Bioenergiaa ja ravinteita kasvi- ja eläinperäisistä sivuainevirroista Parikkalassa

Euroopan unionissa pyritään lisäämään uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Parikkalan kunnan alueella muodostuvat biomassat sekä tutkia niiden hyötykäyttömahdollisuuksia sähkön, lämmön sekä lannoitteiden tuotannossa. Käsiteltäviä biomassoja ovat eläintilojen lietteet ja lannat, biojätteet ja yhdyskuntalietteet, vesistöjen kunnostuksessa syntyvät biomassat sekä peltobiomassat ja metsäbiomassa. Mädätyksen kannalta olennaisinta on materiaalien kosteus ja haihtuvan orgaanisen aineksen pitoisuus sekä siitä saatava biokaasumäärä. Poltossa polttoaineen kuiva-aineen lämpöarvo ja kosteus määrittelevät saadun hyödyn. Kompostoinnissa on tärkeää huolehtia riittävästä ilman saannista ja riittävästä viipymäajasta. Hyödynnettäessä biokaasua sähkön ja lämmön yhteistuotannossa on tärkeää löytää hyötykäyttö myös muodostuvalle lämmölle. Poltosta saatavan tuhkan hyötykäyttö onnistuu metsälannoitteena, kun poltetaan turvetta tai puuta. Kompostia voidaan hyödyntää maanparannusaineena. Parikkalan alueella tarkasteltiin biomassojen nykyistä ja mahdollista tulevaa hyötykäyttöä. Tarkastelu tehtiin skenaarioiden avulla. Skenaarioihin kuuluvat mädätyksen ja polton maksimipotentiaalit sekä keskitetyn ja hajautetun käsittelyn skenaariot. Alueelta on saatavissa paljon biomassoja, joista massaltaan suurin on eläintilojen lannat. Alueella on hankaluutena löytää sopiva kulutuskohde biokaasusta tuotetulle lämmölle, mutta sopivana kohteena voisi toimia alueella oleva suuri sikala tai lämpökeskukset.

Markkinointiviestinnän välittämä imago business-to-business markkinoilla, mielikuvatavoitteena kestävä kehitys

Tässä pro gradu -tutkielmassa tarkasteltiin kansainvälisen metsäteollisuudessa toimivan yrityksen markkinointiviestintää ja sen välittämien imagoviestien siirtymistä business-to-business markkinoilla. Tutkittavat viestit liittyivät kartonkipakkausten kestävän kehityksen ja ympäristöystävällisyyden imagon rakentumiseen. Tutkimuksessa käytettiin kvalitatiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimus pohjautui yrityksen teettämän aiemman asiakastutkimuksen aineistoon, jossa selvitettiin pakkauskartonkien mielikuvia kohderyhmässä. Lisäksi tutkittiin imagon viestintää markkinointiviestinnän näkökulmasta. Yrityksen online viestintää verrattiin asiakkaiden vastaavaan viestintään loppukäyttäjille ja selvitettiin siirtyivätkö kestävän kehityksen viestit loppukäyttäjille asti. Tuloksena saatiin osittain yhtenevä viestintä sekä yrityksen asiakkaiden että näiden loppukäyttäjille viestimien teemojen sisällöstä. Tutkimus osoitti, että tärkein viestinnällinen teema on pakkauksen kierrätettävyys. Toisena tärkeänä teemana ilmeni hiilijalanjäljen pienentämisestä viestivät seikat. Nousevana teemana voitiin havaita biohajoavia materiaaleja kohtaan osoitettu kiinnostus. Tutkimuksessa jaettiin vastaajat eri segmentteihin pakkauskartonkien käyttötarkoituksen mukaan ja verrattiin kestävän kehityksen tärkeyttä näiden segmenttien välillä. Segmenteittäin tarkasteltuna suuria eroja ei ollut havaittavissa.

