Ultrasuodatusmembraanin modifiointi entsyymeillä suodatusominaisuuksien parantamiseksi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli kiinnittää lakkaasientsyymi polyeetterisulfonimembraaniin suodatusominaisuuksien parantamiseksi. Lakkaasientsyymin tiedetään pilkkovan ligniiniä ja kiinnittämällä lakkaasientsyymi membraaniin tavoiteltiin ligniinin aiheuttaman membraanin likaantumisen vähentämistä. Tällöin vältyttäisiin lisäksi erilliseltä esikäsittely vaiheelta ja voitaisiin saada puhtaampi lopputuote. Lakkaasientsyymivalmisteena tutkimuksessa käytettiin Novozym® 51003 ja ristisilloittajana käytettiin glutaarialdehydiä. Vapaan ja kiinnitetyn lakkaasientsyymin aktiivisuuden määritettiin 2,2-atso-bis(3- etyylibentsotiatsolyyli-6-sulfonihappo):n avulla. Lakkaasin kiinnittymistä membraaniin tutkittiin ATR-FTIR spektroskoopilla kiinnittymisen varmentamiseksi. Lakkaasi modifioituja membraaneja testattiin koivu-uute suodatuksella ja adsorptio kokeella. Lakkaasientsyymi saatiin kiinnitettyä membraaniin ristisilloittajan avulla, mutta lakkaasilla modifioitujen membraanien vesivuot laskivat noin puoleen alkuperäisestä. Koivu-uuteen suodatuksissa modifioidusta membraanista ei saatu permeaattia lävitse, mutta adsorptiokokeen tulosten perusteella voidaan todeta lakkaasientsyymin pilkkoneen ligniiniä. Kiinnitetyn lakkaasin aktiivisuus vaihteli rinnakkaisten määritysten välillä, minkä vuoksi lakkaasin kiinnitysmekanismin lisätutkiminen olisi tarpeen luotettavimpien tulosten saamiseksi.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Marjojen flavonoidien uuttaminen

Flavonoidit ovat kasvien polyfenolisia sekundäärimetaboliitteja, jotka koostuvat 15-hiilisestä C6-C3-C6-perusrungosta. Niillä on havaittu useita terveyden kannalta edullisia ominaisuuksia kuten antioksidatiivisia, antikarsinogeenisia, antiallergeenisia, anti-inflammatorisia, estrogeenisia sekä antimikrobiaalisia vaikutuksia. Kasvimateriaalia käyttävän elintarviketeollisuuden sivuvirrat ovat flavonoidi-pitoisten jakeiden arvokkaita raaka-aineita. Tässä työssä tarkoituksena oli tutkia marjojen puristusjäännöksen sisältämien flavonoidien uuttamista ja uuttautumiseen vaikuttavia tekijöitä kuten liuottimen koostumusta ja määrää, uuttolämpötilaa ja -aikaa sekä liuottimen lisäaineita. Uutteet analysointiin HPLC:lla käyttäen ODS-2-kolonnia ja gradienttieluointia. Komponentit detektoitiin niille tyypillisillä UV-VIS-aallonpituuksilla ja identifioitiin vertaamalla flavonoidiprofiililtaan tunnettujen marjojen kromatogrammeihin. Antosyaanien kvantitatiiviseen analysointiin käytettiin spektrofotometrista pH-eromenetelmää ja tulokset ilmoitettiin syanidiini-3-glukosidina. Uutteiden kestävyyttä tutkittiin säilyttämällä näytteitä eri olosuhteissa sekä lisäämällä niihin uuton saantoon ja komponenttien säilyvyyteen vaikuttavia aineita. Useimmat tutkituista hapoista paransivat flavonoidien saantoa ja uutteiden säilyvyyttä, mutta esim. askorbiinihapon lisääminen nopeutti tiettyjen uutteen sisältämien flavonoidien tuhoutumista.

Suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaaminen metyylisalisylaatilla -mittaus- ja analyysimenetelmien kehittäminen ja validointi

Tässä diplomityössä kehitettiin mittaus- ja analyysimenetelmät suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaamiseksi sekä neste- että kaasumaisella metyylisalisylaatilla. Kehitystyö tehtiin standardin SFS-EN ISO 6529 pohjalta. Tämä standardi kuvaa kuitenkin varsin yleisellä tasolla suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testimenetelmät, eikä se ole mikään tarkka työohje. Näytteenotto- ja analyysimenetelmät joudutaan siis valitsemaan sekä validoimaan jokaiselle kemikaalille erikseen, tässä tapauksessa metyylisalisylaatille. Työn tarkoituksena oli kehittää toimivat menetelmät ja laitteistot siten, että olisi mahdollista suorittaa metyylisalisylaatin määritys on-line mittauksena läpäisytestauksessa. Läpäisytestaustoiminnan nopeuttamiseksi työssä myös suunniteltiin ja rakennettiin laitteistot kolmen rinnakkaisen testikennon yhdenaikaista testausta varten sekä kaasumaisen että nestemäisen metyylisalisylaatin ollessa testikemikaalina. Havaittiin, että UV/VIS-spektrofotometri varustettuna läpivirtauskyvetillä ja näyteenottopumpulla on toimiva ja käyttökelpoinen analyysimenetelmä metyylisalisylaatin määrittämiseen nesteistä on-line mittauksena läpäisyn testauksessa. Kaasumaisen metyylisalisylaatin tapauksessa määritysmenetelmänä päädyttiin käyttämään kokonaishiilivetyanalysaattoria, joka on varustettu liekki-ionisaatiodetektorilla. Molemmissa tapauksissa saatiin aikaan toimivat ja on-line mittauksiin kykenevät näytteenotto- ja määritysmenetelmät, joilla loppukäyttäjä voi suorittaa laajempaa läpäisytestausta.

Influence of plasma modification on surface properties and offset printability of coated paper

The properties of the paper surface play a crucial role in ensuring suitable quality and runnability in various converting and finishing operations, such as printing. Plasma surface modification makes it possible to modify the surface chemistry of paper without altering the bulk material properties. This also makes it possible to investigate the role of the surface chemistry alone on printability without influencing the porous structure of the pigment-coated paper. Since the porous structure of a pigment coating controls both ink setting and optical properties, surface chemical changes created by a plasma modification have a potential to decouple these two effects and to permit a better optimization of them both. The aim of this work was to understand the effects of plasma surface modification on paper properties, and how it influences printability in the sheet-fed offset process. The objective was to broaden the fundamental understanding of the role of surface chemistry on offset printing. The effects of changing the hydrophilicity/ hydrophobicity and the surface chemical composition by plasma activation and plasma coatings on the properties of coated paper and on ink-paper interactions as well as on sheet-fed offset print quality were investigated. In addition, the durability of the plasma surface modification was studied. Nowadays, a typical sheet-fed offset press also contains units for surface finishing, for example UVvarnishing. The role of the surface chemistry on the UV-varnish absorption into highly permeable and porous pigment-coated paper was also investigated. With plasma activation it was possible to increase the surface energy and hydrophilicity of paper. Both polar and dispersion interactions were found to increase, although the change was greater in the polar interactions due to induced oxygen molecular groups. The results indicated that plasma activation takes place particularly in high molecular weight components such as the dispersion chemicals used to stabilize the pigment and latex particles. Surface composition, such as pigment and binder type, was found to influence the response to the plasma activation. The general trend was that pilot-scale treatment modified the surface chemistry without altering the physical coating structure, whereas excessive laboratory-scale treatment increased the surface roughness and reduced the surface strength, which led to micro-picking in printing. It was shown that pilot-scale plasma activation in combination with appropriate ink oils makes it possible to adjust the ink-setting rate. The ink-setting rate decreased with linseed-oil-based inks, probably due to increased acid-base interactions between the polar groups in the oil and the plasma-treated paper surface. With mineral-oil-based inks, the ink setting accelerated due to plasma activation. Hydrophobic plasma coatings were able to reduce or even prevent the absorption of dampening water into pigmentcoated paper, even when the dampening water was applied under the influence of nip pressure. A uniform hydrophobic plasma coating with sufficient chemical affinity with ink gave an improved print quality in terms of higher print density and lower print mottle. It was also shown that a fluorocarbon plasma coating reduced the free wetting of the UV-varnish into the highly permeable and porous pigment coating. However, when the UV-varnish was applied under the influence of nip pressure, which leads to forced wetting, the role of the surface chemical composition seems to be much less. A decay in surface energy and wettability occurred during the first weeks of storage after plasma activation, after which it leveled off. However, the oxygen/carbon elemental ratio did not decrease as a function of time, indicating that ageing could be caused by a re-orientation of polar groups or by a contamination of the surface. The plasma coatings appeared to be more stable when the hydrophobicity was higher, probably due to fewer interactions with oxygen and water vapor in the air.

