Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Use of the Optical Cantilever Microphone in Photoacoustic Spectroscopy

A novel cantilever pressure sensor was developed in the Department of Physics at the University of Turku in order to solve the sensitivity problems which are encountered when condenser microphones are used in photoacoustic spectroscopy. The cantilever pressure sensor, combined with a laser interferometer for the measurement of the cantilever movements, proved to be highly sensitive. The original aim of this work was to integrate the sensor in a photoacoustic gas detector working in a differential measurement scheme. The integration was made successfully into three prototypes. In addition, the cantilever was also integrated in the photoacoustic FTIR measurement schemes of gas-, liquid-, and solid-phase samples. A theoretical model for the signal generation in each measurement scheme was created and the optimal celldesign discussed. The sensitivity and selectivity of the differential method were evaluated when a blackbody radiator and a mechanical chopper were used with CO₂, CH4, CO, and C2H4 gases. The detection limits were in the sub-ppm level for all four gases with only a 1.3 second integration time and the cross interference was well below one percent for all gas combinations other than those between hydrocarbons. Sensitivity with other infrared sources was compared using ethylene as an example gas. In the comparison of sensitivity with different infrared sources the electrically modulated blackbody radiator gave a 35 times higher and the CO2-laser a 100 times lower detection limit than the blackbody radiator with a mechanical chopper. As a conclusion, the differential system is well suited to rapid single gas measurements. Gas-phase photoacoustic FTIR spectroscopy gives the best performance, when several components have to be analyzed simultaneously from multicomponent samples. Multicomponent measurements were demonstrated with a sample that contained different concentrations of CO₂, H₂O, CO, and four different hydrocarbons. It required an approximately 10 times longer measurement time to achieve the same detection limit for a single gas as with the differential system. The properties of the photoacoustic FTIR spectroscopy were also compared to conventional transmission FTIR spectroscopy by simulations. Solid- and liquid-phase photoacoustic FTIR spectroscopy has several advantages compared to other techniques and therefore it also has a great variety of applications. A comparison of the signal-to-noise ratio between photoacoustic cells with a cantilever microphone and a condenser microphone was done with standard carbon black, polyethene, and sunflower oil samples. The cell with the cantilever microphone proved to have a 5-10 times higher signal-to-noise ratio than the reference detector, depending on the sample. Cantilever enhanced photoacoustics will be an effective tool for gas detection and analysis of solid- and liquid-phase samples. The preliminary prototypes gave good results in all three measurement schemes that were studied. According to simulations, there are possibilities for further enhancement of the sensitivity, as well as other properties, of each system.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Ultrasuodatuskalvojen valinta, likaantuminen ja puhdistus entsyymiliuosten suodatuksessa

Ultrasuodatus on tehokas entsyymiliuosten konsentrointi- ja puhdistusmenetelmä. Prosessin ongelmana on kuitenkin kalvojen likaantumisesta johtuva suodatuksen aikainen vuon pienentyminen ja kalvojen hankala puhdistaminen. Oikeilla kalvovalinnoilla ja optimaalisilla pesustrategioilla voidaan suodatus- ja pesuaikoja lyhentää ja nain parantaa suodatusprosessin tehokkuutta ja tuotteen laatua. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty entsyymiliuosten ja polymeerikalvojen suodatusprosessiin vaikuttavia ominaisuuksia. Työssä on esitelty myös pesuaineiden ja pesukemikaalien ominaisuuksia sekä pesuprosessiin vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta osasta. Työn ensimmäisessä osassa etsittiin entsyymiliuosten ultrasuodatusprosessiin sopivaa kalvoa vertailemalla kalvojen permeabiliteetteja, hydrofiilisyytta, varausta ja peseytyvyyttä. Suodatuksissa käytettiin kahta Roal Oy:n tuottamaa entsyymiliuosta ja suodatukset tehtiin DSS Labstak M20-laitteistolla. Työn toisen osan tarkoituksena oli etsiä entsyymiliuosten suodatuksessa käytettävien kalvojen likaantumisen syyt sekä tehokas puhdistusaine kalvojen pesuun. Tehokasta pesuainetta etsittiin liotuskokeilla ja laboratoriomittakaavan poikkivirtauslaitteistolla. Analysointeja tehtiin muun muassa FTIR- spektroskoopilla, vuomittauksilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja kontaktikulmamittauksilla. Entsyymiliuosten suodatuksiin sopivan kalvon etsinnässä testattujen kalvojen välillä oli suuria eroja niin permeabiliteeteissa kuin likaantumisessa ja puhdistumisessa, mutta mikään kalvoista ei erottunut ylivoimaisesti parhaaksi. Pesuaineista kaupalliset membraanien puhdistukseen tarkoitetut emäksiset pesuaineet osoittautuivat tehokkaimmiksi lian poistajiksi.

