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 The amount of information available has increased due to the development of our modern digital society. This has caused an information overflow, meaning that there is lot of data available but the meaningful information or knowledge is hidden inside the overwhelming data smog. Nevertheless, the large amount of data together with the increased capabilities of computers provides a great opportunity to learn the behaviour of different kinds of phenomena at a more detailed level. The quality of life, well-being and a healthy living environment, for example, are fields where new information services can assist the creation of proactive decisions to avoid environmental problems caused by industrial activity, traffic, or extraordinary weather conditions. The combination of data coming from different sources such as public registers, companies’ operational information systems, online sensors and process monitoring systems provides a fruitful basis for creating new valuable information for citizens, decision makers or other end users. The aim of this thesis is to present the concept of intelligent information services and a methodological background in order to add intelligence using computational methods for the enrichment of multidimensional data. Moreover, novel examples are presented where new significant information is created and then provided for end users. The data refining process used is called data mining and contains methods for data collection, pre-processing, modelling, visualizing and interpreting the results and sharing the new information thus created. Information systems are a base for the creation of information services, meaning that stakeholder groups have access only to information but they do not own the whole information system that contains measurement systems, data collecting, and a technological platform. Intelligence in information services comes from the use of computational intelligent methods in data processing, modelling and visualization. In this thesis the general concept of such services is presented and concretized using five cases that focus on environmental and industrial examples. The results of these case studies show that the combination of different data sources provides fertile ground for developing new information services. The data mining methods used such as clustering and predictive modelling together with effective pre-processing methods have great potential to handle the large amount of multivariate data in this environmental context also. A self-organizing map combined with k-means clustering is useful for creating more detailed information about personal energy use. Predictive modelling using a multilayer perceptron (MLP) is well suited for estimating the number of tourists visiting a leisure centre and to find the correspondence between pulp process characteristics and the chemicals used. These results have many indirect effects on reducing negative concerns regarding our surroundings and maintaining a healthy living environment. The innovative use of stored data is one of the main elements in the creation of future information services. Thus, more emphasis should be placed on the development of data integration and effective data processing methods. Furthermore, it is noted that final end users, such as citizens or decision makers, should be involved in the data refining process at the very first stage. In this way, the approach is truly customer-oriented and the results fulfil the concrete need of specific end users. / Tiivistelmä Informaation määrä on kasvanut merkittävästi tietoyhteiskunnan kehittymisen myötä. Käytössämme onkin huomattava määrä erimuotoista tietoa, josta voimme hyödyntää kuitenkin vain osan. Jatkuvasti mitattavan datan suuri määrä ja sijoittuminen hajalleen asettavat osaltaan haasteita tiedon hyödyntämiselle. Tietoyhteiskunnassa hyvinvointi ja terveellisen elinympäristön säilyminen koetaan aiempaa tärkeämmäksi. Toisaalta yritysten toiminnan tehostaminen ja kestävän kehityksen edistäminen vaativat jatkuvaa parantamista. Informaatioteknologian avulla moniulotteista mittaus- ja rekisteritietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi ennakoivaan päätöksentekoon jolla voidaan edistää edellä mainittuja tavoitteita. Tässä työssä on esitetty ympäristöalan älykkäiden informaatiopalveluiden konsepti, jossa oleellista on loppukäyttäjien tarpeiden tunnistaminen ja ongelmien ratkaiseminen jalostetun informaation avulla. Älykkäiden informaatiopalvelujen taustalla on yhtenäinen tiedonlouhintaan perustuva tiedonjalostusprosessi, jossa raakatieto jalostetaan loppukäyttäjille soveltuvaan muotoon. Tiedonjalostusprosessi koostuu datan keräämisestä ja esikäsittelystä, mallintamisesta, tiedon visualisoinnista, tulosten tulkitsemisesta sekä oleellisen tiedon jakamisesta loppukäyttäjäryhmille. Datan käsittelyyn ja analysointiin on käytetty laskennallisesti älykkäitä menetelmiä, josta juontuu työn otsikko; älykkäät informaatiopalvelut. Väitöskirja pohjautuu viiteen artikkeliin, joissa osoitetaan tiedonjalostusprosessin toimivuus erilaisissa tapauksissa ja esitetään esimerkkejä kuhunkin prosessin vaiheeseen soveltuvista laskennallisista menetelmistä. Artikkeleissa on kuvattu matkailualueen kävijämäärien ennakointiin ja kotitalouksien sähköenergian kulutuksen pienentämiseen liittyvät informaatiopalvelut sekä analyysi selluprosessissa käytettävien kemikaalien määrän pienentämiseksi. Näistä saadut kokemukset ja tulokset on yleistetty älykkään informaatiopalvelun konseptiksi. Väitöskirjan toisena tavoitteena on rohkaista organisaatioita hyödyntämään tietovarantoja aiempaa tehokkaammin ja monipuolisemmin sekä rohkaista tarkastelemaan myös oman organisaation ulkopuolelta saatavien tietolähteiden käyttämistä. Toisaalta, uudenlaisten informaatiopalvelujen ja liiketoimintojen kehittämistä tukisi julkisilla varoilla kerättyjen, ja osin yritysten hallussa olevien, tietovarantojen julkaiseminen avoimiksi.

