Purified lignin for demanding applications

Diplomityön tarkoituksena oli puhdistaa kraft ligniiniä. Raaka-aineena käytettiin pääasiassa Lignoboost -menetelmän kaltaisella menetelmällä havupuu- mustalipeästä saostettua ligniiniä. Diplomityön ensimmäisenä tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voidaan poistaa kraft ligniinistä tuhkaa. Työssä raaka-aineena käytetyn saostetun ligniinin tuhkapitoisuus oli noin 3 %. Tarkoituksena oli saada laskettua tuhkapitoisuutta uudelleenlieton, suodatuksen ja pesun avulla. Työn toisena tavoitteena oli hiilihydraattien poisto kraft ligniinistä. Hiilihydraatit, pääosin hemiselluloosaa, ovat kiinnittyneet ligniiniin vahvoin kovalenttisin sidoksin. Aiempien kokemusten perusteella hemiselluloosat eivät irtoa ligniinistä vesipesun yhteydessä, vaan niiden irrottaminen vaatii onnistuakseen happo-, entsyymi- tai mikrobikäsittelyn, mikäli halutaan säilyttää ligniinin rakenne muuttumattomana. Tässä työssä käytetyt kraft ligniinin puhdistusmenetelmät olivat lietto, happohydrolyysi ja entsymaattinen hydrolyysi, joista kumpikin sisälsi ligniinin uudelleenlieton, suodatuksen ja muodostuneen kakun pesun vedellä.

Purification and fractionation by nanotiltration in dairy and sugar and sweetener industry applications

Nanotiltration is a membrane separation method known for its special characteristic of rejecting multivalent ions and passing monovalent ions. Thus, it is commonly applied with dilute aqueous solutions in partial salt removal, like in drinking water production. The possibilities of nanofiltration have been studied and the technique applied in a wide branch of industries, e.g. the pulp and paper, the textile and the chemical processing industry. However, most present applications and most of the potential applications studied involve dilute solutions, the permeating stream being generally water containing monovalent salts. In this study nanotiltration is investigated more as a fractionation method. A well-known application in the dairy industry is concentration and partial salt removal from whey. Concentration and partial demineralization is beneficial for futher processing of whey as whey concentrates are used e.g. in baby foods. In the experiments of this study nanotiltration effectively reduced the monovalent salts in the whey concentrate. The main concern in this application is lactose leakage into the permeate. With the nanofiltration membranes used the lactose retentions were practically ? 99%. Another dairy application studied was the purification and reuse of cleaning solutions. This is an environmentally driven application. An 80% COD reduction by nanofiltration was observed for alkaline cleaning-in-place solution. Nanofiltration is not as commonly applied in the sugar and sweeteners industry as in the dairy industry. In this study one potential application was investigated, namely xylose purification from hemicellulose hydrolyzate. Xylose is raw material for xylitol production. Xylose separation from glucose was initially studied with xylose-glucose model solutions. The ability of nanofiltration to partially separate xylose into the permeate from rather concentrated xylose-glucose solutions (10 w-% and 30 w-%) became evident. The difference in size between xylose and glucose molecules according to any size measure is small, e.g. the Stokes diameter of glucose is 0.73 nm compared to 0.65 nm for xylose. In further experiments, xylose was purified into nanoliltration permeate from a hemicellulose hydrolyzate solution. The xylose content in the total solids was increased by 1.4—1.7 fold depending on temperature, pressure and feed composition.

