A new heuristic method for solving spatially constrained forest planning problems based on mitigation of infeasibilities radiating outward from a forced choice

[Abstract]

Minimization of the experimental workload for the prediction of pollutants propagation in rivers. Mathematical modelling and knowledge re-use

The present thesis in focused on the minimization of experimental efforts for the prediction of pollutant propagation in rivers by mathematical modelling and knowledge re-use. Mathematical modelling is based on the well known advection-dispersion equation, while the knowledge re-use approach employs the methods of case based reasoning, graphical analysis and text mining. The thesis contribution to the pollutant transport research field consists of: (1) analytical and numerical models for pollutant transport prediction; (2) two novel techniques which enable the use of variable parameters along rivers in analytical models; (3) models for the estimation of pollutant transport characteristic parameters (velocity, dispersion coefficient and nutrient transformation rates) as functions of water flow, channel characteristics and/or seasonality; (4) the graphical analysis method to be used for the identification of pollution sources along rivers; (5) a case based reasoning tool for the identification of crucial information related to the pollutant transport modelling; (6) and the application of a software tool for the reuse of information during pollutants transport modelling research. These support tools are applicable in the water quality research field and in practice as well, as they can be involved in multiple activities. The models are capable of predicting pollutant propagation along rivers in case of both ordinary pollution and accidents. They can also be applied for other similar rivers in modelling of pollutant transport in rivers with low availability of experimental data concerning concentration. This is because models for parameter estimation developed in the present thesis enable the calculation of transport characteristic parameters as functions of river hydraulic parameters and/or seasonality. The similarity between rivers is assessed using case based reasoning tools, and additional necessary information can be identified by using the software for the information reuse. Such systems represent support for users and open up possibilities for new modelling methods, monitoring facilities and for better river water quality management tools. They are useful also for the estimation of environmental impact of possible technological changes and can be applied in the pre-design stage or/and in the practical use of processes as well.

