Novel Proteins Involved in Dynamics of The Photosynthetic Apparatus

During the past few years, a considerable number of research articles have been published relating to the structure and function of the major photosynthetic protein complexes, photosystem (PS) I, PSII, cytochrome (Cyt) b6f, and adenosine triphosphate (ATP) synthase. Sequencing of the Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) genome together with several high-quality proteomics studies has, however, revealed that the thylakoid membrane network of plant chloroplasts still contains a number of functionally unknown proteins. These proteins may have a role as auxiliary proteins guiding the assembly, maintenance, and turnover of the thylakoid protein complexes, or they may be as yet unknown subunits of the photosynthetic complexes. Novel subunits are most likely to be found in the NAD(P)H dehydrogenase (NDH) complex, the structure and function of which have remained obscure in the absence of detailed crystallographic data, thus making this thylakoid protein complex a particularly interesting target of investigation. In this thesis, several novel thylakoid-associated proteins were identified by proteomics-based methods. The major goal of characterization of the stroma thylakoid associated polysome-nascent chain complexes was to determine the proteins that guide the dynamic life cycle of PSII. In addition, a large protein complex of ≥ 1,000 kDa, residing in the stroma thylakoid, was characterized in greater depth and it was found to be a supercomplex composed of the PSI and NDH complexes. A set of newly identified proteins from Arabidopsis thylakoids was subjected to detailed characterization using the reverse genetics approach and extensive biochemical and biophysical analysis. The role of the novel proteins, either as auxiliary proteins or subunits of the photosynthetic protein complexes, was revealed. Two novel thylakoid lumen proteins, TLP18.3 and AtCYP38, function as auxiliary proteins assisting specific steps of the assembly/repair of PSII. The role of the 10-kDa thylakoid lumen protein PsbR is related to the optimization of oxygen evolution of PSII by assisting the assembly of the PsbP protein. Two integral thylakoid membrane proteins, NDH45 and NDH48, are novel subunits of the chloroplast NDH complex. Finally, the thylakoid lumen immunophilin AtCYP20-2 is suggested to interact with the NDH complex, instead of PSII as was hypothesized earlier.

Towards an Integrative Information Society: Studies on Individuality in Speech and Sign

The flow of information within modern information society has increased rapidly over the last decade. The major part of this information flow relies on the individual’s abilities to handle text or speech input. For the majority of us it presents no problems, but there are some individuals who would benefit from other means of conveying information, e.g. signed information flow. During the last decades the new results from various disciplines have all suggested towards the common background and processing for sign and speech and this was one of the key issues that I wanted to investigate further in this thesis. The basis of this thesis is firmly within speech research and that is why I wanted to design analogous test batteries for widely used speech perception tests for signers – to find out whether the results for signers would be the same as in speakers’ perception tests. One of the key findings within biology – and more precisely its effects on speech and communication research – is the mirror neuron system. That finding has enabled us to form new theories about evolution of communication, and it all seems to converge on the hypothesis that all communication has a common core within humans. In this thesis speech and sign are discussed as equal and analogical counterparts of communication and all research methods used in speech are modified for sign. Both speech and sign are thus investigated using similar test batteries. Furthermore, both production and perception of speech and sign are studied separately. An additional framework for studying production is given by gesture research using cry sounds. Results of cry sound research are then compared to results from children acquiring sign language. These results show that individuality manifests itself from very early on in human development. Articulation in adults, both in speech and sign, is studied from two perspectives: normal production and re-learning production when the apparatus has been changed. Normal production is studied both in speech and sign and the effects of changed articulation are studied with regards to speech. Both these studies are done by using carrier sentences. Furthermore, sign production is studied giving the informants possibility for spontaneous speech. The production data from the signing informants is also used as the basis for input in the sign synthesis stimuli used in sign perception test battery. Speech and sign perception were studied using the informants’ answers to questions using forced choice in identification and discrimination tasks. These answers were then compared across language modalities. Three different informant groups participated in the sign perception tests: native signers, sign language interpreters and Finnish adults with no knowledge of any signed language. This gave a chance to investigate which of the characteristics found in the results were due to the language per se and which were due to the changes in modality itself. As the analogous test batteries yielded similar results over different informant groups, some common threads of results could be observed. Starting from very early on in acquiring speech and sign the results were highly individual. However, the results were the same within one individual when the same test was repeated. This individuality of results represented along same patterns across different language modalities and - in some occasions - across language groups. As both modalities yield similar answers to analogous study questions, this has lead us to providing methods for basic input for sign language applications, i.e. signing avatars. This has also given us answers to questions on precision of the animation and intelligibility for the users – what are the parameters that govern intelligibility of synthesised speech or sign and how precise must the animation or synthetic speech be in order for it to be intelligible. The results also give additional support to the well-known fact that intelligibility in fact is not the same as naturalness. In some cases, as shown within the sign perception test battery design, naturalness decreases intelligibility. This also has to be taken into consideration when designing applications. All in all, results from each of the test batteries, be they for signers or speakers, yield strikingly similar patterns, which would indicate yet further support for the common core for all human communication. Thus, we can modify and deepen the phonetic framework models for human communication based on the knowledge obtained from the results of the test batteries within this thesis.