Wet oxidation of recalcitrant lignin waters: Experimental and kinetic studies

The dissertation is based on four articles dealing with recalcitrant lignin water purification. Lignin, a complicated substance and recalcitrant to most treatment technologies, inhibits seriously pulp and paper industry waste management. Therefore, lignin is studied, using WO as a process method for its degradation. A special attention is paid to the improvement in biodegradability and the reduction of lignin content, since they have special importance for any following biological treatment. In most cases wet oxidation is not used as a complete ' mineralization method but as a pre treatment in order to eliminate toxic components and to reduce the high level of organics produced. The combination of wet oxidation with a biological treatment can be a good option due to its effectiveness and its relatively low technology cost. The literature part gives an overview of Advanced Oxidation Processes (AOPs). A hot oxidation process, wet oxidation (WO), is investigated in detail and is the AOP process used in the research. The background and main principles of wet oxidation, its industrial applications, the combination of wet oxidation with other water treatment technologies, principal reactions in WO, and key aspects of modelling and reaction kinetics are presented. There is also given a wood composition and lignin characterization (chemical composition, structure and origin), lignin containing waters, lignin degradation and reuse possibilities, and purification practices for lignin containing waters. The aim of the research was to investigate the effect of the operating conditions of WO, such as temperature, partial pressure of oxygen, pH and initial concentration of wastewater, on the efficiency, and to enhance the process and estimate optimal conditions for WO of recalcitrant lignin waters. Two different waters are studied (a lignin water model solution and debarking water from paper industry) to give as appropriate conditions as possible. Due to the great importance of re using and minimizing the residues of industries, further research is carried out using residual ash of an Estonian power plant as a catalyst in wet oxidation of lignin-containing water. Developing a kinetic model that includes in the prediction such parameters as TOC gives the opportunity to estimate the amount of emerging inorganic substances (degradation rate of waste) and not only the decrease of COD and BOD. The degradation target compound, lignin is included into the model through its COD value (CODligning). Such a kinetic model can be valuable in developing WO treatment processes for lignin containing waters, or other wastewaters containing one or more target compounds. In the first article, wet oxidation of "pure" lignin water was investigated as a model case with the aim of degrading lignin and enhancing water biodegradability. The experiments were performed at various temperatures (110 -190°C), partial oxygen pressures (0.5 -1.5 MPa) and pH (5, 9 and 12). The experiments showed that increasing the temperature notably improved the processes efficiency. 75% lignin reduction was detected at the lowest temperature tested and lignin removal improved to 100% at 190°C. The effect of temperature on the COD removal rate was lower, but clearly detectable. 53% of organics were oxidized at 190°C. The effect of pH occurred mostly on lignin removal. Increasing the pH enhanced the lignin removal efficiency from 60% to nearly 100%. A good biodegradability ratio (over 0.5) was generally achieved. The aim of the second article was to develop a mathematical model for "pure" lignin wet oxidation using lumped characteristics of water (COD, BOD, TOC) and lignin concentration. The model agreed well with the experimental data (R2 = 0.93 at pH 5 and 12) and concentration changes during wet oxidation followed adequately the experimental results. The model also showed correctly the trend of biodegradability (BOD/COD) changes. In the third article, the purpose of the research was to estimate optimal conditions for wet oxidation (WO) of debarking water from the paper industry. The WO experiments were' performed at various temperatures, partial oxygen pressures and pH. The experiments showed that lignin degradation and organics removal are affected remarkably by temperature and pH. 78-97% lignin reduction was detected at different WO conditions. Initial pH 12 caused faster removal of tannins/lignin content; but initial pH 5 was more effective for removal of total organics, represented by COD and TOC. Most of the decrease in organic substances concentrations occurred in the first 60 minutes. The aim of the fourth article was to compare the behaviour of two reaction kinetic models, based on experiments of wet oxidation of industrial debarking water under different conditions. The simpler model took into account only the changes in COD, BOD and TOC; the advanced model was similar to the model used in the second article. Comparing the results of the models, the second model was found to be more suitable for describing the kinetics of wet oxidation of debarking water. The significance of the reactions involved was compared on the basis of the model: for instance, lignin degraded first to other chemically oxidizable compounds rather than directly to biodegradable products. Catalytic wet oxidation of lignin containing waters is briefly presented at the end of the dissertation. Two completely different catalysts were used: a commercial Pt catalyst and waste power plant ash. CWO showed good performance using 1 g/L of residual ash gave lignin removal of 86% and COD removal of 39% at 150°C (a lower temperature and pressure than with WO). It was noted that the ash catalyst caused a remarkable removal rate for lignin degradation already during the pre heating for `zero' time, 58% of lignin was degraded. In general, wet oxidation is not recommended for use as a complete mineralization method, but as a pre treatment phase to eliminate toxic or difficultly biodegradable components and to reduce the high level of organics. Biological treatment is an appropriate post treatment method since easily biodegradable organic matter remains after the WO process. The combination of wet oxidation with subsequent biological treatment can be an effective option for the treatment of lignin containing waters.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Metaanin muodostumisen mallintaminen kaatopaikalla

