Silicon-containing species in used lube oil re-refining

Nowadays, the re-refining of the used lube oils has gained worldwide a lot of attention due to the necessity for added environmental protection and increasingly stringent environmental legislation. One of the parameters determining the quality of the produced base oils is the composition of feedstock. Estimation of the chemical composition of the used oil collected from several European locations showed that the hydrocarbon structure of the motor oil is changed insignificantly during its operation and the major part of the changes is accounted for with depleted oil additives. In the lube oil re-refining industry silicon, coming mainly from antifoaming agents, is recognized to be a contaminant generating undesired solid deposits in various locations in the re-refining units. In this thesis, a particular attention was paid to the mechanism of solid product formation during the alkali treatment process of silicon-containing used lube oils. The transformations of a model siloxane, tetramethyldisiloxane (TMDS), were studied in a batch reactor at industrially relevant alkali treatment conditions (low temperature, short reaction time) using different alkali agents. The reaction mechanism involving solid alkali metal silanolates was proposed. The experimental data obtained demonstrated that the solids were dominant products at low temperature and short reaction time. The liquid products in the low temperature reactions were represented mainly by linear siloxanes. The prolongation of reaction time resulted in reduction of solids, whereas both temperature and time increase led to dominance of cyclic products in the reaction mixture. Experiments with the varied reaction time demonstrated that the concentration of cyclic trimer being the dominant in the beginning of the reaction diminished with time, whereas the cyclic tetramer tended to increase. Experiments with lower sodium hydroxide concentration showed the same effect. In addition, a decrease of alkali agent concentration in the initial reaction mixture accelerated TMDS transformation reactions resulting in solely liquid cyclic siloxanes yields. Comparison of sodium and potassium hydroxides applied as an alkali agent demonstrated that potassium hydroxide was more efficient, since the activation energy in KOH presence was almost 2-fold lower than that for sodium hydroxide containing reaction mixture. Application of potassium hydroxide for TMDS transformation at 100° C with 3 hours reaction time resulted in 20 % decrease of solid yields compared to NaOH-containing mixture. Moreover, TMDS transformations in the presence of sodium silanolate applied as an alkali agent led to formation of only liquid products without formation of the undesired solids. On the basis of experimental data and the proposed reaction mechanism, a kinetic model was developed, which provided a satisfactory description of the experimental results. Suitability of the selected siloxane as a relevant model of industrial silicon-containing compounds was verified by investigation of the commercially available antifoam agent in base-catalyzed conditions.

Photodamage to Oxygen Evolving Complex - An Initial Event in Photoinhibition of Photosystem II.

Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis is susceptible to photoinhibition. Photoinhibition is defined as light induced damage resulting in turnover of the D1 protein subunit of the reaction center of PSII. Both visible and ultraviolet (UV) light cause photoinhibition. Photoinhibition induced by UV light damages the oxygen evolving complex (OEC) via absorption of UV photons by the Mn ion(s) of OEC. Under visible light, most of the earlier hypotheses assume that photoinhibition occurs when the rate of photon absorption by PSII antenna exceeds the use of the absorbed energy in photosynthesis. However, photoinhibition occurs at all light intensities with the same efficiency per photon. The aim of my thesis work was to build a model of photoinhibition that fits the experimental features of photoinhibition. I studied the role of electron transfer reactions of PSII in photoinhibition and found that changing the electron transfer rate had only minor influence on photoinhibition if light intensity was kept constant. Furthermore, quenching of antenna excitations protected less efficiently than it would protect if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. To identify photoreceptors of photoinhibition, I measured the action spectrum of photoinhibition. The action spectrum showed resemblance to the absorption spectra of Mn model compounds suggesting that the Mn cluster of OEC acts as a photoreceptor of photoinhibition under visible light, too. The role of Mn in photoinhibition was further supported by experiments showing that during photoinhibition OEC is damaged before electron transfer activity at the acceptor side of PSII is lost. Mn enzymes were found to be photosensitive under visible and UV light indicating that Mn-containing compounds, including OEC, are capable of functioning as photosensitizers both in visible and UV light. The experimental results above led to the Mn hypothesis of the mechanism of continuous-light-induced photoinhibition. According to the Mn hypothesis, excitation of Mn of OEC results in inhibition of electron donation from OEC to the oxidized primary donor P680+ both under UV and visible light. P680 is oxidized by photons absorbed by chlorophyll, and if not reduced by OEC, P680+ may cause harmful oxidation of other PSII components. Photoinhibition was also induced with intense laser pulses and it was found that the photoinhibitory efficiency increased in proportion to the square of pulse intensity suggesting that laser-pulse-induced photoinhibition is a two-photon reaction. I further developed the Mn hypothesis suggesting that the initial event in photoinhibition under both continuous and pulsed light is the same: Mn excitation that leads to the inhibition of electron donation from OEC to P680+. Under laser-pulse-illumination, another Mn-mediated inhibitory photoreaction occurs within the duration of the same pulse, whereas under continuous light, secondary damage is chlorophyll mediated. A mathematical model based on the Mn hypothesis was found to explain photoinhibition under continuous light, under flash illumination and under the combination of these two.