Kiraalisten binaftaleenijohdannais-polymeerikalvojen sähkökemiallinen ja optinen tutkimus

Tutkielma käsittelee 2’2’-dimetoksi-1’1’-binaftaleenin eri enantiomeereistä valmistettujen polymeerikalvojen tutkimusta. Tarkoituksena on selvittää näiden kalvojen sähkökemiallisia ja optisia ominaisuuksia. Sähkökemiallisia ominaisuuksia tutkittiin syklisen voltammetrian avulla eri elektrolyyttiliuoksissa. Erityistapauksena tutkittiin kalvojen enantiomeerispesifisyyttä kiraalisen kamforisulfonihapon avulla. Varaustenkuljettajien syntyä kalvoissa tutkittiin lisäksi myös in situ UV- Vis -spektroskopian avulla. Tutkimusten perusteella todettiin, että kalvo on sähköaktiivinen alueella 0–2 V vs. Ag/AgCl. Syklisestä voltammogrammista havaitaan kaksi reversiibeliä hapetus/pelkistys virtahuippua. UV-Vis -spektrien avulla nämä huiput voidaan melkoisella varmuudella päätellä johtuvan ns. polaroni ja bipolaronitilojen syntymiselle polymeerissä. Kalvot eivät ole merkittävästi enantiospesifisiä. Kuitenkin kamforisulfonihappo, rakenneisomeeristään riippumatta, stabiloi S–monomeeristä valmistettua kalvoa erityisen hyvin ylihapettumista vastaan. Näin ei tapahdu millään muulla kokeillulla kalvo – vastaioni kombinaatiolla. Polymeerikalvon rakennetta tutkittiin FTIR –spektroskopian avulla. Tulokset olivat yhteneviä aikaisemman tutkimuksen kanssa [31]. Monomeeri polymerisoituu naftaleenirenkaiden 4-asemista. Kirjallisuusosassa tarkastellaan johdepolymeerien johtavuuskykyä ja niissä esiintyviä varauksenkuljettajia. Tarkoituksena on esitellä tarkemmin kirjallisuusviitteiden valossa, mistä johdepolymeerien johtavuuskyky aiheutuu ja miten ympäristötekijät ja polymeerin rakenne vaikuttavat tähän. Lisäksi sivutaan johdepolymeerien mielenkiintoisina nähtyjä sovelluskohteita, kuten aurinkokennoja ja erilaisia sensoreita. Tämän lisäksi tarkastellaan menetelmiä, joilla voidaan saada aikaan kiraalinen johdepolymeeri.

2-(aminometyyli)pyridiini ligandin kompleksoituminen nikkelin kanssa eri liuottimissa

Kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia 2-(aminometyyli)pyridiini ligandin kompleksoitumista nikkeli(II) ionin kanssa vesiliuoksissa ja eri orgaanisissa liuotinseoksissa. Työ tehtiin osana laajempaa tutkimusta, jossa pyritään määrittämään nikkelille spesifisiä erotusmateriaaleja ion imprinting tekniikkaa hyväksikäyttäen. Koesarjat sekä näihin liittyvä mittaukset suoritettiin kaikki huoneen lämmössä sekä normaalissa ilman paineessa. Koesarjojen liuosfaaseista määritettiin UV/Vis spektrofotometrisesti spektrit, joiden perusteella piirrettiin Job Plot kuvaajat. Kuvaajien havaittiin vastaavan aikaisemmissa tutkimuksissa määritettyjä kuvaajia sekä matemaattisesti laskettuja huippuarvoja. Saostuneiden kiintoaineiden koostumukset määritettiin XRD ja IR mittauksilla. Tuloksien perusteella todettiin 1:2 kompleksin saostuvan lähes poikkeuksetta kaikista saostuneista näytteistä. Mittaustuloksista johtopäätöksinä voidaan todeta liuotinseoksien ja veden määrän vaikuttavan muodostuneen kompleksin kiderakenteeseen, mutta ei saostuvaan kompleksiin.