Methane-rich landfill gas is generated when biodegradable organic wastes disposed of in landfills decompose under anaerobic conditions. Methane is a significant greenhouse gas, and landfills are its major source in Finland. Methane production in landfill depends on many factors such as the composition of waste and landfill conditions, and it can vary a lot temporally and spatially. Methane generation from waste can be estimated with various models. In this thesis three spreadsheet applications, a reaction equation and a triangular model for estimating the gas generation were introduced. The spreadsheet models introduced are IPCC Waste Model (2006), Metaanilaskentamalli by Jouko Petäjä of Finnish Environment Institute and LandGEM (3.02) of U.S. Environmental Protection Agency. All these are based on the first order decay (FOD) method. Gas recovery methods and gas emission measurements were also examined. Vertical wells and horizontal trenches are the most commonly used gas collection systems. Emission measurements chamber method, tracer method, soil core and isotope measurements, micrometeorological mass-balance and eddy covariance methods and gas measuring FID-technology were discussed. Methane production at Ämmässuo landfill of HSY Helsinki Region Environmental Services Authority was estimated with methane generation models and the results were compared with the volumes of collected gas. All spreadsheet models underestimated the methane generation at some point. LandGEM with default parameters and Metaanilaskentamalli with modified parameters corresponded best with the gas recovery numbers. Reason for the differences between evaluated and collected volumes could be e.g. that the parameter values of the degradable organic carbon (DOC) and the fraction of decomposable degradable organic carbon (DOCf) do not represent the real values well enough. Notable uncertainty is associated with the modelling results and model parameters. However, no simple explanation for the discovered differences can be given within this thesis.

Syntypaikkalajitellun sekajätteen koostumuksen sekä palamisteknisten ominaisuuksien selvitys Etelä-Karjalan alueella

Etelä-Karjalan alueen lajittelututkimuksen tavoitteena oli selvittää alueella syntyvän syntypaikkalajitellun sekajätteen koostumus sekä jätteen palamistekniset ominaisuudet. Palamisteknisinä ominaisuuksina selvitettiin jätteen kosteuspitoisuus, tuhkapitoisuus sekä tehollinen lämpöarvo saapumistilassa. Lisäksi pyrittiin löytämään ratkaisuja kaatopaikkakuormituksen pienentämiselle. Saatuja tuloksia verrattiin aiemmin Suomessa tehtyihin jätekoostumustutkimuksiin ja palamisteknisten ominaisuuksien selvityksiin. Lajittelututkimuksen tulosten perusteella erilliskeräys tarvitsee tehostamista. Biohajoavaa jätettä alueelta kerätyistä otoksista oli 51 m-%, josta biojätettä oli noin 24 m-%. Lisäksi jätteestä kierrätykseen kelpaavia jakeita oli 21 m-%. Palamisteknisten ominaisuuksien määrityksessä tulokset olivat kuivajätteen osalta seuraavat: kosteuspitoisuus 29 %, tehollinen lämpöarvo saapumistilassa 15 MJ/kg ja tuhkapitoisuus kuiva-aineesta 16 %. Tutkimuksesta saadut tulokset ovat linjassa referenssitutkimusten tulosten kanssa. Kaatopaikkakuormituksen vähentämisessä keskeisiä toimenpiteitä ovat tiedotus ja neuvonta. Lisäksi erilliskeräyspisteiden sijoittelulla ja määrän lisäämisellä voidaan saada vähennettyä kierrätyskelpoisen jätteen loppusijoitusta kaatopaikalle. Kierrätyskelvottomien jakeiden poltolla saadaan myös pienennettyä kaatopaikalle loppusijoitettavan jätteen määrää. Syntypaikkalajitellun sekajätteen seassa oli runsaasti polttokelpoista materiaalia. Massapolttoon kelpaavaa jätteestä oli 92 m-% ja energiajätteeseen kelpaavaa 47 m-%. Näistä 13 m-% oli kierrätykseen kelpaavaa jaetta, joka tulisi ohjata kierrätykseen.

