Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Detection of bovine foetal DNA from amniotic fluid using the polymerase chain reaction

Selostus: Sikiön DNA:n tunnistaminen naudan sikiövedestä polymeraasiketjureaktion avulla

The transfer of 137Cs through the soil-plant-sheep food chain in different pasture ecosystems

Selostus: Radiocesiumin kulkeutuminen eri laidunekosysteemien maa-ruoho-lammas -ravintoketjussa

Universally primed polymerase chain reaction analysis of Fusarium avenaceum isolated from wheat and barley in Finland

Selostus: Vehnästä ja ohrasta eristettyjen F. avenaceum -punahomekantojen analysointi UP-PCR-menetelmällä

Optimizing the supply chain strategy of a multi-unit Finnish nursery company

Abstract

Item master management in the engineer-to-order supply chain

Diplomityöntavoitteena on tutkia, kuinka nimiketiedon hallinnalla voidaan parantaa kustannustehokkuutta projektiohjautuvassa toimitusketjussa. Työn kohdeyritys on Konecranes Oyj:n tytäryhtiö Konecranes Heavy Lifting Oy. Nimiketiedon hallinta liittyy läheisesti tuotetiedon hallintaan. Teoriaosassa käsitellään toimitusketjuympäristön tekijöitä, modulaarisuuden ja asiakaskohtaisuuden ongelmallisuutta sekä informaatiovirran vaikutuksia eri toiminnoissa. Yritysosassa vertaillaan konsernitason kahta liiketoiminta-aluetta strategiavalintojen, tuotteiden modulaarisuuden sekä tilaus-toimitusprosessissa liikkuvan nimikeinformaation perusteella. Diplomityön tuloksena annetaan suuntaviivat; nimikemassan eheytykseen, strategisten nimikkeiden tunnistamiseen ja määrittämiseen, nimikkeiden hallintaan sekä master-datan sijoittamiseen tietojärjestelmäympäristöön.

Developing Service Promise Concept Based on Supply Chain

Diplomityön tavoitteena on analysoida ja kehittää palvelulupauskonseptia toimitusketjuun perustuen Halton Oy:ssä. Työ toteutettiin, koska asiakaslähtöinen liiketoimintatapa on voimakkaasti valtaamassa alaa tuote- ja tuotantopainotteiselta toimintatavalta. Tuotteiden erinomaisuus koetaan markkinoilla yhä useammin itsestään selvyytenä. Prosessien tehokas hallitseminen ja asiakkaan kokeman lisäarvon muodostaminen ovat muodostuneet ratkaisevimmaksi kilpailuedun luojaksi. Toimitusketjun hallinnalla ja sähköisellä kaupankäynnillä on tärkeä rooli tämän kilpailuedun muodostumisessa.Diplomityö käsittelee uuden palvelulupauskonseptin tarjoamia etuja Halton Oy:lle. Työssä pureudutaan toimitusketjun ja sähköisen kaupankäynnin integraatiomahdollisuuksiin. Tarkoituksena on selvittää parhaat mahdolliset kriteerit Haltonin palvelulupauskonseptilleja luoda menetelmät yrityksen materiaalivirtojen sekä uuden konseptin analysoinnille ja kehittämiselle jatkossa.

Determination of the critical activities of a public-private intermediary organization with the help of value chain analysis

