The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

The pH-dependent phase distribution of wood pitch components in papermaking processes

Wood contains only a very small amount of lipophilic extractives, commonly known as wood pitch. The pitch is known to cause severe problems in papermaking processes. The amount of pitch in process waters can be decreased by seasoning of the raw material prior to pulping, pulp washing, removal of pitch by flotation, adsorption of pitch onto various mineral surfaces, and retention of pitch to the fibre material by cationic polymers. The aim of this study was to determine the influence of pH on some of the methods used for pitch control. Experiments were performed using laboratory-made wood pitch emulsions with varying pH, salt concentration, hemicellulose concentration and pitch composition. These emulsions were used to study the phase distribution of resin and fatty acids, the colloidal stability of pitch with and without steric stabilisation by galactoglucomannans, and the interactions between wood pitch and mineral particles. Purification of unbleached and peroxidebleached mill process water was performed by froth flotation in combination with a foaming agent. The distribution of resin and fatty acids (RFAs) between colloidal pitch droplets and the water phase was very dependent on pH. At pH 3, almost all of the RFAs were attached to the pitch droplets, while increasing the pH led to increasing concentration of dissolved RFAs in the water phase. The presence of salt shifted the release of RFAs towards higher pH, while lower ratio of neutral pitch in the emulsion resulted in release of RFAs at lower pH. It was also seen that the dissolution and adsorption of RFAs at sudden pHchanges takes place very quickly. Colloidal pitch was more stable against electrolyte-induced aggregation at higher pH, due to its higher anionic charge. The concentration of cationic polymers needed to aggregate colloidal pitch also increased with increasing pH. The surface characteristics of solid particles, such as amount of charged groups, were very important for understanding their interactions with colloidal wood pitch. Water-soluble galactoglucomannans stabilised the colloidal pitch sterically against aggregation, but could not completely prevent interactions between wood pitch and hydrophilic particles. Froth flotation of unbleached and peroxidebleached process water showed that the pitch could be removed more effectively and selectively at low pH, compared to at neutral pH. The pitch was removed more effectively, using lower concentrations of foaming agent, from peroxide-bleached water than from unbleached water. The results show that pH has a major impact on various pulping and papermaking processes. It determines the anionic charge of the colloidal pitch and the solubility of certain pitch components. Because of this, the pH influences the effectiveness of pitch retention and removal of pitch. The results indicate that pitch problems could be diminished by acknowledging the importance of pH in various papermaking processes.

Developing Processes and Learning in a Project-based Firm

Tämän diplomityön tavoitteena on kuvata tiedonkulkua projektiliiketoimintaa harjoittavassa yrityksessä sekä analysoida kuvausta määrittäen mahdolliset kehityskohdat. Työssätuotetut kuvaukset ja kehityskohtien määrittäminen toimivat pohjana yrityksen kehittäessä projektien hallintaansa tulevaisuudessa. Työssä valitaan tietojohtamisen näkökulma sopivaksi lähestymistavaksi yrityksen toiminnananalysointiin. Haastatteluin kerätyn tutkimusmateriaalin perusteella luodaan prosessikuvaukset jotka mallintavat tietovirtoja yrityksen projektien aikana tapahtuvien prosessien välillä. Kuvausta peilataan tietämyksen luomisen sekä projektien tietojohtamisen teoriaan ja määritetään kehityskohteita. Kehityskohteiden määrittämisen lisäksi ehdotetaan mahdollisia toimenpiteitä tiedon ja tietämyksen hallinnan kehittämiseksi. Kokemusten ja opittujen asioiden sekäpalautteen kerääminen projektien aikana sekä niiden jälkeen havaittiin tärkeimmäksi kehityskohdaksi. Näiden keräämisen voidaan todeta vaativan järjestelmällisyyttä jotta projektien onnistumiset sekä niissä saavutetut parannukset voidaan toistaa jatkossa ja virheet sekä epäonnistumiset sitä vastoin välttää.

