Novel Proteins Involved in Dynamics of The Photosynthetic Apparatus

During the past few years, a considerable number of research articles have been published relating to the structure and function of the major photosynthetic protein complexes, photosystem (PS) I, PSII, cytochrome (Cyt) b6f, and adenosine triphosphate (ATP) synthase. Sequencing of the Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) genome together with several high-quality proteomics studies has, however, revealed that the thylakoid membrane network of plant chloroplasts still contains a number of functionally unknown proteins. These proteins may have a role as auxiliary proteins guiding the assembly, maintenance, and turnover of the thylakoid protein complexes, or they may be as yet unknown subunits of the photosynthetic complexes. Novel subunits are most likely to be found in the NAD(P)H dehydrogenase (NDH) complex, the structure and function of which have remained obscure in the absence of detailed crystallographic data, thus making this thylakoid protein complex a particularly interesting target of investigation. In this thesis, several novel thylakoid-associated proteins were identified by proteomics-based methods. The major goal of characterization of the stroma thylakoid associated polysome-nascent chain complexes was to determine the proteins that guide the dynamic life cycle of PSII. In addition, a large protein complex of ≥ 1,000 kDa, residing in the stroma thylakoid, was characterized in greater depth and it was found to be a supercomplex composed of the PSI and NDH complexes. A set of newly identified proteins from Arabidopsis thylakoids was subjected to detailed characterization using the reverse genetics approach and extensive biochemical and biophysical analysis. The role of the novel proteins, either as auxiliary proteins or subunits of the photosynthetic protein complexes, was revealed. Two novel thylakoid lumen proteins, TLP18.3 and AtCYP38, function as auxiliary proteins assisting specific steps of the assembly/repair of PSII. The role of the 10-kDa thylakoid lumen protein PsbR is related to the optimization of oxygen evolution of PSII by assisting the assembly of the PsbP protein. Two integral thylakoid membrane proteins, NDH45 and NDH48, are novel subunits of the chloroplast NDH complex. Finally, the thylakoid lumen immunophilin AtCYP20-2 is suggested to interact with the NDH complex, instead of PSII as was hypothesized earlier.

Nuclear Matrix in Apoptotic Cell Death and Cell Proliferation. The role of Nuclear Mitotic Apparatus (NuMA) Protein

The nucleus is a membrane enclosed organelle containing most of the genetic information of the cell in the form of chromatin. The nucleus, which can be divided into many sub-organelles such as the nucleoli, the Cajal bodies and the nuclear lamina, is the site for several essential cellular functions such as the DNA replication and its regulation and most of the RNA synthesis and processing. The nucleus is often affected in disease: the size and the shape of the nucleus, the chromatin distribution and the size of the nucleoli have remained the basis for the grading of several cancers. The maintenance of the vertebrate body shape depends on the skeleton. Similarly, in a smaller context, the shape of the cell and the nucleus are mainly regulated by the cytoskeletal and nucleoskeletal elements. The nuclear matrix, which by definition is a detergent, DNase and salt resistant proteinaceous nuclear structure, has been suggested to form the nucleoskeleton responsible for the nuclear integrity. Nuclear mitotic apparatus protein, NuMA, a component of the nuclear matrix, is better known for its mitotic spindle organizing function. NuMA is one of the nuclear matrix proteins suggested to participate in the maintenance of the nuclear integrity during interphase but its interphase function has not been solved to date. This thesis study concentrated on the role of NuMA and the nuclear matrix as structural and functional components of the interphase nucleus. The first two studies clarified the essential role of caspase-3 in the disintegration of the nuclear structures during apoptosis. The second study also showed NuMA and chromatin to co-elute from cells in significant amounts and the apoptotic cleavage of NuMA was clarified to have an important role in the dissociation of NuMA from the chromatin. The third study concentrated on the interphase function of NuMA showing NuMA depletion to result in cell cycle arrest and the cytoplasmic relocalization of NuMA interaction partner GAS41. We suggest that the relocalization of the transcription factor GAS41 may mediate the cell cycle arrest. Thus, this study has given new aspects in the interactions of NuMA, chromatin and the nuclear matrix.

