Taivekartongin sävytys ja jälkikellertyminen

Taivekartongilta vaaditaan nykyisin korkealaatuista ja tasaista ulkonäköä. Pakkauksen tehtävänä on parantaa myyntiä hyvällä ulkonäöllä ja siisteydellä sekä antaa informaatiota ja käyttöohjeita. Tässä diplomityössä tutkittiin taivekartongin sävyttämistä, optisia ominaisuuksia sekä vaaleuden ja sävyjen pysyvyyttä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin paperin ja kartongin optisia ominaisuuksia sekä esiteltiin Kubelka-Munkin teoria. Teoriaa voidaan käyttää mm. monikerroskartongin vaaleuden ja sävyjen mallintamisessa. Esillä oli paljon eri prosessitekijöitä, massoja ja kemikaaleja, jotka vaikuttavat kartongin vaaleuteen ja sävyyn. Työssä kärsiteltiin myös keinoja vaikuttaa kartongin sävyyn sävytyksellä ja sävytyksen eri tapoja. Toisaalta vaaleuden ja sävyn pysyvyyteen vaikuttaa kartongin jälkikellertyminen. Työssä tarkasteltiin jälkikellertymisen mekanismeja ja siihen vaikuttavia tekijöitä sekä esitettiin keinoja ennalta ehkäistä ja estää kellertymistä. Kokeellisessa osassa käsiteltiin massan ja päällystyspastan värjäyksen vaikutuksia ulkonäköön ja optisiin ominaisuuksiin. Sinertävillä tai violeteilla sävyväreillä voidaan pienentää mekaanisten massojen luonnollista kellertyvyyttä, jolloin valkoisuuden vaikutelma lisääntyy. Värien lisääminen heikentää vaaleutta, koska värien lisäys nostaa valon absorptiota. Tämän takia on tärkeää lisätä väri mielellään siihen kerrokseen, jossa kellertävä massa on, joka on tyypillisesti kartongin keskikerros. Pintakerrokset ovat valkaistua sellua ja niillä on tärkeä merkitys kartongin vaaleudelle, joten värin lisäys pintaan alentaisi vielä merkittävämmin kartongin kokonaisvaaleutta. Pastan värjäyksellä saadaan tasaisuutta värjäykseen, mutta sävyn säätö on tehtävä edelleen massavärjäyksellä. Pigmenttivärien käytöllä pystytään lisäämään mm. valonkestoa kartongille. Kartongin ja paperituotteiden valonkeston tutkimiseen ei ole olemassa standardia. Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa ja huonevalossa vanhentuneiden kartonkinäytteiden vertailtavuutta. Materiaalivalinnoilla pystytään vaikuttamaan valon-kestoon. Siihen vaikuttavat mm. massan laatu, lateksivalinta sekä pigmenttivärin käyttö. Mekaanista massaa sisältävät tuotteet kellertyvät pääasiassa ligniinin takia. Ligniini sisältää paljon UV-säteilyyn reagoivia ryhmiä, jotka muuttuvat värilliseksi lisäten kellertymistä. Valkaistujen sellujen vanhentuminen on suhteessa mekaaniseen massaan erittäin vähäistä. SA-lateksin havaittiin suojaavan vaaleuden menetykseltä ja lisäävän sävyn pysyvyyttä paremmin kuin SB-lateksi.

Determination of sugars and organic acids in pulp samples by capillary electrophoresis with UV detection

This MSc work was done in the project of BIOMECON financed by Tekes. The prime target of the research was, to develop methods for separation and determination of carbohydrates (sugars), sugar acids and alcohols, and some other organic acids in hydrolyzed pulp samples by capillary electrophoresis (CE) using UV detection. Aspen, spruce, and birch pulps are commonly used for production of papers in Finland. Feedstock components in pulp predominantly consist of carbohydrates, organic acids, lignin, extractives, and proteins. Here in this study, pulps have been hydrolyzed in analytical chemistry laboratories of UPM Company and Lappeenranta University in order to convert them into sugars, acids, alcohols, and organic acids. Foremost objective of this study was to quantify and identify the main and by-products in the pulp samples. For the method development and optimization, increased precision in capillary electrophoresis was accomplished by calculating calibration data of 16 analytes such as D-(-)-fructose, D(+)-xylose, D(+)-mannose, D(+)-cellobiose, D-(+)-glucose, D-(+)-raffinose, D(-)-mannitol, sorbitol, rhamnose, sucrose, xylitol, galactose, maltose, arabinose, ribose, and, α-lactose monohydratesugars and 16 organic acids such as D-glucuronic, oxalic, acetic, propionic, formic, glycolic, malonic, maleic, citric, L-glutamic, tartaric, succinic, adipic, ascorbic, galacturonic, and glyoxylic acid. In carbohydrate and polyalcohol analyses, the experiments with CE coupled to direct UV detection and positive separation polarity was performed in 36 mM disodium hydrogen phosphate electrolyte solution. For acid analyses, CE coupled indirect UV detection, using negative polarity, and electrolyte solution made of 2,3 pyridinedicarboxylic acid, Ca2+ salt, Mg2+ salts, and myristyltrimethylammonium hydroxide in water was used. Under optimized conditions, limits of detection, relative standard deviations and correlation coefficients of each compound were measured. The optimized conditions were used for the identification and quantification of carbohydrates and acids produced by hydrolyses of pulp. The concentrations of the analytes varied between 1 mg – 0.138 g in liter hydrolysate.

