Purification and fractionation by nanotiltration in dairy and sugar and sweetener industry applications

Nanotiltration is a membrane separation method known for its special characteristic of rejecting multivalent ions and passing monovalent ions. Thus, it is commonly applied with dilute aqueous solutions in partial salt removal, like in drinking water production. The possibilities of nanofiltration have been studied and the technique applied in a wide branch of industries, e.g. the pulp and paper, the textile and the chemical processing industry. However, most present applications and most of the potential applications studied involve dilute solutions, the permeating stream being generally water containing monovalent salts. In this study nanotiltration is investigated more as a fractionation method. A well-known application in the dairy industry is concentration and partial salt removal from whey. Concentration and partial demineralization is beneficial for futher processing of whey as whey concentrates are used e.g. in baby foods. In the experiments of this study nanotiltration effectively reduced the monovalent salts in the whey concentrate. The main concern in this application is lactose leakage into the permeate. With the nanofiltration membranes used the lactose retentions were practically ? 99%. Another dairy application studied was the purification and reuse of cleaning solutions. This is an environmentally driven application. An 80% COD reduction by nanofiltration was observed for alkaline cleaning-in-place solution. Nanofiltration is not as commonly applied in the sugar and sweeteners industry as in the dairy industry. In this study one potential application was investigated, namely xylose purification from hemicellulose hydrolyzate. Xylose is raw material for xylitol production. Xylose separation from glucose was initially studied with xylose-glucose model solutions. The ability of nanofiltration to partially separate xylose into the permeate from rather concentrated xylose-glucose solutions (10 w-% and 30 w-%) became evident. The difference in size between xylose and glucose molecules according to any size measure is small, e.g. the Stokes diameter of glucose is 0.73 nm compared to 0.65 nm for xylose. In further experiments, xylose was purified into nanoliltration permeate from a hemicellulose hydrolyzate solution. The xylose content in the total solids was increased by 1.4—1.7 fold depending on temperature, pressure and feed composition.

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.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Valmistusteknillinen näkökulma hitsattaessa ruostumattomia teräksiä CO2-laserilla

Tämä kandidaatintyö on valmistuksellinen näkökulma ruostumattoman teräksen CO2-laserhitsauksen perusteisiin. Tavoitteena on perehdyttää lukija ruostumattoman teräksen CO2-laserhitsauksen valmistusteknillisiin vaatimuksiin ja teollisuuden sovelluksiin.

The Pay-Off Method as a Tool for Evaluating the Risk and Profitability of Public Real Estate Investments

Real option valuation, in particular the fuzzy pay-off method, has proven to be useful in defining risk and visualizing imprecision of investments in various industry applications. This study examines whether the evaluation of risk and profitability for public real estate investments can be improved by using real option methodology. Firstly, the context of real option valuation in the real estate industry is examined. Further, an empirical case study is performed on 30 real estate investments of a Finnish government enterprise in order to determine whether the presently used investment analysis system can be complemented by the pay-off method. Despite challenges in the application of the pay-off method to the case company’s large investment base, real option valuation is found to create additional value and facilitate more robust risk analysis in public real estate applications.

Wireless E-Business Applications in ICT Industry

Sähköisen liiketoiminnan sovelluksia on voitu toistaiseksi käyttää useimmissa tapauksissa vain langallisen yhteyden kautta. Uudet langattomat teknologiat, jotka ovat kehittyneet nopeasti muutaman viimeisen vuoden aikana, mahdollistavat näiden sovellusten käytön ajasta ja paikasta riippumatta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia langattomien sähköisen liiketoiminnan sovellusten käyttöä ja hyötyjä tieto- ja viestintäteollisuudessa. Työssä keskitytään tutkimaan tätä tietotekniikan evoluutioaskelta yksittäisen yrityksen kannalta: rajoittuen omassa toiminnassa käytettäviin sovelluksiin. Tutkimus luo viitekehyksen mobiilisuuden evoluutioon, uuden tietotekniikan vaikutuksiin ja hyötyihin sekä tarkemmin langattomiin sähköisen liiketoiminnan sovelluksiin. Tätä viitekehystä käytetään analysoitaessa nykyistä käyttöä tutkimuksen kohteena olevissa yrityksissä. Tutkimuksen johtopäätökset niin nykyisestä käytöstä kuin myös tulevasta ovat syntyneet viitekehyksen, nykyisen käytön, sekä tehtyjen haastattelujen pohjalta.

