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.

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.

The role of extracellular matrix macromolecules in cancer and diabetic macroangiopathy – with special reference to decorin and hyaluronan

The central role of extracellular matrix (ECM) macromolecules in diseases such as cancer and atherosclerotic vascular diseases including diabetic macroangiopathy is indisputable. Decorin and hyaluronan (HA) represent vital ECM macromolecules in the microenvironment of cells and are centrally involved in human cancer and cardiovascular biology. In cancer, decorin is considered to play a tumor suppressive role. However, there is some discrepancy whether malignant cells express it. Regarding HA, its contribution to the development of atherosclerotic vascular diseases has been well established. Nevertheless, the precise role of HA in arterial narrowing associated with diabetes is not known. The present study focused on two vital ECM macromolecules, namely decorin and HA. First, decorin expression was studied in human tumorigenesis. Furthermore, the effect of adenovirus-mediated decorin transduction on selected cancer cell lines was investigated. The results invariably showed that cancer cells completely lacked decorin expression. The study also demonstrated that transducing cancer cells with decorin adenoviral vector markedly inhibited their malignant behavior. In line with this, a strong induction of decorin expression in normal human embryonic stem cells (hESCs), but not in abnormal hESCs was observed during their differentiation. Secondly, the significance of HA in the development of diabetic macroangiopathy in response to hyperglycemia was evaluated. Results showed that the synthesis of HA by vascular smooth muscle cells was significantly increased in response to high glucose concentration. This increase was associated with the diminished ability of the cells to contract collagen-rich matrix suggesting that HA participates in the disturbed vascular remodeling of diabetic patients. The results of this study support endeavours to develop novel ECM macromolecule -based therapies targeting cancer and cardiovascular diseases.

Kromatografinen erotus bioetanolin valmistuksessa lignoselluloosasta

Bioetanolin tuotanto kiinnostaa monissa maissa johtuen kansainvälisissä sopimuksissa määritellyistä ilmastotavoitteista. Työssä tutkittiin laboratorio-oloissa ioninvaihtohartsien ominaisuuksien ja erotuksen olosuhteiden vaikutusta rikkihapon ja glukoosin kromatografiseen erotukseen. Tehokkaimmaksi hartsiksi osoittautui polysulfonoitu mesohuokoinen vahva kationinvaihtohartsi Finex CS100C. CS100C:lla voitiin erottaa rikkihappoa ja glukoosia tehokkaimmin korkeissa 25 p-% ja 36 p-% glukoosi- ja rikkihappo-pitoisuuksissa. Lisäksi sillä havaittiin suurin tuotto simuloidussa liikkuvassa pedissä. Yhdessä kolonnissa suoritetuissa erotuskokeissa tutkittiin hartsien erotuskykyä rikkihapolle ja glukoosille sekä virtausnopeuden vaikutusta erotukseen lämpötilassa 22 °C. Saatujen tulosten pohjalta valittiin CS11GC, CS16GC ja CS100C tarkempaan isotermin määritykseen ja simulointiin hyvän erotuskyvyn sekä keskinäisten erojen takia. Adsorptioisotermit määritettiin kolonnikokein sekä 22 °C:n että 50 °C:n lämpötilassa. Isotermeistä havaittiin, että tasapaino kiinto- ja liuosfaasien välille saavutetaan rikkihapolla alhaisella 1 cm3/min virtausnopeudella varmemmin kuin suuremmalla 2,5 cm3/min virtausnopeudella. 50 °C:n lämpötilassa hapon ja glukoosin isotermit olivat jyrkempiä kuin 22 °C:n lämpötilassa. Määritettyihin hapon ja sokerin isotermeihin sovitettiin mallit, joiden parametreja käytettiin yksittäisen kolonnin simulointiin. Simuloinnissa oli estimoitavia parametreja yhdellä kolonnilla aineensiirtokertoimet sekä läpäisykäyristä määritetyt isotermiparametrit glukoosille sekä rikkihapolle ja SMB–erotuksessa vyöhykkeiden 2 ja 3 suhteelliset virtausnopeudet. Siirryttäessä lämpötilojen 22 °C ja 50 °C välillä hartsien parametrit muuttuivat sokerille täysin ja hapolle vain aineensiirtokertoimen osalta. CS100C oli tehokkain SMB–erotuksessa korkeimmalla 0,11 cm3/min tuottavuudella 95 %:n saannon saavuttamiseksi 95 % tuotepuhtaudella raffinaatissa ja ekstraktissa.

