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.

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

Separation of ammonia and carbon dioxide by adsorption

Tässä työssä on tutkittu ammoniakin ja hiilidioksidin erottamista adsorptio prosessilla ja suunniteltiin paineen muunteluun perustuvan adsorptioprosessin (PSA) käyttöä. Työn tarkoituksena oli laskea adsorptioon perustuvan prosessin kannattavuus melamiinitehtaan poistokaasujen erotuksessa. Tätä varten työssä suunniteltiin tehdasmitta-kaavainen prosessi ja arvioitiin sen kannattavuus. Työssä mitattiin adsorptiotasapainot, joiden perusteella sovitettiin sopiva kokeellinen adsorptioisotermi. Adsorptioisotermi lisättiin simulointiohjelmaan, jonka avulla suunniteltiin kaksi vaihtoehtoista pilot laitteistoa kaasujen erottamiseksi. Toisella pilot laitteistolla saadaan mitattua vain läpäisykäyrät, mutta paremmalla versiolla saadaan myös tietoa erotettujen komponenttien puhtaudesta. Suunnittelun tärkeimpiä lähtökohtia on molempien komponenttien mahdollisimman korkea puhtaus ja talteenottoaste. Täysimittakaavainen tehdas suunniteltiin simulointiohjelmiston avulla kahdelle eri kapasiteetille ja arvioitiin niiden kustannukset ja kannattavuus. Adsorptioprosessit osoittautuivat kannattaviksi kaasuseoksen erottamisessa kummassakin tapauksessa

Sterolin valmistus selluprosessin yhteydessä

Työssä tutkittiin UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla käytössä olevia steroliprosesseja. Steroleita erotetaan sulfaattiselluloosan keitossa syntyvasta suovasta uutetusta neutraaliainejakeesta. Neutraaliaine sisältää β-sitosterolia, α-sitosterolia ja kampesterolia yhteensä noin 20 p-%. Primal-laadun valmistus perustuu neste-nesteuuttoon sekä kiteytykseen ja Ultra-laadun kaksivaiheiseen suorakiteytykseen. Työn kirjallisessa osassa perehdytään sterolien kemiaan sekä neste-nesteuuttoon ja kiteytykseen erotus- ja puhdistusmenetelminä. Laboratoriokokeissa tutkittiin kolmen eri alkoholin ja kahden eri hiilivetyliuottimen soveltuvuutta Primal-sitosterolin uuttoon ja kiteytykseen. Lisaksi tutkittiin liuotinseoksen vesipitoisuuden vaikutusta. Tavoitteena oli löytää uuttoliuottimien koostumus, jolla uuton sterolisaanto ja sterolikiteiden puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Havaittiin, että uuton sterolisaanto voitiin maksimoida pitämällä uuttoalkoholin vesipitoisuus niin alhaisena, että faasit juuri ja juuri erottuvat toisistaan. Laboratoriokokeissa saatujen tulosten perusteella tehtiin tehdasmittakaavan koeajo Primal-sitosterolin valmistuslaitteistolla UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla. Talloin uutossa saavutettiin noin 50 %:n sterolisaanto. Ultra-sitosterolin laboratoriomittakaavaisissa kiteytyskokeissa vertailtiin neljän eri alkoholin ja kahden muun orgaanisen liuottimen soveltuvuutta kiteytysliuoksen komponenteiksi. Lisaksi tutkittiin vesipitoisuuden liuotinseoksen vaikutusta. Tarkoituksena oli löytää se liuotinkoostumus, jolla sterolikiteiden saanto ja puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Sopivalla kiteytysliuoksen koostumuksella saavutettiin melko hyvä sterolisaanto ja lähes 98 %:n puhtaus.

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Sakkaroosin hydrolyysi immobilisoidulla entsyymillä