Current status of the waste-to-energy chain in the County of North Savo, Finland

The aim of this report is to describe the current status of the waste-to-energy chain in the province of Northern Savonia in Finland. This work is part of the Baltic Sea Region Programme project Remowe-Regional Mobilizing of Sustainable Waste-to-Energy Production (2009-2012). Partnering regions across Baltic Sea countries have parallelly investigated the current status, bottle-necks and needs for development in their regions. Information about the current status is crucial for the further work within the Remowe project, e.g. in investigating the possible future status in target regions. Ultimate result from the Northern Savonia point of view will be a regional model which utilizes all available information and facilitates decision-making concerning energy utilization of waste. The report contains information on among others: - waste management system (sources, amounts, infrastructure) - energy system (use, supply, infrastructure) - administrative structure and legislation - actors and stakeholders in the waste-to-energy field, including interest and development ideas The current status of the regions will be compared in a separate Remowe report, with the focus on finding best practices that could be transferred among the regions. In this report, the current status has been defined as 2006-2009. In 2009, the municipal waste amount per capita was 479 kg/inhabitant in Finland. Industrial waste amounted 3550 kg/inhabitant, respectively. The potential bioenergy from biodegradable waste amounts 1 MWh/inhabitant in Northern Savonia. This figure includes animal manure, crops that would be suitable for energy use, sludge from municipal sewage treatment plants and separately collected biowaste. A key strategy influencing also to Remowe work is the waste plan for Eastern Finland. Currently there operate two digestion plants in Northern Savonia: Lehtoniemi municipal sewage treatment sludge digestion plant of Kuopion Vesi and the farm-scale research biogas plant of Agrifood Research Finland in Maaninka. Moreover, landfill gas is collected to energy use from Heinälamminrinne waste management centre and Silmäsuo closed landfill site, both belonging to Jätekukko Oy. Currently there is no thermal utilization of waste in Northern Savonia region. However, Jätekukko Oy is pretreating mixed waste and delivering refuse derived fuel (RDF) to Southern Finland to combustion. There is a strong willingness among seven regional waste management companies in Eastern Finland to build a waste incineration plant to Riikinneva waste management centre near city of Varkaus. The plant would use circulating fluidized bed (CFB) boiler. This would been a clear boost in waste-to-energy utilization in Northern Savonia and in many surrounding regions.

BIOTULI - Selvitys bioliiketoiminnan uusista liiketoimintamahdollisuuksista ja -malleista

Tämä raportti on osa BIOTULI-projektia, jossa tutkitaan biojalostamoiden uusia tuotteita ja liiketoimintamalleja. Raportin tavoitteena on selvittää, millaisilla liiketoimintamalleilla BIOTULI-projektissa löytyneitä potentiaalisia bioliiketoimintamahdollisuuksia pystytään hyödyntämään pk-yrityksen näkökulmasta. Tavoitteena on myös tutkia millaisen toimitusketjun liiketoimintamalli vaatii, ja millä edellytyksillä sen toteuttaminen on kannattavaa. Raportissa tarkastellaan torrefioinnin ja lämmöntuotannon yhdistämistä sekä BIOTULI-projektissa kehitetyn uuden erottelumenetelmän hyödyntämistä biohajoavan desinfiointiaineen valmistuksessa. Selvitystyö toteutettiin asiantuntijahaastatteluiden ja kirjallisuuskatsauksen perusteella. Molemmille casetapauksille muodostettiin liiketoimintamalli sekä arvioitiin sen toteutettavuutta ja kehitysnäkymiä. Torrefioinnin ja lämmöntuotannon yhdistäminen ei tehdyn analyysin perusteella ole tällä hetkellä kannattavaa, mutta muutokset markkinatilanteessa voivat muuttaa tilannetta tulevaisuudessa. Biohajoavan desinfiointiaineen valmistuksessa on potentiaalia kannattavaan liiketoimintaan, mutta tutkimus on vielä kesken, joten tarkkaa liiketoiminnan tai sen kannattavuuden arviointia ei vielä voi tehdä. Työn tuloksia voi käyttää pohjana tarkemmille kannattavuusarvioille.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Etelä- ja Länsi-Suomen jätesuunnittelun toteutumisen 1. väliarvio

