Täytekappalekolonnin likaantumisen syyt ja likaantumisen vähentämisen menetelmiä

Lateksinvalmistusprosessin aikana syntyvää jätevettä käsitellään täytekappalekolonnissa siinä olevien haihtuvien orgaanisten yhdisteiden poistamiseksi. Käsittelyprosessin aikana jätevedessä oleva kiintoaine kiinnittyy täytekappaleiden pinnalle, lopulta tukkien ne. Täytekappaleiden vaihtotyö sekä likaantuneiden täytekappaleiden pesu aiheuttavat kustannuksia. Lainsäädäntö ja sopimus kunnallisen jäteveden käsittelyn kanssa vaativat, että haihtuvien yhdisteiden päästöt lasketaan tietyn tason alapuolelle. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia lateksitehtaan jätevesivirtojen koostumusta massa- ja ainetaseiden avulla, erityisesti täytekappalekolonnia likaavan aineen osalta. Toisena tavoitteena oli löytää menetelmiä pidentää täytekappalekolonnin ajojaksoa nykyisestä. Kolmantena tavoitteena oli löytää tai kehittää esikäsittelymenetelmä likaavan aineen poistamiseksi ennen täytekappalekolonnia. Viimeisenä tavoitteena oli optimoida prosessin ajotapa, josta saavutettaisiin säästöjä vähentyneenä energiankulutuksena. Tutkimuksen perusteella täytekappalekolonni poistaa syntyvästä jätevedestä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä 100 prosenttia sekä kemiallista hapenkulutusta 99,5 prosenttia. Täytekappalekolonnin ajojaksoa voidaan pidentää ennakoimalla kolonnin ylä- ja alapään paine-eron perusteella sen likaantumisastetta ja täytekappaleiden vaihtotarvetta. Tutkimuksen perusteella soveltuvia jäteveden esikäsittelymenetelmiä ovat dekantointi, jossa kuuden tunnin viipymällä poistetaan kiintoainetta sekä hallittu kiintoaineen saostus, jossa kymmenen minuutin viipymällä poistetaan sekä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, että kiintoainetta. Energiankulutusta voidaan optimoida vähentämällä höyryn virtausta täytekappalekolonniin erotustehokkuuden siitä kärsimättä.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Molecular Mechanisms and Interactions in Regulation of Photosynthetic Reactions

In photosynthesis, light energy is converted to chemical energy, which is consumed for carbon assimilation in the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle. Intensive research has significantly advanced the understanding of how photosynthesis can survive in the ever-changing light conditions. However, precise details concerning the dynamic regulation of photosynthetic processes have remained elusive. The aim of my thesis was to specify some molecular mechanisms and interactions behind the regulation of photosynthetic reactions under environmental fluctuations. A genetic approach was employed, whereby Arabidopsis thaliana mutants deficient in specific photosynthetic protein components were subjected to adverse light conditions and assessed for functional deficiencies in the photosynthetic machinery. I examined three interconnected mechanisms: (i) auxiliary functions of PsbO1 and PsbO2 isoforms in the oxygen evolving complex of photosystem II (PSII), (ii) the regulatory function of PGR5 in photosynthetic electron transfer and (iii) the involvement of the Calcium Sensing Receptor CaS in photosynthetic performance. Analysis of photosynthetic properties in psbo1 and psbo2 mutants demonstrated that PSII is sensitive to light induced damage when PsbO2, rather than PsbO1, is present in the oxygen evolving complex. PsbO1 stabilizes PSII more efficiently compared to PsbO2 under light stress. However, PsbO2 shows a higher GTPase activity compared to PsbO1, and plants may partially compensate the lack of PsbO1 by increasing the rate of the PSII repair cycle. PGR5 proved vital in the protection of photosystem I (PSI) under fluctuating light conditions. Biophysical characterization of photosynthetic electron transfer reactions revealed that PGR5 regulates linear electron transfer by controlling proton motive force, which is crucial for the induction of the photoprotective non-photochemical quenching and the control of electron flow from PSII to PSI. I conclude that PGR5 controls linear electron transfer to protect PSI against light induced oxidative damage. I also found that PGR5 physically interacts with CaS, which is not needed for photoprotection of PSII or PSI in higher plants. Rather, transcript profiling and quantitative proteomic analysis suggested that CaS is functionally connected with the CBB cycle. This conclusion was supported by lowered amounts of specific calciumregulated CBB enzymes in cas mutant chloroplasts and by slow electron flow to PSI electron acceptors when leaves were reilluminated after an extended dark period. I propose that CaS is required for calcium regulation of the CBB cycle during periods of darkness. Moreover, CaS may also have a regulatory role in the activation of chloroplast ATPase. Through their diverse interactions, components of the photosynthetic machinery ensure optimization of light-driven electron transport and efficient basic production, while minimizing the harm caused by light induced photodamage.