Occurrence and photochemical fate of selected pharmaceutical active ingredients in the aquatic environment

Läkemedel konsumeras årligen i enorma mängder världen över. Efter intag kommer en del av läkemedlets aktiva förening(ar) att utsöndras från kroppen med urin och fekalier för att sedan transporteras till avloppsreningsverk. Till följd av att reningsverken inte fullständigt förmår rena avloppsvattnet från dessa föreningar kommer de att kontinuerligt tillföras vattenmiljön. Således är det viktigt att utveckla analytiska metoder för att kunna studera halterna av de aktiva föreningarna i reningsverkens utloppsvatten och den närliggande vattenmiljön. Ute i naturen kommer föreningarna att utsättas för olika fysikaliska, kemiska och biologiska processer, vilka kan orsaka förändringar i deras kemiska struktur och därigenom deras identitet och biologiska aktivitet. En stor del av de befintliga aktiva föreningarna genomgår kemisk förändring då de i vattenmiljön utsätts för solljus (fototransformation). Genom fototransformation kan nya föreningar (transformationsprodukter) med andra kemiska och biologiska egenskaper bildas. Denna avhandling inriktar sig på de aktiva föreningarnas förekomst och fotokemiska öde i miljön. I avhandlingen presenteras framtagna analytiska metoder för kvantifiering av läkemedelsföreningar i avloppsvatten och ytvatten samt för studier av vissa utvalda föreningars fotokemiska transformationsvägar. Därtill beskrivs några syntetiska metoder för att få tillgång till transformationsprodukter av det antiinflammatoriska ämnet diklofenak.

Alternative electron transfer routes involved in photoprotection of cyanobacteria

In oxygenic photosynthesis, the highly oxidizing reactions of water splitting produce reactive oxygen species (ROS) and other radicals that could damage the photosynthetic apparatus and affect cell viability. Under particular environmental conditions, more electrons are produced in water oxidation than can be harmlessly used by photochemical processes for the reduction of metabolic electron sinks. In these circumstances, the excess of electrons can be delivered, for instance, to O2, resulting in the production of ROS. To prevent detrimental reactions, a diversified assortment of photoprotection mechanisms has evolved in oxygenic photosynthetic organisms. In this thesis, I focus on the role of alternative electron transfer routes in photoprotection of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Firstly, I discovered a novel subunit of the NDH-1 complex, NdhS, which is necessary for cyclic electron transfer around Photosystem I, and provides tolerance to high light intensities. Cyclic electron transfer is important in modulating the ATP/NADPH ratio under stressful environmental conditions. The NdhS subunit is conserved in many oxygenic phototrophs, such as cyanobacteria and higher plants. NdhS has been shown to link linear electron transfer to cyclic electron transfer by forming a bridge for electrons accumulating in the Ferredoxin pool to reach the NDH-1 complexes. Secondly, I thoroughly investigated the role of the entire flv4-2 operon in the photoprotection of Photosystem II under air level CO2 conditions and varying light intensities. The operon encodes three proteins: two flavodiiron proteins Flv2 and Flv4 and a small Sll0218 protein. Flv2 and Flv4 are involved in a novel electron transport pathway diverting electrons from the QB pocket of Photosystem II to electron acceptors, which still remain unknown. In my work, it is shown that the flv4-2 operon-encoded proteins safeguard Photosystem II activity by sequestering electrons and maintaining the oxidized state of the PQ pool. Further, Flv2/Flv4 was shown to boost Photosystem II activity by accelerating forward electron flow, triggered by an increased redox potential of QB. The Sll0218 protein was shown to be differentially regulated as compared to Flv2 and Flv4. Sll0218 appeared to be essential for Photosystem II accumulation and was assigned a stabilizing role for Photosystem II assembly/repair. It was also shown to be responsible for optimized light-harvesting. Thus, Sll0218 and Flv2/Flv4 cooperate to protect and enhance Photosystem II activity. Sll0218 ensures an increased number of active Photosystem II centers that efficiently capture light energy from antennae, whilst the Flv2/Flv4 heterodimer provides a higher electron sink availability, in turn, promoting a safer and enhanced activity of Photosystem II. This intertwined function was shown to result in lowered singlet oxygen production. The flv4-2 operon-encoded photoprotective mechanism disperses excess excitation pressure in a complimentary manner with the Orange Carotenoid Protein-mediated non-photochemical quenching. Bioinformatics analyses provided evidence for the loss of the flv4-2 operon in the genomes of cyanobacteria that have developed a stress inducible D1 form. However, the occurrence of various mechanisms, which dissipate excitation pressure at the acceptor side of Photosystem II was revealed in evolutionarily distant clades of organisms, i.e. cyanobacteria, algae and plants.

