Abstract The production of liquid transportation fuels such as bioethanol and more recently also biobutanol from renewable resources has received considerable attention. In the production of bio-based alcohols, the separation steps are expensive as the mixtures to be separated are dilute. As an energy-efficient separation technology, pervaporation is considered to be a potential process in biofuel purification. One of the main constraints in the commercialization of pervaporation has been low membrane fluxes, and the consequent high costs due to the high membrane area needed. In order to obtain high fluxes, the membranes should be as thin as possible. In this thesis, the performance of ultra-thin zeolite membranes in pervaporation was investigated. Binary ethanol/water and n-butanol/water mixtures were studied using both hydrophobic and hydrophilic zeolite membranes for alcohol concentration, as well as dehydration. The development of pervaporation membranes and processes has been mainly empirical. Process modeling, however, is an indispensable tool in process design. In this work, the pervaporation performance of the studied membranes was evaluated on the basis of experimental results in combination with mathematical modeling. Due to the low film thickness of the studied membranes, the fluxes were generally higher than reported earlier. Nevertheless, the evaluation in this work showed that the pervaporation performance of the ultra-thin membranes decreased due to flux limitation by membrane support. In this work, pervaporation was modeled by applying both a semi-empirical and a detailed Maxwell-Stefan based mass transfer model. The latter model considers explicitly both adsorption and diffusion, i.e. the phenomena involved in separation by pervaporation. The description of the support behavior was included in the models. Maxwell-Stefan formalism was applied in unary pervaporation for the determination of diffusivities in zeolite membranes. The models performed well within the range of experimental data. Additionally, a practical modeling approach was developed in this work to predict the temperature dependency of adsorption on zeolites. The developed approach can be utilized, e.g., in pervaporation modeling. Thus, this thesis provides knowledge of using ultra-thin zeolite membranes in the pervaporation of alcohol/water mixtures, and offers tools for pervaporation modeling. / Tiivistelmä Kiinnostus uusiutuvista raaka-aineista valmistettavia liikennepolttoaineita, kuten bioetanolia ja -butanolia, kohtaan lisääntyy koko ajan. Biopohjaisten alkoholien tuotannossa etenkin erotusvaiheet ovat kalliita, koska erotettavat liuokset ovat laimeita. Pervaporaatio on energiatehokas kalvoerotusmenetelmä ja sen vuoksi potentiaalinen osaprosessi biopolttoaineiden tuotantoon. Pervaporaation kaupallistamisen merkittävimpiä rajoitteita ovat olleet alhaiset ainevuot, jotka johtavat suureen kalvopinta-alan tarpeeseen ja näin ollen korkeisiin kustannuksiin. Korkean ainevuon saavuttamiseksi kalvojen tulisi olla mahdollisimman ohuita. Tässä väitöstyössä tutkittiin hyvin ohuiden zeoliittimembraanien suorituskykyä pervaporaatiossa. Kohteena olivat binääriset etanoli/vesi- ja n-butanoli/vesiseokset, joista väkevöitiin alkoholeja tai poistettiin vettä hydrofobisia ja hydrofiilisiä zeoliittimembraaneja käyttäen. Pervaporaatiossa käytettävien kalvojen ja pervaporaatiota hyödyntävien prosessien kehitystyö on ollut pääasiassa kokeellista. Prosessimallinnus on kuitenkin tärkeä työkalu prosessisuunnittelussa. Tässä työssä membraanien suorituskykyä pervaporaatiossa arvioitiin sekä kokeellisesti että mallinnuksen keinoin. Käytettyjen kalvojen ohuuden ansiosta tässä työssä saavutetut ainevuot olivat yleisesti ottaen korkeampia kuin aiemmin raportoiduilla membraaneilla. Ohuilla kalvoilla tukimateriaalin aiheuttama aineensiirron vastus oli kuitenkin merkittävä, alentaen membraanien suorituskykyä. Tässä työssä pervaporaatiota mallinnettiin käyttäen sekä puoliempiiristä että yksityiskohtaisempaa Maxwell-Stefan -pohjaista mallia. Jälkimmäisessä mallissa adsorptio ja diffuusio, eli ilmiöt joihin erotus pervaporaatiossa perustuu, otetaan eksplisiittisesti huomioon. Myös tukimateriaalin vaikutukset huomioitiin käytetyissä malleissa. Maxwell-Stefan -mallinnusta käytettiin puhtaiden komponenttien pervaporaatiossa zeoliittimembraanin diffuusiokertoimien määrittämiseksi. Käytettyjen mallien suorituskyky kokeellisella alueella oli hyvä. Tässä työssä kehitettiin lisäksi helppokäyttöinen menetelmä aineiden adsorptiokäyttäytymisen ennustamiseen zeoliiteissa eri lämpötiloissa. Kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää esimerkiksi pervaporaation mallinnuksessa. Kokonaisuudessaan väitöstyöstä saadaan tietoa ultraohuiden membraanien käytöstä pervaporaatiossa sekä työkaluja pervaporaation mallinnukseen.

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.