Fate of fuel-bound nitrogen and sulfur in biomass-fired Industrial boilers

Användning av biomassa som energikälla för produktion av el och värme är ett sätt att minska beroendet av fossila bränslen och höja självförsörjningen av energi. Fossila bränslen är den främsta källan till koldioxid utsläpp förorsakad av människan. Biomassa, å andra sidan, betraktas som en koldioxidneutral energikälla. Svavlet och kvävet i biomassan bildar dock föroreningar såsom kväveoxider (NOX) och svaveldioxid (SO2), som bidrar till försurning av mark och sjöar. Svavlet i bränslet kan även både förorsaka och förhindra korrosion i en förbränningsanläggning, beroende på förbränningen och bränslet. Huvudsyftet med detta arbete var att få en bättre förståelse om hur utsläppen av NOX och SO2 bildas från bränslebundet kväve och svavel vid förbränning av olika biobränslen. Mätkampanjer i fullskaliga förbränningsanläggningar utfördes, där gassammansättningen mättes i eldstaden och rökgasen. Förståelsen om gaskemin i eldstaden är viktig, för att möjliggöra utvecklandet av renare och effektivare förbränningsanläggningar. Ett annat syfte med arbetet var att klargöra om sulfatering av askkomponenter vid förbränning av biobränslen med olika askegenskaper. Alkaliklorider som bildas vid biomassaförbränning kan orsaka korrosion av värmeöverföringsytor. Svavlet i bränslet visade sig ha en viktig roll i att sulfatera alkaliklorider till mindre korrosiva alkalisulfater. Närvaron av gasformig svavelsyra i rökgaskanalen av förbränningsanläggningar studerades även. Kondensering av svavelsyra leder till korrosion av rökgaskanalen och dess delar. Om svavelsyrakoncentrationen i rökgasen är känd, kan daggpunktstemperaturen beräknas och kondensering av svavelsyra förhindras. I arbetet utvecklades en mätmetod för att mäta låga koncentrationer av gasformig svavelsyra i rökgaser. Denna metod användes för att undersöka risken av lågtemperaturkorrosion orsakad av svavelsyra i förbränningsanläggningar. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Käyttämällä biomassaa energianlähteenä voidaan vähentää sähkön- ja lämmöntuotannon riippuvuutta fossiilisiin polttoaineisiin. Biomassan käytöllä voidaan myös lisätä energiantuotannon omavaraisuutta. Fossiiliset polttoaineet ovat pääasiallinen syy ihmisen aiheuttamiin hiilidioksidipäästöihin. Biomassa sen sijaan luetaan hiilidioksidineutraaleihin energianlähteisiin. Biopolttoaineiden käytössä tosin vapautuu typpi- ja rikkioksideja, jotka edesauttavat maaperän ja merien happamoitumista. Lisäksi biopolttoaineen rikki voi sekä vähentää että aiheuttaa laitteiden korroosiota energiantuotannossa riippuen biopolttoaineesta ja palamisesta. Tämän työn päätavoitteena oli selvittää mitä biopolttoaineeseen sitoutuneelle typelle ja rikille tapahtuu teollisissa polttolaitoksissa. Kyseisten oksidien muodostumista tutkittiin polttamalla eri biomassoja polttolaitoksissa. Tutkimukset toteutettiin mittauskampanjoilla useissa polttolaitoksissa. Kaasujen koostumusta mitattiin sekä tulipesässä, että savukaasuista. Kaasujen koostumus varsinkin tulipesässä on tärkeää, jotta tulevaisuudessa voidaan rakentaa puhtaampia ja tehokkaampia polttolaitoksia. Työn toisena tavoitteena oli selvittää biomassan polton yhteydessä tapahtuvaa tuhkan sulfatoitumista. Alkalikloridit, joita muodostuu biomassan poltossa, voivat aiheuttaa lämmönsiirtopintojen korroosiota. Rikki osoittautui tärkeäksi osaksi prosessia, jossa korroosiota aiheuttavat alkalikloridit sulfatoituivat vähemmän korrosoiviksi alkalisulfaateiksi. Myös kaasumaisen rikkihapon läsnäoloa savukaasuissa tutkittiin. On todettu, että kaasumuotoinen rikkihappo johtaa korroosioon savukaasukanavan kylmässä päässä ja sen eri osissa rikkihapon tiivistyessä lämpötilan laskiessa. Mikäli rikkihapon pitoisuus savukaasussa tiedetään, sen kastepiste voidaan laskea ja tiivistyminen estää. Tässä työssä kehitettiin mittausmenetelmä rikkihapon alhaisten pitoisuuksien mittaamiseen. Menetelmää hyödynnettiin polttolaitoksissa, joissa tutkittiin rikkihapon tiivistymisestä johtuvaa korroosiota.

Opportunities, constraints and constrained opportunities – A study on mothers’ working time patterns in 22 European countries