Nanosuodatuskalvojen alkalikestävyys

Tässä diplomityössä tutkittiin nanosuodatuskalvojen puhdistusta ja kestävyyttä alkalipesuissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään kalvojen likaantumista ja eri puhdistusmenetelmiä, sekä vertaillaan kolmen nanosuodatuskalvon erotusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa tutkittiin emäksisten pesukemikaalien vaikutusta kirjallisuusosassa esitettyihin kalvoihin. Käytetyt suodatuskalvot olivat Dow FilmTecTM NF-270, GE Osmonics Desal-5 DL ja Trisep XN45. Kalvojen puhdistukseen käytettiin Ecolabin P3-ultasil 110 ja 112 alkalipesukemikaaleja. Suodatuskokeet tehtiin laboratoriomittakaavan tasokalvojen suodatinlaitteistolla. Alkalikäsittelyitä tehtiin sekä liottamalla kalvoja säilytysastiassa että altistamalla näitä virtauksen ja paineen alaisuudessa. Vaihdettuja muuttujia oliat: pesuainekonsentraatio, lämpötila ja vaikutusaika. Kalvoissa tapahtuneita muutoksia arvioitiin mittaamalla permeabiliteettia sekä magnesiumsulfaatti- ja glukoosiretentioita. Suodatuslämpötilan nostaminen kasvatti lineaarisesti permeabiliteettia ja vastaavasti laski lineaarisesti retentiota. Kalvojen välillä ei ollut eroja permeabiliteettien lämpötilariippuvuuksissa. DL:n retentio laski vähiten lämpötilaa nostettaessa. Liotuskokeiden perusteella kestävät DL- ja NF-270-kalvot noin 1 % P3-ultrasil 110 liuoksia, sekä XN-kalvo 1,2–1,5 %:sia liuoksia, kun lämpötilana on 44 ºC ja vaikutusaikana 50 vrk. Käytettyjen pesukemikaalien välillä ei havaittu eroja. Pienen paineen ja virtauksen alla suoritetuissa käsittelyissä havaittiin alkalihajoamisen noudattavan likimain ensimmäisen kertaluvun reaktiokinetiikkaa ja käyttäytyvän likimain Arrheniuksen yhtälön ennustamalla tavalla. Myös näissä kokeissa XN45 osoittautui kestävimmäksi. Retentioiden heikkenemistä ei pystytty luotettavasti ennustamaan permeabiliteetin perusteella. Työssä osoitettiin että kalvojen muutoksia alkalipesuissa ajan funktiona voidaan ennustaa ja näin teollisuudessa voidaan ennakoida kalvojen vaihtotarvetta.

On-line determination of residual collector concentration in flotation process

Valuable minerals can be recovered by using froth flotation. This is a widely used separation technique in mineral processing. In a flotation cell hydrophobic particles attach on air bubbles dispersed in the slurry and rise on the top of the cell. Valuable particles are made hydrophobic by adding collector chemicals in the slurry. With the help of a frother reagent a stable froth forms on the top of the cell and the froth with valuable minerals, i.e. the concentrate, can be removed for further processing. Normally the collector is dosed on the basis of the feed rate of the flotation circuit and the head grade of the valuable metal. However, also the mineral composition of the ore affects the consumption of the collector, i.e. how much is adsorbed on the mineral surfaces. Therefore it is worth monitoring the residual collector concentration in the flotation tailings. Excess usage of collector causes unnecessary costs and may even disturb the process. In the literature part of the Master’s thesis the basics of flotation process and collector chemicals are introduced. Capillary electrophoresis (CE), an analytical technique suitable for detecting collector chemicals, is also reviewed. In the experimental part of the thesis the development of an on-line CE method for monitoring the concentration of collector chemicals in a flotation process and the results of a measurement campaign are presented. It was possible to determine the quality and quantity of collector chemicals in nickel flotation tailings at a concentrator plant with the developed on-line CE method. Sodium ethyl xanthate and sodium isopropyl xanthate residuals were found in the tailings and slight correlation between the measured concentrations and the dosage amounts could be seen.