Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Emission, kinetic and magnetic phenomena in rare-earth and transition metal doped ZnSe single crystals

In this work emission, optical, electrical and magnetic properties of the d- and f- elements doped zinc selenide crystals were investigated within a wide temperature range. Doping was performed in various technological processes: during the growth by chemical vapor transport method; by thermal diffusion from the Bi or Zn melt. Concentration of the doping impurity in the crystals was controlled by amount of the dopant in the source material or by its concentration in the doping media. Special interest in the work was paid to the influence of the different concentrations of Cr and Yb impurities on ZnSe crystals’ properties, correlations between observed effects and similarities with the Ni, Mn and Gd dopants are analysed. Possibility of formation of the excitons bound to the doping d-ions was shown. In contrast to this, it was observed that f-elements do not bound excitons, but prevent formation of excitons bound to some uncontrolled impurities. A mechanism of Cr doping impurity interaction with background impurities and zinc selenide structural defects was proposed based on experimental data. An assumption about resonant energy transfer between double charged chromium ions and complexes based on crystals’ vacancy defects was made. A correlation between emission and magnetic properties of the d- ions doped samples was established. Based on this correlation a mechanism explaining the concentration quench of the emission was proposed. It was found that f-ions bind electrically active shallow and deep donor and acceptor states of background impurity to electrically neutral complexes. This may be observed as “purification” of ZnSe crystals by doping with the rare-earth elements, resulting i tendency of the properties of f-ion doped crystals to the properties of intrinsic crystals, but with smaller concentration of uncontrolled native and impurity defects. A possible interpretation of this effect was proposed. It was shown that selenium substituting impurities decrease efficiency of the Yb doping. Based on this experimental results an attempt to determine ytterbium ion surroundings in the crystal lattice was made. It was shown that co-doping of zinc selenide crystals with the d- and f- ions leads to the combination of the impurities influence on the material’s properties. On the basis of obtained data an interaction mechanism of the d- and f-elements co-dopants was proposed. Guided by the model of the ytterbium ion incorporation in the selenide sublattice of the ZnSe crystals, an assumption about stabilization of single charged chromium ions in the zinc sublattice crystal nodes, by means of formation of the local charge compensating clusters, was made.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.

Blue and Uv-Emitting Upconversion Nanoparticles: Synthesis and (Bio) Analytical Applications.

Rare-earth based upconverting nanoparticles (UCNPs) have attracted much attention due to their unique luminescent properties. The ability to convert multiple photons of lower energy to ones with higher energy through an upconversion (UC) process offers a wide range of applications for UCNPs. The emission intensities and wavelengths of UCNPs are important performance characteristics, which determine the appropriate applications. However, insufficient intensities still limit the use of UCNPs; especially the efficient emission of blue and ultraviolet (UV) light via upconversion remains challenging, as these events require three or more near-infrared (NIR) photons. The aim of the study was to enhance the blue and UV upconversion emission intensities of Tm3+ doped NaYF4 nanoparticles and to demonstrate their utility in in vitro diagnostics. As the distance between the sensitizer and the activator significantly affect the energy transfer efficiency, different strategies were explored to change the local symmetry around the doped lanthanides. One important strategy is the intentional co-doping of active (participate in energy transfer) or passive (do not participate in energy transfer) impurities into the host matrix. The roles of doped passive impurities (K+ and Sc3+) in enhancing the blue and UV upconversions, as well as in influencing the intense UV upconversion emission through excess sensitization (active impurity) were studied. Additionally, the effects of both active and passive impurity doping on the morphological and optical performance of UCNPs were investigated. The applicability of UV emitting UCNPs as an internal light source for glucose sensing in a dry chemistry test strip was demonstrated. The measurements were in agreement with the traditional method based on reflectance measurements using an external UV light source. The use of UCNPs in the glucose test strip offers an alternative detection method with advantages such as control signals for minimizing errors and high penetration of the NIR excitation through the blood sample, which gives more freedom for designing the optical setup. In bioimaging, the excitation of the UCNPs in the transparent IR region of the tissue permits measurements, which are free of background fluorescence and have a high signal-to-background ratio. In addition, the narrow emission bandwidth of the UCNPs enables multiplexed detections. An array-in-well immunoassay was developed using two different UC emission colours. The differentiation between different viral infections and the classification of antibody responses were achieved based on both the position and colour of the signal. The study demonstrates the potential of spectral and spatial multiplexing in the imaging based array-in-well assays.