Functional studies on bacterial nucleotide-regulated inorganic pyrophosphatases

CBS domains are ~60 amino acid tandemly repeated regulatory modules forming a widely distributed domain superfamily. Found in thousands of proteins from all kingdoms of life, CBS domains have adopted a variety of functions during evolution, one of which is regulation of enzyme activity through binding of adenylate-containing compounds in a hydrophobic cavity. Mutations in human CBS domain-containing proteins cause hereditary diseases. Inorganic pyrophosphatases (PPases) are ubiquitous enzymes, which pull pyrophosphate (PPi) producing reactions forward by hydrolyzing PPi into phosphate. Of the two nonhomologous soluble PPases, dimeric family II PPases, belonging to the DHH family of phosphoesterases, require a transition metal and magnesium for maximal activity. A quarter of the almost 500 family II PPases, found in bacteria and archaea, contain a 120-250 amino acid N-terminal insertion, comprised of two CBS domains separated in sequence by a DRTGG domain. These enzymes are thus named CBS-PPases. The function of the DRTGG domain in proteins is unknown. The aim of this PhD thesis was to elucidate the structural and functional differences of CBS-PPases in comparison to family II PPases lacking the regulatory insert. To this end, we expressed, purified and characterized the CBS-PPases from Clostridium perfringens (cpCBS-PPase) and Moorella thermoacetica (mtCBS-PPase), the latter lacking a DRTGG domain. Both enzymes are homodimers in solution and display maximal activity against PPi in the presence of Co2+ and Mg2+. Uniquely, the DRTGG domain was found to enable tripolyphosphate hydrolysis at rates similar to that of PPi. Additionally, we found that AMP and ADP inhibit, while ATP and AP4A activate CBSPPases, thus enabling regulation in response to changes in cellular energy status. We then observed substrate- and nucleotide-induced conformational transitions in mtCBS-PPase and found that the enzyme exists in two differentially active conformations, interconverted through substrate binding and resulting in a 2.5-fold enzyme activation. AMP binding was shown to produce an alternate conformation, which is reached through a different pathway than the substrate-induced conformation. We solved the structure of the regulatory insert from cpCBS-PPase in complex with AMP and AP4A and proposed that conformational changes in the loops connecting the catalytic and regulatory domains enable activity regulation. We examined the effects of mutations in the CBS domains of mtCBS-PPase on catalytic activity, as well as, nucleotide binding and inhibition.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Improvement of pyrolysis oil quality by scrubbing