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Betaiinin tuotannon sivujakeiden mikrosuodattaminen teräskeraamisella kalvolla

Betaiini on ammoniumyhdiste, jota käytetään esimerkiksi eläinten rehussa, kosmetiikassa ja lääkkeissä. Danisco Animal Nutrition Finnfeeds Finland Oy:n Naantalin tehdas on maailman johtava betaiinin tuottaja ja raaka-aineena tehtaalla käytetään melassierotuksesta saatavaa betaiinimelassia. Kiteisen betaiinin puhdistusprosessin yhteydessä syntyybetaiinipitoisia sivujakeita, jotka sisältävät huomattavan määrän betaiinia, minkä takia niiden jatkokäsittely on tärkeää. Betaiinin tuotannon sivujakeet ovat erittäin vaikeasti suodattuvia orgaanisia liuoksia, joiden koostumuksia ei täysin tunneta. Tämän työn tarkoituksena oli puhdistaa betaiinin tuotannon sivujakeita mikrosuodattamalla niitä teräskeraamisella kalvolla. Työn kokeellisessa osassa suoritettiin suodatusparametrien eli pH:n, lämpötilan, TMP:n ja betaiiniliuoksen kuiva-ainepitoisuuden optimointi sekä konsentrointikokeita. Mikrosuodatus suoritettiin Graver Technologiesin Scepter-putkimoduulilla, joka toimi ohivirtausperiaatteella ja jonka huokoskoko oli 0,1 ¿m. Scepter-moduuli koostui ruostumattomasta teräksestä sintratuista putkimoduuleista, joissa erottavana kerroksena toimi TiO2. Esikokeiden perusteella todettiin ettei pH:lla ollut suurta vaikutusta suodatukseen. Permeaattivuo kasvoi selvästi lämpötilan ja TMP:nkasvaessa. Vuo taas huononi ja permeaatin sameus lisääntyi selvästi 35 % korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Konsentrointikokeet suoritettiin betaiiniliuoksen refraktrometrisessa kuiva-ainepitoisuudessa, BetRk, 35 %, 80 °C lämpötilassa ja betaiiniliuoksen omassa pH:ssa (pH 8-9,5). Esikokeiden tulosten perusteella konsentrointikokeet suoritettiin TMP:ssa 0,6; 0,8 ja 1,0 bar. Betaiinin tuotannonsivujakeiden konsentrointikokeissa saannoksi saatiin 95 %. Suodatustuloksista havaittiin, että betaiinin tuotannon sivujakeen erä vaikutti voimakkaasti suodatuksen toimivuuteen. Konsentrointikokeissa suodatukset suoritettiin sekäuusilla mikrosuodatusmoduuleilla että vanhalla moduulilla, joka oli jo kulunut.Kulumisen ei kuitenkaan havaittu huonontavan suodatustehokkuutta. Konsentrointikokeiden perusteella voidaan laitteiston pesuväliksi arvioida noin viikko ja pesu tulisi suorittaa sekä emäksisellä että happamalla pesuaineella.

