Making the impact on research and society: a case study - open repository and crowdsourcing solutions developed for the Finno-Ugric Digitization Pilot Project at the National Library of Finland

Jussi-Pekka Hakkaraisen esitys 24. Kansainvälisessä tieteen-, teknologian ja lääketieteen historian kongressissa (24th International Congress of History of Science, Technology and Medicine) Manchesterissa 26.7.2013

Viilunkuivaajan tuotantotehokkuuden kehittäminen

Mekaanisen metsäteollisuuden tuotteiden kiristyvä globaali kilpailu ja jatkuva kustannusten kasvaminen kiristyvillä markkinoilla aiheuttavat jatkuvaa tuotannon tehostamisen tarvetta. Käyntiaikojen maksimoinnilla ja tuotantokoneiden käyttöasteen nostamisella haetaan hintaetua sekä toimituskapasiteetin maksimointia kilpailussa asiakkaista myös tulevaisuutta silmälläpitäen. Vanerin tuotantoprosessiin osaprosessina kuuluva viilun kuivaus on tehtaan tuotannon pullonkaula. Kuivauskoneen tuotannollisten häiriöiden syiden selvittämisillä ja käyntiajan lisäämisellä on suora tuotannollinen vaikutus. Tutkimuksessa löydettiin mahdollisia parannuskohteita tuotantolaitteisiin. Käsiteltävän aiheen ollessa aiemmin kirjallisuudessa käsittelemätön, jouduttiin kehitys- ja parannustoimenpiteissä tekemään suoraviivaisia syy- ja seuraussuhteisiin perustuvia ratkaisuja. Vaihtoehdoista etsittiin toiminnaltaan mahdollisimman yksinkertaisia sekä hankinta- ja käyttökustannuksiltaan kustannustehokkaita ratkaisuja.

Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,

Making the impact on research and society : a case study: crowdsourcing solutions developed for the linguistic research and citizen science

Can crowdsourcing solutions serve many masters? Can they be beneficial for both, for the layman or native speakers of minority languages on the one hand and serious linguistic research on the other? How did an infrastructure that was designed to support linguistics turn out to be a solution for raising awareness of native languages? Since 2012 the National Library of Finland has been developing the Digitisation Project for Kindred Languages, in which the key objective is to support a culture of openness and interaction in linguistic research, but also to promote crowdsourcing as a tool for participation of the language community in research. In the course of the project, over 1,200 monographs and nearly 111,000 pages of newspapers in Finno-Ugric languages will be digitised and made available in the Fenno-Ugrica digital collection. This material was published in the Soviet Union in the 1920s and 1930s, and users have had only sporadic access to the material. The publication of open-access and searchable materials from this period is a goldmine for researchers. Historians, social scientists and laymen with an interest in specific local publications can now find text materials pertinent to their studies. The linguistically-oriented population can also find writings to delight them: (1) lexical items specific to a given publication, and (2) orthographically-documented specifics of phonetics. In addition to the open access collection, we developed an open source code OCR editor that enables the editing of machine-encoded text for the benefit of linguistic research. This tool was necessary since these rare and peripheral prints often include already archaic characters, which are neglected by modern OCR software developers but belong to the historical context of kindred languages, and are thus an essential part of the linguistic heritage. When modelling the OCR editor, it was essential to consider both the needs of researchers and the capabilities of lay citizens, and to have them participate in the planning and execution of the project from the very beginning. By implementing the feedback iteratively from both groups, it was possible to transform the requested changes as tools for research that not only supported the work of linguistics but also encouraged the citizen scientists to face the challenge and work with the crowdsourcing tools for the benefit of research. This presentation will not only deal with the technical aspects, developments and achievements of the infrastructure but will highlight the way in which user groups, researchers and lay citizens were engaged in a process as an active and communicative group of users and how their contributions were made to mutual benefit.

Analyses of the usefulness of Software Defined Storage Solutions for Web-based Digital Preservation Applications

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

ReShare and ReCollect: EPrints data repository solutions developed at the UK Data Archive

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Action of laccase on mechanical softwood pulps