Flotaatio jätevedenpuhdistamon tertiäärivaiheena eräässä paperitehtaassa

Työn tavoitteena oli selvittää, kuinka tehokkaasti pystytään aktiivilieteprosessin läpikäynyttä, jälkiselkeytettyä vettä edelleen puhdistamaan flotaatiolla ennen sen johtamista vesistöön. Tarkoituksena oli löytää sellaiset kemikaalit ja näiden annokset, joilla tehtaalle asetetut jätevesien lupa-arvot voitaisiin huonossa tilanteessa, jätevesikuormitushuippujen aikana alittamaan. Työn kirjallisessaosassa tarkasteltiin lyhyesti, minkälaista jätevesikuormaa mekaanista massaa valmistavalta tehtaalta yleensä syntyy ja millaiset ovat tavanomaiset puhdistusmenetelmät. Myös flotaation teoriaa esiteltiin. Kokeellinen osa koostui kolmesta päävaiheesta: esi- eli niin sanotuista kuppikokeista, pilot-flotaatiokoeajoista jalaitosmittakaavan flotaatiokoeajoista. Esikokeet tehtiin niin kutsutulla Jar Test -laitteistolla ja pilot-flotaatiolaitteistona työssä käytettiin YIT:n valmistamaa pilot-flotaattoria. Laitosmittakaavan flotaatioaltaat olivat aikaisemmin biolietteen tiivistykseen käytettyjä, myöhemmin tertiääripuhdistukseen modifioituja flotaatioaltaita. Laitosmittakaavan flotaatiokoeajoissa testattiin neljän eri saostuskemikaalin ¿ polyalumiinikloridin (KEMPAC 18), rautapitoisen alumiinisulfaatin (AVR), ferrisulfaatin ja alumiinisulfaatin ¿ tehokkuutta tertiäärivaiheessa käsiteltävän veden puhdistajana. Esi- ja pilot-kokeiden perusteella laitosmittakaavan kokeisiin valittiin saostuskemikaalien rinnalle polymeeriksi Superfloc C 491. AVR- ja alumiinisulfaattiannokset laitosmittakaavan kokeissa olivat 200 ppm ja 400 ppm. KEMPAC 18- ja ferrisulfaattiannokset olivat 200ppm, 400 ppm ja 600 ppm. Polymeeriannos kokeissa oli pääasiassa 1,2 ppm. Tertiäärivaiheeseen tulevasta vedestä ja poistuvasta kirkasteesta määritettiin kiintoaine, pH, liukoinen ja kokonais-COD, liukoinen ja kokonaisfosfori sekä liukoinen ja kokonaistyppi. Laitosmittakaavan koeajojen tulosten mukaan eniten tertiäärivaiheessa saatiin käsiteltävästä vedestä erotettua fosforia ja toiseksi eniten COD:ta. Typpireduktiot olivat verrattain alhaiset ja myös kiintoainereduktiot jäivät usein pieniksi tai olivat jopa negatiiviset. Kaikki saostuskemikaalit saostivat COD- ja ravinnekuormaa. Eniten kuormaa saostuskemikaaleista saatiin erotettua AVR:llä ja toiseksi eniten KEMPAC 18:lla. Laitteistojen käyttökustannuksia huomioimatta AVR olisi edullisin vaihtoehto saostuskemikaaaliksietenkin pidempiaikaisessa käytössä. Lisäksi työssä tutkittiin polymeeriannoksen kasvattamisen 1,2 ppm:stä 2,5 ppm:ään vaikutusta puhdistustulokseen, kun saostuskemikaaliannos pidettiin vakiona. Tulosten mukaan polymeeriannoksen kasvattaminen kasvatti kokonais-COD- ja kokonaisfosforireduktiota. Myöslaitosmittakaavan flotaatioaltaiden pohjaputkistoja vertailtiin kiintoainereduktioiden perusteella. Kokeissa saatujen tulosten mukaan ei voitu sanoa, oliko toisen altaan pitkä kirkasteenpoistoputki vai toisen altaan lyhyt kirkasteenpoistoputki parempi vaihtoehto.

