Regulation of epidermal tight junctions by calcium ATPases and p38

The epidermis is the upper layer of the skin and keratinocytes are its most abundant cells. Tight junctions are cell junctions located in the granular layer of the epidermis. They maintain the polarity of the cells and regulate the movement of water-soluble molecules. Epidermal tight junctions may lose their integrity when there are defects in intercellular calcium regulation. Hailey-Hailey and Darier´s disease are dominantly inherited, blistering skin diseases. Hailey-Hailey disease is caused by mutations in the ATP2C1 gene encoding a calcium/manganese ATPase SPCA1 of the Golgi apparatus. Darier´s disease is caused by mutations in the ATP2A2 gene encoding a calcium ATPase SERCA2 of the endoplasmic reticulum. p38 regulates the differentiation of keratinocytes. The overall regulation of epidermal tight junctions is not well understood. The present study examined the regulation of tight junctions in the human epidermis with a focus on calcium ATPases and p38. Skin from Hailey-Hailey and Darier´s disease patients was studied by using immunofluorescence labeling which targeted intercellular junction proteins. Transepidermal water loss was also measured. ATP2C1 gene expression was silenced in cultured keratinocytes, by siRNA, which modeled Hailey-Hailey disease. Expression of intercellular junction proteins was studied at the mRNA and protein levels. Squamous cell carcinoma and normal human keratinocytes were used as a model for impaired and normal keratinocyte differentiation, and the role of p38 isoforms alpha and delta in the regulation of intercellular junction proteins was studied. Both p38 isoforms were silenced by adenovirus cell transduction, chemical inhibitors or siRNA and keratinocyte differentiation was assessed. The results of this thesis revealed that: i.) intercellular junction proteins are expressed normally in acantholytic skin areas of patients with Hailey-Hailey or Darier´s disease but the localization of ZO-1 expanded to the stratum spinosum; ii.) tight junction proteins, claudin-1 and -4, are regulated by ATP2C1 in non-differentiating keratinocytes; and iii.) p38 delta regulates the expression of tight junction protein ZO-1 in proliferating keratinocytes and in squamous cell carcinoma derived cells. ZO-1 silencing, however, did not affect the expression of other tight junction proteins, suggesting that they are differently regulated. This thesis introduces new mechanisms involved in the regulation of tight junctions revealing new interactions. It provides novel evidence linking intracellular calcium regulation and tight junctions.

The interplay of JNK and SCG10 during cortical development and in excitotoxic responses in brain

Initially identified as stress activated protein kinases (SAPKs), the c-Jun Nterminal kinases (JNKs) are currently accepted as potent regulators of various physiologically important cellular events. Named after their competence to phosphorylate transcription factor c-Jun in response to UVtreatment, JNKs play a key role in cell proliferation, cell death or cell migration. Interestingly, these functions are crucial for proper brain formation. The family consists of three JNK isoforms, JNK1, JNK2 and JNK3. Unlike brain specific JNK3 isoform, JNK1 and JNK2 are ubiquitously expressed. It is estimated that ten splice variants exist. However, the detailed cellular functions of these remain undetermined. In addition, physiological conditions keep the activities of JNK2 and JNK3 low in comparison with JNK1, whereas cellular stress raises the activity of these isoforms dramatically. Importantly, JNK1 activity is constitutively high in neurons, yet it does not stimulate cell death. This suggests a valuable role for JNK1 in brain development, but also as an important mediator of cell wellbeing. The aim of this thesis was to characterize the functional relationship between JNK1 and SCG10. We found that SCG10 is a bona fide target for JNK. By employing differential centrifugation we showed that SCG10 co-localized with active JNK, MKK7 and JIP1 in a fraction containing endosomes and Golgi vesicles. Investigation of JNK knockout tissues using phosphospecific antibodies recognizing JNK-specific phosphorylation sites on SCG10 (Ser 62/Ser 73) showed that phosphorylation of endogenous SCG10 was dramatically decreased in Jnk1-/- brains. Moreover, we found that JNK and SCG10 co-express during early embryonic days in brain regions that undergo extensive neuronal migration. Our study revealed that selective inhibition of JNK in the cytoplasm significantly increased both the frequency of exit from the multipolar stage and radial migration rate. However, as a consequence, it led to ill-defined cellular organization. Furthermore, we found that multipolar exit and radial migration in Jnk1 deficient mice can be connected to changes in phosphorylation state of SCG10. Also, the expression of a pseudo-phosphorylated mutant form of SCG10, mimicking the JNK1- phopshorylated form, brings migration rate back to normal in Jnk1 knockout mouse embryos. Furthermore, we investigated the role of SCG10 and JNK in regulation of Golgi apparatus (GA) biogenesis and whether pathological JNK action could be discernible by its deregulation. We found that SCG10 maintains GA integrity as with the absence of SCG10 neurons present more compact fragmented GA structure, as shown by the knockdown approach. Interestingly, neurons isolated from Jnk1-/- mice show similar characteristics. Block of ER to GA is believed to be involved in development of Parkinson's disease. Hence, by using a pharmacological approach (Brefeldin A treatment), we showed that GA recovery is delayed upon removal of the drug in Jnk1-/- neurons to an extent similar to the shRNA SCG10-treated cells. Finally, we investigated the role of the JNK1-SCG10 duo in the maintenance of GA biogenesis following excitotoxic insult. Although the GA underwent fragmentation in response to NMDA treatment, we observed a substantial delay in GA disintegration in neurons lacking either JNK1 or SCG10.

