Fractionation of wood hydrolysate by ultrafiltration membranes at high temperature

Ultrafiltration (UF) is already used in pulp and paper industry and its demand is growing because of the required reduction of raw water intake and the separation of useful compounds from process waters. In the pulp and paper industry membranes might be exposed to extreme conditions and, therefore, it is important that the membrane can withstand them. In this study, extractives, hemicelluloses and lignin type compounds were separated from wood hydrolysate in order to be able to utilise the hemicelluloses in the production of biofuel. The performance of different polymeric membranes at different temperatures was studied. Samples were analysed for total organic compounds (TOC), lignin compounds (UV absorption at 280 nm) and sugar. Turbidity, conductivity and pH were also measured. The degree of fouling of the membranes was monitored by measuring the pure water flux before and comparing it with the pure water flux after the filtration of hydrolysate. According to the results, the retention of turbidity was observed to be higher at lower temperature compared to when the filtrations were operated at high temperature (70 °C). Permeate flux increased with elevated process temperature. There was no detrimental effect of temperature on most of the membranes used. Microdyn-Nadir regenerated cellulose membranes (RC) and GE-Osmonics thin film membranes seemed to be applicable in the chosen process conditions. The Polyethersulphone (NF-PES-10 and UH004P) and polysulphone (MPS-36) membranes used were highly fouled, but they showed high retentions for different compounds.

Effects of interband and intraband impurity scattering on coherence length in the pnictide superconductors

After discovery of cuprates, a search for new high temperature superconducting families began and it led to the discovery of layered pnictide compounds with critical temperatures limited up to ∼56 K. Pnictides consist elements from Group V of Periodic Table (nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony and bismuth). In this work coherence length h in mixed state of pnictide superconductors is calculated numerically. In calculation is taken into account interband and intraband impurity scattering in framework of quasiclassical Eilenberger theory for s± pairing symmetry. Differences between Ginzburg-Landau and Eilenberger theories is shown and the comparison with existing models is done.

Effects of interband and intraband impurity scattering on coherence length in the pnictide superconductors

After discovery of cuprates, a search for new high temperature superconducting families began and it led to the discovery of layered pnictide compounds with critical temperatures limited up to ~56 K. Pnictides consist elements from Group V of Periodic Table (nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony and bismuth). In this work coherence length ξh in mixed state of pnictide superconductors is calculated numerically. In calculation is taken into account interband and intraband impurity scattering in framework of quasiclassical Eilenberger theory for s± pairing symmetry. Differences between Ginzburg-Landau and Eilenberger theories is shown and the comparison with existing models is done.

Vaihtokenttämagnetometrin suunnittelu ja rakentaminen

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa vaihtokenttämagnetometri, jolla voidaan tutkia näytteen magneettisia ominaisuuksia eri lämpötiloissa ja eri taajuuksilla. Menetelmänä käytettiin keskinäisinduktiotekniikkaa, joka on hyvin yleinen tapa tutkia aineen magneettista suskeptibiliteettiä. Magnetometriä ohjataan LabVIEW:lla tehdyllä käyttöliittymällä, joka suunniteltiin yksinkertaiseksi ja helpoksi käyttää. Ohjelma sisältää ohjeet, jotka auttavat parametrien ja toimintojen valinnoissa. LabVIEW:lla ohjataan askelmoottoria, näytteen lämmitintä, lämpötilan mittausta ja lukitusvahvistinta, jolta mittaustulokset saadaan. Laitteen testauksessa käytettiin korkean lämpötilan suprajohdetta YBa2Cu3O6+x, koska sillä saadaan aikaan suurisignaali. Mittaukset tehtiin nestemäisen typen lämpötilassa kahdella eri taajuuden arvolla. Laite antoi oikeanlaisen signaalin ulos eli todettiin laitteen toimivan. Laite toimii hyvin korkeammilla taajuuksilla. Mentäessä hyvin matalille taajuuksille, lukitusvahvistin ei pystynyt lukittumaan, eikä siis siten antanut oikeanlaisia tuloksia.

