Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Effect of antifoams on oxygen mass transfer in pulp and paper mill effluents

Vaahdonestoaineiden haitallinen vaikutus hapen liukenemisnopeuteen biologisen puhdistamon jätevesissä on yleisesti tunnettua. Aineiden eri vaikutusmekanismien takia on silti vaikea etukäteen arvioida, miten ja kuinka paljon aineensiirto muuttuu. Työn tavoitteena oli saada tietoa vaahdonestoaineiden ja muiden pinta-aktiivisten aineiden vaikutuksesta kuplakokoon, kaasun tilavuusosuuteen ja kaasu-neste aineensiirtoon. Työn teoriaosassa on kuvailtu vaahdon muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri vaahdonestoaineiden vaikutusmekanismeja sellu- ja paperitehtaan jätevedessä. Edelleen on esitetty useita hapen siirtoa estäviä ja parantavia aineita. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenkymmenenviiden eri pinta-aktiivisen aineen vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen yksivaiheisessa kuplakolonnissa. Kokeet tehtiin kahdella pitoisuudella, kahdella eri kaasunjakolaitteella ja kolmella eri kaasun tyhjäputkinopeudella. Aineensiirtokokeiden rinnalla tutkittiin jätevesien laatu- ja fysikaalisiaominaisuuksia, niiden vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen sekä testattavien koeaineiden vaikutusta fysikaalisin ominaisuuksiin. Kokeet osoittavat että pinta-aktiivisten aineiden vaikutus hapen aineensiirtoon vaihtelee riippuen kaasunjakolaitteesta ja aineen pitoisuuksista. Testatuista vaahdonestonaineista pienin negatiivinen vaikutus oli aineella AT 35 ja positiivinen vaikutustodettiin olevan vaahdonestoaineiden komponenteilla: P2, S1, F4 ja T9.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.

Oxygen Photoreduction in Cyanobacteria

Cyanobacteria are well-known for their role in the global production of O2 via photosynthetic water oxidation. However, with the use of light energy, cyanobacteria can also reduce O2. In my thesis work, I have investigated the impact of O2 photoreduction on protection of the photosynthetic apparatus as well as the N2-fixing machinery. Photosynthetic light reactions produce intermediate radicals and reduced electron carriers, which can easily react with O2 to generate various reactive oxygen species. To avoid prolonged reduction of photosynthetic components, cyanobacteria use “electron valves” that dissipate excess electrons from the photosynthetic electron transfer chain in a harmless way. In Synechocystis sp. PCC 6803, flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 comprise a powerful electron sink redirecting electrons from the acceptor side of Photosystem I to O2 and reducing it directly to water. In this work, I demonstrate that upon Ci-depletion Flv1/3 can dissipate up to 60% of the electrons delivered from Photosystem II. O2 photoreduction by Flv1/3 was shown to be vital for cyanobacteria in natural aquatic environments and deletion of Flv1/3 was lethal for both Synechocystis sp. PCC 6803 and Anabaena sp. PCC 7120 under fluctuating light conditions. The lethal phenotype observed in the absence of Flv1/3 results from oxidative damage to Photosystem I, which appeared to be a primary target of reactive oxygen species produced upon sudden increases in light intensity. Importantly, cyanobacteria also possess other O2 photoreduction pathways which can protect the photosynthetic apparatus. This study demonstrates that respiratory terminal oxidases are also capable of initiating O2 photoreduction in mutant cells lacking the Flv1/3 proteins and grown under fluctuating light. Photoreduction of O2 by Rubisco was also shown in Ci-depleted cells of the mutants lacking Flv1/3, and thus provided the first evidence for active photorespiratory gas-exchange in cyanobacteria. Nevertheless, and despite the existence of other O2 photoreduction pathways, the Flv1/3 route appears to be the most robust and rapid system of photoprotection. Several groups of cyanobacteria are capable of N2 fixation. Filamentous heterocystous N2- fixing species, such as Anabaena sp. PCC 7120, are able to differentiate specialised cells called heterocysts for this purpose. In contrast to vegetative cells which perform oxygenic photosynthesis, heterocysts maintain a microoxic environment for the proper function of the nitrogenase enzyme, which is extremely sensitive to O2. The genome of Anabaena sp. PCC 7120 harbors two copies of genes encoding Flv1 and Flv3 proteins, designated as “A” and “B” forms. In this thesis work, I demonstrate that Flv1A and Flv3A are expressed only in the vegetative cells of filaments, whilst Flv1B and Flv3B are localized exclusively in heterocysts. I further revealed that the Flv3B protein is most responsible for the photoreduction of O2 in heterocysts, and that this reaction plays an important role in protection of the N2-fixing machinery and thus, the provision of filaments with fixed nitrogen. The function of the Flv1B protein remains to be elucidated; however the involvement of this protein in electron transfer reactions is feasible. Evidence provided in this thesis indicates the presence of a great diversity of O2 photoreduction reactions in cyanobacterial cells. These reactions appear to be crucial for the photoprotection of both photosynthesis and N2 fixation processes in an oxygenic environment.