AQUAREL CONCEPT Aquatic resources for green energy realization

The AQUAREL project studied the availability and optional utilization methods for fish processing side streams and other aquatic biomaterial in the Republic of Karelia. Additionally processing aquatic biomaterial with manure and sewage sludge was studied. Based on the results, the most feasible option today is to process fish side streams to fish oil and dewatered oil-free residue and to use them for fish or animal feed production. However, it is necessary to highlight, that changes in e.g. economic environment, energy prices and demand may require re-evaluating the results and conclusions made in the project. Producing fish oil from fish processing side streams is an easy and relatively simple production process generating a valuable end product. The functionality of the process was confirmed in a pilot conducted in the project. The oil and solids are separated from the heated fish waste based on gravity. The fish oil separating on top of the separator unit is removed. Fish oil can as such be utilized for heating purposes, fish meal or animal feed production, but it can also be further processed to biodiesel. However, due to currently moderate energy prices in Russia, biodiesel production is not economically profitable. Even if the fish oil production process is not complicated, the operative management of small-scale fish oil production unit requires dedicated resources and separate facilities especially to meet hygiene requirements. Managing the side streams is not a core business for fish farmers. Efficient and economically profitable fish oil production requires a centralized production unit with bigger processing capacity. One fish processing unit needs to be designed to manage side streams collected from several fish farms. The optimum location for the processing unit is in the middle of the fish farms. Based on the transportation cost analysis in the Republic of Karelia, it is not economically efficient to transport bio-wastes for more than 100 km since the transportation costs start increasing substantially. Another issue to be considered is that collection of side streams, including the dead fish, from the fish farms should be organized on a daily basis in order to eliminate the need for storing the side streams at the farms. Based on AQUAREL project studies there are different public funding sources available for supporting and enabling profitable and environmentally sustainable utilization, research or development of fish processing side streams and other aquatic biomaterial. Different funding programmes can be utilized by companies, research organizations, authorities and non-governmental organizations.

Reaaliaikainen personoitu tuotannonseurantajärjestelmä

Kandidaatintyön loppuraportti on tehty asiakasyritykselle, jolla on räätälöity ”itse tehty” tuotannonohjausjärjestelmä. Tämä nykyinen tuotannonohjausjärjestelmä soveltuu hyvin massatuotantona tapahtuville eri tuotteiden työvaiheiden siirtymisille. Se ei kuitenkaan mahdollista helppokäyttöistä tuotantovaiheiden ja työvaiheiden reaaliaikaista seurantaa. Kandidaatintyön tarkoituksena on lisätä seurantaa fyysisille tuotantolaitteille, jotka eivät ole yhteydessä tuotannonohjausjärjestelmän kanssa. Projektin kehityskohteena on tehdä oma, irrallinen, helppokäyttöinen, personoitava, www -pohjainen käyttöliittymä, jonka seurantapisteitä voidaan hallinnoida varsin itsenäisesti, ilman ulkoisia kumppaneita.

