulphuric acid. This thesis confirms the fact that formic acid is an effective catalyst for furfural production. The focus of the thesis was on the reaction kinetics, and the results can be used in conceptual process design. Moreover, the results emphasise the importance of including acidity explicitly in the kinetic model and monitoring acidity changes when real process streams are used. / Tiivistelmä Lignoselluloosaa, kuten puita tai maanviljelyn jäännösmateriaaleja, on laajasti saatavilla kemiallisen tuotannon raaka-aineeksi. Biojalostamossa lignoselluloosan pääjakeet, selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini, muutetaan arvokkaiksi kemikaaleiksi, materiaaleiksi ja energiaksi. Furfuraalin tuotanto on yksi vaihtoehto hemiselluloosan sisältämien pentoosien hyödyntämiseksi. Furfuraaliprosessi voidaan yhdistää sellun tai bioetanolin tuotantoon, ja orgaanisia happoja käyttämällä voitaisiin välttää mineraalihappoihin liittyvät jäteongelmat furfuraalin tuotannossa. Tämän väitöskirjan aiheena on muurahaishappokatalysoitu furfuraalin muodostuminen ksyloosista. Pääpaino on reaktiokinetiikassa, ja työssä on kehitetty kineettinen malli ksyloosin dehydraatiolle furfuraaliksi ja sitä seuraaville furfuraalin sivureaktioille. Tehdyn tutkimuksen ja kirjallisuusselvityksen perusteella yksinkertainen kolmen reaktion malli antaa riittävän tarkan ennustuksen furfuraalisaannoista käytetyissä olosuhteissa. Reaktiot ovat 1) ksyloosin dehydraatio sekä 2) furfuraalin ja 3) ksyloosin reaktiot sivutuotteiksi. Lisäksi huomattiin, että reaktion, jossa syntyy furfuraalin häviämistuotteita, reaktioaste on riippuvainen happamuudesta (H+-konsentraatio). Työssä onkin ehdotettu mahdollisia reaktiomekanismeja furfuraalin sivureaktioille. Työn viimeisessä osassa tutkittiin ligniinin vaikutusta furfuraalin muodos¬tu¬miseen. Vertailukohtana muurahaishapolle käytettiin rikkihappoa. Tutkimuksessa selvisi, että käytetty ligniini, Indulin AT, huononsi furfuraalisaantoa. Suurin osa vaikutuksesta johtui ligniinin neutralointikapasiteetista, jolloin reaktioliuoksen happamuus laski, mutta mahdollisia sivureaktioita ei voitu sulkea pois. Kaiken kaikkiaan vaikutukset olivat pienempiä muurahaishapolla kuin rikkihapolla. Tämä väitöskirjatutkimus osoitti, että muurahaishappo katalysoi furfuraalin tuotantoa tehokkaasti. Tutkimuksessa muodostettiin reaktiokineettinen malli, jota voidaan käyttää käsitteellisessä prosessisuunnittelussa. Tulosten perusteella on tärkeää huomioida reaktioliuoksen happamuus kinetiikassa ja tarkkailla happamuuden muutoksia käytettäessä prosessisivuvirtoja.

