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.

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.