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.

Influence of Pulsed-Electric Field Irradiation in Crystallization

The growing pharmaceutical interest, among others, in the polymorphic composition of the emerging solid end-products from production processes has been traced to the need for attainment of high product purity. This is more so as the presence of different polymorphs may constitute physical impurity of the product. Hence, the need for optimization of the yield of desired product component(s) through controlled crystallization kinetics for instance. This study was carried out to investigate the impact of pulsed electric field (PEF) irradiation on the crystal morphology of glycine obtained by cooling crystallization (without seeding) from commercial glycine sample in distilled deionized water solution. In doing so, three different pulse frequencies (294, 950 and 145 Hz) and a case without PEF were studied at three cooling rates (5, 10 and 20 ºC/h). The crystal products obtained were analyzed for polymorphic composition by powder x-ray diffraction (PXRD) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy while the particles characterization was done on Morphologi G3. The results obtained from this study showed that pulsed electric field irradiation had significant impact on metastability of the aqueous solution as well as on the polymorphic composition of the end product. With increasing PEF frequency applied, nucleation started earlier and the γ-glycine polymorph content of the product crystals increased. These were found to have been aided by cooling rate, as the most significant effect was observed at 5 ºC/h. It was also discovered that PEF application had no measurable impact on the pH of the aqueous solution as well as the size distribution of the particles. Cooling on the contrary was believed to be responsible for the broadening of the particle size distribution with a downward shift of the lower limit of the raw material from about 100 μm to between 10 and 50 μm.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Detection of Illicit Drugs and Drug Precursors with Cantilever-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy

In this study, cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy (CEPAS) was applied in different drug detection schemes. The study was divided into two different applications: trace detection of vaporized drugs and drug precursors in the gas-phase, and detection of cocaine abuse in hair. The main focus, however, was the study of hair samples. In the gas-phase, methyl benzoate, a hydrolysis product of cocaine hydrochloride, and benzyl methyl ketone (BMK), a precursor of amphetamine and methamphetamine were investigated. In the solid-phase, hair samples from cocaine overdose patients were measured and compared to a drug-free reference group. As hair consists mostly of long fibrous proteins generally called keratin, proteins from fingernails and saliva were also studied for comparison. Different measurement setups were applied in this study. Gas measurements were carried out using quantum cascade lasers (QLC) as a source in the photoacoustic detection. Also, an external cavity (EC) design was used for a broader tuning range. Detection limits of 3.4 particles per billion (ppb) for methyl benzoate and 26 ppb for BMK in 0.9 s were achieved with the EC-QCL PAS setup. The achieved detection limits are sufficient for realistic drug detection applications. The measurements from drug overdose patients were carried out using Fourier transform infrared (FTIR) PAS. The drug-containing hair samples and drug-free samples were both measured with the FTIR-PAS setup, and the measured spectra were analyzed statistically with principal component analysis (PCA). The two groups were separated by their spectra with PCA and proper spectral pre-processing. To improve the method, ECQCL measurements of the hair samples, and studies using photoacoustic microsampling techniques, were performed. High quality, high-resolution spectra with a broad tuning range were recorded from a single hair fiber. This broad tuning range of an EC-QCL has not previously been used in the photoacoustic spectroscopy of solids. However, no drug detection studies were performed with the EC-QCL solid-phase setup.

Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy

Abstract

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Enhancing performance of paper coatings by tailor-made plastic pigments

The paper industry is constantly looking for new ideas for improving paper products while competition and raw material prices are increasing. Many paper products are pigment coated. Coating layer is the top layer of paper, thus by modifying coating pigment also the paper itself can be altered and value added to the final product. In this thesis, synthesis of new plastic and hybrid pigments and their performance in paper and paperboard coating is reported. Two types of plastic pigments were studied: core-shell latexes and solid beads of maleimide copolymers. Core-shell latexes with partially crosslinked hydrophilic polymer core of poly(n-butyl acrylate-co-methacrylic acid) and a hard hydrophobic polystyrene shell were prepared to improve the optical properties of coated paper. In addition, the effect of different crosslinkers was analyzed and the best overall performance was achieved by the use of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). Furthermore, the possibility to modify core-shell latex was investigated by introducing a new polymerizable optical brightening agent, 1-[(4-vinylphenoxy)methyl]-4-(2-henylethylenyl)benzene which gave promising results. The prepared core-shell latex pigments performed smoothly also in pilot coating and printing trials. The results demonstrated that by optimizing polymer composition, the optical and surface properties of coated paper can be significantly enhanced. The optimal reaction conditions were established for thermal imidization of poly(styrene-co-maleimide) (SMI) and poly(octadecene-co-maleimide) (OMI) from respective maleic anhydride copolymer precursors and ammonia in a solvent free process. The obtained aqueous dispersions of nanoparticle copolymers exhibited glass transition temperatures (Tg) between 140-170ºC and particle sizes from 50-230 nm. Furthermore, the maleimide copolymers were evaluated in paperboard coating as additional pigments. The maleimide copolymer nanoparticles were partly imbedded into the porous coating structure and therefore the full potential of optical property enhancement for paperboard was not achieved by this method. The possibility to modify maleimide copolymers was also studied. Modifications were carried out via N-substitution by replacing part of the ammonia in the imidization reaction with amines, such as triacetonediamine (TAD), aspartic acid (ASP) and fluorinated amines (2,2,2- trifluoroethylamine, TFEA and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobuthylamine, HFBA). The obtained functional nanoparticles varied in size between 50-217 nm and their Tg from 150-180ºC. During the coating process the produced plastic pigments exhibited good runnability. No significant improvements were achieved in light stability with TAD modified copolymers whereas nanoparticles modified with aspartic acid and those containing fluorinated groups showed the desired changes in surface properties of the coated paperboard. Finally, reports on preliminary studies with organic-inorganic hybrids are presented. The hybrids prepared by an in situ polymerization reaction consisted of 30 wt% poly(styrene- co-maleimide) (SMI) and high levels of 70 wt% inorganic components of kaolin and/or alumina trihydrate. Scanning Electron Microscopy (SEM) images and characterization by Fourier Transform Infrared Spcetroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) revealed that the hybrids had conventional composite structure and inorganic components were covered with precipitated SMI nanoparticles attached to the surface via hydrogen bonding. In paper coating, the hybrids had a beneficial effect on increasing gloss levels.

Positron measurements in Mg-doped GaN and development of digital Doppler broadening spectroscopy

In this work parameters of Mg-doped GaN samples were studied using positron annihilation spectroscopy and analyzed. It is shown that gallium vacancies exist in an unintentionally doped sample. Next, the sample with higher concentration of Mg and low growth temperature contains vacancy clusters. In case of low concentration of Mg the growth temperature does not affect the formation of defects. Analog electronics can be replaced by a modern digital device. While promising a high quantity of benefits, the performance of these digitizers requires thorough adjustment. A 14-bit two channel digitizer has been tested in order to achieve better performance than the one of a traditional analog setup, and the adjustment process is described. It has been shown that the digital device is unable to achieve better energy resolution, but it is quite close to the corresponding attribute of the available analog system, which had been used for measurements in Mg-doped GaN.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.