Nuclear Matrix in Apoptotic Cell Death and Cell Proliferation. The role of Nuclear Mitotic Apparatus (NuMA) Protein

The nucleus is a membrane enclosed organelle containing most of the genetic information of the cell in the form of chromatin. The nucleus, which can be divided into many sub-organelles such as the nucleoli, the Cajal bodies and the nuclear lamina, is the site for several essential cellular functions such as the DNA replication and its regulation and most of the RNA synthesis and processing. The nucleus is often affected in disease: the size and the shape of the nucleus, the chromatin distribution and the size of the nucleoli have remained the basis for the grading of several cancers. The maintenance of the vertebrate body shape depends on the skeleton. Similarly, in a smaller context, the shape of the cell and the nucleus are mainly regulated by the cytoskeletal and nucleoskeletal elements. The nuclear matrix, which by definition is a detergent, DNase and salt resistant proteinaceous nuclear structure, has been suggested to form the nucleoskeleton responsible for the nuclear integrity. Nuclear mitotic apparatus protein, NuMA, a component of the nuclear matrix, is better known for its mitotic spindle organizing function. NuMA is one of the nuclear matrix proteins suggested to participate in the maintenance of the nuclear integrity during interphase but its interphase function has not been solved to date. This thesis study concentrated on the role of NuMA and the nuclear matrix as structural and functional components of the interphase nucleus. The first two studies clarified the essential role of caspase-3 in the disintegration of the nuclear structures during apoptosis. The second study also showed NuMA and chromatin to co-elute from cells in significant amounts and the apoptotic cleavage of NuMA was clarified to have an important role in the dissociation of NuMA from the chromatin. The third study concentrated on the interphase function of NuMA showing NuMA depletion to result in cell cycle arrest and the cytoplasmic relocalization of NuMA interaction partner GAS41. We suggest that the relocalization of the transcription factor GAS41 may mediate the cell cycle arrest. Thus, this study has given new aspects in the interactions of NuMA, chromatin and the nuclear matrix.

