Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Analysis of outliers in electricity spot prices with exampleof New England and New Zealand markets

Electricity spot prices have always been a demanding data set for time series analysis, mostly because of the non-storability of electricity. This feature, making electric power unlike the other commodities, causes outstanding price spikes. Moreover, the last several years in financial world seem to show that ’spiky’ behaviour of time series is no longer an exception, but rather a regular phenomenon. The purpose of this paper is to seek patterns and relations within electricity price outliers and verify how they affect the overall statistics of the data. For the study techniques like classical Box-Jenkins approach, series DFT smoothing and GARCH models are used. The results obtained for two geographically different price series show that patterns in outliers’ occurrence are not straightforward. Additionally, there seems to be no rule that would predict the appearance of a spike from volatility, while the reverse effect is quite prominent. It is concluded that spikes cannot be predicted based only on the price series; probably some geographical and meteorological variables need to be included in modeling.

Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.

Simulating the performance of paper machine control

The topic of this thesis is the simulation of a combination of several control and data assimilation methods, meant to be used for controlling the quality of paper in a paper machine. Paper making is a very complex process and the information obtained from the web is sparse. A paper web scanner can only measure a zig zag path on the web. An assimilation method is needed to process estimates for Machine Direction (MD) and Cross Direction (CD) profiles of the web. Quality control is based on these measurements. There is an increasing need for intelligent methods to assist in data assimilation. The target of this thesis is to study how such intelligent assimilation methods are affecting paper web quality. This work is based on a paper web simulator, which has been developed in the TEKES funded MASI NoTes project. The simulator is a valuable tool in comparing different assimilation methods. The thesis contains the comparison of four different assimilation methods. These data assimilation methods are a first order Bayesian model estimator, an ARMA model based on a higher order Bayesian estimator, a Fourier transform based Kalman filter estimator and a simple block estimator. The last one can be considered to be close to current operational methods. From these methods Bayesian, ARMA and Kalman all seem to have advantages over the commercial one. The Kalman and ARMA estimators seems to be best in overall performance.

Supersaturation-controlled crystallization

Identification of product requirements and quality, together with the management of production are key issues in chemical engineering. Quality control of crystalline products is part of the quality of many industrially manufactured products like paper, paintings, medicines and fertilizers. In most crystallization cases, quality is described with the size, polymorph, shape and purity of the crystal. The chemical composition, hydrodynamics and driving force, together with the operating temperature are in a key position when the properties of a crystalline product are controlled with the crystallization process. This study concentrates on managing the identified properties of a crystalline product with the control of a driving force. The controlling of the driving force can be based on the change of solubility or the change of concentration. Solubility can be changed with temperature, pressure and an antisolvent. The concentration of crystallizing compound, the solute can be changed with the evaporation of the solvent and with the addition of a reagent. The present study focuses on reagent addition and temperature change as methods of changing the level of the driving force. Three control structures for direct control of supersaturation are built, one for cooling crystallization and two for reactive crystallization. Closed loop feedback control structures are based on the measurement of the solute concentration with attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectrometer. The details of the reagent feed are analyzed with experimental studies and with results of computational fluid dynamic simulations of the inert particle pulse in the premixer and inert particle injection to the mixing tank. Nucleation in conditions of controlled reactive crystallization is analyzed with Nielsen’s equation of homogeneous nucleation. The resulting control systems, based on regulation of supersaturation, can be used to produce the desired polymorph of an organic product. The polymorph composition of product crystals is controlled repeatably with the decision of a set value of supersaturation level.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Enhancing performance of paper coatings by tailor-made plastic pigments