The effects of mutated cationic amino acid transporter y+LAT1 at the cellular and systemic level

y+LAT1 is a transmembrane protein that, together with the 4F2hc cell surface antigen, forms a transporter for cationic amino acids in the basolateral plasma membrane of epithelial cells. It is mainly expressed in the kidney and small intestine, and to a lesser extent in other tissues, such as the placenta and immunoactive cells. Mutations in y+LAT1 lead to a defect of the y+LAT1/4F2hc transporter, which impairs intestinal absorbance and renal reabsorbance of lysine, arginine and ornithine, causing lysinuric protein intolerance (LPI), a rare, recessively inherited aminoaciduria with severe multi-organ complications. This thesis examines the consequences of the LPI-causing mutations on two levels, the transporter structure and the Finnish patients’ gene expression profiles. Using fluorescence resonance energy transfer (FRET) confocal microscopy, optimised for this work, the subunit dimerisation was discovered to be a primary phenomenon occurring regardless of mutations in y+LAT1. In flow cytometric and confocal microscopic FRET analyses, the y+LAT1 molecules exhibit a strong tendency for homodimerisation both in the presence and absence of 4F2hc, suggesting a heterotetramer for the transporter’s functional form. Gene expression analysis of the Finnish patients, clinically variable but homogenic for the LPI-causing mutation in SLC7A7, revealed 926 differentially-expressed genes and a disturbance of the amino acid homeostasis affecting several transporters. However, despite the expression changes in individual patients, no overall compensatory effect of y+LAT2, the sister y+L transporter, was detected. The functional annotations of the altered genes included biological processes such as inflammatory response, immune system processes and apoptosis, indicating a strong immunological involvement for LPI.

Food webs in the era of molecular revolution – Like resolving the Gordian knot with a tricorder

Living nature consists of countless organisms, which are classified into millions of species. These species interact in many ways; for example predators when foraging on their prey, insect larvae consuming plants, and pathogenic bacteria drifting into humans. In addition, abiotic nature has a great initiative impact on life through many factors (including sunlight, ambient temperature, and water. In my thesis, I have studied interactions among different life forms in multifaceted ways. The webs of these interactions are commonly referred to as food webs, describing feeding relationships between species or energy transfer from one trophic level to another. These ecological interactions – whether they occur between species, between individuals, or between microorganisms within an individual – are among the greatest forces affecting natural communities. Relationships are tightly related to biological diversity, that is, species richness and abundances. A species is called a node in food web vocabulary, and its interactions to other species are called links. Generally, Artic food webs are considered to be loosely linked, simple structures. This conception roots into early modern food webs, where insects and other arthropods, for example, were clumped under one node. However, it has been shown that arthropods form the greatest part of diversity and biomass both in the tropics and in Arctic areas. Earlier challenges of revealing the role of insects and microorganisms in interactions webs have become possible with the help of recent advances in molecular techniques. In the first chapter, I studied the prey diversity of a common bat, Myotis daubentonii, in southwestern Finland. My results proved M. daubentonii being a versatile predator whose diet mainly consists of aquatic insects, such as chironomid midges. In the second chapter, I expanded the view to changes in seasonal and individual-based variation in the diet of M. daubentonii including the relationship between available and observed prey. I found out that chironomids remain the major prey group even though their abundance decreases in proportion to other insect groups. Diet varied a lot between individuals, although the differences were not statistically significant. The third chapter took the study to a large network in Greenland. I showed that Artic food webs are very complex when arthropods are taken into account. In the fourth chapter, I examined the bacterial flora of M. daubentonii and surveyed the zoonotic potential of these bacteria. I found Bartonella bacteria, of which one was described as a new species named after the locality of discovery. I have shown in my thesis that Myotis daubentonii as a predator links many insect species as well as terrestrial and aquatic environments. Moreover, I have exposed that Arctic food webs are complex structures comprising of many densely linked species. Finally, I demonstrated that the bacterial flora of bats includes several previously unknown species, some of which could possibly turn in to zoonosis. To summarize, molecular methods have untied several knots in biological research. I hope that this kind of increasing knowledge of the surrounding nature makes us further value all the life forms on earth.

