Biodieselin valmistusprosessin suunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli kehittää prosessi, jolla rypsiöljystä voidaan valmistaa dieselöljyn korvaavaa biodieseliä. Työssä tutustuttiin raaka-aineiden sekä sivu- ja lopputuotteiden aine- ja laatuominaisuuksiin, biodieselin käytettävyyteen ja käytössä oleviin valmistusprosesseihin. Työn aikana kehitettiin uusi tekniikka biodieselin tuottamiseen. Diplomityön tuloksena syntyi pilot-laitteen suunnitelma, jonka mukaan laite rakennettiin. Pilot-laitteen koeajot varmistivat tekniikan toimivuuden ja lopputuote täyttää biodieselille asetetut vaatimukset. Menetelmä tarvitsee vielä jatkokehittelyä tuotantokustannuksien alentamiseksi.

Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

Interactions between Polyunsaturated Fatty Acids and Probiotics

The prevalence of inflammatory based diseases has increased in industrialized countries over the last decades. For allergic diseases, two primary hypotheses have been proposed to explain this phenomenon, namely the hygiene and dietary evolution based hypothesis. Particularly, the reduced early exposure to microbes and an increase in the amount of polyunsaturated fatty acids (especially n-6 PUFA) in the diet have been discussed. Often, these two factors have been studied independently, even though both factors have been shown to possess potential health benefits and their mode of action to share similar mechanisms. The hypothesis of the present study was that demonstrate that PUFA and probiotics are not separate entities as such but do interact with each other. In the present study, we investigated whether maternal diet and atopic status influence the PUFA composition of breast milk and serum fatty acids of infants, and whether the fatty acid absorption and utilization of infant formula fatty acids is affected by supplementation of infant formula with probiotic bacteria (Lactobacillus GG and Bifidobacterium lactis Bb-12). Moreover, we investigated the mechanisms by which different PUFA influence the physicochemical and functional properties of probiotics as well as functionality of epithelial cells in vitro. We demonstrated a carry-over effect of dietary fatty acids from maternal diet via breast milk into infants’ serum lipid fatty acids. Our data confirmed the previously shown allergy –related PUFA level imbalances, though it did not fully support the impaired desaturation and elongation capacity hypothesis. We also showed that PUFA incorporation into phospholipids of infants was influenced by probiotics in infant formula in a strain dependent manner. Especially,Bifidobacterium lactis Bb-12 in infant formula promoted the utilization of n-3 PUFA. Mechanistically, we demonstrated that probiotics (Lactobacillus GG, Lactobacillus casei Shirota and Lactobacillus bulgaricus) did incorporate and interconvert exogenous free PUFA in the growth medium into bacterial fatty acids strain and PUFA dependently. In general, high concentrations of free PUFA inhibited the growth and mucus adhesion of probiotics, whereas low concentrations of specific long chain PUFA were found to promote the growth and mucus adhesion of Lactobacillus casei Shirota. These effects were paralleled with only minor alterations in hydrophobicity and electron donor – electron acceptor properties of lactobacilli. Furthermore, free PUFA were also demonstrated to alter the adhesion capacity of the intestinal epithelial cells; n-6 PUFA tended to inhibit the Caco-2 adhesion of probiotics, whereas n-3 PUFA had either no or minor effects or even promote the bacterial adhesion (especially Lactobacillus casei Shirota) to PUFA treated Caco-2 cells. The results of this study demonstrate the close and bilateral interactions between dietary PUFA and probiotics. Probiotics were shown to influence the absorption and utilization of dietary PUFA, whereas PUFA were shown to alter the functional properties of both probiotics and mucosal epithelia. These findings suggest that a more thorough understanding of interactions between PUFA and intestinal microbiota is a prerequisite, when the beneficial effects of new functional foods containing probiotics are designed and planned for human intervention studies.

The health effects of sea buckthorn berries and oil

Sea buckthorn (Hippophaë) berries are ingredients of the Chinese traditional medicine. In addition to China, they are nowadays cultivated for food in several European countries, Russia, Canada, the USA, and Japan. Sea buckthorn berries are a rich source of flavonoids, mainly flavonol glycosides and proanthocyanidins. Depending on the genetic background, growth conditions, and ripeness of the berries, vitamin C concentrations up to over 1 g/100 ml juice, have been reported. Sea buckthorn berries contain inositols and methyl inositols, components of messenger molecules in humans. Sea buckthorn seed oil is rich in essential aplha-linolenic and linoleic acids, whereas the most abundant fatty acids in the berry oil are palmitoleic, palmitic and oleic acids. Other potentially beneficial lipophilic compounds of sea buckthorn seeds and berries include carotenoids, phytosterols, tocopherols and tocotrienols. The effects of sea buckthorn fractions on inflammation, platelet aggregation, oxidation injuries, the liver, skin and mucosa, among others, have been reported. The aim of the thesis work was to investigate the health effects of sea buckthorn berries and oil in humans. The physiological effects of sea buckthorn berries, berry components, and oil have mostly been studied in vitro and in animal models, leaving a demand for more clinical trials. In the first randomized, placebo-controlled trial of this thesis healthy adults consumed 28 g/day of sea buckthorn berries for three months. The main objective was to investigate the effects on the common cold. In addition, effects on other infections, inflammation and circulating lipid markers associated with cardiovascular disease risk were studied. In the second randomized, placebocontrolled trial participants reporting dry eye symptoms consumed 2 g/day of sea buckthorn oil from the seeds and berries for three months. The effects on symptoms and clinical signs of dry eye were monitored. In addition, the effects on circulating markers of inflammation and liver functions were analyzed. Sea buckthorn berries did not affect the common cold or other infections in healthy adults. However, a decrease in serum C-reactive protein was detected, indicating effects on inflammation. Fasting concentrations of serum flavonols, typical to sea buckthorn berry, increased without affecting the circulating total, HDL, LDL cholesterol, or triacylglycerol concentrations. Tear film hyperosmolarity and activation of inflammation at the ocular surface are among the core mechanisms of dry eye. Combined sea buckthorn berry and seed oil attenuated the rise in tear film osmolarity taking place during the cold season. It also positively affected some of the dry eye symptoms. Based on the tear film fatty acid analysis, the effects were not mediated through direct incorporation of sea buckthorn oil fatty acids to tear film lipids. It is likely that the fatty acids, carotenoids, tocopherols and tocotrienols of sea buckthorn oil affected the inflammation of the ocular surface, lacrimal and/or meibomian glands. The effects on the differentiation of meibomian gland cells are also possible. Sea buckthorn oil did not affect the serum concentrations of inflammation markers or liver enzymes investigated. In conclusion, this thesis work suggests positive effects of sea buckthorn berries and oil on inflammation and dry eye, respectively, in humans.