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää arvoketjuanalyysin avulla toiminnot, joilla voittoatavoittelemattoman, julkisen osakeyhtiön toimintaa voitaisiin kuvata. Tarkoituksena oli selvittää mainitut toiminnot yleisesti ja luoda malli kohdeyrityksen arvoketjusta ja sen toiminnoista. Tutkielma jakautuu teoreettiseen ja empiiriseen osaan. Ensimmäinen pohjautuu aikaisempaan tutkimukseen ja kirjallisuuteen sidosryhmistä, arvon muodostumisesta ja arvoketjuanalyysistä. Jälkimmäinen on laadullista tapaustutkimusta. Empiriassa mallinnettiin Lappeenranta Innovation Oy:nsisäisiä toimintoja ja sidosryhmien odotuksia. Empiirinen tutkimus perustui kohdeyrityksen omistajille ja henkilöstölle tehtyihin haastatteluihin sekä yrityksen toiminnan päivittäiseen seurantaan. Johtopäätöksenätodettiin, että julkisen, voittoa tavoittelemattoman yrityksen toiminnot on mahdollista kuvata arvoketjuanalyysin avulla. Alan ja yrityksen asettamat erityispiirteet toivat haasteita määrittelylle, mutta silti arvoketju antoi selkeän tavan kohdeyrityksen toimintojen mallintamiselle.

Performance measurement oforder-delivery chain in SMEs: Case study

Tutkimus pyrkii selvittämään, kuinka tehokas suorituskykymittaristo voidaan parhaiten suunnitella pk-yrityksessä. Tutkimuksen tavoitteena on luoda suorituskykymittaristo pienen kohdeyrityksen johtajien tarpeisiin. Päähuomion kohteena on yrityksen tilaus-toimitusketju ja arvoverkko. Työ on luonteeltaan kvalitatiivinen toimintatutkimus, joka noudattaa toiminta-analyyttista tutkimusotetta. Työn teoriaosassa selvitetään, kuinka suorituskyvyn mittaaminen sekä materiaali-, tieto- ja rahavirtojen hallinta on kehittynyt viime vuosina pk-yrityksen näkökulmasta. Mittariston suunnittelu aloitetaan kohdeyrityksen perusteellisella analyysilla. Tämän pohjalta määritellään yrityksen kriittiset menestystekijät, joista lopulta johdetaan suorituskykymittarit. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että yleinen asenne mittaamista kohtaan, strategian huomioinnin puute sekä tietojärjestelmien rajoitteet ovat päähaasteita pk-yrityksen suorituskyvyn mittaamisessa. Mittareiden tuleekin olla melko yksinkertaisia ja helppoja käyttää, jotta mittaamisen ei koettaisi kuluttavan rajallisia resursseja liikaa. Mittariston tulee kuitenkin antaa kokonaisvaltainen kuva yrityksen suorituskyvystä, johon vaikuttavat kaikki arvoverkon osapuolet ja heidän yhteistyö toistensa kanssa.

Value chain analysis in graphical boards business

Tällä tutkielmalla oli kaksi tavoitetta. Ensimmäinen tavoite oli selvittää, kuinka valittujen tuotteiden arvoa asiakkaiden silmissä voisi lisätä. Toisena tavoitteena oli selvittää tuotteiden arvon lisääntyminen arvoketjun jokaisella portaalla kartonkitehtaaltaloppuasiakkaalle. Tutkimuksen kohteena oli kolme erilaista arvoketjua. Tutkimusoli luonteeltaan kvalitatiivinen ja tarvittavat tiedot kerättiin haastatteluilla. Tutkimuksen tuloksena voidaan mainita, että asiakkaat arvostavat laskua kustannuksissa enemmän kuin lisähyötyjä. Myös prosentuaalinen arvonlisäys valittuihintuotteisiin arvoketjun eri portaissa saatiin selville. Tästä työstä on tehty kaksi versiota; tämä versio, joka tulee julkiseksi neljän vuoden salassapitoajan jälkeen, ja toinen versio, joka sisältää arkaluontoisempaa kustannusinformaatiotaja on siitä syystä kokonaan salainen.