Uuteaineet BCTMP-prosessissa

Diplomityö tehtiin M-real Joutsenon BCTMP-tehtaalle. Työn aiheena oli tehdä uuteaine- ja metallikartoitus eri prosessivaiheiden massoista ja suodoksista BCTMP-tehtaassa. BCTMPmassaa käytetään muun muassa elintarvikekartongin keskikerroksessa. Pakattaviin kartonkeihin suoraan kosketuksissa olevat elintarvikkeet ovat alttiita haju- ja makuvivahteille. Hajut ja maut voivat saada alkunsa kartongin komponenteista, kuten BCTMP-massasta, kartongin päällystysaineista ja kartongin jatkojalostuksessa käytetyistä painoväreistä. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin puun lipofiilisiin uuteaineisiin ja erityisesti komponentteihin, jotka aiheuttavat haju- ja makuongelmia. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös haju- ja makuominaisuuksien muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä kerrottiin mahdollisista uuteaineiden poistomenetelmistä. Teoriaosuudessa esiteltiin analysointimenetelmiä, joita käytettiin kokeellisessa osassa. Kokeellisessa osassa esiteltiin valmistettavan massan laatuspesifikaatiot ja toteutuneet laatutrendit. Samassa tutkittiin massan analysointimenetelmien tuloksien korrelaatioita kokonaisuuteaineiden toteamiseksi. Seuraavaksi käsiteltiin syksyllä 2010 ja talvella 2011 tehtyjä prosessin uuteainekartoituksia, jossa muun muassa tutkittiin eri prosessivaiheiden massojen ja suodoksien uuteainemääriä ja –komponentteja. Kartoituksien yhteydessä laskettiin prosessin uuteainetaseita ja prosessin pesutehokkuuksia. Samalla tutkittiin siirtymämetallimääriä, jotka osaltaan vaikuttavat haju- ja makuominaisuuksiin. Kokeellisen osan korrelaatiovertailuissa huomattiin, että merkittävin korrelaatio kokonaisuuteaineisiin on viimeisen massan pesuvaiheen suodoksen sameudella, liki 80 %. Heksanaalipotentiaalin ja uuteaineen korrelaatio oli myös noin 80 %. Valmiista massasta tehdyn kemiallisen hapen kulutuksen eli COD:n korrelaatio uuteaineisiin oli vain 38 %. Prosessikartoituksen tuloksista laskettujen pesuvaiheiden erotustehokkuudet olivat hyvät.

Kuituvuoto reikäsihdillä massan syöttövaiheessa

Diplomityön tarkoituksena oli kehittää tutkimuslaite, jolla pystyttäisiin tutkimaan sellumassan syöttötapahtumaa reikäsihdillä ja tarkastelemaan syöttöhetkellä tapahtuvaa kuituhäviötä. Laitteen suunnittelun ja valmistuksen tavoitteena oli myös saada tutkimuslaite mahdollisim-man modifioitavaksi (syöttöaukon koko, muoto ja erityyppiset reikäsihdit ja näiden vaikutukset sellukuitujen hävikkiin). Haluttiin myös mahdollisuus syöttötapahtuman kuvaamiseen esim. suurnopeuskameroin, joka otettiinkin huomioon laiteosia valittaessa (läpinäkyvä akryyli). Tutkimuslaitteen kestävyyttä erilaisissa prosessiolosuhteissa haluttiin korostaa (voidaan operoida laajalla pH ja lämpötila-alueilla, sekä syöttöpainetta voidaan muunnella). Diplomityön kirjallisuusosassa käsitellään kuituvuodon aiheuttamia haittoja, joista tärkein on taloudellinen menetys. Näiden lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan pääpirteittäin pesume-netelmiä ja käydään läpi kuitusulpun suotautumiseen vaikuttavia tekijöitä. Diplomityöhön sisältyi tutkimuslaitteen suunnittelun ja valmistuksen lisäksi myös laitteen toi-mivuuden testaus. Testit suoritettiin pohjoismaisella koivusellulla. Koivusellu otettiin happi-vaiheen jälkeisen pesurin poistosta. Massalle suoritettiin KAPPA-luvun, SR-luvun, viskositee-tin ja syrjäytys -määritykset, sekä kuituanalyysi. Laitteella suoritettiin 7 %, 10 % ja 12 % sakeuksisten massojen koeajotestit. Suodokset otettiin talteen jatkotutkimuksiin, jossa niistä mitattiin kuituvuoto. 10 % suodokselle suoritettiin myös kuituanalyysi. Tuloksista nähtiin, että 7 % sakeuksinen massa antoi lähes nelinkertaisen kuituvuotomäärän 10 % sakeuksiseen massan syöttöön nähden.

