Ziel der vorliegenden Arbeit war die Durchführung sowie die Untersuchung ausgewählter Verfahrenswege zur chemischen und thermischen Vernetzung von Polysacchariden und Proteinen aus nachwachsenden Rohstoffen. Darüber hinaus wurden Hypothesen zu den Anwendungsmöglichkeiten der untersuchten vernetzten Polymere erstellt. Hierfür wurden mit analytischen Methoden die physiko-chemischen sowie die technofunktionellen Eigenschaften der Rohstoffe und der vernetzten Biopolymeren untersucht. Verglichen wurden z.B. die IR-Spektren der Ausgangsmaterialien mit denen des vernetzten Biopolymers. Mittels Reaktivextrusion wurden Formkörper hergestellt, deren Eigenschaften durch den Einsatz von geeigneten Weichmachern beeinflusst werden können. Die Temperatur des Extruders sollte möglichst niedrig gehalten werden, d.h. geringer als 90 °C, um unerwünschte Bräunungsreaktionen zu vermeiden. Bei den chemischen Vernetzungen wurden fünf verschiedene Vernetzungsmittel eingesetzt: Glutaraldehyd, Maleinsäureanhydrid, Maleinsäurediethylester, Bernsteinsäureanhydrid und Methylendiphenyldiisocyanat. Die Proben aus der Vernetzung mit Glutaraldehyd weisen einen wasserbindenden Charakter auf und können beispielsweise Einsatz als Hydrogele finden. Die mit Diisocyanaten vernetzten Proben härten im Wasser und können als Füllmaterial Einsatz in der Bauindustrie finden. Aufgrund der starken Vernetzung sind die Proben unlöslich und für die meisten erfolgt der Zersetzungsprozess ab 200 °C. Im Sinne einer Werkstoffbeschreibung wurden alle Proben als Duroplaste eingestuft, da sie keine thermoplastische Eigenschaft aufweisen. Mit dieser Arbeit werden Grundlagen für die Erforschung von Verfahrenswegen für die chemische sowie für die thermische Vernetzung von Polysacchariden und Proteinen gelegt. Die gewonnenen Erkenntnisse können für weitere Arbeiten genutzt werden. / In the present work, the possibilities of conjugation or interactions between polysaccharides, especially hemicelluloses and proteins from different sources of renewable raw materials have been investigated. Sources of polysaccharides are oat spelts xylan and maize spindles. Proteins like acid casein from cow milk and cruciferin, a rapeseed protein isolate, from the canola plant have been used. For the chemical crosslinking, homo-bifunctional reagents (crosslinkers) like glutaraldehyde, maleic anhydride, maleic acid diethyl ester, succinic anhydride, and methylene diphenyl diisocyanate were used. These reagents can react with functional groups of the biopolymers- the hydroxyl groups in the hemicelluloses and amino groups in the proteins. For a thermolinked conjugation of the biopolymers, the reactive extrusion was used as mechanical technique. Both types of biopolymers were successfully blended in a mini-Extruder to form sticks. The plastics characteristics of the sticks could be influenced by the addition of suitable softeners. The extrusion temperature must be kept as low as possible, to avoid the appearance of unwanted brown reactions. To investigate the conjugation of the polysaccharides with casein or cruciferin, the IR spectra of the raw materials with those of the crosslinked biopolymers were compared. Application possibilities of the resulted crosslinked biopolymers have been proposed. Most of the samples are insoluble due to the strong networking after the crosslinking reactions. Their thermal decomposition starts at temperatures around 200 °C. All the samples have been classified as duroplasts since they do not exhibit a thermoplastic characteristic. The work complements basic research about chemical and thermal conjugation between polysaccharides and proteins from renewable raw materials.

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.