3D-partikkelit aloittelijoille : tarkastelussa 3D-Kalevala-projekti

Opinnäytteeni teososana on 3D-Kalevala projektinimellä tunnetun animaation partikkeliefektit. Tarkastelen tarkemmin elokuvan Lumi-, Kylä-, Paja- ja Luola-kohtauksia. 3D-Kalevala on tietokoneella tehty animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan päähenkilöstä Väinämöisestä. Elokuvassa vanha Väinämöinen muistelee nuoruutensa tapahtumia. 3D-Kalevala-projekti käynnistettiin vuonna 2003, mutta sen alkuperäiset tekijät eivät saaneet sitä valmiiksi, ja projektin teko keskeytettiin vuonna 2005. Vuoden 2006 keväällä projektiin perustettiin uusi kahden verkkoviestinnän opiskelijan projektiryhmä, jonka tehtävänä oli saada elokuva valmiiksi vuoden 2007 kevääseen mennessä. Kun aloitimme projektin tekemisen, olin kolmiulotteisessa mallinnuksessa aloittelija. Tästä johtuen opinnäytteen kirjallinen osa on opas aloittelijoille partikkelien maailmaan. Selvitän raportissani miten elokuvan partikkeliefektit rakennettiin, mitä niiden tekeminen minulta vaati ja miten ne loppujen lopuksi mielestäni onnistuivat. Elokuvan efektit tehtiin 3D Studio Max-ohjelman versiolla 6.0, ja tämän takia kirjoitankin efektien rakentamisesta kyseisen ohjelman keinoin. Projektin suuruuden vuoksi molemmat tekijät pääsivät tekemään monenlaisia töitä, mutta päävastuualueet olivat selvät. Minun osani oli tehdä elokuvaan efektejä. Partikkeliefektit ovat proseduraalisia efektejä, joiden avulla on mahdollista tehdä aidon näköisiä luonnonilmiöitä, kuten tulta, savua, kipinöitä ja veden roiskeita. Koska partikkeliefektit mallintavat reaalimaailman ilmiöitä, on tekijän hyvä olla kiinnostunut selvittämään ilmiöiden käyttäytymistä luonnossa. Raportoin myös projektin aikana huomaamistani hyvistä tavoista opiskella itsenäisesti partikkelien rakentamiseen käytettyjä tekniikoita. On hyvä lukea 3D Studio Maxin tasokasta käyttöohjesovellusta, tutustua Internetissä löytyviin 3D-aiheisiin foorumeihin, käydä aiheesta tutoriaaleja läpi sekä tutustua ohjelman ominaisuuksiin kokeilemalla ja tutkimalla itsenäisesti. Elokuvan efektit onnistuivat mielestäni kiitettävästi ottaen huomioon lähtötasoni. Löysin tapoja kehittää itseäni ja helppoja keinoja toteuttaa realistista jälkeä efektien rakentamisessa. Toivon, että raportistani olisi jollekin 3D-partikkeliefekteistä kiinnostuneelle hyötyä.

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Betaiinin tuotannon sivujakeiden mikrosuodattaminen teräskeraamisella kalvolla

Betaiini on ammoniumyhdiste, jota käytetään esimerkiksi eläinten rehussa, kosmetiikassa ja lääkkeissä. Danisco Animal Nutrition Finnfeeds Finland Oy:n Naantalin tehdas on maailman johtava betaiinin tuottaja ja raaka-aineena tehtaalla käytetään melassierotuksesta saatavaa betaiinimelassia. Kiteisen betaiinin puhdistusprosessin yhteydessä syntyybetaiinipitoisia sivujakeita, jotka sisältävät huomattavan määrän betaiinia, minkä takia niiden jatkokäsittely on tärkeää. Betaiinin tuotannon sivujakeet ovat erittäin vaikeasti suodattuvia orgaanisia liuoksia, joiden koostumuksia ei täysin tunneta. Tämän työn tarkoituksena oli puhdistaa betaiinin tuotannon sivujakeita mikrosuodattamalla niitä teräskeraamisella kalvolla. Työn kokeellisessa osassa suoritettiin suodatusparametrien eli pH:n, lämpötilan, TMP:n ja betaiiniliuoksen kuiva-ainepitoisuuden optimointi sekä konsentrointikokeita. Mikrosuodatus suoritettiin Graver Technologiesin Scepter-putkimoduulilla, joka toimi ohivirtausperiaatteella ja jonka huokoskoko oli 0,1 ¿m. Scepter-moduuli koostui ruostumattomasta teräksestä sintratuista putkimoduuleista, joissa erottavana kerroksena toimi TiO2. Esikokeiden perusteella todettiin ettei pH:lla ollut suurta vaikutusta suodatukseen. Permeaattivuo kasvoi selvästi lämpötilan ja TMP:nkasvaessa. Vuo taas huononi ja permeaatin sameus lisääntyi selvästi 35 % korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Konsentrointikokeet suoritettiin betaiiniliuoksen refraktrometrisessa kuiva-ainepitoisuudessa, BetRk, 35 %, 80 °C lämpötilassa ja betaiiniliuoksen omassa pH:ssa (pH 8-9,5). Esikokeiden tulosten perusteella konsentrointikokeet suoritettiin TMP:ssa 0,6; 0,8 ja 1,0 bar. Betaiinin tuotannonsivujakeiden konsentrointikokeissa saannoksi saatiin 95 %. Suodatustuloksista havaittiin, että betaiinin tuotannon sivujakeen erä vaikutti voimakkaasti suodatuksen toimivuuteen. Konsentrointikokeissa suodatukset suoritettiin sekäuusilla mikrosuodatusmoduuleilla että vanhalla moduulilla, joka oli jo kulunut.Kulumisen ei kuitenkaan havaittu huonontavan suodatustehokkuutta. Konsentrointikokeiden perusteella voidaan laitteiston pesuväliksi arvioida noin viikko ja pesu tulisi suorittaa sekä emäksisellä että happamalla pesuaineella.

