Capillary electrophoresis for monitoring of carboxylic, phenolic and amino acids in bioprocesses

Bioprocess technology is a multidisciplinary industry that combines knowledge of biology and chemistry with process engineering. It is a growing industry because its applications have an important role in the food, pharmaceutical, diagnostics and chemical industries. In addition, the current pressure to decrease our dependence on fossil fuels motivates new, innovative research in the replacement of petrochemical products. Bioprocesses are processes that utilize cells and/or their components in the production of desired products. Bioprocesses are already used to produce fuels and chemicals, especially ethanol and building-block chemicals such as carboxylic acids. In order to enable more efficient, sustainable and economically feasible bioprocesses, the raw materials must be cheap and the bioprocesses must be operated at optimal conditions. It is essential to measure different parameters that provide information about the process conditions and the main critical process parameters including cell density, substrate concentrations and products. In addition to offline analysis methods, online monitoring tools are becoming increasingly important in the optimization of bioprocesses. Capillary electrophoresis (CE) is a versatile analysis technique with no limitations concerning polar solvents, analytes or samples. Its resolution and efficiency are high in optimized methods creating a great potential for rapid detection and quantification. This work demonstrates the potential and possibilities of CE as a versatile bioprocess monitoring tool. As a part of this study a commercial CE device was modified for use as an online analysis tool for automated monitoring. The work describes three offline CE analysis methods for the determination of carboxylic, phenolic and amino acids that are present in bioprocesses, and an online CE analysis method for the monitoring of carboxylic acid production during bioprocesses. The detection methods were indirect and direct UV, and laser-induced frescence. The results of this work can be used for the optimization of bioprocess conditions, for the development of more robust and tolerant microorganisms, and to study the dynamics of bioprocesses.

Structural dynamics in the global pulp and paper industry

The pulp and paper industry is currently facing broad structural changes due to global shifts in demand and supply. These changes have significant impacts on national economies worldwide. Planted forests (especially eucalyptus) and recovered paper have quickly increased their importance as raw material for paper and paperboard production. Although advances in information and communication technologies could reduce the demand for communication papers, and the growth of paper consumption has indeed flattened in developed economies, particularly in North America and Western Europe, the consumption is increasing on a global scale. Moreover, the focal point of production and consumption is moving from the Western world to the rapidly growing markets of Southeast Asia. This study analyzes how the so-called megatrends (globalization, technological development, and increasing environmental awareness) affect the pulp and paper industry’s external environment, and seeks reliable ways to incorporate the impact of the megatrends on the models concerning the demand, trade, and use of paper and pulp. The study expands current research in several directions and points of view, for example, by applying and incorporating several quantitative methods and different models. As a result, the thesis makes a significant contribution to better understand and measure the impacts of structural changes on the pulp and paper industry. It also provides some managerial and policy implications.

Fluid flow and dispersion predictions in porous media by utilizing advanced numerical methods

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella numeerisen virtauslaskennan avulla virtaukseen liittyviä ilmiöitä ja kaasun dispersiota. Diplomityön sisältö on jaettu viiteen osaan; johdantoon, teoriaan, katsaukseen virtauksen mallinnukseen huokoisessa materiaalissa liittyviin tutkimusselvityksiin, numeeriseen mallinnukseen sekä tulosten esittämiseen ja johtopäätöksiin. Diplomityön alussa kiinnitettiin huomiota erilaisiin kokeellisiin, numeerisiin ja teoreettisiin mallinnusmenetelmiin, joilla voidaan mallintaa virtausta huokoisessa materiaalissa. Kirjallisuusosassa tehtiin katsaus aikaisemmin julkaistuihin puoliempiirisiin ja empiirisiin tutkimusselvityksiin, jotka liittyvät huokoisen materiaalin aiheuttamaan painehäviöön. Numeerisessa virtauslaskenta osassa rakennettiin ja esitettiin huokoista materiaalia kuvaavat numeeriset mallit käyttäen kaupallista FLUENT -ohjelmistoa. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisten tutkimusselvitysten tuloksia. Kolmiulotteisen huokoisen materiaalinnumeerisessa mallinnuksesta saadut tulokset vaikuttivat lupaavilta. Näiden tulosten perusteella tehtiin suosituksia ajatellen tulevaa virtauksen mallinnusta huokoisessa materiaalissa. Osa tässä diplomityössä esitetyistä tuloksista tullaan esittämään 55. Kanadan Kemiantekniikan konferenssissa Torontossa 1619 Lokakuussa 2005. ASME :n kansainvälisessä tekniikan alan julkaisussa. Työ on hyväksytty esitettäväksi esitettäväksi laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) aihealueessa 'Peruskäsitteet'. Lisäksi työn yksityiskohtaiset tulokset tullaan lähettämään myös CES:n julkaisuun.

