Mannans as film formers and emulsion stabilizers

Mannans are abundant plant polysaccharides found in the endosperm of certain leguminous seeds (guar gum galactomannan, GG; locust bean gum galactomannan, LBG), in the tuber of the konjac plant (konjac glucomannan, KGM), and in softwoods (galactoglucomannan, GGM). This study focused on the effects of the chemical structure of mannans on their film-forming and emulsion-stabilizing properties. Special focus was on spruce GGM, which is an interesting new product from forest biorefineries. A plasticizer was needed for the formation of films from mannans other than KGM and the optimal proportion was 40% (w/w of polymers) glycerol or sorbitol. Galactomannans with lower galactose content (LBG, modified GG) produced films with higher elongation at break and tensile strength. The mechanical properties of GG-based films were improved by decreasing the degree of polymerization of the polysaccharide with moderate mannanase treatments. The improvement of mechanical properties of GGM-based films was sought by blending GGM with each of poly(vinyl alcohol) (PVOH), corn arabinoxylan (cAX), and KGM. Adding other polymers increased the elongation at break of GGM blend films. The tensile strength of films increased with increasing amounts of PVOH and KGM, but the effect of cAX was the opposite. Dynamic mechanical analysis showed two separate loss modulus peaks for blends of GGM and PVOH, but a single peak for all other films. Optical and scanning electron microscopy confirmed good miscibility of GGM with cAX and KGM. In contrast, films blended from GGM and PVOH showed phase separation. GGM and KGM were mixed with cellulose nanowhiskers (CNW) to form composite films. Addition of CNW to KGM-based films induced the formation of fiberlike structures with lengths of several millimeters. In GGM-based films, rodlike structures with lengths of tens of micrometers were formed. Interestingly, the notable differences in the film structure did not appear to be related to the mechanical and thermal properties of the films. Permeability properties of GGM-based films were compared to those of films from commercial mannans KGM, GG, and LBG. GGM-based films had the lowest water vapor permeability when compared to films from other mannans. The oxygen permeability of GGM films was of the same magnitude as that of commercial polyethylene / ethylene vinyl alcohol / polyethylene laminate film. The aroma permeability of GGM films was low. All films were transparent in the visible region, but GGM films blocked the light transmission in the ultraviolet region of the spectra. The stabilizing effect of GGM on a model beverage emulsion system was studied and compared to that of GG, LBG, KGM, and cAX. In addition, GG was enzymatically modified in order to examine the effect of the degree of polymerization and the degree of substitution of galactomannans on emulsion stability. Use of GGM increased the turbidity of emulsions both immediately after preparation and after storage of up to 14 days at room temperature. GGM emulsions had higher turbidity than the emulsions containing other mannans. Increasing the storage temperature to +45 ºC led to rapid emulsion breakdown, but a decrease in storage temperature increased emulsion stability after 14 days. A low degree of polymerization and a high degree of substitution of the modified galactomannans were associated with a decrease in emulsion turbidity.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Koulun kestävän kehityksen työn merkitys kiinteistön jätehuollossa Case: Helsingin peruskoulujen jätekustannukset ja -määrät