CO2:n käyttö puhdistuksessa ja inerttinä kaasuna öljynjalostusympäristössä

Tutkimuksen tavoitteena on löytää CO2:lle puhdistus- ja inertointikohteita öljynjalostusympäristöstä. CO2:na käytettäisiin Porvoon vetylaitokselta sivutuotteena tulevaa CO2:a. Vetylaitokselta saatava CO2-virta ei ole riittävän puhdasta käytettäväksi suoraan pesuissa ja inertoinnissa. CO2:n eri olomuotoja voidaan käyttää puhdistuksessa. Tutkimuksen lähtökohtana olleen ylikriittisen CO2:n tehokkuus perustuu sen liuottavuuteen. Huonosti liukenevien aineiden liukoisuus ylikriittiseen CO2:in paranee lisäaineiden ja pinta-aktiivisten aineiden käytöllä. Kiinteä CO2 jäädyttää ja poistaa epäpuhtauden sublimoitumisesta aiheutuvan paineaallon voimasta. Kuivajääpuhdistus soveltuu parhaiten tasaisten pintojen puhdistamiseen. Ylikriittisellä CO2:lla onnistuu nykyisellä teknologialla vain pienien kappaleiden puhdistaminen. Kuivajääpuhdistuksen toimivuutta kokeiltiin käytännössä Neste Oilin Porvoon jalostamolla hyvin tuloksin. Tasaisilta pinnoilta saatiin poistetuksi bitumia ja rasvakerros. Käyttökustannusvertailussa osoittautui ylikriittistä CO2:a käyttävä laitteisto halvemmaksi ja kuivajääpuhallus kalliimmaksi kuin konventionaaliset menetelmät. Säiliöiden paineistamiseen ja inertointiin käytetään yleisesti N2:ä. N2:llä inertoitavia kohteita voitaisiin korvata CO2:lla. CO2:n käyttöä rajoittavia seikkoja on hinta ja sen reaktiivisuus alkalimetallien kanssa. Vertailtaessa näiden kahden liukoisuuksia hiilivetyihin osoittautui CO2 monin kerroin liukoisemmaksi. Tämän ominaisuuden ansiosta CO2 voisi olla hyvä väliaine laitteiden hiilivetyvapaaksi saattamisessa.

Paperikoneen vesi- ja energiatehokkuuden parantaminen

Työn tavoitteena oli laatia reaaliaikaiset vesi- ja energiatasenäytöt Stora Enso PublicationPaper Veitsiluodon tehtaalle, paperikone 5:lle. Tavoitteena oli myös simuloida kyseisen paperikonelinjan vesitase. Aluksi työssä piirrettiin lohkokaaviot taseita varten paperikoneen kaikista vettä tai energiaa sisältävistä jakeista. Näitä yksinkertaistettuja lohkokaavioita hyväksi käyttäen laadittiin taseidenlaskentakaavat, jotka testattiin tarkastuslaskelmien avulla. Vesi- ja energiataseista tehtiin myös suunnitelmat prosessinohjausjärjestelmän tasenäytöiksi. FlowMac-simulointiohjelmalla rakennetun paperikone 5 vesitaseen simulointimallin tulosten oikeellisuutta arvioitiin herkkyysanalyysin avulla. Tehdyn herkkyysanalyysin tuloksien perusteella voidaan olettaa, että simulointimalli toimii luotettavasti. Tämän vesitaseen simulointimallin avulla tarkasteltiin kiekkosuotimien uudistamisen vaikutuksia paperikonelinjan vesitaseeseen. Tarkastelussa huomattiin, että vaihtamalla kiekkosuotimien syöttöventtiilit kolmea jaetta tuottaviksi, voitaisiin flotaatioallas ja suihkuveden kaarisihti poistaa käytöstä. Tulevaisuudessa simulointimallia voidaan käyttää myös monilla muilla eri tavoin hyödyksi kyseisellä paperikoneella. Työssä laaditut vesi- ja energiataseet saatiin niin tarkoiksi kuin se nykyisiä mittauksia hyödyntäen on mahdollista. Jostaseita haluttaisiin tarkentaa, olisi paperikonelinjalle syytä lisätä joitakin mittauksia. Myös työssä tehty vesitaseen simulointi FlowMac:lla onnistui hyvin mutta kyseisessä ohjelmassa havaittiin silti joitakin kehittämistarpeita. Työn tuloksien perusteella vettä ja energiaa voitaisiin mahdollisesti säästää paperikone 5:llä esimerkiksi laimennussäätöisen perälaatikon avulla, kiekkosuotimien uusimisella sekä kenkäpuristimen käyttöönotolla. Jatkotutkimuskohteita voisivat olla esimerkiksi paperikone 5:n lämpötase, kemiallisesti puhdistetun veden tulolämpötilan nostaminen, hiomon suodosveden ylimääräisen lämmön hyödyntäminen paperikone 5 kirkassuodoksen lämmittämisen jälkeen, lämmön talteenotossa lämmitysvesikennon ja prosessivesikennon järjestyksen vaihtaminen sekä vastaavien vesi- ja energiataseiden laatiminen paperikone 1:lle ja hiomolle.