Träfibrernas naturliga egenskaper begränsar deras användning i många tillämpningar. Träfibrernas egenskaper kan modifieras genom att binda nya komponenter med önskade egenskaper till fiberns yta. DI Stina Grönqvist bevisade i sin avhandling att nya funktionella grupper kan bindas till ligninhaltiga träfibrer genom att aktivera ytligninet med lackasenzym. Resultaten kan utnyttjas till att förbättra de traditionella träfibrernas och fiberprodukternas egenskaper samt att hitta nya tillämpningar för träfibrerna. ”Om träfibrerna t.ex. modifieras så att de blir vattenavstötande kan de modifierade träfibrerna användas istället för plast i förpackningar” berättar Stina Grönqvist. Syftet med denna avhandling var att undersöka effekterna av lackasenzym på TMP (termomekanisk massa) och dess fraktioner. I Finland tillverkas TMP av gran och massan innehåller rikligt med lignin. När ytligninet på träfibrernas yta modifieras med hjälp av oxiderande enzymer, såsom lackas, bildas reaktiva radikaler i ligninen på fibrernas ytor. De bildade radikalerna kan utnyttjas till att binda komponenter med nya egenskaper till fiberytan. För att kunna utnyttja den fulla potentialen av den lackasbaserade modifieringsmetoden behövs mera information om så väl de faktorer som påverkar bildningen av radikaler som om mekanismerna hur de nya komponenterna binds till fibrerna ___________________________________ Puukuitujen luontaiset ominaisuudet rajoittavat niiden hyödyntämistä joissakin sovelluksissa. Ominaisuuksia voidaan kuitenkin muuttaa liittämällä kuidun pintaan uusia yhdisteitä. DI Stina Grönqvist osoitti väitöstyössään, että uusia kuitujen ominaisuuksia muuttavia funktionaalisia yhdisteitä voidaan sitoa ligniinipitoisiin puukuituihin aktivoimalla kuitujen pinnan ligniiniä lakkaasi-entsyymillä. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää ligniinipitoisten puukuitujen ominaisuuksien parantamiseen ja jopa täysin uusien ominaisuuksien kehittämiseen. ”Jos kuituja muutetaan vettä hylkiväksi sitomalla kuituihin vettä hylkiviä yhdisteitä entsyymien avulla, voidaan puukuituja käyttää korvaamaan muovia pakkauksissa”, kertoo Stina Grönqvist. Väitöstyön kohteena oli TMP-massan eli kuumahiertämällä valmistetun mekaanisen puumassojen ja niiden fraktioiden muokkaaminen lakkaasi-entsyymillä (TMP, Thermomechanical pulp). Suomalainen TMP-massa valmistetaan kuusesta ja siinä on runsaasti muokkaamatonta ligniiniä. Kun puukuidun pinnan ligniiniä muokataan hapettavilla entsyymeillä, muodostuu kuidun pintaan reaktiivisia radikaaleja. Syntyneiden radikaalien avulla kuituihin voidaan liittää yhdisteitä, jotka antavat kuidulle uusia ominaisuuksia. Menetelmän tarjoamien mahdollisuuksien hyödyntämiseksi tarvitaan tietoa kuidun radikalisointiin ja yhdisteiden liittämiseen vaikuttavista tekijöistä.

Comparison study of two competing models of an all mechanical power transmission system

A comparison between two competing models of an all mechanical power transmission system is studied by using Dymola –software as the simulation tool. This tool is compared with Matlab/ Simulink –software by using functionality, user-friendliness and price as comparison criteria. In this research we assume that the torque is balanceable and transmission ratios are calculated. Using kinematic connection sketches of the two transmission models, simulation models are built into the Dymola simulation environment. Models of transmission systems are modified according to simulation results to achieve a continuous variable transmission ratio. Simulation results are compared between the two transmission systems. The main features of Dymola and MATLAB/ Simulink are compared. Advantages and disadvantages of the two softwares are analyzed and compared.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Liquid cooling solutions for rotating permanent magnet synchronous machines

In the design of electrical machines, efficiency improvements have become very important. However, there are at least two significant cases in which the compactness of electrical machines is critical and the tolerance of extremely high losses is valued: vehicle traction, where very high torque density is desired at least temporarily; and direct-drive wind turbine generators, whose mass should be acceptably low. As ever higher torque density and ever more compact electrical machines are developed for these purposes, thermal issues, i.e. avoidance of over-temperatures and damage in conditions of high heat losses, are becoming of utmost importance. The excessive temperatures of critical machine components, such as insulation and permanent magnets, easily cause failures of the whole electrical equipment. In electrical machines with excitation systems based on permanent magnets, special attention must be paid to the rotor temperature because of the temperature-sensitive properties of permanent magnets. The allowable temperature of NdFeB magnets is usually significantly less than 150 ˚C. The practical problem is that the part of the machine where the permanent magnets are located should stay cooler than the copper windings, which can easily tolerate temperatures of 155 ˚C or 180 ˚C. Therefore, new cooling solutions should be developed in order to cool permanent magnet electrical machines with high torque density and because of it with high concentrated losses in stators. In this doctoral dissertation, direct and indirect liquid cooling techniques for permanent magnet synchronous electrical machines (PMSM) with high torque density are presented and discussed. The aim of this research is to analyse thermal behaviours of the machines using the most applicable and accurate thermal analysis methods and to propose new, practical machine designs based on these analyses. The Computational Fluid Dynamics (CFD) thermal simulations of the heat transfer inside the machines and lumped parameter thermal network (LPTN) simulations both presented herein are used for the analyses. Detailed descriptions of the simulated thermal models are also presented. Most of the theoretical considerations and simulations have been verified via experimental measurements on a copper tooth-coil (motorette) and on various prototypes of electrical machines. The indirect liquid cooling systems of a 100 kW axial flux (AF) PMSM and a 110 kW radial flux (RF) PMSM are analysed here by means of simplified 3D CFD conjugate thermal models of the parts of both machines. In terms of results, a significant temperature drop of 40 ̊C in the stator winding and 28 ̊C in the rotor of the AF PMSM was achieved with the addition of highly thermally conductive materials into the machine: copper bars inserted in the teeth, and potting material around the end windings. In the RF PMSM, the potting material resulted in a temperature decrease of 6 ̊C in the stator winding, and in a decrease of 10 ̊C in the rotor embedded-permanentmagnets. Two types of unique direct liquid cooling systems for low power machines are analysed herein to demonstrate the effectiveness of the cooling systems in conditions of highly concentrated heat losses. LPTN analysis and CFD thermal analysis (the latter being particularly useful for unique design) were applied to simulate the temperature distribution within the machine models. Oil-immersion cooling provided good cooling capability for a 26.6 kW PMSM of a hybrid vehicle. A direct liquid cooling system for the copper winding with inner stainless steel tubes was designed for an 8 MW directdrive PM synchronous generator. The design principles of this cooling solution are described in detail in this thesis. The thermal analyses demonstrate that the stator winding and the rotor magnet temperatures are kept significantly below their critical temperatures with demineralized water flow. A comparison study of the coolant agents indicates that propylene glycol is more effective than ethylene glycol in arctic conditions.

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.

Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.