Vortex-putken ominaisuudetkuivaussovellutuksessa

Työssä tarkastellaan vortex-putken soveltuvuutta kostean ilman kuivatukseen ja vapautuvan latenttilämmön hyödyntämiseen. Soveltuvuutta arvioidaan veden ja ilman massataseita hyväksi käyttäen ja stationaarisen systeemin energiataseen avulla. Työn mittauksia varten rakennettiin koelaitteisto, jonka avulla mitattiin miten lämpötilaerot kuumassa ja kylmässä päässä käyttäytyivät mitattaessa kuivalla ilmalla ja ilmalla, jota oli kostutettu. Mitattavia suureita olivat syöttöpaine- ja lämpötila, lämpötilat kuumassa ja kylmässä päässä, kuuman pään paine ja tilavuusvirta tai virtausnopeus ja kuuman pään suhteellinen kosteus. Mittaustulosten avulla laskettiin lämpötilan muutokset kummassakin päässä ja verrattiin kuivan ja kostean ilman mittauksien tuloksia toisiinsa. Lisäksi laskettiin tiivistyneen veden määrä ja veden ja ilman massavirrat molemmissa päissä. Näin voitiin laskea tiivistymisessä vapautuva energia ja tarkastella mihin se siirtyy. Tulosten perusteella vortex-putki soveltuu hyvin huonosti ilman kuivatukseen. Tiivistyneen veden määrä ja sitä kautta tiivistymisessä vapautunut energia, olivat pieniä. Suurin osa kosteudesta meni kuuman pään virtauksen mukana. Tiivistymisessä vapautunut energia siirtyi kylmään päähän.

Prosessilaitosten asennusjärjestyksen simulointi 3D-malleilla

Työn tavoitteena on haihduttamon asennusjärjestyksen havainnollistaminen 3D animaatiota hyväksikäyttäen, sekä sen hyödyntäminen niin myynti- kuin asennusneuvotteluissa. Kirjallinen osio perustuu tehtyyn 3D-animaatioon, joka onjaettu kolmeen pääalueeseen. Ensimmäisessä vaiheessa kerrotaan lyhyesti Andritz Oy:n liiketoiminnasta sekä selvitetään haihduttamoprosessin toimintaperiaatteet. Toinen alue käsittää toimintaprojektin, jossa tuotettu 3D-animaatio linkitetään sen käyttöympäristöön. Kolmannessa alueessa käydään läpi 3D-animaation tekoon liittyvät asiat. Lopuksi ennen yhteenvetoa käydään vielä läpi käyttäjien kommentit tehdystä animaatiosta.