Selvityksiä reaktiokalorimetrin soveltuvuudesta hydrometallurgiaan

Tämän työn tavoitteena oli reaktiokalorimetrin käyttöönotto sekä sen käyttökelpoisuuden selvittäminen hydrometallurgisten sovellusten ja erityisesti sinkkisulfidin liuotuksen tutkimiseen. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty yleisellä tasolla kalorimetrian ja reaktiokalorimetrian teoriaa, termodynamiikkaa sekä sinkkirikasteen liuotuksen kemiaa. Lisäksi työssä esitellään erilaisten kalorimetrien ja termoanalyyttisten mittauslaitteiden toimintaperiaatteita. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin reaktiokalorimetrin mittaustulosten tarkkuutta vesi- kokeiden avulla. Laitteistolla määritettiin myös reaktiolämmöt sinkkisulfidin liukenemisreaktiolle sekä elohopeasuolan saostusreaktiolle. Lisäksi tutkittiin sekoitusnopeuden, lämpötilan ja kiintoainepitoisuuden vaikutusta mittaustuloksiin. Reaktiokalorimetrillä suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin, että reaktiolämpöjen absoluuttisten arvojen määrittäminen laitteistolla on käytännössä vaikeaa. Koska reaktiokalorimetrillä pystytään määrittämään vain mittauksen aikana tapahtunut kokonaislämpömuutos, vaikuttavat mahdolliset faasimuutokset ja reaktorin lämpöhäviöt mittaustuloksiin. Näiden tekijöiden vaikutus on pyrittävä eliminoimaan tai niiden vaikutus on tunnettava tarkkaan, jos laitteella halutaan saada luotettavia reaktiolämpömittaustuloksia. Laitteiston mittaustarkkuus huononee huomattavasti, kun reaktorin lämpötila nousee yli 60 °C:een. Laitteistolla mitatut reaktiolämmöt poikkeavat huomattavasti vastaavista kirjallisuuden arvoista. Vedelle määritetyt ominaislämpökapasiteetit poikkeavat kirjallisuuden arvoista enintään 5 alle 90 °C:een lämpötilassa.

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.

Paperikoneen uuden lyhytkiertoprosessin sovellutuskehitys

Työssä tutkittiin uuden ShortFlowÔ-konseptin eri osa-alueiden toimivuutta paperikoneen lyhytkierrossa. Prosessin sekoituspumppuna perinteinen keskipakopumppu korvataan potkuri-pumpulla, joten työssä selvitettiin uudentyyppisen pumpun kavitointirajat, säädettävyys ja sen soveltuminen suunniteltuun tehtävään ja toiminta-alueeseen. Prosessiin kuuluu myös uudentyyppinen viirakaivo, josta selvitettiin sen kyky poistaa ilmaa ja virtauskäyttäytyminen kaivossa. Hienopaperikoneen osalta kartoitettiin prosessiin liittyviä riskejä ja ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessin kannattavuutta investointina. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty lyhytkiertoa eri osa-alueittain. Aluksi on lyhytkierron yleisempi tarkastelu, jossa on selvitetty lajittelua, ilmanpoistoa ja pumppauksia. Erityisempää huomiota on kiinnitetty ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessiin liittyviin erityispiirteisiin joita ovat sakeamassalajittelu, täyteaineet paperitehtaalla, hylky ja virtausten sekoittuminen. Sekoituspumpun osalta on käsitelty myös kavitointia hieman tarkemmin. Työn kokeellisessa osassa suunniteltiin prosessin koelaitteisto, joka myös koeajettiin. Potkuripumpun koeajossa määritettiin potkuripumpun toiminta-alue ja säädettävyys. Pumpun todettiin sekoittavan ja ilman vaikutus potkuripumpun ominaisuuksiin todettiin merkityksettömäksi pumpun toiminta-alueella. Viirakaivon koeajossa selvisi, että viirakaivo poistaa ilmaa suunnittelualueella ja kaivolle löytyi muoto, jossa virtauskäyttäytyminen viirakaivossa eri laskeutumisnopeuksilla on mahdollisimman häiriötöntä. Hienopaperikoneen osalta riskien kartoituksessa selvisi, ettei täyteaine aiheuta ongelmia ja että päällystelaattaa sisältävä hylky on lajiteltava ennen lyhytkiertoa. ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessi oli edullisin sekä käyttö- että investointikustannuksiltaan.