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.

Puupolttoaineiden kuivausmenetelmien kartoitus

Työssä kartoitetaan käytössä olevia pilkkeen ja hakkeen keinokuivausmenetelmiä. Lisäksi arvioidaan menetelmien energiankulutusta ja kustannuksia, sekä käydään läpi kuivaajan suunnittelussa huomioon otettavia seikkoja. Työn ohessa on tehty Excel-laskentataulukko, jonka avulla voidaan arvioida lämpöyrittäjyyden kannattavuutta koko tuotantoketju huomioon ottaen. Lopussa tutkitaan kolmen erityyppisen pilkekuivurin käyttöä ja arvioidaan laskentataulukon avulla niiden vaikutuksia pilkeyrittäjän talouteen. Yleisin puupolttoaineiden keinokuivausmenetelmä on kylmäilmakuivaus. Sääriippuvuudesta ja usein epätasaisesta kuivauslaadusta johtuen se soveltuu vain pienimuotoiseen ja sivutoimiseen polttoainetuotantoon. Lisälämmityksellä parannetaan ilman kuivauskykyä, jolloin kuivaus on nopeampaa, loppukosteudet alhaisempia ja vuotuinen käyttöaika pitempi. Lämmitysratkaisun valinta riippuu kuivurin halutusta vuotuisesta käyttöajasta ja tuotantomääristä. Ammattimaiseen ja ympärivuotiseen pilketuotantoon soveltuu parhaiten korkeita, 70 - 90 °C lämpötiloja käyttävä kuivuri. Korkealämpötila-kuivurissa on tärkeää huolehtia riittävästä eristyksestä ja säädellystä ilmanvaihdosta. Suurilla polttopuun tuotantomäärillä kuljetuskustannukset korostuvat. Samalla kasvaa markkinoinnin tarve. Mainonnassa voidaan hyödyntää tehokasta kuivausmenetelmää.

Järeiden puutuotteiden erikoiskuivaus

Tutkimuksessa selvitettiin kuumakuivauksen vaikutusta hirsiraaka-aineen ominaisuuksiin, käyttökelpoisia kuivauskaavoja sekä lämpötilatasoja. Kokeissa kuivattiin kuorittuja pyöreitä mäntytukkeja 130-180° C:n maksimilämpötilassa, sekä pelkaksi sahattuja hirsiaihioita 115-140° C:n maksimilämpötilassa. Kuivauksissa pyrittiin mahdollisimman lyhyeen aikaan laadun siitä kuitenkaan kärsimättä. Laadussa kiinnitettiin erityisesti huomiota sisä- ja pintahalkeamiin sekä värimuutoksiin. Korkeita lämpötiloja käytettäessä kuivausaika oli huomattavasti nopeampi kuin lämminilmakuivauksessa. Koekuivaukset kestivät 1-4 vuorokautta, kun vastaavaa puutavaraan lämminilmakuivaus kestää 7-20 vuorokautta. Korkeimmilla lämpötiloilla suoritetuissa kokeissa koekappaleisiin muodostui paljon pieniä halkeamia kun taas alhaisemmilla lämpötiloilla halkeamien kappalemäärä väheni, mutta lähes joka kappaleessa oli vähintään yksi suuri (yli 5 mm leveä) halkeama. Sisähalkeamien määrä oli pyöreillä tukeilla suoritetuissa kokeissa kohtuullisen pieni. Pelkaksi sahatuilla aihioilla sitä vastoin sisähalkeamien määrä oli huomattavasti suurempi. Vain 100 mm x 175 mm aihioilla onnistuttiin yhdessä kuivauksessa pitämään sisähalkeaminen pienenä. Kuumakuivaus aiheuttaa väistämättä värimuutoksia puuhun. Mitä korkeammilla lämpötiloilla ja pidemmillä kaavoilla kuivataan sitä enemmän väri tummenee. Värin vaikutus lopputuotteessa riippuu kuitenkin käyttökohteesta ja asiakkaan mieltymyksistä. Tutkimuksen perusteella varsinkin pyöreiden tukkien kuumakuivaus näyttää onnistuvan laadul-lisesti hyvin ja huomattavasti lämminilmakuivausta nopeammin. Pelkaksi sahattujen hirsiaihioiden kuivauksessa prosessin hallinta havaittiin vaikeaksi ja toimivien kaavojen kehittäminen vaatii jatkotutkimuksia.