Abstract Production of recombinant proteins and organic molecules by microbial fermentation is a widely used process in pharmaceutical, biofuel, food and chemical industries. Micro-organisms are cultivated in a bioreactor enabling a proper environment and conditions for production of the desired product molecule. Usually, however, the conditions in the bioreactor are inhomogeneous because of technical limitations such as insufficient mixing. This causes gradients in various parameters such as temperature, ph, dissolved oxygen or substrate concentration, which can have a negative effect on product quality and quantity. Understanding the effects of such environmental variations for the host organism and product molecule are crucial for the bioprocess control. The aim of this dissertation was to study the metabolic and gene expression level response of Escherichia coli bacterium for variating conditions in the bioreactor. The responses for rapid temperature increase and oxygen limitation was studied by shift experiments. The effect of oscillating oxygen and glucose concentrations, typical for industrial scale processes, was studied with a scale-down model. The main results were obtained in the oxygen downshift experiments. It was shown that a non-canonical amino acid norvaline, known to replace leucine in recombinant proteins, is accumulated in significant concentration under oxygen limitation. The accumulation of norvaline was also observed in the scale-down model indicating that norvaline could also be found in large scale processes. The quantitative gene expression results for the norvaline pathway genes showed no clear response. This indicates that the norvaline formation occurs due to the changes on metabolic rather than transcriptional level. The second key result of this dissertation was the finding, that the accumulation of formate, a typical anaerobic metabolite, was diminished by medium boosted with trace amounts nickel, selenium and molybdenum, enabling the activity of formate degrading enzyme complex. The results of this dissertation can be utilized in the industrial process optimisation and as a basis for further bioprocess studies. / Tiivistelmä Vierasproteiinien ja orgaanisten molekyylien tuottaminen fermentoimalla on paljon käytetty menetelmä lääke-, bioenergia-, elintarvike- sekä kemianteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan bioreaktorissa, joka mahdollistaa sopivan kasvuympäristön ja tuotanto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Usein bioreaktorin olosuhteet ovat kuitenkin epätasaiset teknisten rajoitteiden kuten riittämättömän sekoitustehon vuoksi. Tämä aiheuttaa eri muuttujien, kuten happi- ja ravinnepitoisuuden, pH:n tai lämpötilan vaihtelua ajan ja paikan suhteen, millä voi olla haitallinen vaikutus tuotteen laatuun tai saantoon. Ympäristötekijöiden muutosten isäntäsolulle tai tuotemolekyylille aiheuttamien vaikutusten ymmärtäminen ovat yksi ratkaisevista tekijöistä bioprosessien hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin Escherichia coli -bakteerin aineenvaihdunnan sekä geeniekspression vasteita bioreaktorin ajan ja paikan suhteen vaihtelevissa olosuhteissa. Hapenpuutteen ja lämpötilan nousun vaikutusta tutkittiin kokeilla, joissa olosuhdetta kertaluontoisesti ja nopeasti muutettiin. Teollisille fermentointiprosesseille tyypillistä happi- ja ravinnepitoisuuksien jatkuvaa vaihtelua tutkittiin suurta bioreaktoria jäljittelevällä pienoismallilla. Tärkeimmät tulokset liittyivät kokeisiin, joissa tutkittiin hapenpuutetta. Kokeissa kävi ilmi, että happirajoitetuissa olosuhteissa muodostuu huomattavia määriä epätavallista aminohappoa norvaliinia, jonka tiedetään korvaavan leusiinia vierasproteiineissa. Norvaliinin muodostumista havaittiin myös pienoismallilla tehdyissä kasvatuksissa, osoittaen että norvaliinia voi mahdollisesti löytyä myös suuren mitan prosesseista. Geeniekspressiomittaukset eivät osoittaneet muutoksia norvaliinin aineenvaihduntareitillä, osoittaen että havaittu norvaliinin muodostuminen tapahtuu aineenvaihdunnallisten muutosten seurauksena. Toinen tässä väitöstutkimuksessa saatu tärkeä tulos oli muurahaishapon kertymisen vähentyminen, kun kasvatusliuokseen lisättiin nikkeliä, seleeniä ja molybdeeniä aktivoimaan muurahaishappoa hajottavaa entsyymikompleksia. Tämän väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää teollisten prosessien optimoinnissa ja perustana uusille tutkimusaiheille.