Value added logistics in supply and demand chain. Smile. Part 2. eBusiness in a service business. Case: A maintenance and operations network in forest industry

VVALOSADE is a research project of professor Anita Lukka's VALORE research team in the Lappeenranta University of Technology. The VALOSADE includes the ELO technology program of Tekes. SMILE is one of four subprojects of the VALOSADE. The SMILE study focuses on the case of the company network that is composed of small and micro-sized mechanical maintenance service providers and forest industry as large-scale customers. The basic principle of the SMILE study is the communication and ebusiness in supply and demand networks. The aim of the study is to develop ebusiness strategy, ebusiness model and e-processes among the SME local service providers, and onthe other hand, between the local service provider network and the forest industry customers in a maintenance and operations service business. A literature review, interviews and benchmarking are used as research methods in this qualitative case study. The first SMILE report, 'Ebusiness between Global Company and Its Local SME Supplier Network', concentrated on creating background for the SMILE study by studying general trends of ebusiness in supply chains and networks of different industries. This second phase of the study concentrates on case network background, such as business relationships, information systems and business objectives; core processes in maintenance and operations service network; development needs in communication among the network participants; and ICT solutions to respond needs in changing environment. In the theory part of the report, different ebusiness models and frameworks are introduced. Those models and frameworks are compared to empirical case data. From that analysis of the empirical data, therecommendations for the development of the network information system are derived. In process industry such as the forest industry, it is crucial to achieve a high level of operational efficiency and reliability, which sets up great requirements for maintenance and operations. Therefore, partnerships or strategic alliances are needed between the network participants. In partnerships and alliances, deep communication is important, and therefore the information systems in the network also are critical. Communication, coordination and collaboration will increase in the case network in the future, because network resources must be optimised to improve competitive capability of the forest industry customers and theefficiency of their service providers. At present, ebusiness systems are not usual in this maintenance network. A network information system among the forest industry customers and their local service providers actually is the only genuinenetwork information system in this total network. However, the utilisation of that system has been quite insignificant. The current system does not add value enough either to the customers or to the local service providers. At present, thenetwork information system is the infomediary that share static information forthe network partners. The network information system should be the transaction intermediary, which integrates internal processes of the network companies; the network information system, which provides common standardised processes for thelocal service providers; and the infomediary, which share static and dynamic information on right time, on right partner, on right costs, on right format and on right quality. This study provides recommendations how to develop this system in the future to add value to the network companies. Ebusiness scenarios, vision, objectives, strategies, application architecture, ebusiness model, core processes and development strategy must be considered when the network information system will be developed in the next development step. The core processes in the case network are demand/capacity management, customer/supplier relationship management, service delivery management, knowledge management and cash flow management. Most benefits from ebusiness solutions come from the electrifying of operational level processes, such as service delivery management and cash flow management.