Metallien talteenotto kloridiliuoksesta

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmä arvometallien kuten kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin talteenottoon metallikloridiliuoksesta. Tavoitteena oli valita taloudellisin ja ympäristöystävällisin menetelmä, jolla saadaan nämä arvometallit myyntituotteiksi. Lisäksi puhdistetun prosessiveden tuli täyttää asetetut tavoitteet. Kirjallisuustyön perusteella laskettiin viidelle eri prosessivaihtoehdolle ainetaseet HSC Sim 6.0 ohjelmalla, joka on HSC Chemistry-pohjainen prosessien simulointi- ja mallinnusohjelma. Kaikissa vaihtoehdoissa oli ensimmäisenä prosessiosana kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin sulfidisaostus ja sakan pesu. Sulfidisaostusta seurasi vaihtoehtoisesti joko 1) hapetus hapella ja hydroksidisaostus, 2) hapetus vetyperoksidilla ja hydroksidisaostus, 3) pelkkä hydroksidisaostus, 4) hapetus SO2/O2-kaasuseoksella ja hydroksidisaostus tai 5) karbonaattisaostus. Taselaskennan perusteella valittiin kokeelliseen osaan tutkittavat prosessivaihtoehdot, jotka olivat sulfidisaostus, hydroksidisaostus, SO2/O2- hapetus ja hydroksidisaostus sekä karbonaattisaostus. Kokeissa arvometallit saatiin talteenotettua sulfidisaostuksella selektiivisimmin lämpötilassa 55 °C ja pH:ssa 4. Näissä olosuhteissa reagenssin kulutus verrattaessa muihin tehtyihin sulfidisaostuksiin oli pienin. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Loppusakan sisältämien metallien (kupari, sinkki ja koboltti) pitoisuudet olivat korkeimmat. Myös nikkelin määrä oli suuri. Mangaani ja rauta saatiin talteenotettua selektiivisimmin karbonaattisaostuksella lämpötilassa 65 °C. Sakka sisälsi eniten mangaania. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Tällä menetelmällä puhdistetun prosessiveden laatu täytti asetetut tavoitteet.

Functional studies on bacterial nucleotide-regulated inorganic pyrophosphatases

CBS domains are ~60 amino acid tandemly repeated regulatory modules forming a widely distributed domain superfamily. Found in thousands of proteins from all kingdoms of life, CBS domains have adopted a variety of functions during evolution, one of which is regulation of enzyme activity through binding of adenylate-containing compounds in a hydrophobic cavity. Mutations in human CBS domain-containing proteins cause hereditary diseases. Inorganic pyrophosphatases (PPases) are ubiquitous enzymes, which pull pyrophosphate (PPi) producing reactions forward by hydrolyzing PPi into phosphate. Of the two nonhomologous soluble PPases, dimeric family II PPases, belonging to the DHH family of phosphoesterases, require a transition metal and magnesium for maximal activity. A quarter of the almost 500 family II PPases, found in bacteria and archaea, contain a 120-250 amino acid N-terminal insertion, comprised of two CBS domains separated in sequence by a DRTGG domain. These enzymes are thus named CBS-PPases. The function of the DRTGG domain in proteins is unknown. The aim of this PhD thesis was to elucidate the structural and functional differences of CBS-PPases in comparison to family II PPases lacking the regulatory insert. To this end, we expressed, purified and characterized the CBS-PPases from Clostridium perfringens (cpCBS-PPase) and Moorella thermoacetica (mtCBS-PPase), the latter lacking a DRTGG domain. Both enzymes are homodimers in solution and display maximal activity against PPi in the presence of Co2+ and Mg2+. Uniquely, the DRTGG domain was found to enable tripolyphosphate hydrolysis at rates similar to that of PPi. Additionally, we found that AMP and ADP inhibit, while ATP and AP4A activate CBSPPases, thus enabling regulation in response to changes in cellular energy status. We then observed substrate- and nucleotide-induced conformational transitions in mtCBS-PPase and found that the enzyme exists in two differentially active conformations, interconverted through substrate binding and resulting in a 2.5-fold enzyme activation. AMP binding was shown to produce an alternate conformation, which is reached through a different pathway than the substrate-induced conformation. We solved the structure of the regulatory insert from cpCBS-PPase in complex with AMP and AP4A and proposed that conformational changes in the loops connecting the catalytic and regulatory domains enable activity regulation. We examined the effects of mutations in the CBS domains of mtCBS-PPase on catalytic activity, as well as, nucleotide binding and inhibition.