Abstract New methods are being sought for the production of chemicals, fuels and energy from renewable biomass. Lignocellulosic biomass consists mainly of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose and hemicellulose can be converted to their building blocks, i.e. sugars, via hydrolysis. This thesis is focused on glucose production from cellulose by dilute acid hydrolysis. Acid hydrolysis has the drawback of limited glucose yields, but it has the potential to become a short-term solution for biochemical production. During acid hydrolysis, the cellulose chain is split into glucose, which undergoes further decomposition reactions to hydroxymethylfurfural, levulinic acid, formic acid and by-products like insoluble humins. The present thesis aims to increase our knowledge on complicated acid-catalysed hydrolysis of cellulose. Glucose decomposition and cellulose hydrolysis were studied independently in laboratory experiments. Kinetic modelling was used as a tool to evaluate the results. The effect of the hydrogen ion on the reactions was evaluated using formic or sulphuric acid as a catalyst. This thesis provides new knowledge of cellulose hydrolysis and glucose decomposition in formic acid, a novel catalyst for high-temperature dilute acid hydrolysis. Glucose yields from cellulose hydrolysed in formic or in sulphuric acid were comparable, indicating that a weak organic acid could function as a cellulose hydrolysis catalyst. Biomass fibres in the form of wheat straw pulp were hydrolysed more selectively to glucose than a model component, microcrystalline cellulose, using formic acid. Glucose decomposition took place similarly in formic and sulphuric acid when the temperature dependence of the hydrogen ion concentration was taken into account, but a significant difference was found between the reaction rates of cellulose hydrolysis in formic acid and in sulphuric acid. The observations can be explained by changes in the cellulose hydrolysis mechanism. Thus, it is proposed in this thesis that side-reactions from cellulose to non-glucose compounds have a more significant role in the system than has earlier been understood. / Tiivistelmä Uusia menetelmiä etsitään kemikaalien, polttoaineiden ja energian valmistamiseen uusiutuvasta biomassasta. Eräs biomassa, ns. lignoselluloosa, koostuu pääasiassa selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Selluloosa ja hemiselluloosa voidaan muuttaa hydrolyysin avulla niiden rakennuspalikoikseen eli sokereiksi. Tämä väitöskirja keskittyy glukoosin tuottamiseen selluloosasta laimean happohydrolyysin menetelmällä. Happohydrolyysi kärsii rajoittuneesta glukoosin saannosta, mutta sillä on potentiaalia tulla lyhyen aikavälin ratkaisuksi biokemikaalien tuotannossa. Happohydrolyysin aikana selluloosaketju pilkkoutuu glukoosiksi, joka reagoi edelleen hajoamisreaktioiden kautta hydroksimetyylifurfuraaliksi, levuliini- ja muurahaishapoiksi ja kiinteäksi sivutuotteeksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on kasvattaa ymmärrystämme monimutkaisesta happokatalysoidusta selluloosan hydrolyysistä. Glukoosin hajoamista ja selluloosan hydrolyysiä tutkittiin erikseen laboratoriokokein. Kineettistä mallinnusta käytettiin työkaluna arvioimaan tuloksia. Vety-ionien vaikutus reaktioihin arvioitiin käyttämällä muurahais- ja rikkihappoja katalyytteinä. Tämä väitöskirja antaa uutta tietoa selluloosan hydrolyysistä ja glukoosin hajoamisreaktioista muurahaishapossa, joka on uusi katalyytti korkean lämpötilan laimean hapon hydrolyysissä. Glukoosisaannot muurahaishappo-hydrolysoidusta selluloosasta olivat vertailukelpoisia vastaaviin rikkihappo-hydrolyysi saantoihin. Tämä viittaa siihen, että heikko orgaaninen happo voisi toimia selluloosahydrolyysin katalyyttinä. Kun katalyyttinä käytettiin muurahaishappoa, vehnän oljesta tehdyt kuidut hydrolysoituivat selektiivisemmin glukoosiksi kuin mallikomponenttina toimineen mikrokiteisen selluloosan. Kun vetyionikonsentraation lämpötilariippuvuus otettiin huomioon, glukoosi hajosi samalla tavalla sekä muurahais- että rikkihappokatalyytissä, mutta merkittävä ero havaittiin selluloosahydrolyysin reaktionopeudessa. Havainnot voidaan selittää selluloosahydrolyysin mekanismissa tapahtuvilla muutoksilla. Väitöskirjassa esitetään, että sivureaktioilla selluloosasta ei-glukoosi-tuotteiksi on merkittävä vaikutus systeemiin.