Tehdaslogistiikka : value added logistics of the supply and demand chain costfix

VALOSADE (Value Added Logistics in Supply and Demand Chains) on Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja sielläprofessori Anita Lukan VALORE -tutkimusryhmän toteuttama tutkimusprojekti, jonka rahoittaja on ollut Tekes. Projekti on osa Tekesin ELO - Elektronisen liiketoiminnan logistiikka - teknologiaohjelmaa. Tutkimusta rahoittivat Tekesin lisäksi neljä yritystä, jotka toimivat myös tutkimustyön kohteina ja toimivat tarpeen mukaan yhteistyössä tutkijoiden kanssa. Yritysten toimialat ovat metsäteollisuus, laitevalmistaja, joka tarjoaa myös tuotteilleen jälkimarkkinapalveluja sekä kaksi logistiikkapalveluyritystä. Tämä työraportti liittyy VALOSADE - tutkimusprojektin osaprojektiin Costfix (Paper Mill Process - from Fixed Costs into Variable Costs). Costfix - projektin tavoitteena on tutkia ja löytää paperiteollisuudelle uusia toimintamalleja, jotka mahdollistavat kiinteiden kustannusten muuttamisen muuttuviksi. Merkittävä tutkimuksen osa-alue on myös tutkimuskohteiden liike-toiminnan nykytilan aiempaa tarkempi selvittäminen. Tämä työraportti käsittelee kunnossapidon materiaalilogistiikan osalta tehtaan sisällä tapahtuvaa toimintaa, josta tässä tutkimuksessa käytetään nimitystä tehdaslogistiikka. Nykytilaselvityksen perusteella nykyinen prosessiteollisuudessa ja myös pääsääntöisesti valmistavassa teollisuudessa yleisesti vallitseva teollisuusyrityksen käyttöinvestointia ylläpitävän palveluprosessin toimintarakenne, johtamistapa ja prosessin operatiivisten tehtävien toimenkuvat eivät tue ko. palvelukokonaisuuden tehokasta ja tuloksellista toteuttamista. Nykymuotoinen toimintamalli pikemminkin rajoittaa toimintaprosessin kokonaishallintaa ja sen tehostamiseksi investoitujen uusien teknisten ratkaisujen ja teknologian käyttöönottoa. Lisäksi yleisesti vallitseva toimintakulttuuri (mm. arvokäsitykset, uskomukset sekä toiminnan ja tavoitteiden taustalla olevat motiivit) sekä vaikeuttaa nykyisen ja tulevan kilpailutilanteen edellyttämien tehokkuus- ja tuottavuustavoitteiden toteutumista että hidastaa uudistusten onnistumista edellyttävän muutoksen etenemistä yrityksen sisällä. Tutkimuksen tulokset vahvistivat osaltaan sen, että tehdas- ja toimintokeskeinen johtaminen aiheuttavat palveluprosessin eri tehtäville asetettujen tavoitteiden ja perustehtäväkäsityksen välille ristiriitoja, joista seuraa sekä suoria että välillisiä vaikutuksia teollisuusyrityksen tuotantoprosessin toiminnan laatuun ja tuotantolaitteiden käyttövarmuuteen. Palvelukokonaisuuteen kuuluvien eri toimintaprosessien tehtävät on jaettu ristiriitaisesti toiminnoille siten, että erityisestikunnossapidon teknisten toimihenkilöitten hoidettavana on sekä ihmisen henkilökohtaisen kapasiteettirajan ylittävä että toisistaan liian suuri erilaisia osaamisia ja ymmärrystä edellyttävä tehtävämäärä. Nykytilan palvelutuotannossa esiintyvien ongelmien seuraukset ja perussyyt osoittavat, että merkittävästi pääomia sitovan valmistavan teollisuuden (mm. prosessiteollisuus) käyttö-omaisuutta ylläpitävän palveluprosessin hallinta on ulkoistettava tehdastasolta itsenäisesti hoidettavaksi liiketoimintakokonaisuudeksi, jonka operatiivinen johtaminen tapahtuu toimintaprosesseittain konsernin ylätasolta käsin. Johtamismallissa painottuu prosessijohtaminen ja oman vastuualueen toimintaprosessin asiantuntemus. Lisäksi ihmisen osaamiseen, ymmärrykseen ja toimintatapaan perustuva palvelu edellyttää johtamiselta henkilöjohtamistaitoa ja osaamisen johtamista. Liiketoiminnan uudenlainen keskittyminen, verkostoituminen ja globalisoituminen edellyttävät johdoltamyös erilaisten toimintaverkostojen ja sidosryhmien toiminnan ja tarpeen ymmärtämistä. Tutkimustulosten perusteella myös palveluprosesseissa toimivien toimihenkilöitten tehtäväkuvia on muutettava radikaalisti ja osa uusista toimenkuvista edellyttää lisäksi henkilöitten osaamistason aktiivista parantamista. Tässä raportissa esitetään toimintamalli, jossa kuvataan tutkimuksen pohjalta luotu palvelukokonaisuuden johtamismalli ja palveluprosessien eri tehtävätasot tehtävineen. Kuvattu johtamismalli on ollut jo yleisesti käytössä yksittäisillä palvelualoilla, mutta tässä esitetty malli on valmistavan yrityksen teknisiin tukipalveluihin muokattu sovellus.

