Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures

Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures Biocatalysis opens the door to green and sustainable processes in synthetic chemistry allowing the preparation of single enantiomers, since the enzymes are chiral and accordingly able to catalyze chemical reactions under mild conditions. Immobilization of enzymes enhances process robustness, often stabilizes and activates the enzyme, and enables reuse of the same enzyme preparation in multiple cycles. Although hundreds of variations of immobilization methods exist, there is no universal method to yield the highly active, selective and stable enzyme catalysts. Therefore, new methods need to be developed to obtain suitable catalysts for different substrates and reaction environments. Lipases are the most widely used enzymes in synthetic organic chemistry. The literature part together with the experimental part of this thesis discusses of the effects of immobilization methods mostly used to enhance lipase activity, stability and enantioselectivity. Moreover, the use of lipases in the kinetic resolution of secondary alcohols in organic solvents and in ionic liquids is discussed. The experimental work consists of the studies of immobilization of Burkholderia cepacia lipase (lipase PS) using three different methods: encapsulation in sol-gels, cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) and supported ionic liquids enzyme catalysts (SILEs). In addition, adsorption of lipase PS on celite was studied to compare the results obtained with sol-gels, CLEAs and SILEs. The effects of immobilization on enzyme activity, enantioselectivity and hydrolysis side reactions were studied in kinetic resolution of three secondary alcohols in organic solvents, in ionic liquids (ILs), and in their mixtures. Lipase PS sol-gels were shown to be active and stable catalysts in organic solvents and solvent:IL mixtures. CLEAs and SILEs were highly active and enantioselective in organic solvents. Sol-gels and SILEs were reusable in several cycles. Hydrolysis side reaction was suppressed in the presence of sol-gels and CLEAs.

Towards optimal fractionation of lignocellulosic biomass using switchable ionic liquids