Maakaasun kuumailmapolton teoria ja koelaitteiston suunnittelu

Tässä diplomityössä on tarkasteltu maakaasun kuumailmapolton teoriaa ja suunniteltu koelaitteisto. Työn alkuosassa on käsitelty maakaasun ominaisuuksia kuumailmapolton polttoaineena. Lisäksi on vertailtu kuumailmapolttoa perinteiseen polttoon. Teoreettinen tarkastelu on painottunut kuumailmapolton toiminnallisiin vaatimuksiin, joiden perusteella koelaitteisto on suunniteltu. Uuden koelaitteiston lähtökohtana on ollut Lappeenrannan teknillisen yliopiston voimalaitostekniikan laboratorion polttolaitteisto, johon on suunniteltu ja rakennettu kuumailmapolton edellyttämät muutokset. Koelaitteistolla tehtäviä maakaasun kuumailmapolttokokeita varten on laadittu koesuunnitelma, mutta koepolttoja ei tämän diplomityön puitteissa ole tehty. Laitteiston toiminta-arvoja on tarkasteltu esimerkkilaskulla, jossa käsitellään tyypillistä maakaasun kuumailmapolton koetilannetta.

Sähkölaitekaapelipäätteiden kokoonpanotuotannon siirtäminen alihankkijalle

Työn tavoitteena oli selvittää kustannussäästöjä sähkölaitekomponentin kokoonpano- tuotannossa. Työssä vertaillaan oman ja alihankintatuotannon välisiä kustannuksia sekä tarkastellaan toiminnan joustavuutta, kun kokoonpano muodostuu kokonaisuudessaan ostettavista osista ja kuljetusmatka osien tuottajilta sekä myyjiltä on lyhyempi alihankkijalle, kuin omalle tehtaalle. Työssä järjestellään tuotteen kokoonpanolle edellytykset siirtymiseen alihankkijan hoidetta-vaksi niin, ettei siitä aiheudu ongelmia osavalmistuksen ja hankinnan, sekä valmiiden tuotteiden hallinnassa. Työssä selvitellään tuotteenmerkitystä ja sen kehittämistä sähkölaiteteollisuudelle. Tuotteen ja tuotannon kehittämisestä oli kohdeyrityksessä perustettu erityinen projekti, johon kuului myös muita sähkökaapeliliitäntään kuuluvia osia. Tuoteryhmä,jota tämä tutkimus käsittelee, siirrettiin alihankkijan kokoonpanotuotantoon vuonna 2000. Kaapelipäätteet kuuluvat yhtenä vaihtoehtoisena osana sähkölaitteiden voimakaape- loinnin läpivientiin ja suojaukseen. Projektissa kehitettiin 3 erilaista kaapelipäättä, joiden tehtävänä oli korvata 20 aikaisempaa mallia. Tällä tavoin kyseisen tuotteen ja sen komponenttien valmistussarjakokoja voitiin nostaa ja silti tuotannonkiertoa nopeuttaa, koska puskurivarastossa olevien variaatioiden määrä väheni 20:sta 3:een. Myös osa kokoonpanossa käytettävistä komponenteista voitiin käyttää kaikkien kaapelipäätemallien kokoonpanossa. Työssä vertaillaan kuljetuskustannusten eroa osahankinnassa oman ja alihankinta- tuotannon välillä, sekä vertaillaan varaston ja tuotannon tilankäyttöä ja tuotantokapasiteettia. Työn tarkoituksena on perustella ajatusta, että kuljetusmatkoja lyhentämällä voitaisiin saada kustannussäästöjä. Oman ja alihankintatyön kustannuksia vertaillaan ja huomattava säästö kokoonpanotyössä on tässä tapauksessa se, että alihankkijan laskutushinta työlle on alhaisempi, kuin mitä työn osuudelle on määritelty omassa tuotannossa. Varastotilan osalta vertailuatehtiin ainoastaan tilan käytön suhteen.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Kaasunpolton tutkimuslaitteiston mittausten suunnittelu