Simulation of Boundary Layers and Heat Transfer in the Entrance Region of Pipes

The study of fluid flow in pipes is one of the main topic of interest for engineers in industries. In this thesis, an effort is made to study the boundary layers formed near the wall of the pipe and how it behaves as a resistance to heat transfer. Before few decades, the scientists used to derive the analytical and empirical results by hand as there were limited means available to solve the complex fluid flow phenomena. Due to the increase in technology, now it has been practically possible to understand and analyze the actual fluid flow in any type of geometry. Several methodologies have been used in the past to analyze the boundary layer equations and to derive the expression for heat transfer. An integral relation approach is used for the analytical solution of the boundary layer equations and is compared with the FLUENT simulations for the laminar case. Law of the wall approach is used to derive the empirical correlation between dimensionless numbers and is then compared with the results from FLUENT for the turbulent case. In this thesis, different approaches like analytical, empirical and numerical are compared for the same set of fluid flow equations.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Non-Markovianity and Quantum Correlations in Qubit-Systems

In this Thesis I discuss the exact dynamics of simple non-Markovian systems. I focus on fundamental questions at the core of non-Markovian theory and investigate the dynamics of quantum correlations under non-Markovian decoherence. In the first context I present the connection between two different non-Markovian approaches, and compare two distinct definitions of non-Markovianity. The general aim is to characterize in exemplary cases which part of the environment is responsible for the feedback of information typical of non- Markovian dynamics. I also show how such a feedback of information is not always described by certain types of master equations commonly used to tackle non-Markovian dynamics. In the second context I characterize the dynamics of two qubits in a common non-Markovian reservoir, and introduce a new dynamical effect in a wellknown model, i.e., two qubits under depolarizing channels. In the first model the exact solution of the dynamics is found, and the entanglement behavior is extensively studied. The non-Markovianity of the reservoir and reservoirmediated-interaction between the qubits cause non-trivial dynamical features. The dynamical interplay between different types of correlations is also investigated. In the second model the study of quantum and classical correlations demonstrates the existence of a new effect: the sudden transition between classical and quantum decoherence. This phenomenon involves the complete preservation of the initial quantum correlations for long intervals of time of the order of the relaxation time of the system.

Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace

This thesis presents a three-dimensional, semi-empirical, steady state model for simulating the combustion, gasification, and formation of emissions in circulating fluidized bed (CFB) processes. In a large-scale CFB furnace, the local feeding of fuel, air, and other input materials, as well as the limited mixing rate of different reactants produce inhomogeneous process conditions. To simulate the real conditions, the furnace should be modelled three-dimensionally or the three-dimensional effects should be taken into account. The only available methods for simulating the large CFB furnaces three-dimensionally are semi-empirical models, which apply a relatively coarse calculation mesh and a combination of fundamental conservation equations, theoretical models and empirical correlations. The number of such models is extremely small. The main objective of this work was to achieve a model which can be applied to calculating industrial scale CFB boilers and which can simulate all the essential sub-phenomena: fluid dynamics, reactions, the attrition of particles, and heat transfer. The core of the work was to develop the model frame and the required sub-models for determining the combustion and sorbent reactions. The objective was reached, and the developed model was successfully used for studying various industrial scale CFB boilers combusting different types of fuel. The model for sorbent reactions, which includes the main reactions for calcitic limestones, was applied for studying the new possible phenomena occurring in the oxygen-fired combustion. The presented combustion and sorbent models and principles can be utilized in other model approaches as well, including other empirical and semi-empirical model approaches, and CFD based simulations. The main achievement is the overall model frame which can be utilized for the further development and testing of new sub-models and theories, and for concentrating the knowledge gathered from the experimental work carried out at bench scale, pilot scale and industrial scale apparatus, and from the computational work performed by other modelling methods.