Luminescence-based assay methods in drug discovery

The drug discovery process is facing new challenges in the evaluation process of the lead compounds as the number of new compounds synthesized is increasing. The potentiality of test compounds is most frequently assayed through the binding of the test compound to the target molecule or receptor, or measuring functional secondary effects caused by the test compound in the target model cells, tissues or organism. Modern homogeneous high-throughput-screening (HTS) assays for purified estrogen receptors (ER) utilize various luminescence based detection methods. Fluorescence polarization (FP) is a standard method for ER ligand binding assay. It was used to demonstrate the performance of two-photon excitation of fluorescence (TPFE) vs. the conventional one-photon excitation method. As result, the TPFE method showed improved dynamics and was found to be comparable with the conventional method. It also held potential for efficient miniaturization. Other luminescence based ER assays utilize energy transfer from a long-lifetime luminescent label e.g. lanthanide chelates (Eu, Tb) to a prompt luminescent label, the signal being read in a time-resolved mode. As an alternative to this method, a new single-label (Eu) time-resolved detection method was developed, based on the quenching of the label by a soluble quencher molecule when displaced from the receptor to the solution phase by an unlabeled competing ligand. The new method was paralleled with the standard FP method. It was shown to yield comparable results with the FP method and found to hold a significantly higher signal-tobackground ratio than FP. Cell-based functional assays for determining the extent of cell surface adhesion molecule (CAM) expression combined with microscopy analysis of the target molecules would provide improved information content, compared to an expression level assay alone. In this work, immune response was simulated by exposing endothelial cells to cytokine stimulation and the resulting increase in the level of adhesion molecule expression was analyzed on fixed cells by means of immunocytochemistry utilizing specific long-lifetime luminophore labeled antibodies against chosen adhesion molecules. Results showed that the method was capable of use in amulti-parametric assay for protein expression levels of several CAMs simultaneously, combined with analysis of the cellular localization of the chosen adhesion molecules through time-resolved luminescence microscopy inspection.

Characterisation of Human Neutral and Lysosomal alpha-Mannosidases

Neutral alpha-mannosidase and lysosomal MAN2B1 alpha-mannosidase belong to glycoside hydrolase family 38, which contains essential enzymes required for the modification and catabolism of asparagine-linked glycans on proteins. MAN2B1 catalyses lysosomal glycan degradation, while neutral α-mannosidase is most likely involved in the catabolism of cytosolic free oligosaccharides. These mannose containing saccharides are generated during glycosylation or released from misfolded glycoproteins, which are detected by quality control in the endoplasmic reticulum. To characterise the biological function of human neutral α-mannosidase, I cloned the alpha-mannosidase cDNA and recombinantly expressed the enzyme. The purified enzyme trimmed the putative natural substrate Man9GlcNAc to Man5GlcNAc, whereas the reducing end GlcNAc2 limited trimming to Man8GlcNAc2. Neutral α-mannosidase showed highest enzyme activity at neutral pH and was activated by the cations Fe₂+, Co2+ and Mn₂+, Cu2+ in turn had a strong inhibitory effect on alpha-mannosidase activity. Analysis of its intracellular localisation revealed that neutral alpha-mannosidase is cytosolic and colocalises with proteasomes. Further work showed that the overexpression of neutral alpha-mannosidase affected the cytosolic free oligosaccharide content and led to enhanced endoplasmic reticulum associated degradation and underglycosylation of secreted proteins. The second part of the study focused on MAN2B1 and the inherited lysosomal storage disorder α-mannosidosis. In this disorder, deficient MAN2B1 activity is associated with mutations in the MAN2B1 gene. The thesis reports the molecular consequences of 35 alpha-mannosidosis associated mutations, including 29 novel missense mutations. According to experimental analyses, the mutations fall into four groups: Mutations, which prevent transport to lysosomes are accompanied with a lack of proteolytic processing of the enzyme (groups 1 and 3). Although the rest of the mutations (groups 2 and 4) allow transport to lysosomes, the mutated proteins are less efficiently processed to their mature form than is wild type MAN2B1. Analysis of the effect of the mutations on the model structure of human lysosomal alpha-mannosidase provides insights on their structural consequences. Mutations, which affect amino acids important for folding (prolines, glycines, cysteines) or domain interface interactions (arginines), arrest the enzyme in the endoplasmic reticulum. Surface mutations and changes, which do not drastically alter residue volume, are tolerated better. Descriptions of the mutations and clinical data are compiled in an α-mannosidosis database, which will be available for the scientific community. This thesis provides a detailed insight into two ubiquitous human alpha-mannosidases. It demonstrates that neutral alpha-mannosidase is involved in the degradation of cytosolic oligosaccharides and suggests that the regulation of this α-mannosidase is important for maintaining the cellular homeostasis of N-glycosylation and glycan degradation. The study on alpha-mannosidosis associated mutations identifies multiple mechanisms for how these mutations are detrimental for MAN2B1 activity. The α-mannosidosis database will benefit both clinicians and scientific research on lysosomal alpha‑mannosidosis.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Cyanobacteria from the Baltic Sea and Finnish lakes as an energy source and modulators of bioenergetic pathways