Monooxygenase Diversity and Oxygen Activation within Polyketide Antibiotic Biosynthesis

Molecular oxygen (O2) is a key component in cellular respiration and aerobic life. Through the redox potential of O2, the amount of free energy available to organisms that utilize it is greatly increased. Yet, due to the nature of the O2 electron configuration, it is non-reactive to most organic molecules in the ground state. For O2 to react with most organic compounds it must be activated. By activating O2, oxygenases can catalyze reactions involving oxygen incorporation into organic compounds. The oxygen activation mechanisms employed by many oxygenases to have been studied, and they often include transition metals and selected organic compounds. Despite the diversity of mechanisms for O2 activation explored in this thesis, all of the monooxygenases studied in the experimental part activate O2 through a transient carbanion intermediate. One of these enzymes is the small cofactorless monooxygenase SnoaB. Cofactorless monooxygenases are unusual oxygenases that require neither transition metals nor cofactors to activate oxygen. Based on our biochemical characterization and the crystal structure of this enzyme, the mechanism most likely employed by SnoaB relies on a carbanion intermediate to activate oxygen, which is consistent with the proposed substrate-assisted mechanism for this family of enzymes. From the studies conducted on the two-component system AlnT and AlnH, both the functions of the NADH-dependent flavin reductase, AlnH, and the reduced flavin dependent monooxygenase, AlnT, were confirmed. The unusual regiochemistry proposed for AlnT was also confirmed on the basis of the structure of a reaction product. The mechanism of AlnT, as with other flavin-dependent monooxygenases, is likely to involve a caged radical pair consisting of a superoxide anion and a neutral flavin radical formed from an initial carbanion intermediate. In the studies concerning the engineering of the S-adenosyl-L-methionine (SAM) dependent 4-O-methylase DnrK and the homologous atypical 10-hydroxylase RdmB, our data suggest that an initial decarboxylation of the substrate is catalyzed by both of these enzymes, which results in the generation of a carbanion intermediate. This intermediate is not essential for the 4-O-methylation reaction, but it is important for the 10-hydroxylation reaction, since it enables substrate-assisted activation of molecular oxygen involving a single electron transfer to O2 from a carbanion intermediate. The only role for SAM in the hydroxylation reaction is likely to be stabilization of the carbanion through the positive charge of the cofactor. Based on the DnrK variant crystal structure and the characterizations of several DnrK variants, the insertion of a single amino acid in DnrK (S297) is sufficient for gaining a hydroxylation function, which is likely caused by carbanion stabilization through active site solvent restriction. Despite large differences in the three-dimensional structures of the oxygenases and the potential for multiple oxygen activation mechanisms, all the enzymes in my studies rely on carbanion intermediates to activate oxygen from either flavins or their substrates. This thesis provides interesting examples of divergent evolution and the prevalence of carbanion intermediates within polyketide biosynthesis. This mechanism appears to be recurrent in aromatic polyketide biosynthesis and may reflect the acidic nature of these compounds, propensity towards hydrogen bonding and their ability to delocalize π-electrons.

Photodamage to Oxygen Evolving Complex - An Initial Event in Photoinhibition of Photosystem II.

Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis is susceptible to photoinhibition. Photoinhibition is defined as light induced damage resulting in turnover of the D1 protein subunit of the reaction center of PSII. Both visible and ultraviolet (UV) light cause photoinhibition. Photoinhibition induced by UV light damages the oxygen evolving complex (OEC) via absorption of UV photons by the Mn ion(s) of OEC. Under visible light, most of the earlier hypotheses assume that photoinhibition occurs when the rate of photon absorption by PSII antenna exceeds the use of the absorbed energy in photosynthesis. However, photoinhibition occurs at all light intensities with the same efficiency per photon. The aim of my thesis work was to build a model of photoinhibition that fits the experimental features of photoinhibition. I studied the role of electron transfer reactions of PSII in photoinhibition and found that changing the electron transfer rate had only minor influence on photoinhibition if light intensity was kept constant. Furthermore, quenching of antenna excitations protected less efficiently than it would protect if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. To identify photoreceptors of photoinhibition, I measured the action spectrum of photoinhibition. The action spectrum showed resemblance to the absorption spectra of Mn model compounds suggesting that the Mn cluster of OEC acts as a photoreceptor of photoinhibition under visible light, too. The role of Mn in photoinhibition was further supported by experiments showing that during photoinhibition OEC is damaged before electron transfer activity at the acceptor side of PSII is lost. Mn enzymes were found to be photosensitive under visible and UV light indicating that Mn-containing compounds, including OEC, are capable of functioning as photosensitizers both in visible and UV light. The experimental results above led to the Mn hypothesis of the mechanism of continuous-light-induced photoinhibition. According to the Mn hypothesis, excitation of Mn of OEC results in inhibition of electron donation from OEC to the oxidized primary donor P680+ both under UV and visible light. P680 is oxidized by photons absorbed by chlorophyll, and if not reduced by OEC, P680+ may cause harmful oxidation of other PSII components. Photoinhibition was also induced with intense laser pulses and it was found that the photoinhibitory efficiency increased in proportion to the square of pulse intensity suggesting that laser-pulse-induced photoinhibition is a two-photon reaction. I further developed the Mn hypothesis suggesting that the initial event in photoinhibition under both continuous and pulsed light is the same: Mn excitation that leads to the inhibition of electron donation from OEC to P680+. Under laser-pulse-illumination, another Mn-mediated inhibitory photoreaction occurs within the duration of the same pulse, whereas under continuous light, secondary damage is chlorophyll mediated. A mathematical model based on the Mn hypothesis was found to explain photoinhibition under continuous light, under flash illumination and under the combination of these two.

Responses of soil respiration and barley growth to modified supply of oxygen in the soil

Selostus: Maan hengityksen ja ohran kasvun reagointi hapensaannin muutoksiin maassa

Flotaatio jätevedenpuhdistamon tertiäärivaiheena eräässä paperitehtaassa

Työn tavoitteena oli selvittää, kuinka tehokkaasti pystytään aktiivilieteprosessin läpikäynyttä, jälkiselkeytettyä vettä edelleen puhdistamaan flotaatiolla ennen sen johtamista vesistöön. Tarkoituksena oli löytää sellaiset kemikaalit ja näiden annokset, joilla tehtaalle asetetut jätevesien lupa-arvot voitaisiin huonossa tilanteessa, jätevesikuormitushuippujen aikana alittamaan. Työn kirjallisessaosassa tarkasteltiin lyhyesti, minkälaista jätevesikuormaa mekaanista massaa valmistavalta tehtaalta yleensä syntyy ja millaiset ovat tavanomaiset puhdistusmenetelmät. Myös flotaation teoriaa esiteltiin. Kokeellinen osa koostui kolmesta päävaiheesta: esi- eli niin sanotuista kuppikokeista, pilot-flotaatiokoeajoista jalaitosmittakaavan flotaatiokoeajoista. Esikokeet tehtiin niin kutsutulla Jar Test -laitteistolla ja pilot-flotaatiolaitteistona työssä käytettiin YIT:n valmistamaa pilot-flotaattoria. Laitosmittakaavan flotaatioaltaat olivat aikaisemmin biolietteen tiivistykseen käytettyjä, myöhemmin tertiääripuhdistukseen modifioituja flotaatioaltaita. Laitosmittakaavan flotaatiokoeajoissa testattiin neljän eri saostuskemikaalin ¿ polyalumiinikloridin (KEMPAC 18), rautapitoisen alumiinisulfaatin (AVR), ferrisulfaatin ja alumiinisulfaatin ¿ tehokkuutta tertiäärivaiheessa käsiteltävän veden puhdistajana. Esi- ja pilot-kokeiden perusteella laitosmittakaavan kokeisiin valittiin saostuskemikaalien rinnalle polymeeriksi Superfloc C 491. AVR- ja alumiinisulfaattiannokset laitosmittakaavan kokeissa olivat 200 ppm ja 400 ppm. KEMPAC 18- ja ferrisulfaattiannokset olivat 200ppm, 400 ppm ja 600 ppm. Polymeeriannos kokeissa oli pääasiassa 1,2 ppm. Tertiäärivaiheeseen tulevasta vedestä ja poistuvasta kirkasteesta määritettiin kiintoaine, pH, liukoinen ja kokonais-COD, liukoinen ja kokonaisfosfori sekä liukoinen ja kokonaistyppi. Laitosmittakaavan koeajojen tulosten mukaan eniten tertiäärivaiheessa saatiin käsiteltävästä vedestä erotettua fosforia ja toiseksi eniten COD:ta. Typpireduktiot olivat verrattain alhaiset ja myös kiintoainereduktiot jäivät usein pieniksi tai olivat jopa negatiiviset. Kaikki saostuskemikaalit saostivat COD- ja ravinnekuormaa. Eniten kuormaa saostuskemikaaleista saatiin erotettua AVR:llä ja toiseksi eniten KEMPAC 18:lla. Laitteistojen käyttökustannuksia huomioimatta AVR olisi edullisin vaihtoehto saostuskemikaaaliksietenkin pidempiaikaisessa käytössä. Lisäksi työssä tutkittiin polymeeriannoksen kasvattamisen 1,2 ppm:stä 2,5 ppm:ään vaikutusta puhdistustulokseen, kun saostuskemikaaliannos pidettiin vakiona. Tulosten mukaan polymeeriannoksen kasvattaminen kasvatti kokonais-COD- ja kokonaisfosforireduktiota. Myöslaitosmittakaavan flotaatioaltaiden pohjaputkistoja vertailtiin kiintoainereduktioiden perusteella. Kokeissa saatujen tulosten mukaan ei voitu sanoa, oliko toisen altaan pitkä kirkasteenpoistoputki vai toisen altaan lyhyt kirkasteenpoistoputki parempi vaihtoehto.