Supply chain integration: studies on linking customer responsiveness and operational efficiency in logistics policy planning

Abstract The research problem in the thesis deals with improving the responsiveness and efficiency of logistics service processes between a supplier and its customers. The improvement can be sought by customizing the services and increasing the coordination of activities between the different parties in the supply chain. It is argued that to achieve coordination the parties have to have connections on several levels. In the framework employed in this research, three contexts are conceptualized at which the linkages can be planned: 1) the service policy context, 2) the process coordination context, and 3) the relationship management context. The service policy context consists of the planning methods by which a supplier analyzes its customers' logistics requirements and matches them with its own operational environment and efficiency requirements. The main conclusion related to the service policy context is that it is important to have a balanced selection of both customer-related and supplier-related factors in the analysis. This way, while the operational efficiency is planned a sufficient level of service for the most important customers is assured. This kind of policy planning involves taking multiple variables into the analysis, and there is a need to develop better tools for this purpose. Some new approaches to deal with this are presented in the thesis.The process coordination context and the relationship management context deal with the issues of how the implementation of the planned service policies can be facilitated in an inter-organizational environment. Process coordination includes typically such mechanisms as control rules, standard procedures and programs, but inhighly demanding circumstances more integrative coordination mechanisms may be necessary. In the thesis the coordination problems in third-party logistics relationship are used as an example of such an environment. Relationship management deals with issues of how separate companies organize their relationships to improve the coordination of their common processes. The main implication related to logistics planning is that by integrating further at the relationship level, companies can facilitate the use of the most efficient coordination mechanisms and thereby improve the implementation of the selected logistics service policies. In the thesis, a case of a logistics outsourcing relationship is used to demonstrate the need to address the relationship issues between the service provider andthe service buyer before the outsourcing can be done.The dissertation consists of eight research articles and a summarizing report. The principal emphasis in the articles is on the service policy planning context, which is the main theme of six articles. Coordination and relationship issues are specifically addressed in two of the papers.

Wet Oxidation of Concentrated Wastewaters: Process Combination and Reaction Kinetic Modeling

The accumulation of aqueous pollutants is becoming a global problem. The search for suitable methods and/or combinations of water treatment processes is a task that can slow down and stop the process of water pollution. In this work, the method of wet oxidation was considered as an appropriate technique for the elimination of the impurities present in paper mill process waters. It has been shown that, when combined with traditional wastewater treatment processes, wet oxidation offers many advantages. The combination of coagulation and wet oxidation offers a new opportunity for the improvement of the quality of wastewater designated for discharge or recycling. First of all, the utilization of coagulated sludge via wet oxidation provides a conditioning process for the sludge, i.e. dewatering, which is rather difficult to carry out with untreated waste. Secondly, Fe2(SO4)3, which is employed earlier as a coagulant, transforms the conventional wet oxidation process into a catalytic one. The use of coagulation as the post-treatment for wet oxidation can offer the possibility of the brown hue that usually accompanies the partial oxidation to be reduced. As a result, the supernatant is less colored and also contains a rather low amount of Fe ions to beconsidered for recycling inside mills. The thickened part that consists of metal ions is then recycled back to the wet oxidation system. It was also observed that wet oxidation is favorable for the degradation of pitch substances (LWEs) and lignin that are present in the process waters of paper mills. Rather low operating temperatures are needed for wet oxidation in order to destruct LWEs. The oxidation in the alkaline media provides not only the faster elimination of pitch and lignin but also significantly improves the biodegradable characteristics of wastewater that contains lignin and pitch substances. During the course of the kinetic studies, a model, which can predict the enhancements of the biodegradability of wastewater, was elaborated. The model includes lumped concentrations suchas the chemical oxygen demand and biochemical oxygen demand and reflects a generalized reaction network of oxidative transformations. Later developments incorporated a new lump, the immediately available biochemical oxygen demand, which increased the fidelity of the predictions made by the model. Since changes in biodegradability occur simultaneously with the destruction of LWEs, an attempt was made to combine these two facts for modeling purposes.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.