Varauksenkuljetus redoksipolymeereissä

Työssä valmistettiin vesiliukoisia redoksipolymeerejä liittämällä 1,4-bentsokinoni kovalenttisesti kitosaani-, poly(allyyliamiini)- ja poly(vinyyliamiini)polykationien sivuryhmäksi. Redoksipolymeereistä valmistettiin monikerroskalvoja vaiheittaisen kerrostuksen menetelmällä käyttämällä polyanionina grafeenioksidia, joka onnistuttiin sähkökemiallisesti pelkistämään johtavaksi. Monikerroskalvojen kasvua kerrosmäärän funktiona tutkittiin UV/Vis-spektroskopialla ja havaittiin, että kitosaani- ja poly(allyyliamiini)kalvojen konsentraation kasvu on eksponentiaalista ja poly(vinyyliamiini)kalvon lineaarista. Syklisellä voltammetrialla ja spektrosähkö-kemiallisesti havaittiin, että kalvo sisälsi disubstituoituja, monosubstituoituja ja ei kovalenttisesti grafeenioksidiin sitoutuneita kinoneita. Kinonien suhteellinen osuus kalvossa riippui polykationista ja 1,4-bentsokinonin liittämistavasta. Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi monikerroskalvojen kasvuprosessi ja kasvuun vaikuttavia tekijöitä, joita säätelemällä kerrostumista voidaan optimoida. Varauksen kulkeutuminen kalvossa perustuu redoksiryhmien diffuusio-migraatioliikkeeseen ja elektroninvaihtoreaktioon niiden välillä. Työssä esitellään varauksenkuljetuksen teoriaa ja sen riippuvuutta kalvon rakenteesta, kuten redoksiryhmien konsentraatiosta, liikkuvuudesta ja niiden välisestä etäisyydestä, sekä ympäristöstä, kuten liuottimesta, elektrolyyttisuolan tyypistä ja konsentraatiosta, vastaionien liikkuvuudesta, lämpötilasta sekä potentiaalista.

Epäorgaanisten nanopartikkeleiden muokkaaminen orgaanisten yhdisteiden avulla

Epäorgaanisten nanopartikkeleiden dispersioita käytetään laajasti mm. paperi-, maali- ja muoviteollisuudessa esim. optisten, termisten ja mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen sekä kustannustehokkuuden nostamiseen. Viime vuosina nanokokoisten partikkeleiden käyttö on kasvanut myös biologisissa sovelluksissa. Dispersioiden parhaan toimivuuden kannalta ensisijaisen tärkeitä ovat niiden pysyvyys ja dispergoitumistaso. Primääristen partikkeleiden yhteenliittyminen eli agglomeraatio johtaa usein lopputuotteen huomattavaan ominaisuuksien huononemiseen. Partikkeleiden yhteenliittyminen voidaan estää neljällä eri tavalla: elektrostaattisesti, steerisesti, elektrosteerisesti ja tyhjennysstabilisaation avulla. Kolmessa viimeisessä tavassa stabilisaatio perustuu partikkeleiden pinnalle adsorboituvien tai liuoksessa vapaana olevien orgaanisten yhdisteiden keskinäisiin repulsiovuorovaikutuksiin. Eniten tutkitut stabilisaatiotavat ovat steerinen ja elektrosteerinen stabilisaatio. Niissä partikkelin pinnalle adsorboitunut orgaanisista molekyyleista koostuva kerros mahdollistaa partikkeleiden välisen repulsion. Adsorboituneen kerroksen ominaisuuksien luotettavalla määrityksellä on siis merkittävä osa dispersioiden stabiiliuden tutkimuksessa. Määrityksiin käytettävät tekniikat perustuvat mm. titrimetriaan, UV-vis-spektroskopiaan, FTIR-spektrofotometriaan tai termogravimetriaan. Työn teoriaosiossa esitetään tärkeimmät dispersioissa esiintyvät primääriset vuorovaikutukset (Lifshitz-van der Waals-voimat, happo–emäs-vuorovaikutukset, elektrostaattiset vuorovaikutukset ja Brownin liikkeen aikaansaamat vuorovaikutukset), minkä jälkeen käydään tarkemmin läpi niiden aikaansaamat stabilointimekanismit. Kolmannessa osiossa keskitytään adsorboituneiden pien- ja makromolekyylien pitoisuuksien, konformaatioiden ja kerrospaksuuksien määrittämiseen soveltuviin menetelmiin. Työn kokeellisessa osiossa etsitään luotettavaa menetelmää nano-CaCO3-partikkeleiden pinnalle adsorboituneen kaupallisen stabilointipolymeerin pitoisuuden määrittämiseksi. Tähän tarkoitukseen sovelletaan FTIR-spektrofotometriaan, UV-vis-spektroskopiaan ja titrimetriaan perustuvia menetelmiä. Tulokset osoittavat, että adsorptio on todennettavissa UV-vis – ja titrimetriamenetelmillä, mutta adsorboituneen makromolekyylin määrän määrittäminen onnistuu vain titrimetrisesti.