Large-eddy simulation of wind flows over complex terrains for wind energy applications

Wind energy has obtained outstanding expectations due to risks of global warming and nuclear energy production plant accidents. Nowadays, wind farms are often constructed in areas of complex terrain. A potential wind farm location must have the site thoroughly surveyed and the wind climatology analyzed before installing any hardware. Therefore, modeling of Atmospheric Boundary Layer (ABL) flows over complex terrains containing, e.g. hills, forest, and lakes is of great interest in wind energy applications, as it can help in locating and optimizing the wind farms. Numerical modeling of wind flows using Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a popular technique during the last few decades. Due to the inherent flow variability and large-scale unsteadiness typical in ABL flows in general and especially over complex terrains, the flow can be difficult to be predicted accurately enough by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Large- Eddy Simulation (LES) resolves the largest and thus most important turbulent eddies and models only the small-scale motions which are more universal than the large eddies and thus easier to model. Therefore, LES is expected to be more suitable for this kind of simulations although it is computationally more expensive than the RANS approach. With the fast development of computers and open-source CFD software during the recent years, the application of LES toward atmospheric flow is becoming increasingly common nowadays. The aim of the work is to simulate atmospheric flows over realistic and complex terrains by means of LES. Evaluation of potential in-land wind park locations will be the main application for these simulations. Development of the LES methodology to simulate the atmospheric flows over realistic terrains is reported in the thesis. The work also aims at validating the LES methodology at a real scale. In the thesis, LES are carried out for flow problems ranging from basic channel flows to real atmospheric flows over one of the most recent real-life complex terrain problems, the Bolund hill. All the simulations reported in the thesis are carried out using a new OpenFOAM® -based LES solver. The solver uses the 4th order time-accurate Runge-Kutta scheme and a fractional step method. Moreover, development of the LES methodology includes special attention to two boundary conditions: the upstream (inflow) and wall boundary conditions. The upstream boundary condition is generated by using the so-called recycling technique, in which the instantaneous flow properties are sampled on aplane downstream of the inlet and mapped back to the inlet at each time step. This technique develops the upstream boundary-layer flow together with the inflow turbulence without using any precursor simulation and thus within a single computational domain. The roughness of the terrain surface is modeled by implementing a new wall function into OpenFOAM® during the thesis work. Both, the recycling method and the newly implemented wall function, are validated for the channel flows at relatively high Reynolds number before applying them to the atmospheric flow applications. After validating the LES model over simple flows, the simulations are carried out for atmospheric boundary-layer flows over two types of hills: first, two-dimensional wind-tunnel hill profiles and second, the Bolund hill located in Roskilde Fjord, Denmark. For the twodimensional wind-tunnel hills, the study focuses on the overall flow behavior as a function of the hill slope. Moreover, the simulations are repeated using another wall function suitable for smooth surfaces, which already existed in OpenFOAM® , in order to study the sensitivity of the flow to the surface roughness in ABL flows. The simulated results obtained using the two wall functions are compared against the wind-tunnel measurements. It is shown that LES using the implemented wall function produces overall satisfactory results on the turbulent flow over the two-dimensional hills. The prediction of the flow separation and reattachment-length for the steeper hill is closer to the measurements than the other numerical studies reported in the past for the same hill geometry. The field measurement campaign performed over the Bolund hill provides the most recent field-experiment dataset for the mean flow and the turbulence properties. A number of research groups have simulated the wind flows over the Bolund hill. Due to the challenging features of the hill such as the almost vertical hill slope, it is considered as an ideal experimental test case for validating micro-scale CFD models for wind energy applications. In this work, the simulated results obtained for two wind directions are compared against the field measurements. It is shown that the present LES can reproduce the complex turbulent wind flow structures over a complicated terrain such as the Bolund hill. Especially, the present LES results show the best prediction of the turbulent kinetic energy with an average error of 24.1%, which is a 43% smaller than any other model results reported in the past for the Bolund case. Finally, the validated LES methodology is demonstrated to simulate the wind flow over the existing Muukko wind farm located in South-Eastern Finland. The simulation is carried out only for one wind direction and the results on the instantaneous and time-averaged wind speeds are briefly reported. The demonstration case is followed by discussions on the practical aspects of LES for the wind resource assessment over a realistic inland wind farm.