Vortex-putken ominaisuudetkuivaussovellutuksessa

Työssä tarkastellaan vortex-putken soveltuvuutta kostean ilman kuivatukseen ja vapautuvan latenttilämmön hyödyntämiseen. Soveltuvuutta arvioidaan veden ja ilman massataseita hyväksi käyttäen ja stationaarisen systeemin energiataseen avulla. Työn mittauksia varten rakennettiin koelaitteisto, jonka avulla mitattiin miten lämpötilaerot kuumassa ja kylmässä päässä käyttäytyivät mitattaessa kuivalla ilmalla ja ilmalla, jota oli kostutettu. Mitattavia suureita olivat syöttöpaine- ja lämpötila, lämpötilat kuumassa ja kylmässä päässä, kuuman pään paine ja tilavuusvirta tai virtausnopeus ja kuuman pään suhteellinen kosteus. Mittaustulosten avulla laskettiin lämpötilan muutokset kummassakin päässä ja verrattiin kuivan ja kostean ilman mittauksien tuloksia toisiinsa. Lisäksi laskettiin tiivistyneen veden määrä ja veden ja ilman massavirrat molemmissa päissä. Näin voitiin laskea tiivistymisessä vapautuva energia ja tarkastella mihin se siirtyy. Tulosten perusteella vortex-putki soveltuu hyvin huonosti ilman kuivatukseen. Tiivistyneen veden määrä ja sitä kautta tiivistymisessä vapautunut energia, olivat pieniä. Suurin osa kosteudesta meni kuuman pään virtauksen mukana. Tiivistymisessä vapautunut energia siirtyi kylmään päähän.

Maakaasun kuumailmapolton teoria ja koelaitteiston suunnittelu

Tässä diplomityössä on tarkasteltu maakaasun kuumailmapolton teoriaa ja suunniteltu koelaitteisto. Työn alkuosassa on käsitelty maakaasun ominaisuuksia kuumailmapolton polttoaineena. Lisäksi on vertailtu kuumailmapolttoa perinteiseen polttoon. Teoreettinen tarkastelu on painottunut kuumailmapolton toiminnallisiin vaatimuksiin, joiden perusteella koelaitteisto on suunniteltu. Uuden koelaitteiston lähtökohtana on ollut Lappeenrannan teknillisen yliopiston voimalaitostekniikan laboratorion polttolaitteisto, johon on suunniteltu ja rakennettu kuumailmapolton edellyttämät muutokset. Koelaitteistolla tehtäviä maakaasun kuumailmapolttokokeita varten on laadittu koesuunnitelma, mutta koepolttoja ei tämän diplomityön puitteissa ole tehty. Laitteiston toiminta-arvoja on tarkasteltu esimerkkilaskulla, jossa käsitellään tyypillistä maakaasun kuumailmapolton koetilannetta.

Sähkölaitekaapelipäätteiden kokoonpanotuotannon siirtäminen alihankkijalle

Työn tavoitteena oli selvittää kustannussäästöjä sähkölaitekomponentin kokoonpano- tuotannossa. Työssä vertaillaan oman ja alihankintatuotannon välisiä kustannuksia sekä tarkastellaan toiminnan joustavuutta, kun kokoonpano muodostuu kokonaisuudessaan ostettavista osista ja kuljetusmatka osien tuottajilta sekä myyjiltä on lyhyempi alihankkijalle, kuin omalle tehtaalle. Työssä järjestellään tuotteen kokoonpanolle edellytykset siirtymiseen alihankkijan hoidetta-vaksi niin, ettei siitä aiheudu ongelmia osavalmistuksen ja hankinnan, sekä valmiiden tuotteiden hallinnassa. Työssä selvitellään tuotteenmerkitystä ja sen kehittämistä sähkölaiteteollisuudelle. Tuotteen ja tuotannon kehittämisestä oli kohdeyrityksessä perustettu erityinen projekti, johon kuului myös muita sähkökaapeliliitäntään kuuluvia osia. Tuoteryhmä,jota tämä tutkimus käsittelee, siirrettiin alihankkijan kokoonpanotuotantoon vuonna 2000. Kaapelipäätteet kuuluvat yhtenä vaihtoehtoisena osana sähkölaitteiden voimakaape- loinnin läpivientiin ja suojaukseen. Projektissa kehitettiin 3 erilaista kaapelipäättä, joiden tehtävänä oli korvata 20 aikaisempaa mallia. Tällä tavoin kyseisen tuotteen ja sen komponenttien valmistussarjakokoja voitiin nostaa ja silti tuotannonkiertoa nopeuttaa, koska puskurivarastossa olevien variaatioiden määrä väheni 20:sta 3:een. Myös osa kokoonpanossa käytettävistä komponenteista voitiin käyttää kaikkien kaapelipäätemallien kokoonpanossa. Työssä vertaillaan kuljetuskustannusten eroa osahankinnassa oman ja alihankinta- tuotannon välillä, sekä vertaillaan varaston ja tuotannon tilankäyttöä ja tuotantokapasiteettia. Työn tarkoituksena on perustella ajatusta, että kuljetusmatkoja lyhentämällä voitaisiin saada kustannussäästöjä. Oman ja alihankintatyön kustannuksia vertaillaan ja huomattava säästö kokoonpanotyössä on tässä tapauksessa se, että alihankkijan laskutushinta työlle on alhaisempi, kuin mitä työn osuudelle on määritelty omassa tuotannossa. Varastotilan osalta vertailuatehtiin ainoastaan tilan käytön suhteen.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Kaasunpolton tutkimuslaitteiston mittausten suunnittelu

