University of Oulu

Boosting the usefulness of hybrid aspen : from tailored biomass to a versatile feedstock for use in the chemical industry

Saved in:
Author: Korkalo, Pasi1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Chemistry, Sustainable Chemistry (SusChem)
3Natural Resources Institute Finland
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526236230
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2023
Publish Date: 2023-03-27
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Science Centre Pilke (Ounasjoentie 6), Rovaniemi, on 3 April 2023, at 12 noon
Tutor: Professor Ulla Lassi
Docent Tuula Jyske
Doctor Kimmo Rasa
Reviewer: Professor Tapani Vuorinen
Doctor Sauro Bianchi
Opponent: Professor Raimo Alén
Description:

Abstract

The hybrid aspen tree (Populus tremula L. × P. tremuloides Michx.) is a fast-growing tree species with the potential to produce biomass in an enhanced manner for industrial needs. Research has shown that by breeding hybrid aspen clones, tree properties (e.g., growth ability, resistance to disease, energy density and cellulosic pulp properties) can be influenced. However, there is a gap in the research on how clonal breeding affects the chemical composition of bark and whether this information can be used in the production of added value according to the cascading use principle.

In this dissertation, chemical determinations were used to calculate variations in the chemical composition of the barks of different clonal trees and to evaluate the possibilities of clonal selection to produce added value to the bark. The results were also used to select the highest potential bark biomass for cascade use studies. Cascade use was investigated by linking the methods of extraction of bark and the torrefaction of extraction residue. The added value of the extract was evaluated experimentally by producing rigid foam and activated carbon. Applicability of pyroligneous acid was tested in herbicidal and fungicidal applications.

This current study produced three key results: 1) clonal variation in the chemical composition of bark indicated that bark quality varies between clone types, and this has an impact on the added-value potential of bark-derived raw material, 2) by using hot water extraction, it is possible to separate an extract suitable as a precursor for producing rigid foam and activated carbon, and 3) hemicellulose of hybrid aspen bark can be converted into herbicidal and fungicidal active pyroligneous acid by torrefaction.

In summary, clone selection can affect the bark quality of hybrid aspen in a situation in which bark pulp is collected from trees grown in certain growth areas. This information has value when the goal is to produce added value for hybrid aspen in the chemical industry via the cascading use of bark.

see all

Tiivistelmä

Hybridihaapa (Populus tremula L. × P. tremuloides Michx.) on nopeasti kasvava puulaji, josta on mahdollista muodostaa tehostetusti biomassaa teollisuuden raaka-aineeksi. Hybridihaapakloonien jalostuksella tiedetään olevan vaikutusta puun ominaisuuksiin, kuten kasvukykyyn, taudinkestävyyteen, energiatiheyteen ja selluloosamassan latuun. Ei ole kuitenkaan tutkittu sitä, miten kloonijalostus vaikuttaa puun kuoren kemialliseen koostumukseen, ja voidaanko koostumuksellisia kloonivariaatioita hyödyntää kuoren käyttöarvon parannuksessa noudattaessa biojalostuksen kaskadikäyttöperiaatteita.

Tässä väitöskirjassa määritetään erilaisten kloonipuiden kuorien koostumuksellisia vaihteluja ja arvioidaan kloonityyppien valinnan tuomia mahdollisuuksia tuottaa kuorelle uutta käyttöarvoa. Kloonivaihtelujen perusteella valitaan kiinnostavin kuorimassa biojalostustutkimuksiin, jonka jälkeen kuoren hyödyntämistä tarkastellaan ketjuttamalla kuoriuutteiden erotusmenetelmät sekä kuoren uuttojäännöksen termokemiallinen konversio, torrefiointi. Kuoriuutteen käyttöarvoa selvitetään valmistamalla uutteista hiilivaahtoa ja aktiivihiiltä, sekä tutkimalla torrefikaatiolla tuotettavan konversiotisleen käyttöä rikkakasvien ja sienitautien torjunta-ainekemikaalina.

Tutkimuksen keskeisimmät tulokset ovat: 1) kuoren koostumuksellinen laatu vaihtelee kloonityypeittäin, ja tällä arvioidaan olevan merkitystä arvopotentiaaliin, 2) kuoriuute soveltuu hiilivaahdon ja aktiivihiilen valmistukseen, ja 3) kuoren uuttojäännöksen konversiotisleellä on herbisidi- ja fungisidiaktiivisuutta.

Yhteenvetona todetaan, että kloonivalinnalla voidaan vaikuttaa hybridihaapapuun kuoren koostumukselliseen laatuun tilanteessa, jossa kuorimassa kerätään tietyllä kasvualueella kasvaneista kloonipuista. Tuloksilla nähdään olevan arvoa, kun tavoitteena on tuottaa kuoribiomassalle lisäarvoa kemianteollisuuden käyttöön ketjuttamalla menetelmiä kaskadikäyttöperiaatteen mukaisesti.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Korkalo, P., Korpinen, R., Beuker, E., Sarjala, T., Hellström, J., Kaseva, J., Lassi, U., & Jyske, T. (2020). Clonal variation in the bark chemical properties of hybrid aspen: Potential for added value chemicals. Molecules, 25(19), 4403. https://doi.org/10.3390/molecules25194403

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Korkalo, P., Hagner, M., Jänis, J., Mäkinen, M., Kaseva, J., Lassi, U., Rasa, K., & Jyske, T. (2022). Pyroligneous acids of differently pretreated hybrid aspen biomass: Herbicide and fungicide performance. Frontiers in Chemistry, 9, 821806. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.821806

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Korkalo, P., Varila, T., Brännström, H., Hellström, J., Jyske, T., & Lassi, U. (2022). Applicability of hybrid aspen (Populus tremula L. × P. tremuloides Michx.) bark extract as a precursor of rigid carbon foam and activated carbon. Manuscript in preparation.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-3623-0
ISBN Print: 978-952-62-3622-3
Issue: 783
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 116 Chemical sciences
Subjects:
Funding: I would like to express my gratitude to the Finnish Natural Resources Research Foundation for the generous financial support.
Copyright information: © University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.