Diplomityössä tutkittiin kuuman pyrolyysihöyryn puhdistamista haisevista ja kevyistä haihtuvista yhdisteistä. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin pyrolyysiöljyn kannattavuutta uusiutuvana energialähteenä. Lisäksi eri pesurityyppejä tarkasteltiin ja ja vertailtiin. Työn kokeellisessa osassa käytettiin kahta erilaista koelaitteistoa. Tuotteen talteenotossa vertailtiin reaktorilämpötilan ja raaka-aineen kosteuden vaikutusta pyrolyysisaantoihin. Komponenttien talteenotossa tutkittiin epästabiilien ja pistävän hajuisten yhdisteiden poistamista kuumasta pyrolyysihöyrystä. Raaka-aineena käytettiin kuusen metsätäh-dehaketta, joka sisältää runsaasti neulasia ja kaarnaa. Kokeet toteutettiin lämpötila-alueella 460 - 520 °C. Koelaitteistot koostuivat kaasun (N2) syöttöjärjestelmään kytketystä kuumasta ja kyl-mästä puolesta. Tuotteen talteenotossa kuuma pyrolyysihöyry jäähdytettiin ja otettiin talteen. Komponenttien talteenotossa tuote kerättiin suodattimelle ja metyleeniklo-ridiloukkuun. Tuotteiden koostumukset analysoitiin kaasukromatokrafilla. Korkeimmat orgaaniset saannot saatiin 480 °C reaktorilämpötilalla ja 8-9 p-% raaka-ainekosteudella. Pyrolyysiveden määrä putosi raaka-aineen kosteutta nostettaessa. Eri reaktorilämpötiloilla ja raaka-ainekosteuksilla ei ollut vaikutusta hiiltosaantoihin. Kaasusaannot (pääosin CO2, CO ja hiilivedyt) olivat noin 10 p-%. Komponenttien talteenotossa suodatin tukkeutui matalissa (< 250 °C) lämpötiloissa. Suodattimelle jäänyt materiaali oli pääosin neulasista ja kaarnasta peräisin olevia uuteaineita (pääosin hartsi- rasvahappoja) ja sokereita. Korkeimmissa lämpötiloissa (> 250 °C) uuteaineet läpäisivät suodattimen paremmin. 250 ja 300 °C:n lämpötiloissa suuri määrä lyhytketjuisia helposti haihtuvia epästabiileja ja haisevia yhdisteitä (ketoneja, furaani- ja furfuraalijohdannaisia jne.) jäi metyleenikloridi- ja metanoliloukkuihin.

Kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistus

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbenttien sopivuus uuttoliuosten puhdistukseen määritettiin adsorptio-, kinetiikka- ja faasien selkeytymisaikakokeilla. Tehdyissä kokeissa käytettiin sekä hapetettua synteettistä uuttoliuosta että teollisuudesta saatuja autenttisia kuparinuuttoliuoksia. Uuttoreagenssit olivat hydroksi-oksiimeihin perustuvia. Teollisuudesta saaduista käytetyistä adsorbenteista eluoidun liuoksen kaasugromatografi- ja massaspektrometrianalyysissä ei havaittu selviä merkkejä reagenssin tai laimentimen hajoamistuotteista. Savikäsittely lyhensi faasien selkeytymisaikaa merkittävästi. Bentoniittipohjaisten savien havaittiin soveltuvan parhaiten uuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen. IR-analyysin perusteella niiden pinnalle adsorboitui myös eniten karbonyyliryhmiä sisältäviä yhdisteitä. Faasien selkeytymisajan havaittiin huonontuvan itsestään liuosten seistessä savikäsittelyn jälkeen. Noin vuorokauden jälkeen selkeytymisaika tasaantui tasolle, joka oli kuitenkin huomattavasti parempi kuin käsittelemättömällä liuoksella. Savikäsittelyssä käytettävän saven optimimäärä oli noin 1 p-%:a ja sekoitusaika muutamia minuutteja. Savikäsittelyllä ei ollut merkittävää vaikutusta kuparinuuton kinetiikkaan. Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbe

Unsaturated Polyester Coatings containing Biocides

Vesistöissä laivojen pintaan tarttuvat eliöt ovat sekä taloudellinen että kosmeettinen ongelma. Kontrolloimattoman eliöiden kiinnittymisen seurauksena aiheutuu kitkaa, joka puolestaan hidastaa laivan nopeutta ja aiheuttaa polttoaineen kulutuksen kasvua. Tavallisesti eliöiden kiinnittymistä ehkäistään kiinnittymisenestomaalien avulla. Niiden toiminta perustuu biosidien liukenemiseen, jolloin veden ja pinnoitteen väliselle rajapinnalle muodostuu korkea biosidipitoisuus, joka estää eliöiden kiinnittymistä pinnalle. Maailmanlaajuinen orgaanisten tinayhdisteiden käyttökielto kiinnittymisen-estomaaleissa tulee voimaan vuoden 2003 alusta. Tällä hetkellä 70 % maailman laivastoista on suojattu orgaanista tinayhdistettä sisältävällä kiinnittymisenestomaalilla. Nyt onkin kasvava tarve kehittää uusia ympäristöystävällisempiä kiinnittymisenesto-pinnoitteita. Todennäköisesti tinayhdisteet tullaan korvaamaan synteettisillä orgaanisilla yhdisteillä käytettyinä yhdessä kuparin kanssa. Työn tarkoituksena oli valmistaa ympäristöystävällisempi tyydyttämätön polyesteripinnoite, joka itsessään ehkäisisi eliöiden kiinnittymistä. Kirjallisuusosassa tutustuttiin markkinoilla oleviin biosideihin, niiden myrkyllisyyteen ja vaikutuksiin ympäristölle sekä muuttuvaan lainsäädäntöön. Työssä tarkasteltiin myös tällä hetkellä markkinoilla olevia pinnoitteita ja niiden toimintamekanismeja sekä myrkyttömiä vaihtoehtopinnoitteita kiinnittymisenestoon. Kokeellinen osa koostui kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa tutkittiin biosidien sopivuutta käytettäväksi yhdessä tyydyttymättömän polyesterin kanssa. Yhteensopivuutta määritettiin applikaatiotesteillä ja pinnoitteen käyttäytymisen perusteella. Toinen vaihe oli selvittää pinnoitteen tehokkuus leväntarttumista vastaan. Tyydyttymätön polyesteri gel coat kiinnittymisenesto-ominaisuuksilla valmistettiin dispergoimalla biosideja tyydyttymättömään polyesterigeeliin. Yhteensopivuustestien tulosten perusteella huomattiin, ettei biosidien lisääminen geeliin vaikuta mainittavasti applikaatio-ominaisuuksien huononemiseen. Brookfield viskositeetin stabiilisuus jopa paranee ja yksi työssä käytetyistä biosideista parantaa pinnoitteen säänkestoominaisuuksia. Tässä työssä ei pystytty määrittämään eri biosidien välisiä eroja tehokkuudessa levää vastaan.

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

Kaivosteollisuudessa syntyvän kipsin hyödyntäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää käyttökohde kaivosteollisuudessa syntyvälle märälle kipsisivuvirralle, joka sisältää metalliepäpuhtauksina alumiinia, rautaa ja mangaania ja jonka määrä on noin 1 000 000 t/a. Kirjallisuuden pohjalta tutkittiin aluksi mahdollisuutta hyödyntää kipsiaines asfaltti- ja sementtiteollisuuden raaka-aineena. Sementin joukkoon lisätään tavallisesti noin 5 p-% kipsiä, mutta harvinaisimpiin sementtilaatuihin sitä voidaan lisätä jopa 30 p-%. Tästä huolimatta vain pieni osa tutkimuksen kohteessa syntyvästä kipsisivuvirrasta voitaisiin hyödyntää tässä sovelluksessa. Lisäksi kipsisivuvirran sisältämät epäpuhtaudet täytyisi poistaa tai saattaa inaktiiviseen muotoon. Myöskään sen kosteuspitoisuus ei saisi olla suuri. Näin ollen tämän kipsisivuvirran hyödyntäminen asfaltti- ja sementtiteollisuuden lisäaineena ei ole mahdollista Seuraavaksi harkittiin kipsin kierrättämistä, jolloin yhtenä vaihtoehtona oli hajottaa kipsi termisesti rikkioksideiksi ja valmistaa niistä rikkihappoa. Taloudellisista syistä hajoamistuotteen on oltava rikkitrioksidia, josta voitaisiin veteen imeyttämällä valmistaa rikkihappoa. Kipsin hajottaminen termovaa´alla osoitti, että kipsi vaatii noin 1400 ºC:n lämpötilan ja haihtuvat komponentit ovat H2O, SO ja SO2, muttei SO3. Alempien oksidien muuttaminen rikkihapoksi vaatisi katalyyttisen hapetuksen, mikä olisi käytännössä liian kallista. Toisena vaihtoehtona kipsin kierrättämiseksi tutkittiin sen biologista pelkistämistä rikkivedyksi ja kalsiumhydroksidilietteeksi. Laboratoriossa Ca(OH)2-lietteestä valmistettiin hiilidioksidin avulla kalsiumkarbonaattia, jolloin päästiin 90 %:n kalsiumhydroksidin konversiossa. Lisäksi alumiinihydroksidi saatiin erotettua kipsilietteestä kokeellisesti hydrosyklonin avulla. Diplomityössä päädyttiin siihen, että sulfaatin biologinen pelkistäminen ja alumiinihydroksidin mekaaninen erotus jatkuvatoimisesti on varteenotettava vaihtoehto kipsisivuvirran hyödyntämiseksi.