Kerros kerrokselta –menetelmällä valmistetut nanolevyjä sisältävät kalvot

Sähkökemiallisesti aktiivisia ohutkalvoja voidaan käyttää esimerkiksi molekyylien tai ionien säännösteltyyn annosteluun tai säädeltävien adheesiopintojen valmistukseen. Kalvoja voidaan valmistaa adsorboimalla substraatille aminoryhmiä sisältäviä polyelektrolyyttejä kerros kerrokselta -menetelmällä. Aminoryhmiin voidaan kiinnittää kinoneja, joiden hapetustilaa pystytään säätelemään ulkoisen jännitteen avulla. Tutkimuksessa valmistettiin ohutkalvoja, jotka koostuivat grafeenioksidin lisäksi polyallyyliamiinista, polyvinyyliamiinista tai kitosaanista. Kalvoista saatiin sähköisesti aktiivisia kiinnittämällä polykationeihin 1,4-bentsokinonia, ja niiden ominaisuuksia tutkittiin syklisellä voltammetrialla, UV/Vis-spektroskopialla ja Ramanspektoskopialla. Kalvojen hapetus-pelkistysreaktiota tutkittiin syklisellä voltammetrialla. Niissä havaittiin kolme piikkiparia, joiden potentiaalit olivat noin –0,3 V, 0 V ja 0,2 V (pH 6). Näistä –0,3 V:n ja 0 V:n parit johtuvat kahteen ja yhteen aminoryhmään sitoutuneen kinonin reaktiosta. UV/Vis-spektreistä havaittiin myös, että näiden kinonien hapettuminen aiheuttaa absorbanssin kasvua aallonpituuksilla 350 nm ja 450 nm. Potentiaalissa 0,2 V tapahtuvat piikit taas syntyvät grafeenioksidiin sitoutuneen kinonin reaktiosta. Tätä onnistuttiin suuresti vähentämään dialysoimalla reagoimaton kinoni polykationiliuoksesta. Lisäksi kennoliuoksen pH:n havaittiin vaikuttavan reaktioihin siten, että happamuuden kasvaessa piikkien potentiaalit kasvoivat.

Recovery and purification of anthocyanins from purple-blue potato

The aim of this work was to study techniques to extract and purify of anthocyanins from purple-blue potato. This topic was determined as a master’s thesis and it was done in collaboration with the Food Chemistry and Food Development Department of University of Turku and Department of Chemical and Process Engineering at Lappeenranta University of Technology. At first, purple-blue potatoes were pretreated in four types of boiled, raw, freeze-dried and dried boiled potato for extraction. They were mixed with aqueous acidified ethanol (ethanol:water:acetic acid 40%:53%:7% v/v) for conventional extraction. Boiled potato was selected as a best pretreated potato. Different ethanol concentration and extraction time were examined and the mixture of 80% in 24 h resulted in maximum anthocyanin content (132.23 mg/L). As conventional extraction method of anthocyanins was non-selective, some of impurities such as free sugars might accelerate anthocyanin degradation. Therefore, to obtain anthocyanins in purified form, adsorption as a promising selective method was used to recovery and isolate anthocyanins. It was carried out with six adsorbents. Among those, Amberlite XAD-7HP, a nonionic acrylic ester adsorbent, was found to have the best performance. In an adsorption column, flow rate of 3 mL/min was selected as the loading flow rate among four tested flow rates. Eluent volume and flow rate were 3 BV of aqueous acidified ethanol (75%, v/v) and 1 mL/min for desorption. The quantification of the total anthocyanin contents was performed by pH-differential method using UV-vis spectrophotometer. The resulting anthocyanin solution after purification was almost free from free sugars which were the major cause for degradation of anthocyanins. The average anthocyanin concentration in the purified and concentrated sample was obtained 1752.89 mg/L.