Cyanobacteria are a diverse group of oxygenic photosynthetic bacteria that inhabit in a wide range of environments. They are versatile and multifaceted organisms with great possibilities for different biotechnological applications. For example, cyanobacteria produce molecular hydrogen (H2), which is one of the most important alternatives for clean and sustainable energy. Apart from being beneficial, cyanobacteria also possess harmful characteristics and may become a source of threat to human health and other living organisms, as they are able to form surface blooms that are producing a variety of toxic or bioactive compounds. The University of Helsinki Culture Collection (UHCC) maintains around 1,000 cyanobacterial strains representing a large number of genera and species isolated from the Baltic Sea and Finnish lakes. The culture collection covers different life forms such as unicellular and filamentous, N2-fixing and non-N2-fixing strains, and planktonic and benthic cyanobacteria. In this thesis, the UHCC has been screened to identify potential strains for sustainable biohydrogen production and also for strains that produce compounds modifying the bioenergetic pathways of other cyanobacteria or terrestrial plants. Among the 400 cyanobacterial strains screened so far, ten were identified as high H2-producing strains. The enzyme systems involved in H2 metabolism of cyanobacteria were analyzed using the Southern hybridization approach. This revealed the presence of the enzyme nitrogenase in all strains tested, while none of them are likely to have contained alternative nitrogenases. All the strains tested, except for two Calothrix strains, XSPORK 36C and XSPORK 11A, were suggested to contain both uptake and bidirectional hydrogenases. Moreover, 55 methanol extracts of various cyanobacterial strains were screened to identify potent bioactive compounds affecting the photosynthetic apparatus of the model cyanobacterium, Synechocystis PCC 6803. The extract from Nostoc XPORK 14A was the only one that modified the photosynthetic machinery and dark respiration. The compound responsible for this effect was identified, purified, and named M22. M22 demonstrated a dual-action mechanism: production of reactive oxygen species (ROS) under illumination and an unknown mechanism that also prevailed in the dark. During summer, the Baltic Sea is occupied by toxic blooms of Nodularia spumigena (hereafter referred to as N. spumigena), which produces a hepatotoxin called nodularin. Long-term exposure of the terrestrial plant spinach to nodularin was studied. Such treatment resulted in inhibition of growth and chlorosis of the leaves. Moreover, the activity and amount of mitochondrial electron transfer complexes increased in the leaves exposed to nodularin-containing extract, indicating upregulation of respiratory reactions, whereas no marked changes were detected in the structure or function of the photosynthetic machinery. Nodularin-exposed plants suffered from oxidative stress, evidenced by oxidative modifications of various proteins. Plants initiated strategies to combat the stress by increasing the levels of alpha-tocopherol, mitochondrial alternative oxidase (AOX), and mitochondrial ascorbate peroxidase (mAPX).