Työssä tutkittiin sakkaroosin hydrolyysiä anioninvaihtohartseihin immobilisoidun entsyymin avulla tavoitteena löytää sellainen kantaja-entsyymi -yhdistelmä, jolla konversio halutuiksi lopputuotteiksi olisi mahdollisimman korkea. Työhön valittiin aikaisemmissa laboratoriokokeissa parhaita tuloksia saavuttaneet kantaja-entsyymi -parit. Entsyymeinä oli kaksi nestemäistä Saccharomyces cerevisiae -hiivasta eristettyjä entsyymivalmistetta. Kokeissa käytetyt kantajamateriaalit olivat erilaisia heikkoja anioninvaihtohartseja. Entsyymit immobilisoitiin kantajaan sekoitusreaktorissa ja niiden aktiivisuudet määritettiin sitomisen jälkeen. Hydrolyysikokeet tehtiin jatkuvatoimisessa kiintopetireaktorissa ja lisäksi panos-kokeina tutkittiin ominaisuuksiltaan erilaisten kantajien eroja hydrolyysissä. Reaktio-olosuhteet pidettiin kaikissa kokeissa samoina. Sakkaroosiliuoksen pitoisuus oli 50 p-%, reaktiolämpötila 50 oC ja pH 5. Kiintopetikolonnissa tutkittiin myös sakkaroosi-liuoksen viipymäajan vaikutusta sivutuotteiden syntyyn. Näytteet analysoitiin neste-kromatografilla. Kiintopetikolonnissa lyhimmän viipymäajan (15 min) kokeissa ainoastaan hitaimmilla kantaja-entsyymi -pareilla muodostui sivutuotteita, jotka hydrolyysireaktion edetessä kuitenkin hävisivät. Kun viipymäaikaa kasvatettiin sivutuotteiden synty väheni ja lopulta niitä ei havaittu syntyvän lainkaan. Hydrolyysin edetessä viipymäajan ollessa tarpeeksi pitkä pienet sivutuotekomponentit hävisivät sakkaroosin hajotessa kokonaan glukoosiksi ja fruktoosiksi. Verrattaessa partikkelikoon ja hartsimatriisin vaikutusta samaan entsyymiin sidottuna havaittiin, että niillä kummallakin on vaikutusta sekä sakkaroosin hydrolyysi-nopeuteen että sivutuotteiden muodostumiseen.

Type II aromatic polyketide biosynthetic tailoring enzymes: diversity and adaptation in Streptomyces secondary metabolism.

Members of the bacterial genus Streptomyces are well known for their ability to produce an exceptionally wide selection of diverse secondary metabolites. These include natural bioactive chemical compounds which have potential applications in medicine, agriculture and other fields of commerce. The outstanding biosynthetic capacity derives from the characteristic genetic flexibility of Streptomyces secondary metabolism pathways: i) Clustering of the biosynthetic genes in chromosome regions redundant for vital primary functions, and ii) the presence of numerous genetic elements within these regions which facilitate DNA rearrangement and transfer between non-progeny species. Decades of intensive genetic research on the organization and function of the biosynthetic routes has led to a variety of molecular biology applications, which can be used to expand the diversity of compounds synthesized. These include techniques which, for example, allow modification and artificial construction of novel pathways, and enable gene-level detection of silent secondary metabolite clusters. Over the years the research has expanded to cover molecular-level analysis of the enzymes responsible for the individual catalytic reactions. In vitro studies of the enzymes provide a detailed insight into their catalytic functions, mechanisms, substrate specificities, interactions and stereochemical determinants. These are factors that are essential for the thorough understanding and rational design of novel biosynthetic routes. The current study is a part of a more extensive research project (Antibiotic Biosynthetic Enzymes; www.sci.utu.fi/projects/biokemia/abe), which focuses on the post-PKS tailoring enzymes involved in various type II aromatic polyketide biosynthetic pathways in Streptomyces bacteria. The initiative here was to investigate specific catalytic steps in anthracycline and angucycline biosynthesis through in vitro biochemical enzyme characterization and structural enzymology. The objectives were to elucidate detailed mechanisms and enzyme-level interactions which cannot be resolved by in vivo genetic studies alone. The first part of the experimental work concerns the homologous polyketide cyclases SnoaL and AknH. These catalyze the closure of the last carbon ring of the tetracyclic carbon frame common to all anthracycline-type compounds. The second part of the study primarily deals with tailoring enzymes PgaE (and its homolog CabE) and PgaM, which are responsible for a cascade of sequential modification reactions in angucycline biosynthesis. The results complemented earlier in vivo findings and confirmed the enzyme functions in vitro. Importantly, we were able to identify the amino acid -level determinants that influence AknH and SnoaL stereoselectivity and to determine the complex biosynthetic steps of the angucycline oxygenation cascade of PgaE and PgaM. In addition, the findings revealed interesting cases of enzyme-level adaptation, as some of the catalytic mechanisms did not coincide with those described for characterised homologs or enzymes of known function. Specifically, SnoaL and AknH were shown to employ a novel acid-base mechanism for aldol condenzation, whereas the hydroxylation reaction catalysed by PgaM involved unexpected oxygen chemistry. Owing to a gene-level fusion of two ancestral reading frames, PgaM was also shown to adopt an unusual quaternary sturucture, a non-covalent fusion complex of two alternative forms of the protein. Furthermore, the work highlighted some common themes encountered in polyketide biosynthetic pathways such as enzyme substrate specificity and intermediate reactivity. These are discussed in the final chapters of the work.