The paper industry is constantly looking for new ideas for improving paper products while competition and raw material prices are increasing. Many paper products are pigment coated. Coating layer is the top layer of paper, thus by modifying coating pigment also the paper itself can be altered and value added to the final product. In this thesis, synthesis of new plastic and hybrid pigments and their performance in paper and paperboard coating is reported. Two types of plastic pigments were studied: core-shell latexes and solid beads of maleimide copolymers. Core-shell latexes with partially crosslinked hydrophilic polymer core of poly(n-butyl acrylate-co-methacrylic acid) and a hard hydrophobic polystyrene shell were prepared to improve the optical properties of coated paper. In addition, the effect of different crosslinkers was analyzed and the best overall performance was achieved by the use of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). Furthermore, the possibility to modify core-shell latex was investigated by introducing a new polymerizable optical brightening agent, 1-[(4-vinylphenoxy)methyl]-4-(2-henylethylenyl)benzene which gave promising results. The prepared core-shell latex pigments performed smoothly also in pilot coating and printing trials. The results demonstrated that by optimizing polymer composition, the optical and surface properties of coated paper can be significantly enhanced. The optimal reaction conditions were established for thermal imidization of poly(styrene-co-maleimide) (SMI) and poly(octadecene-co-maleimide) (OMI) from respective maleic anhydride copolymer precursors and ammonia in a solvent free process. The obtained aqueous dispersions of nanoparticle copolymers exhibited glass transition temperatures (Tg) between 140-170ºC and particle sizes from 50-230 nm. Furthermore, the maleimide copolymers were evaluated in paperboard coating as additional pigments. The maleimide copolymer nanoparticles were partly imbedded into the porous coating structure and therefore the full potential of optical property enhancement for paperboard was not achieved by this method. The possibility to modify maleimide copolymers was also studied. Modifications were carried out via N-substitution by replacing part of the ammonia in the imidization reaction with amines, such as triacetonediamine (TAD), aspartic acid (ASP) and fluorinated amines (2,2,2- trifluoroethylamine, TFEA and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobuthylamine, HFBA). The obtained functional nanoparticles varied in size between 50-217 nm and their Tg from 150-180ºC. During the coating process the produced plastic pigments exhibited good runnability. No significant improvements were achieved in light stability with TAD modified copolymers whereas nanoparticles modified with aspartic acid and those containing fluorinated groups showed the desired changes in surface properties of the coated paperboard. Finally, reports on preliminary studies with organic-inorganic hybrids are presented. The hybrids prepared by an in situ polymerization reaction consisted of 30 wt% poly(styrene- co-maleimide) (SMI) and high levels of 70 wt% inorganic components of kaolin and/or alumina trihydrate. Scanning Electron Microscopy (SEM) images and characterization by Fourier Transform Infrared Spcetroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) revealed that the hybrids had conventional composite structure and inorganic components were covered with precipitated SMI nanoparticles attached to the surface via hydrogen bonding. In paper coating, the hybrids had a beneficial effect on increasing gloss levels.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Detection of Illicit Drugs and Drug Precursors with Cantilever-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy

In this study, cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy (CEPAS) was applied in different drug detection schemes. The study was divided into two different applications: trace detection of vaporized drugs and drug precursors in the gas-phase, and detection of cocaine abuse in hair. The main focus, however, was the study of hair samples. In the gas-phase, methyl benzoate, a hydrolysis product of cocaine hydrochloride, and benzyl methyl ketone (BMK), a precursor of amphetamine and methamphetamine were investigated. In the solid-phase, hair samples from cocaine overdose patients were measured and compared to a drug-free reference group. As hair consists mostly of long fibrous proteins generally called keratin, proteins from fingernails and saliva were also studied for comparison. Different measurement setups were applied in this study. Gas measurements were carried out using quantum cascade lasers (QLC) as a source in the photoacoustic detection. Also, an external cavity (EC) design was used for a broader tuning range. Detection limits of 3.4 particles per billion (ppb) for methyl benzoate and 26 ppb for BMK in 0.9 s were achieved with the EC-QCL PAS setup. The achieved detection limits are sufficient for realistic drug detection applications. The measurements from drug overdose patients were carried out using Fourier transform infrared (FTIR) PAS. The drug-containing hair samples and drug-free samples were both measured with the FTIR-PAS setup, and the measured spectra were analyzed statistically with principal component analysis (PCA). The two groups were separated by their spectra with PCA and proper spectral pre-processing. To improve the method, ECQCL measurements of the hair samples, and studies using photoacoustic microsampling techniques, were performed. High quality, high-resolution spectra with a broad tuning range were recorded from a single hair fiber. This broad tuning range of an EC-QCL has not previously been used in the photoacoustic spectroscopy of solids. However, no drug detection studies were performed with the EC-QCL solid-phase setup.