Lämminvesivaraajan ohjaus automaatiolla aurinkosähköä tuottavassa kotitaloudessa

Hajautettu sähköntuotanto aurinkopaneeleilla on Suomessa kasvussa. Kotitalouksiin asennettujen aurinkopaneelijärjestelmien määrä kasvaa jatkuvasti, mutta suuri osa tuotetusta sähköenergiasta syötetään sähköverkkoon. Tämä johtuu aurinkosähkön tuotannon painottumisesta kesäpäiviin, jolloin kotitalouksien kulutus on pienimmillään. Suurin hyöty itse tuotetusta energiasta saadaan kuitenkin käyttämällä se tuotantokohteessa, jolla minimoidaan energiansiirto sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa. Siirtämällä kotitalouden suurimpia kuormia aurinkosähkön mukaan ohjatuksi, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia tuotetun sähkön omakäyttöasteessa. Helpoimmillaan tämä onnistuu kellokytkimellä, joka ajoittaa kulutuksen parhaimman tuotannon ajalle. Tämä ei kuitenkaan poista ongelmaa tilanteissa, jossa aurinkosähkön tuotanto on häiriintynyt esimerkiksi pilvisyyden takia aamupäivällä ja huipputuotanto saavutetaan vasta iltapäivän puolella. Saatavilla on jo useita järjestelmiä, jotka ohjaavat kodin laitteita tuotannon mukaisesti. Suuri osa näistä järjestelmistä on kuitenkin suunniteltu toimimaan vain tuotetun energiamäärän mukaisesti, ottamatta huomioon kotitaloudessa olevaa muuta, automaation piiriin kuulumatonta kulutusta. Tässä kandidaatin työssä vertaillaan sähköenergian eri mittaustapoja ja niiden vaikutusta siirretyn energian laskennalliseen määrään. Lisäksi työssä tutkitaan lämminvesivaraajan kuormanohjausta käyttäen termostaatti-, kellokytkin- ja logiikkaohjausta. Työssä esitelty logiikkaohjaus hyödyntää siirretyn energian mittausta sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa, ottaen automaattisesti huomioon myös talouden muun kulutuksen. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jolla suunniteltu logiikka voidaan toteuttaa.

Targeting oncogenic signaling proteins : new insights using a FRET-based chemical biology approach

