Väkevän urealiuoksen puhdistaminen kalvotekniikalla

Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatus-, käänteisosmoosi- ja elektrodialyysitekniikoita liuosten puhdistuksessa. Nanosuodatuksella ja käänteisosmoosilla voidaan liuottimesta erottaa pienen moolimassan omaavia liuenneita aineita ohuen kalvon avulla. Nanosuodatuksessa ja käänteisosmoosissa ajavana voimana on paine, jonka tulee ylittää liuoksen osmoottinen paine. Elektrodialyysissä ajavana voimana toimii sähköpotentiaaliero. Tekniikka käyttää hyväkseen ionien tai molekyylien kykyä johtaa sähköä. Elektrodialyysillä voidaan liuoksesta erottaa toisistaan varauksettomat ja varaukselliset komponentit sähköä johtavan membraanin avulla. Kokeellisessa osassa väkevää ureavesiliuosta suodatettiin nanosuodatus- ja käänteisosmoosikalvoilla tutkien paineen, lämpötilan ja konsentroitumisen vaikutusta vuohonja retentioon. Tarkoituksena oli saada urea tuotteena permeaattiin ja epäpuhtaudet erottumaan retentaattiin. Permeaattien epäpuhtauksien pitoisuuksia verrattiin tuotteen spesifikaation raja-arvoihin. Suodatukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston tiloissa DSS Labstak M20 suotimella. Työssä käytettiin NF1-, NF2-, NF270-, NF-, NF90-, Desal-5 DK-, OPMN-P 70- ja TFC ULP-kalvoja. Nanosuodatuskalvot NF2- ja NF270 antoivat parhaan vuon ja erotuskyvyn suhteen puhdistettaessa urealiuosta. Paineen noustessa kalvojen retentiot paranivat. Lämpötilan noustessa vuo parani, joskin täytyy huomioida urean kiihtyvä hajoaminen lähestyttäessä 40 °C astetta. Kalvojen kestävyyttä ureasuodatuksissa ei voitu näiden kokeiden avulla varmentaa.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.