Kevyen istutuskoneen suunnittelu puuntaimille

Työssä pyritään suunnittelemaan kevyempi versio jo olemassa olevasta puuntaimien istutuslaitteesta. Työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä teoria osuudessa käydään läpi mekatronisen koneen suunnittelussa huomioitavia seikkoja ja järjestelmällistä tuotekehitysprosessia yleisesti. Toisessa osassa esitellään nykyisten istutuslaitteiden kehityshistoriaa ja nykyisin koneellisessa metsänistutuksessa käytössä olevia laitteita. Loppuratkaisujen aikaan saamisessa pyritään QFD-menetelmää käyttämällä saamaan aikaan kevyen istutuskoneen vaatimusprofiili ja profiilissa ilmi tulleiden vaatimusten ja toiveiden pohjalta kehitettiin ratkaisuja joilla perinteistä koneellista istutus toimintaa voidaan uudistaa. Materiaalinvalinnan avulla optimoitiin kevyttä istutuskonetta pyrkimällä löytämään ympäristöystävälliset materiaalit jotka ovat tuotteen elinkaarta kokonaisuutena ajatellen parhaat mahdolliset. Työssä saatiin aikaan malli jolla on mahdollista jatkokehittelyn jälkeen ja kunnolla tuotteistettuna edistää koneellisen metsänistutuksen yleistymistä. Työn aikana huomattiin, että suurimmat esteet metsän istutuksen koneellistumiselle ovat nykyisten koneiden korkeat hankinta- ja käyttökustannukset sekä koneiden käyttämisen vaatima ammattitaito. Kustannuksia alentamalla ja käyttökynnystä madaltamalla voi edistää koneellisen metsänistutuksen yleistymistä tehostamisen rinnalla.

Monooxygenase Diversity and Oxygen Activation within Polyketide Antibiotic Biosynthesis

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

Hakeperävaunun aerodynamiikan parantaminen

Raskaankaluston ajoneuvojen aerodynaaminen kehitys on kulkenut väärään suuntaan jo vuosisadan verran ja niiden muodon määräävä tekijä on kuljetustilan maksimointi ja toi-minnallisuus. Lähiaikoina on astumassa EU:ssa uusi direktiivi voimaan, joka sallii lisämas-san käyttämisen aerodynaamisiin lisäosiin. Työn tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia parantaa hakeperävaunun aerodynamiikkaa yksinkertaisilla lisäosilla. Työ on rajattu koskemaan perävaununetuosaan, -sivuosaan ja -pohjaan. Lisäksi rajoitteita asettaa Suomenlainsäädäntö ja EU:n direktiivit. Työssä perehdytään ilmanvastusvoiman syntymekanismeihin raskaankaluston ajoneuvojen kannalta ja käydään läpi merkittävimmät vaikuttavat tekijät ilmanvastusvoimiin sekä kuorma-auton perävaunun eri muotojen ja osien vaikutus. Perävaunuun asetettavien il-manohjaimien vaikutukset ja toiminta selvitetään. Avainasemassa hakeperävaunun aerodynamiikan parantamisessa on ilmavirtauksen estä-minen perävaunun alle sekä etupuolelta. Lisäksi virtausten muuttamien perävaunun takana on hyödyllistä. Merkittävimmät hyödyt saadaan niistä ratkaisuista, jotka estävät ilman virtausta perävau-nun alle sekä renkaisiin. Näitä ratkaisuja olivat sivuhelmat ja pohjan sekä renkaiden kote-lointi. Lisäksi ilmavirtauksen estäminen perävaunun edestä tuotti merkittävää hyötyä. Levy perävaunun välissä tai koko välin peittämällä saadaan aikaan huomattavaa vähenemistä ilmanvastuksessa.