Wireless Applications Evaluation and Development Process: Case -Paper Industry Logistics

Sähköisen liiketoiminnan ja mobiliteetin konvergenssi yhdessä teknologisen innovaation kiihtyvän vauhdin kanssa ovat saaneet aikaan kiinnostusta langattomia liiketoimintaratkaisuja kohtaan. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia sähköisen liiketoiminnan langattomien sovellusten arviointi- ja kehitysprosessia. Työ keskittyy tarkastelemaan paperiteollisuuden toimitusketjun langatonta seurantaa. Tutkimuksessa esitetään langattoman sähköisen liiketoiminnan määritelmä, kuvaillaan langattomuuden eri sovellusalueita ja sovellusten arviointi- ja kehitysprosessin strategisia sekä teknologisia ulottuvuuksia. Työ luo viitekehyksen, jonka avulla tarkastella langattomien teknologioiden merkitystä logistiikassa. Tutkimuksen merkittävin tulos on prosessimalli sovellusten arvioimiseksi ja kehittämiseksi. Mallilla kehitetty langaton sovellus osoittautui tarkastelussa hyödylliseksi toimitusketjun hallinnassa.

Applications of augmented reality for sales in apparel industry in Russia

The sustainable growth of video interactivity technologies on different platforms in the lasts years opens good prospects for augmented reality technology adoption on different markets. In the end of 2011 there was an improvement in technology which allows building the 3D model of human body. Such an improvement could be used in apparel industry. The main goal of the study is to understand the level of acceptance of augmented reality as a technology on the Russian apparel market. For a more accurate investigation, a new model accounting for augmented reality characteristics, as well as for similarities and differences between online and offline customer behavior in apparel industry, was developed. As a result of the survey, the weights of different purchase intention factors for Russian consumer were found, and the information about Russian consumers’ preferences towards the augmented reality features in apparel market, especially in fitting time, real-time interaction and fitting quality peculiarities, was presented.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Are Evaluation of ICTs Investment Using Decision Support Systems:Case Applications from Distributor's and End User's Perspective Group Decision

The evaluation of investments in advanced technology is one of the most important decision making tasks. The importance is even more pronounced considering the huge budget concerning the strategic, economic and analytic justification in order to shorten design and development time. Choosing the most appropriate technology requires an accurate and reliable system that can lead the decision makers to obtain such a complicated task. Currently, several Information and Communication Technologies (ICTs) manufacturers that design global products are seeking local firms to act as their sales and services representatives (called distributors) to the end user. At the same time, the end user or customer is also searching for the best possible deal for their investment in ICT's projects. Therefore, the objective of this research is to present a holistic decision support system to assist the decision maker in Small and Medium Enterprises (SMEs) - working either as individual decision makers or in a group - in the evaluation of the investment to become an ICT's distributor or an ICT's end user. The model is composed of the Delphi/MAH (Maximising Agreement Heuristic) Analysis, a well-known quantitative method in Group Support System (GSS), which is applied to gather the average ranking data from amongst Decision Makers (DMs). After that the Analytic Network Process (ANP) analysis is brought in to analyse holistically: it performs quantitative and qualitative analysis simultaneously. The illustrative data are obtained from industrial entrepreneurs by using the Group Support System (GSS) laboratory facilities at Lappeenranta University of Technology, Finland and in Thailand. The result of the research, which is currently implemented in Thailand, can provide benefits to the industry in the evaluation of becoming an ICT's distributor or an ICT's end user, particularly in the assessment of the Enterprise Resource Planning (ERP) programme. After the model is put to test with an in-depth collaboration with industrial entrepreneurs in Finland and Thailand, the sensitivity analysis is also performed to validate the robustness of the model. The contribution of this research is in developing a new approach and the Delphi/MAH software to obtain an analysis of the value of becoming an ERP distributor or end user that is flexible and applicable to entrepreneurs, who are looking for the most appropriate investment to become an ERP distributor or end user. The main advantage of this research over others is that the model can deliver the value of becoming an ERP distributor or end user in a single number which makes it easier for DMs to choose the most appropriate ERP vendor. The associated advantage is that the model can include qualitative data as well as quantitative data, as the results from using quantitative data alone can be misleading and inadequate. There is a need to utilise quantitative and qualitative analysis together, as can be seen from the case studies.