Kalvoerotusprosessin esikäsittely

Työn tavoitteena oli tutkia kiertoveden puhdistamiseen käytetyn kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmien vaikutusta ultrasuodatukseen. Suodatettava vesi oli kierrätyskuitua käyttävän paperikoneen kiekkosuotimen kirkassuodosta. Koeajon loppuosassa käytettiin biokirkassuodosta. Paperitehtaassa oli suljettu vesikierto. Pilot-laitteistona käytettiin Metso PaperChemin OptiFilter CR550/40 ultrasuodatusyksikköä. Testatut kalvot olivat C30 kalvoja. Suodatuksissa seurattiin esikäsittelymenetelmien vaikutusta permeaatin määrään ja laatuun. Ultrasuodatus tehtiin sekä ilman esikäsittelyä että lamelliselkeytin esikäsittelynä. Esikäsittelykemikaalina käytettiin talkkia. Ultrasuodatuksissa havaittiin, että suodatuslämpötilalla oli suora vaikutus kapasiteettiin. Lämpötila vaikutti lineaarisesti kirkassuodoksen ja biokirkassuodoksen permeaattivuohon. Lämpötila nostettiin 55oC:een suodatuslämpötilasta 35 – 40oC. Korkeassa lämpötilassa kirkassuodos oli kapasiteetiltaan suurempi kuin biokirkassuodos. Konsentrointiajoista nähtiin, että ultrasuodatuksen syötön konsentraatioaste vaikutti kirkassuodoksen permeaattivuohon. Syötön konsentraatioastetta lisättäessä kapasiteetti laski. Konsentrointiajoja vertailtaessa havaitaan, että ilman esikäsittelyä vuo laski konsentroitaessa nopeammin kuin suodatuksissa, joissa käytettiin esikäsittelyä. Lamelliselkeyttimellä ja talkilla esikäsitelty suodatus laski kapasiteettia vähiten. Konsentraatioasteen nostaminen lisäsi konsentraatin kemiallista hapenkulutusta. Konsentraatin viskositeetti nousi konsentraatioastetta lisättäessä. Analyysitulosten perusteella saadaan ultrasuodatuskalvoille tyypilliset reduktiot. COD-reduktio oli 10 – 30 %, anionisuuden 40 – 70 % ja värin 80 – 90 %. Vuon kanssa korreloivat pH, uuteaine, ligniini, viskositeetti ja hemiselluloosat.

Kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannusten arviointi

Tässä työssä selvitettiin heliumjäähdytteisellä kuulakekoreaktorilla tuotetun sähkön hinnan muodostumista. Saatuja tuloksia vertailtiin hiilidioksidin erotuksen savukaasuista mahdollistavilla laitteilla varustettuihin hiili- ja maakaasuvoimalaitoksiin sekä kevytvesitekniikalla toteutettuun ydinvoimalaan. Työssä käytiin lyhyesti läpi kuulakekoreaktorin tekniikkaa ja mahdollisia sovelluskohteita, joissa voidaan käyttää hyväksi reaktorin jäähdytteen korkeaa lämpötilaa. Kuulakekoreaktorin kustannustietoja arvioitiin eri lähteissä esitettyjen lukujen perusteella. Ominaisinvestointikustannukseksi saatiin 1722 €/kWe. Sähköntuotannon polttoainekustannukseksi laskettiin 5,4 €/MWh ja käyttö- ja kunnossapito-kustannuksina käytettiin 7 €/MWh. Laitoksen sähköntuotantokustannusten laskenta suoritettiin annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja 40 vuoden taloudellista pitoaikaa sekä 90 % käyttökerrointa. Laskuissa käytettiin vuoden 2002 hintatasoa. Laskelmien perusteella kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannukseksi saatiin 25,1 €/MWh. Tämän todettiin olevan samalla tasolla kuin kevytvesireaktorilla tuotetun sähkön hinta. Hiilidioksidin erotuslaitteilla varustetun hiilivoimalaitoksen sähköntuotantokustannukseksi saatiin 44,0 €/MWh ja maakaasukombivoimalaitoksen 36,3 €/MWh.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Sähkökoneiden kunnonvalvonta-antureiden kehitys vaativiin ympäristöolosuhteisiin