Role of Membrane Transporters, P-Glycoprotein and Mrp1, in The Placental Transfer of Drugs With Special Reference to Saquinavir and Quetiapine

Drug transporting membrane proteins are expressed in various human tissues and blood-tissue barriers, regulating the transfer of drugs, toxins and endogenous compounds into or out of the cells. Various in vitro and animal experiments suggest that P-glycoprotein (P-gp) forms a functional barrier between maternal and fetal blood circulation in the placenta thereby protecting the fetus from exposure to xenobiotics during pregnancy. The multidrug resistance-associated protein 1 (MRP1) is a relatively less studied transporter protein in the human placenta. The aim of this study series was to study the role of placental transporters, apical P-gp and basal MRP1, using saquinavir as a probe drug, and to study transfer of quetiapine and the role of P-gp in its transfer in the dually perfused human placenta/cotyledon. Furthermore, two ABCB1 (encoding P-gp) polymorphisms (c.3435C>T, p.Ile1145Ile and c.2677G>T/A, p.Ala893Ser/Thr) were studied to determine their impact on P-gp protein expression level and on the transfer of the study drugs. Also, the influence of the P-gp protein expression level on the transfer of the study drugs was addressed. Because P-gp and MRP1 are ATP-dependent drug-efflux pumps, it was studied whether exogenous ATP is needed for the function of ATP-dependent transporter in the present experimental model. The present results indicated that the addition of exogenous ATP was not necessary for transporter function in the perfused human placental cotyledon. Saquinavir and quetiapine were both found to cross the human placenta; transplacental transfer (TPTAUC %) for saquinavir was <0.5% and for quetiapine 3.7%. Pharmacologic blocking of P-gp led to disruption of the blood-placental barrier (BPB) and increased the placental transfer of P-gp substrate, saquinavir, into the fetal circulation by 6- to 8-fold. In reversed perfusions P-gp, MRP1 and possibly OATP2B1 had a negligible role in the fetal-to-maternal transfer of saquinavir. The TPTAUC % of saquinavir was about 100-fold greater from the fetal side to the maternal side compared with the maternal-to-fetal transfer. P-gp activity is not likely to modify the placental transfer of quetiapine. Higher P-gp protein expression levels were associated with the variant allele 3435T, but no correlation was found between the TPTAUC % of saquinavir and placental P-gp protein expression. The present results indicate that P-gp activity drastically affects the fetal exposure to saquinavir, and suggest that pharmacological blockade of the P-gp activity during pregnancy may pose an increased risk for adverse fetal outcome. The blockade of P-gp activity could be used in purpose to obtain higher drug concentration to the fetal side, for example, in prevention (to decrease virus transfer to fetal side) or in treating sick fetus.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.

Oxalic acid and calcium oxalate in production of wood-containing paper : formation, analysis, and control