Paperin ominaisuuksiin vaikuttaminen kuitulajeilla ja valmistuksen osaprosesseilla

Työn tarkastellaan massalaatujen valmistusmenetelmiä ja paperinvalmistuksen osaprosesseja pitäen silmällä massalaadun ja jälkikäsittelyn vaikutusta paperin optisiin ja reologisiin ominaisuuksiin. Pääpaino oli käytössä olevilla prosesseilla, mutta myös muutaman viimeisen vuosikymmenen aikaisiin valmistusmenetelmiin tutustuttiin suppeasti. Koska asiakkaat ja kuluttajat vaativat yhä vaaleampia, kestävämpiä ja lujempia papereita, on tärkeää kyetä tunnistamaan eri osa-prosessit, joilla voidaan vaikuttaa näihin ominaisuuksiin. Asiakaslähtöisyyden ohella prosessien pitää nykyisten tiukkojen päästömääräysten vuoksi pyrkiä ympäristöystävälliseen liiketoimintaan. Myös keräyspaperin käytöstä on säädetty asetus, jonka mukaan keräyspaperin pitää päätyä ensisijaisesti uusiopaperin raaka-aineeksi. Ympäristövaatimukset ja kierrätyskuidun käyttö antavatkin omat haasteensa hyvien optisten ja reologisten ominaisuuksien saavuttamisessa.

Synthesis, characterization and chemical sensor application of conducting polymers

Polymeric materials that conduct electricity are highly interesting for fundamental studies and beneficial for modern applications in e.g. solar cells, organic field effect transistors (OFETs) as well as in chemical and bio‐sensing. Therefore, it is important to characterize this class of materials with a wide variety of methods. This work summarizes the use of electrochemistry also in combination with spectroscopic methods in synthesis and characterization of electrically conducting polymers and other π‐conjugated systems. The materials studied in this work are intended for organic electronic devices and chemical sensors. Additionally, an important part of the presented work, concerns rational approaches to the development of water‐based inks containing conducting particles. Electrochemical synthesis and electroactivity of conducting polymers can be greatly enhanced in room temperature ionic liquids (RTILs) in comparison to conventional electrolytes. Therefore, poly(para‐phyenylene) (PPP) was electrochemically synthesized in the two representative RTILs: bmimPF6 and bmiTf2N (imidazolium and pyrrolidinium‐based salts, respectively). It was found that the electrochemical synthesis of PPP was significantly enhanced in bmimPF6. Additionally, the results from doping studies of PPP films indicate improved electroactivity in bmimPF6 during oxidation (p‐doping) and in bmiTf2N in the case of reduction (n‐doping). These findings were supported by in situ infrared spectroscopy studies. Conducting poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) is a material which can provide relatively high field‐effect mobility of charge carriers in OFET devices. The main disadvantage of this n‐type semiconductor is its limited processability. Therefore in this work BBL was functionalized with poly(ethylene oxide) PEO, varying the length of side chains enabling water dispersions of the studied polymer. It was found that functionalization did not distract the electrochemical activity of the BBL backbone while the processability was improved significantly in comparison to conventional BBL. Another objective was to study highly processable poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) water‐based inks for controlled patterning scaled‐down to nearly a nanodomain with the intention to fabricate various chemical sensors. Developed PEDOT:PSS inks greatly improved printing of nanoarrays and with further modification with quaternary ammonium cations enabled fabrication of PEDOT:PSS‐based chemical sensors for lead (II) ions with enhanced adhesion and stability in aqueous environments. This opens new possibilities for development of PEDOT:PSS films that can be used in bio‐related applications. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a broad group of π‐conjugated materials consisting of aromatic rings in the range from naphthalene to even hundred rings in one molecule. The research on this type of materials is intriguing, due to their interesting optical properties and resemblance of graphene. The objective was to use electrochemical synthesis to yield relatively large PAHs and fabricate electroactive films that could be used as template material in chemical sensors. Spectroscopic, electrochemical and electrical investigations evidence formation of highly stable films with fast redox response, consisting of molecules with 40 to 60 carbon atoms. Additionally, this approach in synthesis, starting from relatively small PAH molecules was successfully used in chemical sensor for lead (II).

Luovuus näyttelijäntyössä

This thesis considers creativity in acting and performing. The original question is how to construct roles creatively. The thesis also considers the quality of creativity at a general level. In addition, the question expands to consider directing and, briefly, the ethics of making theatre. The first section discusses acceptation as a tool for opening the blocks that restrain creativity. It also discusses what the use of acceptation causes and what challenges it brings when creativity begins. The second and the third sections deal with two productions that have changed the author's view of creativity and theatre. The first production is "Medeia Goes Karaoke". This section considers the influence of listening and being in contact when making the role of Medeia. The second production is about directing, "My Roots are Water and Blood". This section considers revising performing and directing and especially the influence of the Alexander-technique. The last section concerns the definition of what good acting is. It also discusses the differences between performing and acting and presents the author's opinions concerning the ethics of acting. The aim of this work is to define creativity in acting, performing and theatre-making, through the author' s personal experiences.