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.

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.

Regulation of Spermatogenesis: Differentiation of GFP-labeled Stem Cells and the Function of Cytoplasmic Bridges

During spermatogenesis, different genes are expressed in a strictly coordinated fashion providing an excellent model to study cell differentiation. Recent identification of testis specific genes and the development of green fluorescence protein (GFP) transgene technology and an in vivo system for studying the differentiation of transplanted male germ cells in infertile testis has opened new possibilities for studying the male germ cell differentiation at molecular level. We have employed these techniques in combination with transillumination based stage recognition (Parvinen and Vanha-Perttula, 1972) and squash preparation techniques (Parvinen and Hecht, 1981) to study the regulation of male germ cell differentiation. By using transgenic mice expressing enhanced-(E)GFP as a marker we have studied the expression and hormonal regulation of beta-actin and acrosin proteins in the developmentally different living male germ cells. Beta-actin was demonstrated in all male germ cells, whereas acrosin was expressed only in late meiotic and in postmeiotic cells. Follicle stimulating hormone stimulated b-actin-EGFP expression at stages I-VI and enhanced the formation of microtubules in spermatids and this way reduced the size of the acrosomic system. When EGFP expressing spermatogonial stem cells were transplanted into infertile mouse testis differentiation and the synchronized development of male germ cells could be observed during six months observation time. Each colony developed independently and maintained typical stage-dependent cell associations. Furthermore, if more than two colonies were fused, each of them was adjusted to one stage and synchronized. By studying living spermatids we were able to demonstrate novel functions for Golgi complex and chromatoid body in material sharing between neighbor spermatids. Immunosytochemical analyses revealed a transport of haploid cell specific proteins in spermatids (TRA54 and Shippo1) and through the intercellular bridges (TRA54). Cytoskeleton inhibitor (nocodazole) demonstrated the importance of microtubules in material sharing between spermatids and in preserving the integrity of the chromatoid body. Golgi complex inhibitor, brefeldin A, revealed the great importance of Golgi complex i) in acrosomic system formation ii) TRA54 translation and in iii) granule trafficking between spermatids.

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.

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.

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.

Partikkelikokoanalyysimenetelmän kehittäminen

Päällystettyä paperia valmistettaessa syntyy päällystettyä hylkyä, joka kierrätetään takaisin prosessiin raaka-aineen tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Hylyn mukana takaisin paperikoneen lyhyeen kiertoon päätyy myös pigmenttiaines levymäisinä partikkeleina. Nämä partikkelit rejektoituvat lyhyen kierron pyörrepuhdistimilla. Raaka-aineen hävikin pienentämiseksi käytetään lyhyessä kierrossa täyteaineen talteenottojärjestelmää, jonka tehtävänä on hienontaa päällystysainepartikkelit tasakokoisiksi, jotta ne voitaisiin palauttaa prosessiin. Talteenottolaitteistojen toiminnan tarkkailun kannalta on keskeistä tietää pyörrepuhdistuslaitoksen eri jakeiden partikkelikokojakaumat juuri pigmenttipartikkelien osalta. Tätä määritystä häiritsee näytteissä oleva kuitu. Tässä työssä pyrittiin löytämään partikkelikokoanalyysimenetelmä, jolla pigmenttien partikkelikokojakauma saataisiin selvitettyä kuidusta huolimatta. Aiemmin käytetty näytteen tuhkaus esikäsittelynä ennen partikkelikokoanalyysiä laserdiffraktiometrillä on osoittautunut toimimattomaksi. Kokeiden pääpaino keskittyi näytteen esikäsittelyyn fraktioinnilla ennen laserdiffraktioanalyysiä ja virtaussytometriamittauksiin. Fraktiointiin käytettiin DDJ-laitetta (dynamic drainage jar), joka oli varustettu metalliviiralla. Kumpikaan menetelmistä ei ollut täysin toimiva partikkelikokoanalyysiin, fraktioinnilla saadaan vähennettyä kuidun partikkelikokojakaumaan aiheuttamaa virhettä, mutta sen toimivuus riippuu paljolti näytteestä. Virtaussytometrialla väriainetta SYTO13 käyttämällä saadaan pigmenttipartikkelit tunnistettua ja näin rajattua kuidut pois mittauksista, mutta pigmenttiä ei saada erotettua puuperäisestä hienoaineesta, mikä vääristää mittaustulosta.