Towards a comprehensive model for cooking processes

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Tämän työn tavoitteena oli kehittää matemaattinen malli kuvaamaan keiton aikana tapahtuvaa puun ligniinin ja hiilihydraattien hajoamista sekä hajoamisnopeuksien riippuvuutta keittolämpötilasta ja keittokemikaalien konsentraatioista. Sulfaattimenetelmä ja kuumavesiuutto olivat tutkimuksen kohteina. Sulfaattikeiton tapauksessa olemassa olevia ligniinin hajoamisen kineettisiä malleja sovitettiin sekä lehtipuu- että havupuukeitoista saatuun kokeelliseen dataan. Koska keittoja oli suoritettu eri lämpötiloilla, oli mahdollista arvioida malliin liittyvien reaktioiden aktivointienergiat. Saatavilla olevan datan tapauksessa malli, jossa oli kaksi eri reaktionopeudet omaavaa ligniinin lajia, osoittautui riittäväksi kuvaamaan tyydyttävästi havaittua ligniinin määrän vähenemistä. Tämän lisäksi kaksi eri tapaa lisätä mallin todenmukaisuutta otettiin käyttöön. Ensinnäkin Donnanin teoria, jonka avulla voidaan laskea kemikaalien konsentraatiot siinä kohdin missä varsinainen reaktio tapahtuu, liitettiin malliin. Toiseksi mallin reaktiokertoimet laskettiin käyttäen kuumennus-ja jäähdytysaikajaksojen todellisia lämpötiloja laskuja yksinkertaistavaan isotermiseen aikaan liittyvän kuvitteellisen vakiolämpötilan asemesta. Lisäksi vahvistettiin sooda-AQ keitosta tutun ligniinimäärän käänteisarvon ja antrakinonimäärän neliöjuuren välisen riippuvuuden pätevyys myös sulfaattikeiton tapauksessa. Hiilihydraattien hajoamiselle sulfaattikeitossa kehitettiin polymeeriketjujen reunayksikköihin kohdistuviin reaktioihin (peeling, stopping, alkaline hydrolysis) perustuva malli. Malli sopi hyvin yhteen kaikkien kolmen puun tärkeimpien hiilihydraattien selluloosan, glukomannaanin ja ksylaanin kokeellisten saantoarvojen kanssa. Mallin eri reaktioiden kautta hajoavan materiaalin osuus laskettiin sovituksista saatujen parametriestimaattien avulla. Tämän lisäksi vertailtiin polymeerien liukenemisen merkitys suhteessa polymeeriketjujen reunayksikköihin kohdistuvien reaktioiden merkitykseen; glukomannaanin ja selluloosan tapauksessa päätyreaktiot hävittävät enemmän ainetta kun liukeneminen, kun taas ksylaanin tapauksessa tilanne on käänteinen. Hiilihydraattien saantohävikin malli yhdistettiin myös polymerisaatioasteen vähenemistä kuvaavaan malliin. Mainittujen kahden mallien samanaikainen sovitus vahvisti kineettisten parametrien estimaatit. Kuumavesiuutolle kehitettiin ligniinin, ksylaanin ja glukaanin hajoamisen reaktiokaaviot ja niihin liittyvät kineettiset mallit sovitettiin dataan tuloksena kineettisten parametrien estimaatit. Kineettiset mallit yhdistettynä diffuusioyhtälön kanssa mahdollistivat keiton simulointiohjelman hakepalasen tasolla. Lisäksi kineettiset mallit yhdessä hakepedin läpi kulkevan keittonesteen virtauksen kuvaavan Ergunin yhtälön kanssa johtivat ligniinin ja hiilihydraattien hajoamisen reaktoritason simulointiohjelmaan.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösKeittoprosessien kattavan mallin kehittäminen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-6611-0
Sähköinen ISBN978-952-60-6612-7
TilaJulkaistu - 2015
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • mallintaminen, reaktiokinetiikka, sulfaattimenetelmä, autohydrolyysi mallintaminen, autohydrolyysi, ligniini, selluloosa, hemiselluloosa, saanto, polymerisaatioaste, diffuusio, Ergunin yhtälö

ID: 18285878