Jätehuollon tavoitetilana Etelä- ja Länsi-Suomessa vuonna 2020 on, että jätemäärä on vähentynyt, hyödyntäminen lisääntynyt ja jätehuolto muuttunut suunnitelmalliseksi. Jätehuoltoa kehitetään yhteistyössä sidosryhmien kanssa. Tässä ensimmäisessä väliarviossa tarkastellaan Etelä- ja Länsi-Suomen jätesuunnitelman sekä Keski-Suomen jätesuunnitelman toteutumista ja vaikuttavuutta. Väliarvio sisältää seurantatiedot jätemääristä ja tietoa toimenpiteistä jätehuollon kehittämiseksi. Tarkastelu kattaa Etelä-Pohjanmaan, Hämeen, Kaakkois-Suomen, Keski-Suomen, Pirkanmaan, Uudenmaan ja Varsinais-Suomen ELY-keskusten toiminta-alueet. Jätesuunnitelmissa vuonna 2009 asetetut tavoitteet ovat edenneet osittain. Painopisteet biohajoavat jätteet sekä yhdyskunta- ja haja-asutuslietteet ovat lähteneet edistymään parhaiten. Haastavimmat teemat, jotka eivät ole edenneet odotetusti, ovat pilaantuneita maita sekä jätehuoltoa poikkeuksellisissa tilanteissa koskevat painopisteet. Lähiaikoina kehittämistä vaativat teemat ovat painopisteet rakentamisen ateriaalitehokkuus sekä tuhkat ja kuonat. Näissä teemoissa on konkreettisia toteutumismahdollisuuksia ja useita kiinnostuneita toimijoita. Uusiomateriaalien kuten tuhkien ja kuonien, teollisuuden sivutuotteiden ja jätemateriaalien käyttöä on mahdollisuus lisätä luonnon kiviainesten sijaan. Rakentamisen materiaalitehokkuutta voidaan ennakoida suunnitelmallisuudella, resurssitehokkuudella ja säästävällä purkamisella. Väliarviossa on esitetty jatkotoimenpiteitä, jotka mahdollistavat jätesuunnitelmien toteutumisen. Asetetuista keskeisistä painopisteistä rakentamisen materiaalitehokkuus sekä tuhkat ja kuonat edellyttävät eniten jatkotoimenpiteitä. Lisäksi yhdyskuntajätteiden kierrätystä tulisi lisätä.

Influence of surface functionalization on the behavior of silica nanoparticles in biological systems