Abstract This study focused on web forming at a 5–10% consistency range, termed Ultra High Consistency (UHC). The study continued work done by Gullichsen with his research groups (1981–2007) and combined it with the HC forming research done by Valmet (HC, 1999–2004). The hypothesis was that by utilizing a rotor to fluidize suspension and a wedge to eliminate the free jet and thus prevent reflocculation, web forming at UHC is feasible at commercial speeds. The research method was experimental. The bulk of the research was conducted at pilot scale. A new UHC headbox was designed and mounted on a pilot former. The key elements of the headbox are the rotor and the wedge. As fluidization forms the base for UHC forming, this was evaluated at the pilot former using image analysis. In addition, fluidization was studied using a laboratory-scale device. Besides basic paper analysis, X-ray microtomography and sheet splitting methods were utilized to analyze the sheet structure. The results show that forming is possible within the focus area, 5–10% consistency and machine speeds of 150–600 m/min, although the operation potential of the UHC former is even wider. The results demonstrate that the wedge is needed for successful UHC forming, but the rotor is not required, providing the flow rate is sufficiently high. This indicates that various forces induced by the flow itself can be adequate to fluidize suspension for forming. The critical Reynolds number of full fluidization was found to be 200–250. The Reynolds numbers were estimated utilizing the linear dependencies found between the apparent viscosity and consistency, using the maximum mean flow velocities inside the headbox, and neglecting the possible rotation of the rotor. The corresponding critical flow velocities at 10% consistency are 12 and 19 m/s for a eucalyptus and pine pulp. The velocities are on average 70 and 60% lower than those given in the literature (40–50 m/s). The results reveal that the fiber orientation of UHC sheets is planar, the floc size of the web increases with consistency, the internal bond increases linearly with the floc size, and the tensile strength appears to decrease with increasing floc size. In consequence, it is postulated that the increase in the out-of-plane strength at the expense of in-plane strength with the consistency increase results from a more flocculated structure. / Tiivistelmä Tutkimus keskittyi rainanmuodostukseen 5–10 % sakeudessa. Sakeusalue nimitettiin ultra korkeaksi (lyhenne UHC). Tämä työ jatkoi Gullichsenin ja hänen tutkimusryhmiensä tutkimustyötä (1981–2007) ja samalla yhdisti sen Valmetin tekemään suursakeusrainaustutkimukseen (HC, 1994–2004). Työn hypoteesina oli, että käyttämällä roottoria massan fluidisoimiseen sekä ns. wedgeä eliminoimaan vapaa suihku ja estämään jälleenflokkaantuminen, rainanmuodostus UHC-sakeudessa on mahdollista kaupallisissa nopeuksissa. Tutkimusmetodi oli kokeellinen. Pääosa tutkimuksesta suoritettiin koekonemittakaavassa. Uusi UHC-perälaatikko suunniteltiin ja asennettiin koeformeille. Perälaatikon pääelementit ovat pyörivä roottori ja wedge. Koska fluidisointi muodostaa UHC-rainauksen perustan, fluidisointia evaluoitiin koekoneella käyttäen kuva-analyysiä sekä tutkittiin lisäksi käyttäen röntgenmikrotomografia ja arkin halkaisu -metodeja. Tulokset osoittavat, että rainaaminen on mahdollista määritellyllä fokusalueella, 5–10 %sakeudessa ja konenopeudella150–600 m/min, joskin UHC-formerin toimintapotentiaali on vieläkin laajempi. Tulokset osoittavat, että wedge tarvitaan onnistuneeseen UHC-muodostamiseen, mutta roottoria ei tarvita, mikäli virtausnopeus on riittävän suuri. Tämä tarkoittaa, että virtauksen aikaansaamat voimat voivat itsessään olla riittäviä massan fluidisoimiseksi rainaamista varten. Täyden fluidisaation kriittisen Reynoldsin luvun havaittiin olevan välillä 200–250. Reynoldsin luvut arvioitiin käyttäen löydettyjä viskositeetin ja sakeuden välisiä lineaarisia riippuvuuksia, päävirtauksen maksiminopeuksia perälaatikossa ja jättäen huomioon ottamatta mahdollinen roottorin pyöriminen. Reynoldsin lukuja vastaavat kriittiset virtausnopeudet 10 % sakeudessa ovat eukalyptus- ja mäntymassalla 12 ja 19 m/s. Nopeudet ovat keskimäärin 70 ja 60 % pienempiä kuin kirjallisuudessa annetut (40–50 m/s). Tulokset osoittavat, että UHC-arkeissa kuituorientaatio on tasomainen, rainan flokkikoko kasvaa sakeuden kasvaessa, palstautumislujuus kasvaa lineaarisesti flokkikoon kanssa ja vetolujuus näyttäisi laskevan flokkikoon kasvaessa. Näin ollen esitetään, että sakeuden kasvaessa tapahtuva palstautumislujuuden kasvu tasolujuuksien kustannuksella johtuu flokkaantuneemmasta rakenteesta.