Koulujen kestävän kehityksen työllä tarkoitetaan ekologiseen, taloudelliseen, sosiaaliseen ja kulttuuriseen kestävyyteen pohjautuvaa ympäristökasvatusta. Helsingissä peruskoulujen kestävän kehityksen työvälineet (ympäristökartoitukset ja – ohjelmat) ovat perustuneet koulujen ympäristöasioiden suunnitteluun, opetussuunnitelmien toteutumiseen ja ylläpitotoimintoihin, kuten jätehuoltoon. Opetusvirasto käytti vuosina 2005 ja 2009 ympäristötoiminnan arvioinnissa ympäristötasokuvauksia 1-3, joista arvosana 3 kuvaa ympäristöasioissa edistyneintä koulua. Tutkielman tavoitteena on tutkia ympäristötoiminnan tasojen perusteella ryhmiteltyjen peruskoulujen välisiä eroja jätekustannuksissa ja – määrissä (euroa/henkilö ja kg/henkilö) ja löytää mahdollisesti eroihin vaikuttavia tekijöitä. Tutkielman toimeksiantajana on 4V-Välitä, vaikuta, viihdy, voi hyvin – hanke, jonka yhtenä toiminnan osa-alueena on koulujen kestävän kehityksen työ. Tuloksista tullaan johtamaan tietoa Opetusviraston sekä muiden tahojen, kuten HSY:n ja Palmian ympäristötyöhön sekä Kiinteistöviraston Tilakeskuksen hallinnassa olevien koulukiinteistöjen jätehuollon kehittämiseen. Tutkimusaineistoina käytettiin Helsingin peruskoulujen vuoden 2009 jätekustannuksia ja tutkielman yhteydessä kerätyn jäteseurannan tuloksia vuodelta 2010. Jätekustannus- ja jätemääräaineistot yhdistettiin vuoden 2009 ympäristötoiminnan tasoluokitusten perusteella otokseksi (n=64). Lopullinen jätekustannus- ja jätemääräanalyysi tehtiin 29 koulun otoksella, josta oli rajattu pois kiinteistöt, joilla on koulun toiminnan lisäksi muita käyttötarkoituksia. Analyysiin sisällytettiin myös tarkempi tarkastelu koulujen seka- ja biojätejakeiden kustannuksista ja määristä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että eri ympäristötasoisten peruskoulujen välillä on huomattavia euro- ja kilomääräisiä eroja henkilöä kohden lasketuissa jätekustannuksissa ja –määrissä. Kokonaisjätemäärässä ei ole tapahtunut merkittävää muutosta tarkasteluvuosien välillä, mutta lajittelu näyttäisi kuitenkin tehostuneen. Tulosten perusteella ympäristöasioissa edistyneiden tason 3 koulujen keskimääräiset sekajätemäärät ja -kustannukset olivat pienimmät tasojen 1 ja 2 kouluihin verrattuna. Biojätemäärät ja –kustannukset olivat suurimmat tason 2 kouluissa. Jätekustannuksiin ja – määriin näyttäisivät vaikuttavan jäteastioiden määrien, kokojen ja tyhjennysrytmien optimointi sekä jäteastioiden täyttöasteet. Peruskoulujen tulisi keskittyä kestävän kehityksen työn avulla jätteiden synnyn ehkäisyyn ja vähentämiseen, jotta jätekustannuksetkin vähentyisivät jätehuollon kehittämistoimenpiteiden seurauksena.

Systems between information and knowledge : In a memory management model of an extended enterprise

The research question of this thesis was how knowledge can be managed with information systems. Information systems can support but not replace knowledge management. Systems can mainly store epistemic organisational knowledge included in content, and process data and information. Certain value can be achieved by adding communication technology to systems. All communication, however, can not be managed. A new layer between communication and manageable information was named as knowformation. Knowledge management literature was surveyed, together with information species from philosophy, physics, communication theory, and information system science. Positivism, post-positivism, and critical theory were studied, but knowformation in extended organisational memory seemed to be socially constructed. A memory management model of an extended enterprise (M3.exe) and knowformation concept were findings from iterative case studies, covering data, information and knowledge management systems. The cases varied from groups towards extended organisation. Systems were investigated, and administrators, users (knowledge workers) and managers interviewed. The model building required alternative sets of data, information and knowledge, instead of using the traditional pyramid. Also the explicit-tacit dichotomy was reconsidered. As human knowledge is the final aim of all data and information in the systems, the distinction between management of information vs. management of people was harmonised. Information systems were classified as the core of organisational memory. The content of the systems is in practice between communication and presentation. Firstly, the epistemic criterion of knowledge is not required neither in the knowledge management literature, nor from the content of the systems. Secondly, systems deal mostly with containers, and the knowledge management literature with applied knowledge. Also the construction of reality based on the system content and communication supports the knowformation concept. Knowformation belongs to memory management model of an extended enterprise (M3.exe) that is divided into horizontal and vertical key dimensions. Vertically, processes deal with content that can be managed, whereas communication can be supported, mainly by infrastructure. Horizontally, the right hand side of the model contains systems, and the left hand side content, which should be independent from each other. A strategy based on the model was defined.