Web user interface architecture for advanced planning and scheduling systems Case: Nokia Demand / Supply Planning Applications

In modem hitec industry Advanced Planning and Scheduling (APS) systems provide the basis for e-business solutions towards the suppliers and the customers. One objective of this thesis was to clarify the modem supply chain management with the APS systems and especially concentrate on the area of Collaborative Planning. In order Advanced Planning and Scheduling systems to be complete and usable, user interfaces are needed. Current Visual Basic user interfaces have faced many complaints and arguments from the users as well as from the development team. This thesis is trying to analyze the reasons and causes for the encountered problems and also provide ways to overcome them. The decision has been made to build the new user interfaces to be Web-enabled. Therefore another objective of this thesis was to research and find suitable technologies for building the Web-based user interfaces for Advanced Planning and Scheduling Systems in Nokia Demand/Supply Planning business area. Comparison between the most suitable technologies is made. Usability issues of Web-enabled user interfaces are also covered. The empirical part of the thesis includes design and implementation of a Web-based user interface with the chosen technology for a particular APS module that enables Collaborative Planning with suppliers.

Integration of Economics into Life Cycle Assessment in the Finnish Pulp and Paper Industry

Taloudellisen laskennan yhdistäminen elinkaariarviointiin (LCA) on alkanut kiinnostaa eri teollisuuden aloja maailmanlaajuisesti viime aikoina. Useat LCA-tietokoneohjelmat sisältävät kustannuslaskentaominaisuuksia ja yksittäiset projektit ovat yhdistäneet ympäristö- ja talouslaskentamenetelmiä. Tässä projektissa tutkitaan näiden yhdistelmien soveltuvuutta suomalaiselle sellu- ja paperiteollisuudelle, sekä kustannuslaskentaominaisuuden lisäämistä KCL:n LCA-ohjelmaan, KCL-ECO 3.0:aan. Kaikki tutkimuksen aikana löytyneet menetelmät, jotka yhdistävät LCA:n ja taloudellista laskentaa, on esitelty tässä työssä. Monet näistä käyttävät elinkaarikustannusarviointia (LCCA). Periaatteessa elinkaari määritellään eri tavalla LCCA:ssa ja LCA:ssa, mikä luo haasteita näiden menetelmien yhdistämiselle. Sopiva elinkaari tulee määritellä laskennan tavoitteiden mukaisesti. Työssä esitellään suositusmenetelmä, joka lähtee suomalaisen sellu- ja paperiteollisuuden erikoispiirteistä. Perusvaatimuksena on yhteensopivuus tavanomaisesti paperin LCA:ssa käytetyn elinkaaren kanssa. Menetelmän yhdistäminen KCL-ECO 3.0:aan on käsitelty yksityiskohtaisesti.

Applications and Markets of Linear Motors

A steady increase in practical industrial applications has secured a place for linear motors. They provide high dynamics and high positioning accuracy of the motor, high reliability and durability of all components of the system. Machines with linear motors have very big perspectives in modern industry. This thesis enables to understand what a linear motor is, where they are used and what situation there is on their market nowadays. It can help to understand reasonability of applying linear motors on manufacture and benefits of its application.

Usability of laser–arc hybrid welding processes in industrial applications

Metal industries producing thick sections have shown increasing interest in the laser–arc hybrid welding process because of its clear advantages compared with the individual processes of autogenous laser welding and arc welding. One major benefit of laser–arc hybrid welding is that joints with larger gaps can be welded with acceptable quality compared to autogenous laser welding. The laser-arc hybrid welding process has good potential to extend the field of applications of laser technology, and provide significant improvements in weld quality and process efficiency in manufacturing applications. The objective of this research is to present a parameter set-up for laser–arc hybrid welding processes, introduce a methodical comparison of the chosen parameters, and discuss how this technology may be adopted in industrial applications. The research describes the principles, means and applications of different types of laser–arc hybrid welding processes. Conducted experiment processing variables are presented and compared using an analytical model which can also be used for predictive simulations. The main argument in this thesis is that profound understanding of the advanced technology of laser-arc hybrid welding will help improve the productivity of welding in industrial applications. Based on a review of the current knowledge base, important areas for further research are also identified. This thesis consists of two parts. The first part introduces the research topic and discusses laser–arc hybrid welding by characterizing its mechanism and most important variables. The second part comprises four research papers elaborating on the performance of laser– arc hybrid welding in the joining of metals. The study uses quantitative and qualitative research methods which include in-depth, interpretive analyses of results from a number of research groups. In the interpretive analysis, the emphasis is placed on the relevance and usefulness of the investigative results drawn from other research publications. The results of this study contribute to research on laser–arc hybrid welding by increasing understanding of how old and new perspectives on laser–arc hybrid welding are evidenced in industry. The research methodology applied permits continued exploration of how laser–arc hybrid welding and various process factors influence the overall quality of the weld. Thestudy provides a good foundation for future research, creates improved awareness of the laser–arc hybrid welding process, and assists the metal industry to maximize welding productivity.