Innovation Benchmark Study: Analysis of Innovation Processes in Finnish Companies

Liikevaihdon orgaaninen kasvu on ensisijainen tekijä ja haaste yritysjohdolle yrityksen omistaja-arvon kasvattamiseksi. Tutkimus tarkastelee suosivatko suomalaisyritykset pääasiallisesti olemassa olevaa liiketoimintaa palvelevia innovaatioita vai tukevatko nykyhetken toimintatavat myös uusia kasvua kiihdyttäviä radikaaleja innovaatioita. Lisäksi työ kartoitti suomalaisyritysten innovaatioprosessien kehitysalueita käyttäen itsearviointitutkimusta.Tulokset johtivat kolmeen johtopäätökseen. Tutkimus osoitti, että vastaajayritykset ovat keskittyneet innovaatiotoiminnassaan vahvasti ydinliiketoimintaansa, jättäen potentiaaliset kasvumahdollisuudet huomioimatta. Yritykset tavoittelevat maksimaalisia tuottoja keskittymällä tuotteidensa korkeaan suorituskykyyn. Lyhyen aikavälin epärealistiset tuotto-odotukset sekä projekteille suunnatut arviointikriteerit rajoittavat liiketoimintaa mullistavien radikaalien innovaatioiden kehittymistä organisaatiossa. Toiseksi, tutkimus osoitti, että suuri osa yrityksistä käyttää perinteisen projektien arviointi- ja kehitysprosessin lisäksi vaihtoehtoisia ja huonosti kontrolloitavissa olevia kehitysprosesseja, mikäli projektille annetaan kielteinen rahoituspäätös standardin prosessin sisällä. Kolmanneksi, suomalaisyritysten innovaatioprosesseissa paljastui merkittäviä puutteita mitattavien elementtien suhteen.

Managing Business Processes in Corporate Expansion

Yrityksen laajentuessa kansainvälisesti, olemassa olevat rutiinit jäävät vanhoiksi ja liiketoimintaprosessien johtaminen muuttuu. Kyseisten prosessien täytyy olla läpinäkyviä ja tietovirtojen hyvin suunniteltuja. Prosessien harmonisointi aiheuttaa haasteita yrityksessä ja konsernin etu tulee ottaa huomioon. Ahlstrom konserni laajentuu merkittävästi kaikilla liiketoiminta-alueillaan ja kansainvälinen laajentuminen vie Ahlstrom Glassfibre Oy:n täysin uuteen tilanteeseen. Liiketoimintaprosessien johtamiseen vaikuttavat konsernin ohjaus, mahdollisuudet muutosten implementoimiseksi, toimintaympäristön tekijät ja järjestelmien muodostama arkkitehtuuri. Tässä tutkimuksessa keskitytään ydinprosessien tietovirtoihin ja työ on tehty Karhulan tehtaalla Suomessa. Johtamismallin luomiseksi vaaditaan yrityksessä ongelmia määrittelevää työskentelyä. Tämä ongelmanmääritys oli työn tärkein tavoite. Ongelma-alueiden tutkimuksen pohjalta muodostettiin ratkaisu, jossa käsiteltiin systemaattisen liiketoimintaprosessien johtamisen mahdollisuuksia ja vaatimuksia. Lopputuloksena voidaan todeta, että suurin painopiste löytyy informaatioteknologian ja liiketoiminnan rajapinnoista. Tähän työhön liittyvät myös prossien harmonisointi ja integrointi.

Aligning Technology Innovation Processes for Possible Collaboration

Diplomityön tavoitteena on innovaatioprosessien selventäminen ja yhteensovittaminen radikaalien teknologia innovaatioiden osalta. Prosessien yhteensovittamisen edellytyksenä on teknologia innovaation radikaalisuuden ymmärtäminen. Kohteena on alkuvaiheen innovaatioprosessi jonka aikana virallinen yhteistyö ei vielä ole mandollista. Kehitetyn mallinavulla voidaan arvioida yrityksen kokemaa radikaalisuutta innovaatioprosessin alkuvaiheessa. On tärkeää ymmärtää miten vuorovaikutuksessa olevat yritykset kokevat innovaation radikaalisuuden prosessin alkuvaiheessa. Prosessien eroavaisuudet voidaan sanoa riippuvan yritysten näkökulmasta, koska niiden toiminnot määrittyvät koetun radikaalisuuden mukaan.Yhtäläisenä koettu radikaalisuus luo pohjan avoimelle vuorovaikutukselle ja antaa viitteitä syvemmästä yhteistyöstä tulevaisuudessa. Vertikaalisti sijoittuneiden yritysten prosessien esitetty yhteensovitus perustuu molemminpuoliseen radikaalisuuteen ja sisäisen hyväksynnän vastaavuuteen. Tällöin osapuolet ovat mukana samalla sitoumuksella prosessin jatkumisen ollessa epävarma.