Oxygen adsorption on Cu(510)

Tässä työssä on tutkittu kuparin (510)-askelpinnan reaktiivisuutta käyttäen apuna kvanttimekaanisia ab initio laskentamenetelmiä. Tutkimus on toteutettu laskemalla happiatomin adsorptioenergia ja tilatiheys erilaisissa potentiaalisissa adsorptiopaikoissa pinnalla. Myös happimolekyylin adsorptiota ja hajoamista ontarkasteltu laskemalla pintaa lähestyvälle molekyylille potentiaalienergiapintoja. Energiapintojen tuloksia on myös täydennetty kvanttimekaanisilla molekyylidynamiikkalaskuilla. Metallisia askelpintoja pidetään yleisesti sileitä pintoja reaktiivisempina happea kohtaan, johtuen askeleen reunan pienentävästä vaikutuksesta molekyylin hajoamisen tiellä olevaan energiavaliin. On kuitenkin olemassa myös tuloksia, jotka osoittavat hapen tarttumisprosessin olevan hallitseva juuri terassialueella, askeleen reunan sijasta. Tässä työssä on todettu hapen adsorboituvan Cu(510)-pinnalla tehokkaimmin juuri terassilla olevaan hollow-paikkaan. Myös adsorptioenergiat ovat tällä pinnalla pienempiä kuin sileällä (100)-pinnalla. Potentiaalienergiapintojen perusteella Cu(510)-pinnan todetaan myös olevan vähemmän reaktiivinen kuin askelpintojen yleisesti odotetaan olevan, vaikka askeleen reunan todetaankin pienentävän happiatominhajoamisen esteenä olevaa energiavallia.

Oxygen adsorption on Cu(211) and structurally and chemically modified Cu(100)

Kuparipinnan hapettuminen on viimevuosina ollut suosittu tutkimuskohde materiaalitieteissä kuparin laajan teollisuuskäytön vuoksi. Teollisuussovellusten, kuten suojaavien pintaoksidien kehittäminen vaatii kuitenkin syvällistä tuntemusta hapettumisprosessista ja toisaalta myös normaaliolosuhteissa materiaalissa esiintyvien hilavirheiden vaikutuksesta siihen. Tässä työssä keskitytäänkin tutkimaan juuri niitä mekanismeja, joilla erilaiset pintavirheet ja porrastettu pintarakenne vaikuttavathapen adsorptioprosessiin kuparipinnalla. Tutkimus on tehty käyttämällä laskennallisia menetelmiä sekä VASP- ja SIESTA-ohjelmistoja. Työssätutkittiin kemiallisia ja rakenteellisia virheitä Cu(100)-pinnalla, joka on reaktiivisin matalanMillerin indeksin pinta ja porrastetun pinnan tutkimuksessa käytettiin Cu(211)-pintaa, joka puolestaan on yksinkertainen, stabiili ja aiemmissa tutkimuksissa usein käytetty pintarakenne. Työssä tutkitut hilavirheet, adatomit, vähentävät molekyylin dissosiaatiota kuparipinnalla, kun taas vakanssit toimivat dissosiaation keskuksina. Kemiallisena epäpuhtautena käytetty hopeakerros ei estä kuparin hapettumista, sillä happi aiheuttaa mielenkiintoisen segregaatioilmiön, jossa hopeatyöntyy syvemmälle pinnassa jättäen kuparipinnan suojaamattomaksi. Porrastetulla pinnalla (100)-hollow on todennäköisin paikka molekyylin dissosiaatiolle, kun taas portaan bridge-paikka on suotuisin molekulaariselle adsorptiolle. Lisäksi kuparin steppipinnan todettiin olevan reaktiivisempi kuin tasaiset kuparipinnat.