Cancer affects more than 20 million people each year and this rate is increasing globally. The Ras/MAPK-pathway is one of the best-studied cancer signaling pathways. Ras proteins are mutated in almost 20% of all human cancers and despite numerous efforts, no effective therapy that specifically targets Ras is available to date. It is now well established that Ras proteins laterally segregate on the plasma membrane into transient nanoscale signaling complexes called nanoclusters. These Ras nanoclusters are essential for the high-fidelity signal transmission. Disruption of nanoclustering leads to reduction in Ras activity and signaling, therefore targeting nanoclusters opens up important new therapeutic possibilities in cancer. This work describes three different studies exploring the idea of membrane protein nanoclusters as novel anti-cancer drug targets. It is focused on the design and implementation of a simple, cell-based Förster Resonance Energy Transfer (FRET)-biosensor screening platform to identify compounds that affect Ras membrane organization and nanoclustering. Chemical libraries from different sources were tested and a number of potential hit molecules were validated on full-length oncogenic proteins using a combination of imaging, biochemical and transformation assays. In the first study, a small chemical library was screened using H-ras derived FRET-biosensors. Surprisingly from this screen, commonly used protein synthesis inhibitors (PSIs) were found to specifically increase H-ras nanoclustering and downstream signalling in a H-ras dependent manner. Using a representative PSI, increase in H-ras activity was shown to induce cancer stem cell (CSC)-enriched mammosphere formation and tumor growth of breast cancer cells. Moreover, PSIs do not increase K-ras nanoclustering, making this screening approach suitable for identifying Ras isoform-specific inhibitors. In the second study, a nanoncluster-directed screen using both H- and K-ras derived FRET biosensors identified CSC inhibitor salinomycin to specifically inhibit K-ras nanocluster organization and downstream signaling. A K-ras nanoclusteringassociated gene signature was established that predicts the drug sensitivity of cancer cells to CSC inhibitors. Interestingly, almost 8% of patient tumor samples in the The Cancer Genome Atlas (TCGA) database had the above gene signature and were associated with a significantly higher mortality. From this mechanistic insight, an additional microbial metabolite screen on H- and K-ras biosensors identified ophiobolin A and conglobatin A to specifically affect K-ras nanoclustering and to act as potential breast CSC inhibitors. In the third study, the Ras FRET-biosensor principle was used to investigate membrane anchorage and nanoclustering of myristoylated proteins such as heterotrimeric G-proteins, Yes- and Src-kinases. Furthermore, Yes-biosensor was validated to be a suitable platform for performing chemical and genetic screens to identify myristoylation inhibitors. The results of this thesis demonstrate the potential of the Ras-derived FRETbiosensor platform to differentiate and identify Ras-isoform specfic inhibitors. The results also highlight that most of the inhibitors identified predominantly perturb Ras subcellular distribution and membrane organization through some novel and yet unknown mechanisms. The results give new insights into the role of Ras nanoclusters as promising new molecular targets in cancer and in stem cells.

Interfirm Knowledge Transfer in Coopetitive Relationships

Tämä tutkimuskeskittyy yritysten väliseen samanaikaiseen kilpailuun ja yhteistyöhön. Suurin mielenkiinto tässä tutkimuksessa kohdistuu yritysten väliseen tietämyksen siirtoon. Tietämyksen siirto samanaikaisissa kilpailu- ja yhteistyösuhteissa voi olla erityisen hyödyllistä samankaltaisten toimintalogiikoiden ja ymmärryksen takia. Toisaalta, mahdollinen kriittisen tiedon vuotaminen kilpailevalle yritykselle onriski, joka täytyy ottaa huomioon, kun yhteistyötä kilpailijan kanssa suunnitellaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää, kuinka tietämystä siirretään samanaikaisissa kilpailu- ja yhteistyösuhteissa välttäen kuitenkin tähän liittyvät riskit. Tutkimuksen empiirinen osa sisältää kolme erilaista case-esimerkkiä samanaikaisista kilpailu- ja yhteistyösuhteista. Empiirisessä osassa tehdyt havainnot tukevat pääasiassa teoriaosuudessa käsiteltyjä asioita. Tietämyksen siirron motiivit, suhdekohtaiset tietämyksen omaksumiskyvyt, tietojohtamiskäytännöt ja luottamus ovat tekijöitä, jotka vaikuttavat tietämyksen siirron tehokkuuteen. Pääasialliset keinot tietämyksen siirron riskin välttämiseksi samanaikaisissa kilpailu- ja yhteistyösuhteissa ovat hierarkkisen hallintomuodon käyttäminen tai horisontaalisesti ja vertikaalisesti rajattu yhteistyön laajuus.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Gas-liquid mass transfer in bubbly flow: Estimation of mass transfer, bubble size and reactor performance in various applications

