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.

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.