Papperstillverkningen störs ofta av oönskade föreningar som kan bilda avsättningar på processytor, vilket i sin tur kan ge upphov till störningar i pappersproduktionen samt försämring av papperskvaliteten. Förutom avsättningar av vedharts är stenliknande avlagringar av svårlösliga salter vanliga. I vårt dagliga liv är kalkavlagringar i kaffe- och vattenkokare exempel på liknande problem. I massa- och pappersindustrin är en av de mest problematiska föreningarna kalciumoxalat; detta salt är nästan olösligt i vatten och avlagringarna är mycket svåra att avlägsna. Kalciumoxalat är också känt som en av orsakerna till njurstenar hos människor. Veden och speciellt barken innehåller alltid en viss mängd oxalat men en större källa är oxalsyra som bildas när massan bleks med oxiderande kemikalier, t.ex. väteperoxid. Kalciumoxalat bildas när oxalsyran reagerar med kalcium som kommer in i processen med råvattnet, veden eller olika tillsatsmedel. I denna avhandling undersöktes faktorer som påverkar bildningen av oxalsyra och utfällningen av kalciumoxalat, med hjälp av bleknings- och utfällningsexperiment. Forskningens fokus låg speciellt på olika sätt att förebygga uppkomsten av avlagringar vid tillverkning av trähaltigt papper. Resultaten i denna avhandling visar att bildningen av oxalsyra samt utfällning av kalciumoxalat kan påverkas genom processtekniska och våtändskemiska metoder. Noggrann avbarkning av veden, kontrollerade förhållanden under den alkaliska peroxidblekningen, noggrann hantering och kontroll av andra lösta och kolloidala substanser, samt utnyttjande av skräddarsydd kemi för kontroll av avlagringar är nyckelfaktorer. Resultaten kan utnyttjas då man planerar blekningssekvenser för olika massor samt för att lösa problem orsakade av kalciumoxalat. Forskningsmetoderna som användes i utfällningsstudierna samt för utvärdering av tillsatsmedel kan också utnyttjas inom andra områden, t.ex. bryggeri- och sockerindustrin, där kalciumoxalatproblem är vanligt förekommande. -------------------------------------------- Paperinvalmistusta häiritsevät usein erilaiset epäpuhtaudet, jotka kiinnittyvät prosessipinnoille ja haittaavat tuotantoa sekä paperin laatua. Puun pihkan lisäksi eräs yleinen ongelma on niukkaliukoisten suolojen aiheuttamat kivettymät. Kalkkisaostuma kahvinkeittimessä on esimerkki vastaavasta ongelmasta arkielämässä. Massa- ja paperiteollisuudessa yksi hankalimmista kivettymien muodostajista on kalsiumoksalaatti, koska se on lähes liukenematonta ja sen aiheuttamat saostumat ovat erittäin vaikeasti poistettavia. Kalsiumoksalaatti on yleisesti tunnettu myös munuaiskivien aiheuttajana ihmisillä. Puu ja varsinkin sen kuori sisältää aina jonkin verran oksalaattia, mutta suurempi lähde on kuitenkin oksaalihappo jota muodostuu valkaistaessa massaa hapettavilla kemikaaleilla, kuten vetyperoksidilla. Kalsiumoksalaattia syntyy kun veden, puun ja lisäaineiden mukana prosessiin tuleva kalsium reagoi oksalaatin kanssa. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin oksaalihapon muodostumiseen ja kalsiumoksalaatin saostumiseen vaikuttavia tekijöitä valkaisu- ja saostumiskokeiden avulla. Tutkimuksen painopiste oli saostumien ehkäisemisessä puupitoisten painopaperien valmistuksessa. Työssä saadut tulokset osoittavat että oksaalihapon muodostumiseen ja kalsiumoksalaatin saostumiseen voidaan vaikuttaa sekä prosessiteknisten että märänpään kemian keinojen avulla. Tehokas puun kuorinta, optimoidut olosuhteet peroksidivalkaisussa, muiden liuenneiden ja kolloidisten aineiden hallinta sekä räätälöidyn kemian hyödyntäminen kalsiumoksalaattisaostumien torjunnassa ovat keskeisissä rooleissa ongelmien välttämiseksi. Väitöskirjatyön tuloksia voidaan hyödyntää massan valkaisulinjoja suunniteltaessa sekä kalsiumoksalaatin aiheuttamien ongelmien ratkaisemisessa. Tutkimusmenetelmiä, joita käytettiin saostumiskokeissa ja eri lisäaineiden vaikutusten arvioinnissa, voidaan hyödyntää massa- ja paperiteollisuuden lisäksi myös muilla alueilla, kuten sokeri- ja panimoteollisuudessa, joissa ongelma on myös yleinen.