Tämä diplomityö on Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa aloitetun kaasunpolttotutkimushankkeen ensimmäinen tutkimusjakso. Tutkimushanketta varten on LTY:n voimalaitostekniikan koepolttolaboratoriossa rakennettu kaasunpolton tutkimuslaitteisto, jolla tässä diplomityössä perehdytään kaasuliekin lämpötilan mittausmenetelmiin, lämmönsiirtoon ja syntyviin päästöihin neste- ja maakaasupoltossa. Hankkeen toisessa tutkimusjaksossa laitteistolla tutkitaan regenaratiivista polttoa, ja polttoaineena käytetään neste- ja maakaasun lisäksi muita kaasuja kuten vetyä ja erilaisia seoskaasuja. Kaasunpolttotutkimushankkeen kokonaistavoitteena on pienentää kaasunpoltossa syntyviä NOx-päästöjä ja parantaa palamishyötysuhdetta ja tätä kautta pienentää laitteiston kokoa ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Alikriittisen veden käyttö kromatografisessa erotuksessa

Alikriittisellä vedellä tarkoitetaan paineistettua vettä, joka on kriittisen lämpötilansa (374 °C) alapuolella nestemäisessä tilassa. Veden tiheys pienenee lämpötilan kasvaessa Veden liuotinominaisuuksia voidaan säädellä lämpötilan avulla. Veden pintajännitys, viskositeetti, tiheys ja polaarisuus pienenevät lämpötilan kasvaessa, ja alikriittisen veden aineominaisuudet muuttuvat lähemmäksi orgaanista liuotinta. Alikriittisen veden dielektrisyysvakion aleneminen johtuu pääasiassa lämpötilan vaikutuksesta ja vain vähän paineen vaikutuksesta. Alikriittistä vettä on käytetty liuottimena uutossa, mutta nyt myös alikriittinen kromatografia on kehittymässä oleva erotusmenetelmä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin kromatografinen laitteisto alikriittiselle vedelle, jolla tutkittiin sokerialkoholien ja sokerien kromatografista erotusta alikriittisen veden avulla. Lisäksi tutkittiin sokerialkoholien, sokereiden ja stationäärifaasien termistä kestävyyttä. Tutkittavina komponentteina olivat sorbitoli, mannitoli, ksylitoli, arabinoosi, mannoosi, ksyloosi, maltoosi ja ramnoosi. Stationäärifaaseina käytettiin makrohuokoista funktionalisoimatonta polystyreenidivinyylibentseenikopolymeeriä, sekä vahvoja ja heikkoja divinyylibentseenillä ristisilloitettuja kationinvaihtohartseja, jotka olivat joko Na+- tai Ca2+-ionimuodoissa. Veden lämpötilan nostaminen vaikuttaa sekä kromatografisen stationäärifaasin tilavuusmuutoksiin että näytekomponenttien ominaisuuksiin. Vahvoilla kationinvaihtimilla havaittiin termisten tilavuusmuutosten riippuvan ionimuodosta: Na+-muotoiset hartsit turpoavat ja Ca2+-muotoiset kutistuvat lämpötilan noustessa. Heikot kationinvaihtimet kutistuvat molemmissa ionimuodoissa, mutta Ca2+-muoto kutistuu Na+-muotoa voimakkaammin. Näytekomponenteista sokerialkoholien havaittiin kestävän paremmin korkeita lämpötiloja kuin sokerien. Sokerialkoholeista kestävimmäksi havaittiin ksylitoli ja sokereista ramnoosi. Tutkittavien komponenttien piikkien havaittiin kapenevan, häntimisen vähenevän, ja piikkien eluoituvan aikaisemmin riippuen käytettävästä stationäärifaasista. Ca2+-muotoisen vahvan kationinvaihtimen kompleksinmuodostuskyky heikkeni lämpötilan kasvaessa. Näytekomponenttien erotus ei kuitenkaan parantunut lämpötilan noustessa tutkituilla stationäärifaaseilla.