Personalized nanomedicine has been shown to provide advantages over traditional clinical imaging, diagnosis, and conventional medical treatment. Using nanoparticles can enhance and clarify the clinical targeting and imaging, and lead them exactly to the place in the body that is the goal of treatment. At the same time, one can reduce the side effects that usually occur in the parts of the body that are not targets for treatment. Nanoparticles are of a size that can penetrate into cells. Their surface functionalization offers a way to increase their sensitivity when detecting target molecules. In addition, it increases the potential for flexibility in particle design, their therapeutic function, and variation possibilities in diagnostics. Mesoporous nanoparticles of amorphous silica have attractive physical and chemical characteristics such as particle morphology, controllable pore size, and high surface area and pore volume. Additionally, the surface functionalization of silica nanoparticles is relatively straightforward, which enables optimization of the interaction between the particles and the biological system. The main goal of this study was to prepare traceable and targetable silica nanoparticles for medical applications with a special focus on particle dispersion stability, biocompatibility, and targeting capabilities. Nanoparticle properties are highly particle-size dependent and a good dispersion stability is a prerequisite for active therapeutic and diagnostic agents. In the study it was shown that traceable streptavidin-conjugated silica nanoparticles which exhibit a good dispersibility could be obtained by the suitable choice of a proper surface functionalization route. Theranostic nanoparticles should exhibit sufficient hydrolytic stability to effectively carry the medicine to the target cells after which they should disintegrate and dissolve. Furthermore, the surface groups should stay at the particle surface until the particle has been internalized by the cell in order to optimize cell specificity. Model particles with fluorescently-labeled regions were tested in vitro using light microscopy and image processing technology, which allowed a detailed study of the disintegration and dissolution process. The study showed that nanoparticles degrade more slowly outside, as compared to inside the cell. The main advantage of theranostic agents is their successful targeting in vitro and in vivo. Non-porous nanoparticles using monoclonal antibodies as guiding ligands were tested in vitro in order to follow their targeting ability and internalization. In addition to the targeting that was found successful, a specific internalization route for the particles could be detected. In the last part of the study, the objective was to clarify the feasibility of traceable mesoporous silica nanoparticles, loaded with a hydrophobic cancer drug, being applied for targeted drug delivery in vitro and in vivo. Particles were provided with a small molecular targeting ligand. In the study a significantly higher therapeutic effect could be achieved with nanoparticles compared to free drug. The nanoparticles were biocompatible and stayed in the tumor for a longer time than a free medicine did, before being eliminated by renal excretion. Overall, the results showed that mesoporous silica nanoparticles are biocompatible, biodegradable drug carriers and that cell specificity can be achieved both in vitro and in vivo.

Chemical derivatization of galactoglucomannan for functional materials

In the framework of the biorefinery concept researchers aspire to optimize the utilization of plant materials, such as agricultural wastes and wood. For most of the known processes, the first steps in the valorisation of biomass are the extraction and purification of the individual components. The obtained raw products by means of a controlled separation can consecutively be modified to result in biofuels or biogas for energy production, but also in value-added products such as additives and important building blocks for the chemical and material industries. Considerable efforts are undertaken in order to substitute the use of oil-based starting materials or at least minimize their processing for the production of everyday goods. Wood is one of the raw materials, which have gained large attention in the last decades and its composition has been studied in detail. Nowadays, the extraction of water-soluble hemicelluloses from wood is well known and so for example xylan can be obtained from hardwoods and O-acetyl galactoglucomannans (GGMs) from softwoods. The aim of this work was to develop water-soluble amphiphilic materials of GGM and to assess their potential use as additives. Furthermore, GGM was also applied as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels for the removal of toxic metals and metalloid ions from aqueous solutions. The distinguished products were obtained by several chemical approaches and analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), thermal gravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope SEM, among others. Bio-based surfactants were produced by applying GGM and different fatty acids as starting materials. On one hand, GGM-grafted-fatty acids were prepared by esterification and on the other hand, well-defined GGM-block-fatty acid derivatives were obtained by linking amino-functional fatty acids to the reducing end of GGM. The reaction conditions for the syntheses were optimized and the resultant amphiphilic GGM derivatives were evaluated concerning their ability to reduce the surface tension of water as surfactants. Furthermore, the block-structured derivatives were tested in respect to their applicability as additives for the surface modification of cellulosic materials. Besides the GGM surfactants with a bio-based hydrophilic and a bio-based hydrophobic part, also GGM block-structured derivatives with a synthetic hydrophobic tail, consisting of a polydimethylsiloxane chain, were prepared and assessed for the hydrophobization of surface of nanofibrillated cellulose films. In order to generate GGM block-structured derivatives containing a synthetic tail with distinguished physical and chemical properties, as well as a tailored chain length, a controlled polymerization method was used. Therefore, firstly an initiator group was introduced at the reducing end of the GGM and consecutively single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP) was performed by applying three different monomers in individual reactions. For the accomplishment of the synthesis and the analysis of the products, challenges related to the solubility of the reactants had to be overcome. Overall, a synthesis route for the production of GGM block-copolymers bearing different synthetic polymer chains was developed and several derivatives were obtained. Moreover, GGM with different molar masses were, after modification, used as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels. Hereby, a cationic monomer was used during the free radical polymerization and the resultant hydrogels were successfully tested for the removal of chromium and arsenic ions from aqueous solutions. The hydrogel synthesis was tailored and materials with distinguished physical properties, such as the swelling rate, were obtained after purification. The results generated in this work underline the potential of bio-based products and the urge to continue carrying out research in order to be able to use more green chemicals for the manufacturing of biorenewable and biodegradable daily products.