Kainic acid-induced seizures: inflammation and excitotoxic neuronal damage in the developing rat hippocampus

Epileptic seizures are harmful to the developing brain. During epileptic seizures, overactivation of glutamate receptors (GluR) leads to neuronal degeneration, defined as excitotoxicity. The hippocampus is especially vulnerable to excitotoxic neuronal death, but its mechanism has remained incompletely known in the developing brain. Recently, signs of activation of inflammatory processes after epileptic seizures have been detected in the hippocampus. The purpose of this thesis was to study the inflammatory reaction and death mechanisms in excitoxic neurodegeneration induced by the glutamate analogue kainic acid (KA) in the developing hippocampus. Organotypic hippocampal slice cultures (OHCs), prepared from 6-7-day-old rats (P6-7) and treated with KA, served as an in vitro model. KA-induced status epilepticus in P9 and P21 rats was used as an in vivo model. The results showed that the pyramidal cell layers of the hippocampus were the most susceptible to irreversible and age-specific neurodegeneration, which occurred in the juvenile (P21), but not in the immature (P9), rat hippocampus. The primary death mechanism was necrosis as there were no significant changes in the expression of selected apoptosis markers and morphological cellular features of necrosis were found. Inflammatory response was similarly age-dependent after KA treatment as a rapid, fulminant and wide response was detected in the juvenile, but not in the immature, rat brain. An anti-inflammatory drug treatment, given before KA, was not neuroprotective in OHCs, possibly because of the timing of the treatment. In summary, the results suggest that KA induces an age-dependent inflammatory response and necrotic neurodegeneration, which may cause disturbances in hippocampal connectivity and promote epileptogenesis.

Computational modeling of stented coronary arteries

The application of computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA) has been growing rapidly in the various fields of science and technology. One of the areas of interest is in biomedical engineering. The altered hemodynamics inside the blood vessels plays a key role in the development of the arterial disease called atherosclerosis, which is the major cause of human death worldwide. Atherosclerosis is often treated with the stenting procedure to restore the normal blood flow. A stent is a tubular, flexible structure, usually made of metals, which is driven and expanded in the blocked arteries. Despite the success rate of the stenting procedure, it is often associated with the restenosis (re-narrowing of the artery) process. The presence of non-biological device in the artery causes inflammation or re-growth of atherosclerotic lesions in the treated vessels. Several factors including the design of stents, type of stent expansion, expansion pressure, morphology and composition of vessel wall influence the restenosis process. Therefore, the role of computational studies is crucial in the investigation and optimisation of the factors that influence post-stenting complications. This thesis focuses on the stent-vessel wall interactions followed by the blood flow in the post-stenting stage of stenosed human coronary artery. Hemodynamic and mechanical stresses were analysed in three separate stent-plaque-artery models. Plaque was modeled as a multi-layer (fibrous cap (FC), necrotic core (NC), and fibrosis (F)) and the arterial wall as a single layer domain. CFD/FEA simulations were performed using commercial software packages in several models mimicking the various stages and morphologies of atherosclerosis. The tissue prolapse (TP) of stented vessel wall, the distribution of von Mises stress (VMS) inside various layers of vessel wall, and the wall shear stress (WSS) along the luminal surface of the deformed vessel wall were measured and evaluated. The results revealed the role of the stenosis size, thickness of each layer of atherosclerotic wall, thickness of stent strut, pressure applied for stenosis expansion, and the flow condition in the distribution of stresses. The thicknesses of FC, and NC and the total thickness of plaque are critical in controlling the stresses inside the tissue. A small change in morphology of artery wall can significantly affect the distribution of stresses. In particular, FC is the most sensitive layer to TP and stresses, which could determine plaque’s vulnerability to rupture. The WSS is highly influenced by the deflection of artery, which in turn is dependent on the structural composition of arterial wall layers. Together with the stenosis size, their roles could play a decisive role in controlling the low values of WSS (<0.5 Pa) prone to restenosis. Moreover, the time dependent flow altered the percentage of luminal area with WSS values less than 0.5 Pa at different time instants. The non- Newtonian viscosity model of the blood properties significantly affects the prediction of WSS magnitude. The outcomes of this investigation will help to better understand the roles of the individual layers of atherosclerotic vessels and their risk to provoke restenosis at the post-stenting stage. As a consequence, the implementation of such an approach to assess the post-stented stresses will assist the engineers and clinicians in optimizing the stenting techniques to minimize the occurrence of restenosis.