Tämä diplomityö on Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa aloitetun kaasunpolttotutkimushankkeen ensimmäinen tutkimusjakso. Tutkimushanketta varten on LTY:n voimalaitostekniikan koepolttolaboratoriossa rakennettu kaasunpolton tutkimuslaitteisto, jolla tässä diplomityössä perehdytään kaasuliekin lämpötilan mittausmenetelmiin, lämmönsiirtoon ja syntyviin päästöihin neste- ja maakaasupoltossa. Hankkeen toisessa tutkimusjaksossa laitteistolla tutkitaan regenaratiivista polttoa, ja polttoaineena käytetään neste- ja maakaasun lisäksi muita kaasuja kuten vetyä ja erilaisia seoskaasuja. Kaasunpolttotutkimushankkeen kokonaistavoitteena on pienentää kaasunpoltossa syntyviä NOx-päästöjä ja parantaa palamishyötysuhdetta ja tätä kautta pienentää laitteiston kokoa ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Alikriittisen veden käyttö kromatografisessa erotuksessa

Alikriittisellä vedellä tarkoitetaan paineistettua vettä, joka on kriittisen lämpötilansa (374 °C) alapuolella nestemäisessä tilassa. Veden tiheys pienenee lämpötilan kasvaessa Veden liuotinominaisuuksia voidaan säädellä lämpötilan avulla. Veden pintajännitys, viskositeetti, tiheys ja polaarisuus pienenevät lämpötilan kasvaessa, ja alikriittisen veden aineominaisuudet muuttuvat lähemmäksi orgaanista liuotinta. Alikriittisen veden dielektrisyysvakion aleneminen johtuu pääasiassa lämpötilan vaikutuksesta ja vain vähän paineen vaikutuksesta. Alikriittistä vettä on käytetty liuottimena uutossa, mutta nyt myös alikriittinen kromatografia on kehittymässä oleva erotusmenetelmä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin kromatografinen laitteisto alikriittiselle vedelle, jolla tutkittiin sokerialkoholien ja sokerien kromatografista erotusta alikriittisen veden avulla. Lisäksi tutkittiin sokerialkoholien, sokereiden ja stationäärifaasien termistä kestävyyttä. Tutkittavina komponentteina olivat sorbitoli, mannitoli, ksylitoli, arabinoosi, mannoosi, ksyloosi, maltoosi ja ramnoosi. Stationäärifaaseina käytettiin makrohuokoista funktionalisoimatonta polystyreenidivinyylibentseenikopolymeeriä, sekä vahvoja ja heikkoja divinyylibentseenillä ristisilloitettuja kationinvaihtohartseja, jotka olivat joko Na+- tai Ca2+-ionimuodoissa. Veden lämpötilan nostaminen vaikuttaa sekä kromatografisen stationäärifaasin tilavuusmuutoksiin että näytekomponenttien ominaisuuksiin. Vahvoilla kationinvaihtimilla havaittiin termisten tilavuusmuutosten riippuvan ionimuodosta: Na+-muotoiset hartsit turpoavat ja Ca2+-muotoiset kutistuvat lämpötilan noustessa. Heikot kationinvaihtimet kutistuvat molemmissa ionimuodoissa, mutta Ca2+-muoto kutistuu Na+-muotoa voimakkaammin. Näytekomponenteista sokerialkoholien havaittiin kestävän paremmin korkeita lämpötiloja kuin sokerien. Sokerialkoholeista kestävimmäksi havaittiin ksylitoli ja sokereista ramnoosi. Tutkittavien komponenttien piikkien havaittiin kapenevan, häntimisen vähenevän, ja piikkien eluoituvan aikaisemmin riippuen käytettävästä stationäärifaasista. Ca2+-muotoisen vahvan kationinvaihtimen kompleksinmuodostuskyky heikkeni lämpötilan kasvaessa. Näytekomponenttien erotus ei kuitenkaan parantunut lämpötilan noustessa tutkituilla stationäärifaaseilla.