New [18F]Tracers for Alzheimer's Disease Imaging. Labeling Synthesis And Biological Testing

Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia. Characteristic changes in an AD brain are the formation of β-amyloid protein (Aβ) plaques and neurofibrillary tangles, though other alterations in the brain have also been connected to AD. No cure is available for AD and it is one of the leading causes of death among the elderly in developed countries. Liposomes are biocompatible and biodegradable spherical phospholipid bilayer vesicles that can enclose various compounds. Several functional groups can be attached on the surface of liposomes in order to achieve long-circulating target-specific liposomes. Liposomes can be utilized as drug carriers and vehicles for imaging agents. Positron emission tomography (PET) is a non-invasive imaging method to study biological processes in living organisms. In this study using nucleophilic 18F-labeling synthesis, various synthesis approaches and leaving groups for novel PET imaging tracers have been developed to target AD pathology in the brain. The tracers were the thioflavin derivative [18F]flutemetamol, curcumin derivative [18F]treg-curcumin, and functionalized [18F]nanoliposomes, which all target Aβ in the AD brain. These tracers were evaluated using transgenic AD mouse models. In addition, 18F-labeling synthesis was developed for a tracer targeting the S1P3 receptor. The chosen 18F-fluorination strategy had an effect on the radiochemical yield and specific activity of the tracers. [18F]Treg-curcumin and functionalized [18F]nanoliposomes had low uptake in AD mouse brain, whereas [18F]flutemetamol exhibited the appropriate properties for preclinical Aβ-imaging. All of these tracers can be utilized in studies of the pathology and treatment of AD and related diseases.

Intracranial Nimodipine Implant: Feasibility and Implications for the Treatment of Subarachnoid Hemorrhage – A Pre-Clinical Study

Intracranial aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH) is a life-threatening condition requiring immediate neurocritical care. A ruptured aneurysm must be isolated from arterial circulation to prevent rebleeding. Open surgical clipping of the neck of the aneurysm or intra-arterial filling of the aneurysm sack with platinum coils are major treatment strategies in an acute phase. About 40% of the patients suffering from aSAH die within a year of the bleeding despite the intensive treatment. After aSAH, the patient may develop a serious complication called vasospasm. Major risk for the vasospasm takes place at days 5–14 after the primary bleeding. In vasospasm, cerebral arteries contract uncontrollably causing brain ischemia that may lead to death. Nimodipine (NDP) is used to treat of vasospasm and it is administrated intravenously or orally every four hours for 21 days. NDP treatment has been scientifically proven to improve patients’ clinical outcome. The therapeutic effect of L-type calcium channel blocker NDP is due to the ability to dilate cerebral arteries. In addition to vasodilatation, recent research has shown the pleiotropic effect of NDP such as inhibition of neuronal apoptosis and inhibition of microthrombi formation. Indeed, NDP inhibits cortical spreading ischemia. Knowledge of the pathophysiology of the vasospasm has evolved in recent years to a complex entity of early brain injury, secondary injuries and cortical spreading ischemia, instead of being pure intracranial vessel spasm. High NDP levels are beneficial since they protect neurons and inhibit the cortical spreading ischemia. One of the drawbacks of the intravenous or oral administration of NPD is systemic hypotension, which is harmful particularly when the brain is injured. Maximizing the beneficial effects and avoiding systemic hypotension of NDP, we developed a sustained release biodegradable NDP implant that was surgically positioned in the basal cistern of animal models (dog and pig). Higher concentrations were achieved locally and lower concentrations systemically. Using this treatment approach in humans, it may be possible to reduce incidence of harmful hypotension and potentiate beneficial effects of NDP on neurons. Intracellular calcium regulation has a pivotal role in brain plasticity. NDP blocks L-type calcium channels in neurons, substantially decreasing intracellular calcium levels. Thus, we were interested in how NDP affects brain plasticity and tested the hypothesis in a mouse model. We found that NDP activates Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) receptor TrkB and its downstream signaling in a reminiscent of antidepressant drugs. In contrast to antidepressant drugs, NDP activates Akt, a major survival-promoting factor. Our group’s previous findings demonstrate that long-term antidepressant treatment reactivates developmental-type of plasticity mechanisms in the adult brain, which allows the remodeling of neuronal networks if combined with appropriate rehabilitation. It seems that NDP has antidepressant-like properties and it is able to induce neuronal plasticity. In general, drug induced neuronal plasticity has a huge potential in neurorehabilitation and more studies are warranted.