Effects of the partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp

The objective of this work was to study the effects of partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp.The work was conducted by extracting hemicelluloses (1) by a softwood chip pretreatment process prior to kraft pulping, (2) by alkaline extraction from bleached birch kraft pulp, and (3) by enzymatic treatment, xylanase treatment in particular, of bleached birch kraft pulp. The qualitative and quantitative changes in fibers and paper properties were evaluated. In addition, the applicability of the extraction concepts and hemicellulose-extracted birch kraft pulp as a raw material in papermaking was evaluated in a pilot-scale papermaking environment. The results showed that each examined hemicellulose extraction method has its characteristic effects on fiber properties, seen as differences in both the physical and chemical nature of the fibers. A prehydrolysis process prior to the kraft pulping process offered reductions in cooking time, bleaching chemical consumption and produced fibers with low hemicellulose content that are more susceptible to mechanically induced damages and dislocations. Softwood chip pretreatment for hemicellulose recovery prior to cooking, whether acidic or alkaline, had an impact on the physical properties of the non-refined and refined pulp. In addition, all the pretreated pulps exhibited slower beating response than the unhydrolyzed reference pulp. Both alkaline extraction and enzymatic (xylanase) treatment of bleached birch kraft pulp fibers indicated very selective hemicellulose removal, particularly xylan removal. Furthermore, these two hemicellulose-extracted birch kraft pulps were utilized in a pilot-scale papermaking environment in order to evaluate the upscalability of the extraction concepts. Investigations made using pilot paper machine trials revealed that some amount of alkalineextracted birch kraft pulp, with a 24.9% reduction in the total amount of xylan, could be used in the papermaking stock as a mixture with non-extracted pulp when producing 75 g/m2 paper. For xylanase-treated fibers there were no reductions in the mechanical properties of the 180 g/m2 paper produced compared to paper made from the control pulp, although there was a 14.2% reduction in the total amount of xylan in the xylanase-treated pulp compared to the control birch kraft pulp. This work emphasized the importance of the hemicellulose extraction method in providing new solutions to create functional fibers and in providing a valuable hemicellulose co-product stream. The hemicellulose removal concept therefore plays an important role in the integrated forest biorefinery scenario, where the target is to the co-production of hemicellulose-extracted pulp and hemicellulose-based chemicals or fuels.

Translational models of coronary artery disease, myocardial infarction and heart failure. Development, validation and in vivo imaging studies using positron emission tomography

Coronary artery disease is an atherosclerotic disease, which leads to narrowing of coronary arteries, deteriorated myocardial blood flow and myocardial ischaemia. In acute myocardial infarction, a prolonged period of myocardial ischaemia leads to myocardial necrosis. Necrotic myocardium is replaced with scar tissue. Myocardial infarction results in various changes in cardiac structure and function over time that results in “adverse remodelling”. This remodelling may result in a progressive worsening of cardiac function and development of chronic heart failure. In this thesis, we developed and validated three different large animal models of coronary artery disease, myocardial ischaemia and infarction for translational studies. In the first study the coronary artery disease model had both induced diabetes and hypercholesterolemia. In the second study myocardial ischaemia and infarction were caused by a surgical method and in the third study by catheterisation. For model characterisation, we used non-invasive positron emission tomography (PET) methods for measurement of myocardial perfusion, oxidative metabolism and glucose utilisation. Additionally, cardiac function was measured by echocardiography and computed tomography. To study the metabolic changes that occur during atherosclerosis, a hypercholesterolemic and diabetic model was used with [18F] fluorodeoxyglucose ([18F]FDG) PET-imaging technology. Coronary occlusion models were used to evaluate metabolic and structural changes in the heart and the cardioprotective effects of levosimendan during post-infarction cardiac remodelling. Large animal models were used in testing of novel radiopharmaceuticals for myocardial perfusion imaging. In the coronary artery disease model, we observed atherosclerotic lesions that were associated with focally increased [18F]FDG uptake. In heart failure models, chronic myocardial infarction led to the worsening of systolic function, cardiac remodelling and decreased efficiency of cardiac pumping function. Levosimendan therapy reduced post-infarction myocardial infarct size and improved cardiac function. The novel 68Ga-labeled radiopharmaceuticals tested in this study were not successful for the determination of myocardial blood flow. In conclusion, diabetes and hypercholesterolemia lead to the development of early phase atherosclerotic lesions. Coronary artery occlusion produced considerable myocardial ischaemia and later infarction following myocardial remodelling. The experimental models evaluated in these studies will enable further studies concerning disease mechanisms, new radiopharmaceuticals and interventions in coronary artery disease and heart failure.