Partikkelikokoanalyysimenetelmän kehittäminen

Päällystettyä paperia valmistettaessa syntyy päällystettyä hylkyä, joka kierrätetään takaisin prosessiin raaka-aineen tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Hylyn mukana takaisin paperikoneen lyhyeen kiertoon päätyy myös pigmenttiaines levymäisinä partikkeleina. Nämä partikkelit rejektoituvat lyhyen kierron pyörrepuhdistimilla. Raaka-aineen hävikin pienentämiseksi käytetään lyhyessä kierrossa täyteaineen talteenottojärjestelmää, jonka tehtävänä on hienontaa päällystysainepartikkelit tasakokoisiksi, jotta ne voitaisiin palauttaa prosessiin. Talteenottolaitteistojen toiminnan tarkkailun kannalta on keskeistä tietää pyörrepuhdistuslaitoksen eri jakeiden partikkelikokojakaumat juuri pigmenttipartikkelien osalta. Tätä määritystä häiritsee näytteissä oleva kuitu. Tässä työssä pyrittiin löytämään partikkelikokoanalyysimenetelmä, jolla pigmenttien partikkelikokojakauma saataisiin selvitettyä kuidusta huolimatta. Aiemmin käytetty näytteen tuhkaus esikäsittelynä ennen partikkelikokoanalyysiä laserdiffraktiometrillä on osoittautunut toimimattomaksi. Kokeiden pääpaino keskittyi näytteen esikäsittelyyn fraktioinnilla ennen laserdiffraktioanalyysiä ja virtaussytometriamittauksiin. Fraktiointiin käytettiin DDJ-laitetta (dynamic drainage jar), joka oli varustettu metalliviiralla. Kumpikaan menetelmistä ei ollut täysin toimiva partikkelikokoanalyysiin, fraktioinnilla saadaan vähennettyä kuidun partikkelikokojakaumaan aiheuttamaa virhettä, mutta sen toimivuus riippuu paljolti näytteestä. Virtaussytometrialla väriainetta SYTO13 käyttämällä saadaan pigmenttipartikkelit tunnistettua ja näin rajattua kuidut pois mittauksista, mutta pigmenttiä ei saada erotettua puuperäisestä hienoaineesta, mikä vääristää mittaustulosta.

Pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaus sähköteräslevystä.

Kiertomagnetoinnin, eli pyörivän magneettivuon, on havaittu aiheuttavan sähkökoneiden rautapiireissä käytetyissä sähköteräslevyissä merkittävästi vaihtovuota suuremman tehohäviön. Sähkökoneet suunnitellaan käyttäen vaihtovuomittaukseen perustuvia levymateriaalin tehohäviöarvoja, vaikka pyörivien sähkökoneiden rautapiireissä on alueita, joissa esiintyy pyörivä vuontiheysjakauma. Tämän johdosta rautahäviöiden tarkka laskeminen on vaikeaa. Työssä käsitellään rautaa magneettisena materiaalina, siinä muodostuvia tehohäviöitä vaihtovuolla sekä pyörivällä magneettivuolla sekä esitetään pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaukseen soveltuvat mittalaitteet ja laitteiden toiminnan perusta. Pyörivän magneettivuon aiheuttamat tehohäviöt määritetään sähkö- ja magneettikentänvoimakkuuden mittaukseen perustuvalla laitteistolla, joka suunniteltiin ja valmistettiin työn yhteydessä. Mittaukset suoritettiin kidesuuntaamattomille sähköteräksille M350-50A, M600-50A ja M800-50A. Mittaustulosten perusteella laitteistoa voidaan pitää toimivana.