Nucleotides as Antiviral Compounds. On the Feasibility of an Esterase-dependent Prodrug Strategy for 2-5A

Nukleotidien ja oligonukleotidien analogeilla on merkittävä rooli virusten aiheuttamien tautien hoidossa. Tämän kaltaiset yhdisteet voivat estää spesifisesti virusten proteiineja tai aktivoida luontaista immuunijärjestelmää, jossa 2-5A:ksi kutsutut lyhyet 2´,5´-sitoutuneet oligomeerit ovat keskeisiä tekijöitä. Nukleotideihin ja oligonukleotideihin pohjautuvien lääkkeiden tehokkuus riippuu pääasiassa aihiolääkestrategiasta, jolla niiden sisäänottoa soluun tehostetaan. Tavanomaisessa aihiolääkestrategiassa negatiivisesti varautuneet fosfaattiryhmät suojataan rasvaliukoisilla biohajoavilla suojaryhmillä, jotta molekyyli läpäisee solukalvon helpommin. Solun sisällä aihiolääke muuttuu aktiiviseksi lääkeaineeksi, kun suojaryhmät irtoavat solun entsyymien, kuten esteraasien vaikutuksesta. Väitöskirjassa arvioitiin esteraasin katalysoiman aihiolääkestrategian soveltuvuutta 2-5A-trimeerille syntetisoimalla kaksi erilaista 2-5A-aihiolääkekandidaattia ja tutkimalla 2-5A:n purkautumista karboksiesteraasi-entsyymin vaikutuksesta. Suojaryhmäsuunnitelma perustui esteraasilabiileihin 2,2-disubstituoituihin asyylioksipropyyliryhmiin ja asyylioksimetyyliryhmiin, joilla suojattiin trimeerien fosfaatti- ja 3´-hydroksyyliryhmät. Tulokset osoittivat, että esteraasilabiilien suojaryhmien irtoaminen 2-5A:sta hidastui merkittävästi, kun yhdisteeseen kertyi negatiivista varausta. Lisäksi suojaryhmien hajotessa muodostui elektrofiilisiä alkyloivia aineita, jotka ovat mahdollisesti toksisia. Näistä syistä johtuen kehitettiin kuusi uudenlaista 2,2,-disubstituoitua 4-asyylitio- 3-oksobutyyliryhmää fosfodiestereiden suojaamiseksi. Suojaryhmät irtoavat sekä esteraasin katalysoimana, että lämpötilan vaikutuksesta. Tämä on hyödyllinen ominaisuus silloin, kun entsyymin affiniteetti negatiivisesti varattuun substraattiin heikkenee. Suojaryhmien hydrolyyttinen ja entsymaattinen stabiilisuus on helposti säädeltävissä, jotta suojauksen purkautumisen nopeus voidaan optimoida. Vapautuneet suojaryhmät eivät ole merkittävästi alkyloivia, sillä niiden ei havaittu alkyloivan glutationia.