Abstract Climate change and global warming are currently widely discussed topics, both of which potentially impact all the nations and industries. Carbon dioxide (CO2) and other green house gases (GHG) are seen as a major challenge. This doctoral dissertation aims to conduct techno-economic calculations on the possibilities of reducing the industrial use of fossil raw materials in Northern Finland. This doctoral dissertation analyses industrial CO2 emissions from five complementary perspectives: identifying significant potential industrial plants, analysing the replacement of fossil raw materials with wood biomass, considering combining different industrial sectors, the potential of biogas as industrial raw material, and estimating the economic significance of moisture in wood fuel. The study started by analysing all the relevant 262 regional environmental permits to find the significant industrial users of synthesis gas in the studied region. Processes used by each identified case were analysed carefully to identify the most potential change possibilities. Economic calculations were conducted for these cases using true production volumes. The aim was to reach solutions that were economically sound. Five industrial sites were identified as potential cases for replacing raw materials of synthesis gas or hydrogen with renewable alternatives. These sites include the Rautaruukki steel mill, Eka Chemicals’ hydrochloric acid plant, Kemira’s formic acid plant, Kemira’s hydrogen peroxide producing plant, and Talvivaara mining’s hydrogen plant. The main implications of this dissertation include providing tips for industrial managers, regional decision makers and legislators. Managers of companies with high energy consumption and/or high usage of fossil raw materials in their products can benefit from the results of this dissertation the most. Managers should conduct similar calculations, as in this study, by using exact figures relevant to their processes and raw materials. This doctoral dissertation also suggests finding new solutions for replacing fossil raw materials by combining two different industrial sectors, e.g. steel and chemical industries. Regional decision makers may utilise the calculations presented in this doctoral dissertation when developing regional strategies. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja globaali lämpeneminen ovat tällä hetkellä laajasti keskusteltuja aiheita, ja ne vaikuttavat kaikkiin maihin ja kaikkiin teollisuuden aloihin. Hiilidioksidi (CO2) ja muut kasvihuonekaasut nähdään suurena haasteena. Tämä väitöskirja pyrkii teknistaloudellisten laskelmien avulla tutkimaan mahdollisuuksia vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä Pohjois-Suomen alueella. Tämä väitöskirja analysoi teollisia CO2-päästöjä viidestä toisiaan täydentävästä näkökulmasta: identifioimalla merkittäviä teollisia tuotantolaitoksia, analysoimalla fossiilisten raaka-aineiden korvaamista puubiomassalla, tutkimalla erilaisten teollisten tuotantolaitosten yhdistämistä, tutkimalla biokaasun käyttöä mahdollisena teollisuuden raaka-aineena ja arvioimalla kosteuden taloudellista merkitystä puupolttoaineessa. Tutkimus alkoi analysoimalla kaikki alueen identifioidut 262 ympäristölupaa, jotta merkittävät synteesikaasun käyttäjät tulisivat esille. Jokaisen löydetyn tapauksen tuotantoprosessit analysoitiin huolellisesti, jotta potentiaalisimmat muutosmahdollisuudet huomioitaisiin. Teknistaloudellisia laskelmia tehtiin näille tapauksille käyttämällä todellisia tuotantolukuja. Tarkoituksena oli löytää taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja. Viisi teollista tuotantolaitosta identifioitiin tapauksiksi, joissa synteesikaasun tai vedyn raaka-aine voitaisiin korvata uusiutuvilla raaka-ainevaihtoehdoilla. Nämä tuotantolaitokset olivat Rautaruukin terästehdas, Eka Chemicalsin kloorivetyhapon tuotantolaitos, Kemiran muurahaishappotehdas, Kemiran vetyperoksiditehdas ja Talvivaaran kaivoksen vedyn tuotantolaitos. Tärkeimmät implikaatiot tästä väitöskirjatyöstä sisältävät pohdittavia ajatuksia teollisille toimijoille, alueellisille päätösten tekijöille ja lainsäätäjille. Korkean energian kulutuksen ja/tai suurten fossiilisten raaka-ainekäyttöjen yhtiöissä päätöksentekijät voivat hyödyntää parhaiten tämän väitöskirjan tuloksia. Päätöksentekijät voisivat käyttää esimerkkeinä tämän väitöskirjan laskelmia tehdessään omia analyyseja, jolloin heidän tulisi käyttää tarkkoja lukuja yritystensä prosesseista ja raaka-ainekäytöistä. Tämä väitöskirja ehdottaa myös etsimään uusia ratkaisuja fossiilisten raaka-aineiden korvaamisessa yhdistämällä tuotannollisesti erilaisia teollisia sektoreita esimerkiksi teräksen ja kemian tuotteiden valmistuksen. Alueelliset päätösten tekijät voivat hyödyntää väitöskirjassa esitettyjä laskelmia alueellisten strategioiden kehitystyössä.