The aim of this study was to analyse mothers’ working time patterns across 22 European countries. The focus was on three questions: how much mothers prefer to work, how much they actually work, and to what degree their preferred and actual working times are (in)consistent with each other. The focus was on cross-national differences in mothers’ working time patterns, comparison of mothers’ working times to that of childless women and fathers, as well as on individual- and country-level factors that explain the variation between them. In the theoretical background, the departure point was an integrative theoretical approach where the assumption is that there are various kinds of explanations for the differences in mothers’ working time patterns – namely structural, cultural and institutional – , and that these factors are laid in two levels: individual- and country-levels. Data were extracted from the European Social Survey (ESS) 2010 / 2011. The results showed that mothers’ working time patterns, both preferred and actual working times, varied across European countries. Four clusters were formed to illustrate the differences. In the full-time pattern, full-time work was the most important form of work, leaving all other working time forms marginal. The full-time pattern was perceived in terms of preferred working times in Bulgaria and Portugal. In polarised pattern countries, fulltime work was also important, but it was accompanied by a large share of mothers not working at all. In the case of preferred working times, many Eastern and Southern European countries followed it whereas in terms of actual working times it included all Eastern and Southern European countries as well as Finland. The combination pattern was characterised by the importance of long part-time hours and full-time work. It was the preferred working time pattern in the Nordic countries, France, Slovenia, and Spain, but Belgium, Denmark, France, Norway, and Sweden followed it in terms of actual working times. The fourth cluster that described mothers’ working times was called the part-time pattern, and it was illustrated by the prevalence of short and long part-time work. In the case of preferred working times, it was followed in Belgium, Germany, Ireland, the Netherlands and Switzerland. Besides Belgium, the part-time pattern was followed in the same countries in terms of actual working times. The consistency between preferred and actual working times was rather strong in a majority of countries. However, six countries fell under different working time patterns when preferred and actual working times were compared. Comparison of working mothers’, childless women’s, and fathers’ working times showed that differences between these groups were surprisingly small. It was only in part-time pattern countries that working mothers worked significantly shorter hours than working childless women and fathers. Results therefore revealed that when mothers’ working times are under study, an important question regarding the population examined is whether it consists of all mothers or only working mothers. Results moreover supported the use of the integrative theoretical approach when studying mothers’ working time patterns. Results indicate that mothers’ working time patterns in all countries are shaped by various opportunities and constraints, which are comprised of structural, cultural, institutional, and individual-level factors.

Unraveling the functional divergence of membrane-bound pyrophosphatases

Inorganic pyrophosphatases (PPases) are enzymes that hydrolyze pyrophosphate (PPi)which is produced as a byproduct in many important growth related processes e.g. in the biosynthesis of DNA, proteins and lipids. PPases can be either soluble or membranebound. Membrane-bound PPases (mPPases) are ion transporters that couple the energy released during PPi hydrolysis to Na+ or H+ transport. When I started the project, only three Na+-transporting mPPases were known to exist. In this study, I aimed to confirm if Na+-transport is a common function of mPPases. Furthermore, the amino acid residues responsible for determining the transporter specificity were unknown. I constructed a phylogenetic tree for mPPases and selected the representative bacterial and archaeal mPPases to be investigated. I expressed different prokaryotic mPPases in Escherichia coli, isolated these as inverted membrane vesicles and characterized their functions. In the first project I identified four new Na+-PPases, two K+-dependent H+-PPases and one K+-independent mPPase. The residues determining the transporter specificity were identified by site-directed mutagenesis. I showed that the conserved glutamate residues are important for specificity, though are not the only residues that influence it. This research clarified the ion transport specificities throughout the mPPase phylogenetic tree, and revealed that Na+ transport is a widespread function of mPPases. In addition, it became clear that the transporter specificity can be predicted from the amino acid sequence in combination with a phylogenetic analysis. In the second project, I identified a novel class of mPPases, which is capable of transporting both Na+ and H+ ions and is mainly found in bacteria of the human gastrointestinal tract. The physiological role of these novel enzymes may be to help the bacteria survive in the demanding conditions of the host. In the third project, I characterized the Chlorobium limicola Na+-PPase and found that this and related mPPases are able to transport H+ ions at subphysiological Na+ concentrations. In addition, the H+-transport activity was shown to be a common function of all studied Na+-PPases at low Na+ concentrations. I observed that mutating gate-lysine to asparagine eliminated the H+ but not the Na+ ion transport function, indicating the important role of the residue in the transport of H+. In the fourth project, I characterized the unknown and evolutionary divergent mPPase clade of the phylogenetic tree. The enzymes belonging to this clade are able to transport H+ ions and, based on their sequence, were expected to be K+- and Na+-independent. The sequences of membrane-bound PPase are usually highly conserved, but the enzymes belonging to this clade are more divergent and usually contain 100−150 extra amino acid residues compared to other known mPPases. Despite the vast sequence differences, these mPPases have the full set of important residues and, surprisingly, are regulated by Na+ and K+ ions. These enzymes are mainly of bacterial origin.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.