Diplomityössä kerrotaan sähkökoneiden on-line kunnonvalvontaan käytettävistä mittauksista ja analyyseistä sekä antureista, joilla näitä mittauksia voidaan suorittaa. Työssä pohditaan anturielektroniikan suunnittelua ja rakentamista vaativiin ympäristöolosuhteisiin, joita ovat muun muassa korkea lämpötila, kosteus, paine ja voimakkaat magneettikentät. Testataan analogisen lämpötila-anturin toimivuutta taajuusmuuttajakäytön läheisyydessä. Häiriöpiikkien suodattamista varten tehdään mediaanisuodatusohjelma. Lisäksi työssä suunnitellaan kunnonvalvontapilotit pumppuun sellutehtaalle sekä generaattorikäyttöön vesivoimalaan. Pilotit muodostuvat anturoinnista, anturitason tiedonsiirrosta ja mittaustiedon keruusta. Järjestelmää testataan lievästi sisäkehävaurioisella laakerilla. Työssä kerrotaan myös kunnonvalvontajärjestelmän pilotoinnista sellutehtaalle ja analysoidaan sieltä saatuja tuloksia.

Softkalanteroinnin optimointi luettelopaperin viimeistelyssä

Työssä tutkittiin softkalanteroinnin vaikutus heat set web offset-luettelopaperin laatu- ja painatusominaisuuksiin. Tavoitteena oli löytää luettelopaperin laatuvaatimukset täyttävä ajotapa softkalanterille. Työn kirjallisessa osassa käsitellään softkalanteroinnin teoriaa, softkalanteroinnin vaikutusta sanomalehti-paperin laatuun sekä soft- ja konekalanteroinnin eroja. Lisäksi käsitellään painatusta; densiteettiä ja sen vaikutusta paperin läpipainatukseen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin softkalanterin lämpötilan ja viivapaineen vaikutus luettelopaperin laatuun. Paras laatu sileyden, kiillon sekä painojäljen kannalta saavutetaan käyttämällä korkeaa kalanterin lämpötilaa ja viivapainetta. Massaseoksessa tulisi olla niin paljon hioketta kuin paperin lujuusominaisuudet sallivat. Hioke antaa paperille tasaisen painojäljen. Täyteainetta tulisi käyttää, koska se nostaa opasiteettia ja pienentää läpipainatusta sekä helpottaa kalanteroitumista. Helpommin kalanteroituva paperi pienentää paperin huokostilavuutta, jolla on edullinen vaikutus paperin läpipainatukseen. Luettelopaperin kalanteroiminen yhdellä nipillä on mahdollista, mutta ei suotavaa. Tällöin paperista tulee toispuoleista karheuden suhteen.