Technology selection and group decision support systems: Case studies on supporting strategic technology selection processes

The objective of the dissertation is to increase understanding and knowledge in the field where group decision support system (GDSS) and technology selection research overlap in the strategic sense. The purpose is to develop pragmatic, unique and competent management practices and processes for strategic technology assessment and selection from the whole company's point of view. The combination of the GDSS and technology selection is approached from the points of view of the core competence concept, the lead user -method, and different technology types. In this research the aim is to find out how the GDSS contributes to the technology selection process, what aspects should be considered when selecting technologies to be developed or acquired, and what advantages and restrictions the GDSS has in the selection processes. These research objectives are discussed on the basis of experiences and findings in real life selection meetings. The research has been mainly carried outwith constructive, case study research methods. The study contributes novel ideas to the present knowledge and prior literature on the GDSS and technology selection arena. Academic and pragmatic research has been conducted in four areas: 1) the potential benefits of the group support system with the lead user -method,where the need assessment process is positioned as information gathering for the selection of wireless technology development projects; 2) integrated technology selection and core competencies management processes both in theory and in practice; 3) potential benefits of the group decision support system in the technology selection processes of different technology types; and 4) linkages between technology selection and R&D project selection in innovative product development networks. New type of knowledge and understanding has been created on the practical utilization of the GDSS in technology selection decisions. The study demonstrates that technology selection requires close cooperation between differentdepartments, functions, and strategic business units in order to gather the best knowledge for the decision making. The GDSS is proved to be an effective way to promote communication and co-operation between the selectors. The constructs developed in this study have been tested in many industry fields, for example in information and communication, forest, telecommunication, metal, software, and miscellaneous industries, as well as in non-profit organizations. The pragmatic results in these organizations are some of the most relevant proofs that confirm the scientific contribution of the study, according to the principles of the constructive research approach.

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.

Micronization of Pharmaceuticals and Food Ingredients using Supercritical Fluid Techniques

Micronization techniques based on supercritical fluids (SCFs) are promising for the production of particles with controlled size and distribution. The interest of the pharmaceutical field in the development of SCF techniques is increasing due to the need for clean processes, reduced consumption of energy, and to their several possible applications. The food field is still far from the application of SCF micronization techniques, but there is increasing interest mainly for the processing of products with high added value. The aim of this study is to use SCF micronization techniques for the production of particles of pharmaceuticals and food ingredients with controlled particle size and morphology, and to look at their production on semi-industrial scale. The results obtained are also used to understand the processes from the perspective of broader application within the pharmaceutical and food industries. Certain pharmaceuticals, a biopolymer and a food ingredient have been tested using supercritical antisolvent micronization (SAS) or supercritical assisted atomization (SAA) techniques. The reproducibility of the SAS technique has been studied using physically different apparatuses and on both laboratory and semi-industrial scale. Moreover, a comparison between semi-continuous and batch mode has been performed. The behaviour of the system during the SAS process has been observed using a windowed precipitation vessel. The micronized powders have been characterized by particle size and distribution, morphology and crystallinity. Several analyses have been performed to verify if the SCF process modified the structure of the compound or caused degradation or contamination of the product. The different powder morphologies obtained have been linked to the position of the process operating point with respect to the vapour-liquid equilibrium (VLE) of the systems studied, that is, mainly to the position of the mixture critical point (MCP) of the mixture. Spherical micro, submicro- and nanoparticles, expanded microparticles (balloons) and crystals were obtained by SAS. The obtained particles were amorphous or with different degrees of crystallinity and, in some cases, had different pseudo-polymorphic or polymorphic forms. A compound that could not be processed using SAS was micronized by SAA, and amorphous particles were obtained, stable in vials at room temperature. The SCF micronization techniques studied proved to be effective and versatile for the production of particles for several uses. Furthermore, the findings of this study and the acquired knowledge of the proposed processes can allow a more conscious application of SCF techniques to obtain products with the desired characteristics and enable the use of their principles for broader applications.