Gas-liquid mass transfer is an important issue in the design and operation of many chemical unit operations. Despite its importance, the evaluation of gas-liquid mass transfer is not straightforward due to the complex nature of the phenomena involved. In this thesis gas-liquid mass transfer was evaluated in three different gas-liquid reactors in a traditional way by measuring the volumetric mass transfer coefficient (kLa). The studied reactors were a bubble column with a T-junction two-phase nozzle for gas dispersion, an industrial scale bubble column reactor for the oxidation of tetrahydroanthrahydroquinone and a concurrent downflow structured bed.The main drawback of this approach is that the obtained correlations give only the average volumetric mass transfer coefficient, which is dependent on average conditions. Moreover, the obtained correlations are valid only for the studied geometry and for the chemical system used in the measurements. In principle, a more fundamental approach is to estimate the interfacial area available for mass transfer from bubble size distributions obtained by solution of population balance equations. This approach has been used in this thesis by developing a population balance model for a bubble column together with phenomenological models for bubble breakage and coalescence. The parameters of the bubble breakage rate and coalescence rate models were estimated by comparing the measured and calculated bubble sizes. The coalescence models always have at least one experimental parameter. This is because the bubble coalescence depends on liquid composition in a way which is difficult to evaluate using known physical properties. The coalescence properties of some model solutions were evaluated by measuring the time that a bubble rests at the free liquid-gas interface before coalescing (the so-calledpersistence time or rest time). The measured persistence times range from 10 msup to 15 s depending on the solution. The coalescence was never found to be instantaneous. The bubble oscillates up and down at the interface at least a coupleof times before coalescence takes place. The measured persistence times were compared to coalescence times obtained by parameter fitting using measured bubble size distributions in a bubble column and a bubble column population balance model. For short persistence times, the persistence and coalescence times are in good agreement. For longer persistence times, however, the persistence times are at least an order of magnitude longer than the corresponding coalescence times from parameter fitting. This discrepancy may be attributed to the uncertainties concerning the estimation of energy dissipation rates, collision rates and mechanisms and contact times of the bubbles.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.

Profit at Risk as a Risk Management Tool in Deregulated Energy Markets

Euroopan energiamarkkinat ovat olleet viimeisen kymmenen vuoden aikana suurten muutosten alla. Markkinoiden kehitys on ollut huomattavaa myös Iso-Britanniassa, jossa sähkö- ja kaasumarkkinat ovat olleet avoinna kilpailulle jo muutamia vuosia. Ennen markkinoiden avautumista energiyhtiöt pystyivät siirtämään kaikki riskit suoraan asiakkaan kannettaviksi. Markkinoiden avautumisen myötä lisääntynyt kilpailu on kuitenkin pakottanut energiayhtiöitä ajanmukaistamaan näkemyksiään riskeistä. Riskitekijät, joista ei aiemmin tarvinnut välittää, on nyt pystyttävä tunnistamaan ja hallitsemaan. Tämä työ keskittyy hinta- ja volyymiriskien hallintaan. Rahoitusmarkkinoilla pitkään käytettyjä riskienhallintatyökaluja on otettu käyttöön myös energiamarkkinoilla. Energiamarkkinoiden piirteet poikkeavat kuitenkin rahoitusmarkkinoista, eikä näitä työkaluja voida ottaa käyttöön muutoksitta. Silti, jopa muutosten jälkeen rahoitusmarkkinoiden riskienhallitavälineet aliarvioivat energiamarkkinoiden hinta- ja volyymiriskejä. Tässä yhteydessä työssä esitetään Profit at Risk, PaR. PaR on skenaariopohjainen riskienhallinnan työkalu, joka on kehitetty erityisesti energiamarkkinoille ja täten huomioi niiden erikoispiirteet. Työn rungon muodostavat energiamarkkinoiden käyttäytyminen, hinta- ja volyymiriskitekijät sekä pohdinta miten hinta- ja volyymiriskeiltä voidaan suojautua ja miten niitä voidaan hallita. PaR-metodologiaa verrataan perinteisiin riskienhallintamenetelmiin ja työn tavoitteena on tuoda esiin ne tekijät, joiden ansiosta PaR on sopivampi työkalu energiamarkkinoiden riskienhallintaan kuin perinteiset menetelmät. Käytännön esimerkkinä työssä toimii Fortum Energy plus’n PaR –malli. Koska PaR on kehitetty erityisesti energiamarkkinoille, se huomioi täysin markkinoiden aiheuttamat hinta- ja volyymiriskit. Käytännön esimerkki kuitenkin osoittaa, että PaR menetelmästä ei ole riskienhallinnallista hyötyä ellei työkalun käyttäjällä ole täydellistä tietämystä niin energiamarkkinoista kuin markkinoiden muutoksiin vaikuttavien tekijöiden käyttäytymisestä.

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.