Improvements in the Assessment of Bacterial Viability and Killing

It is axiomatic that our planet is extensively inhabited by diverse micro-organisms such as bacteria, yet the absolute diversity of different bacterial species is widely held to be unknown. Different bacteria can be found from the depths of the oceans to the top of the mountains; even the air is more or less colonized by bacteria. Most bacteria are either harmless or even advantageous to human beings but there are also bacteria, which can cause severe infectious diseases or spoil the supplies intended for human consumption. Therefore, it is vitally important not only to be able to detect and enumerate bacteria but also to assess their viability and possible harmfulness. Whilst the growth of bacteria is remarkably fast under optimum conditions and easy to detect by cultural methods, most bacteria are believed to lie in stationary phase of growth in which the actual growth is ceased and thus bacteria may simply be undetectable by cultural techniques. Additionally, several injurious factors such as low and high temperature or deficiency of nutrients can turn bacteria into a viable but non-culturable state (VBNC) that cannot be detected by cultural methods. Thereby, various noncultural techniques developed for the assessment of bacterial viability and killing have widely been exploited in modern microbiology. However, only a few methods are suitable for kinetic measurements, which enable the real-time detection of bacterial growth and viability. The present study describes alternative methods for measuring bacterial viability and killing as well as detecting the effects of various antimicrobial agents on bacteria on a real-time basis. The suitability of bacterial (lux) and beetle (luc) luciferases as well as green fluorescent protein (GFP) to act as a marker of bacterial viability and cell growth was tested. In particular, a multiparameter microplate assay based on GFP-luciferase combination as well as a flow cytometric measurement based on GFP-PI combination were developed to perform divergent viability analyses. The results obtained suggest that the antimicrobial activities of various drugs against bacteria could be successfully measured using both of these methods. Specifically, the data reliability of flow cytometric viability analysis was notably improved as GFP was utilized in the assay. A fluoro-luminometric microplate assay enabled kinetic measurements, which significantly improved and accelerated the assessment of bacterial viability compared to more conventional viability assays such as plate counting. Moreover, the multiparameter assay made simultaneous detection of GFP fluorescence and luciferase bioluminescence possible and provided extensive information about multiple cellular parameters in single assay, thereby increasing the accuracy of the assessment of the kinetics of antimicrobial activities on target bacteria.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Uutto-olosuhteiden vaikutus kasviperäisen indigon saantoon

Indigo on väriaine, jota valmistetaan petrokemianteollisuuden välituotteena syntyvästä aniliinista. Indigolla on kuitenkin pitkä historia. Sitä on valmistettu perinteisesti eri viljelykasveista, joista Euroopassa merkittävin on ollut morsinko. Luonnonmukaisten tuotteiden suosion kasvaessa on ryhdytty selvittämään morsingon viljelyn potentiaalia. Viljelyn kannattavuuden kannalta olennaista on kasvin lehdissä esiintyvien indigon esiasteiden mahdollisimman täydellinen eristäminen. Indigoa tuotetaan uuttamalla indigon esiasteet veteen. Esiasteet hajoavat synnyttäen indoksyyliä, josta hapen vaikutuksella muodostuu indigoa. Syntynyt indigo saostuu ja laskeutuu pohjalle. Samalla kuitenkin tapahtuu epätoivottuja sivureaktioita, jotka vähentävät indigon saantoa. Tutkimuksen tavoitteena oli laboratorio- ja kenttäkokeiden avulla löytää indigon saantoa parantavat uutto-olosuhteet. Kokeiden perusteella havaittiin, että indigon saantoon vaikuttavat positiivisesti pH:n laskeminen, lämpötilan nostaminen, morsingon lehtien pilkkominen ja uuttoliuoksen sekoittaminen. Uuttoliuoksen suolapitoisuuden havaittiin puolestaan vaikuttavan indigon saantoon negatiivisesti. Laboratoriokokeiden perusteella havaittu pH:n laskemisen vaikutus indigon saantoon todistettiin myös kenttäolosuhteissa. Kokeiden havaintojen perusteella esitettiin olosuhteiden indigosaantoa parantavien vaikutusten johtuvan kahdesta tekijästä: indoksyylin stabiloitumisesta happamassa ympäristössä, jolloin sivureaktioiden osuus vähenee, sekä aineensiirron paranemisella sekoituksen, faasien rajapinnan kasvamisen ja etenkin lehtien vahakerroksen rikkoutumisen kuuman veden ja hapon vaikutuksesta.