En ny familj av reversibla (switchable) joniska vätskor (SIL) innehållande 1,8-diazobicyklo-[5.4.0]-undek-7-en (DBU), en molekyl innehållande en eller flera hydroxyl- grupper (t.ex. glycerol) och en sur gas (CO2, SO2) syntetiserades via en enkel procedur samt karakteriserades. [DBU][karbonat] eller [sulfonat] bildades ur en respektive icke-jonisk blandning av en molekylär, organisk polyol (eller ennan molekyl innehållande en OH-grupp) och en amidinbas under bubblandet av en sur gas. Därtill kunde den joniska vätskan omvandlas tillbaka till sina beståndsdelar med hjälp av att upphetta och/eller bubbla en inert gas såsom kväve genom vätskan. SIL- strukturerna kartlades med bl.a. NMR- och FTIR- spektroskopi. Omvandlingen från lågpolära (molekylära) vätskor till högpolära joniska vätskor (SIL) bekräftades även genom att observera förändringar i deras fysikaliska egenskaper, såsom viskositet och färg. Nedbrytningstemperaturerna hos SILs bestämdes med hjälp av termogravimetrisk analys (TGA) som antydde att nedbrytningstemperaturen hos de syntetiserade föreningarna log mellan 50 och 200oC. De nya joniska vätskorna uppvisade högre nedbrytningstemperaturer jämfört med i litteraturen tidigare förekommande exempel och kunde därför tillämpas på flera ändamål. Därtill, reversibla (switchable) joniska vätskor uppbyggda av bl.a. alkoholer, antingen hexanol eller butanol, och CO2 samt en amidin (DBU) användes vid upplösning och fraktionering av ved. Joniska vätskor syntetiserade ur glycerol och sura gaser tillsammans med amidiner användes även för fraktionering av andra lignocellulosor såsom färsk björk (Betula pendula). Björkflis utsattes för behandling, för en period på en till fem dagar vid 100oC och under atmosfäriskt tryck. Alla syntetiserade joniska vätskor visade sig vara relativt neutrala i avseende på upplösning och avlägsnandet av lignin. Slutligen, optimala fraktioneringprocessbetingelser för ved med reversibla joniska vätskor kartlades. Fraktionering av vedbiomassa med dessa joniska vätskor uppvisade sig att vara en selektiv och effektiv metod för extraktion av olika komponenter från lignocellulosa. Den olösta fraktionen hos en vedflis, närmast cellulosa, fibrillerades. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tässä työssä kehitettiin perhe uuden tyyppisiä, reversiibeleitä (switchable) ioninesteitä ( SIL ) joka koostuvat orgaanisesta super-emäksestä kuten 1,8- diatsabisyklo [ 5.4.0] undek- 7-eeni (DBU ) ja yhden tai useampia hydroksyyliryhmiä sisältältävästä molekyylistä (esim. glyseroli) ja happamasta kaasusta (CO2 , SO2) yksinkertaisen menetelmän avulla. [DBU] [ karbonaatti] tai [sulfonaatti] syntetisoitiin kunkin lähtöaineen seoksista kuplittamalla seosta happamalla kaasulla jolloin eksoterminen reaktio tapahtui ja ioninen neste syntyi. Ioniset nesteet voitiin palauttaa takaisin lähtöaineseokseksi kuumentamalla ja/tai kuplittamalla neutraalia kaasua (esim. typpi) seoksen läpi. SIL rakenteet määritettiin ja niiden ominaisuudet kartoitettiin eri menetelmillä, mukaan lukien NMR- ja FTIR -spektroskopia. Ionisen, korkeapoläärisen nesteen syntyminen todennettiin myös viskositeettimittauksilla ja värinmuutoksilla käyttäen hyväksi polariteetti-indikaattoria (Nile red). Myös hajoamislämpötilat määritettiin termogravimetrisellä analyysillä (TGA) ja todettiin että syntetisoitujen yhdisteiden hajoamislämpötila oli välillä 50 ja 200oC . Näiden uusien reversiibeleiden ioninesteiden hajoamisämpötilat olivat korkeammat verrattuna kirjallisuudessa aikaisemmin mainittuihin esimerkkeihin joten niitä voidaan soveltaa useisiin tarkoituksiin. Myös ioninesteitä jotka sisälsivät primäärejä alkoholeja rakennusaineina syntetisoitiin ja hyödynnettiin puun fraktioinnissa. Männyn ja kuusen lisäksi tuoreita koivulastuja onnistuttiin fraktioimaan miedoissa olosuhteissa. Kaikkien syntetisoitujen ioninesteiden todettiin olevan suhteellisen neutraaleja ligniinin liuotuksen suhteen. Vielä, optimaaliset fraktiointiolosuhteet määritettiin ryhmälle reversiibeleitä ioninesteitä ja näiden uudenlaisten ioninesteiden todettiin olevan tehokkaita puun ja muiden lignoselluloosien eri fraktioiden liuotuksessa. Liukenematon osa puulastua joka oli lähinnä selluloosaa fibrilloitui.

Modelling of ultrasound assisted mixing in Newtonian and non-Newtonian liquids

The purpose of this work is to obtain a better understanding of behaviour of possible ultrasound appliance on fluid media mixing. The research is done in the regard to Newtonian and non-Newtonian fluids. The process of ultrasound appliance on liquids is modelled in COMSOL Multiphysics software. The influence of ultrasound using is introduced as waveform equation. Turbulence modelling is fulfilled by the k-ε model in Newtonian fluid. The modeling of ultrasound assisted mixing in non-Newtonian fluids is based on the power law. To verify modelling results two practical methods are used: Particle Image Velocimetry and measurements of mixing time. Particle Image Velocimetry allows capturing of velocity flow field continuously and presents detailed depiction of liquid dynamics. The second way of verification is the comparison of mixing time of homogeneity. Experimentally achievement of mixing time is done by conductivity measurements. In modelling part mixing time is achieved by special module of COMSOL Multiphysics – the transport of diluted species. Both practical and modelling parts show similar radial mechanism of fluid flow under ultrasound appliance – from the horn tip fluid moves to the bottom and along the walls goes back. Velocity profiles are similar in modelling and experimental part in the case of Newtonian fluid. In the case of non-Newtonian fluid velocity profiles do not agree. The development track of ultrasound-assisted mixing modelling is presented in the thesis.

Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Koboltin ja nikkelin poisto sinkkisulfaattiliuoksesta ioninvaihdolla

Työssä tutkittiin kahden silikapohjaisen erotusmateriaalin soveltuvuutta nikkelin ja koboltin poistoon sinkkisulfaattiliuoksista. Suurin osa kokeista tehtiin ioninvaihtimella, jonka funktionaalinen ryhmä on iminodietikkahappo. Vertailuerotusmateriaalin toiminta perustui adsorptioon. Liuoksina käytettiin sekä autenttista prosessiliuosta että synteettistä ZnSO4-liousta. Ioninvaihtimen kestävyyskokeissa selvisi, että tutkittu ioninvaihdin kestää hyvin sekä 60 oC lämpötilan että happamia olosuhteita. Emäksisissä liuoksissa silikarunko ei kestä. Jo 0,1 M NaOH-liuos liuottaa merkittävästi hartsia vuorokauden aikana. Vaihtimen vetyionikapasiteetiksi saatiin titrauksella 2,3 mekv/g. Tasapainokokeilla saatiin selville, että ioninvaihdin on selektiivinen nikkelille sinkin suhteen ja että selektiivisyys kasvaa liuoksen pH:n laskiessa. Koboltille ioninvaihdin ei ole selektiivinen sinkin suhteen. Mikäli sinkin pitoisuus on tuhansia kertoja nikkelin pitoisuutta suurempi, ei ioninvaihtimen Ni-selektiivisyys riitä myöskään nikkelille. Synteettisillä ZnSO4-liuoksilla tehtyjen kolonnikokeiden perusteella havaittiin, että tutkitulla ioninvaihtimella voidaan laimeista ZnSO4-liuoksista poistaa nikkeliä selektiivisesti. Nikkelin eluointi onnistui helposti 1 M H2SO4:lla. Vertailukokeen perusteella oli ioninvaihtimen Ni/Zn-selektiivisyys referenssiadsorbentin Ni/Zn-selektiivisyyttä pienempi. Ioninvaihtokolonnin mallintaminen ei onnistunut riittävän hyvin kuvaamaan ioninvaihtimessa tapahtuvaa samanaikaista ioninvaihtoa ja adsorptiota. Sen sijaan kun kolonnissa oli vertailumateriaalina käytetty adsorbentti, saatiin kolonnikokeiden tulokset mallilla hyvin ennustettua.

Lisäainetehtaan tuotantoprosessin kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli Finnsementti osakeyhtiöön kuuluvan betonin lisäaineita valmistavan tehtaan tuotantoprosessin kehittäminen. Työssä laadittiin myynnin kasvuennusteen perusteella suunnitelma, jonka mukaan määriteltiin betonin lisäaineille ja raaka-aineille sopivat varastosäiliöt. Suunnitelman perusteella määriteltiin kiinteät putkilinjat sekä kirkkaille että tummille nesteille, jolloin materiaalihäviöt saatiin pienemmiksi ja putkilinjojen pesun tarve väheni. Lisäksi työssä otettiin huomioon tuotantoprosessin automatisointi. Suunnitellusta projektista laadittiin alustava kustannusarvio, toteutusaikataulu sekä sijoituspiirustus, putkisto-instrumentointikaavio ja 3D-piirrokset. Projektin kustannusarvioksi saatiin noin 290 tuhatta markkaa ja projektin pituudeksi noin 11 viikkoa.

Pinch-menetelmän soveltaminen sellutehtaassa

Työn tarkoituksena oli tutkia pinch-menetelmän soveltuvuutta toiminnassa olevassa UPM-Kymmene Oyj:n kaukaan sellutehtaassa ja kartoittaa pinch-analyysin avulla keittämön sekä haihduttamon lämpöenergiatarpeet sekä ylijäämät kesä ja talvitilanteissa vuodelle 1999. Kesätilanteeksi on katsottu riittävän elokuu ja talvitilanteeksi helmikuu. Työn alussa on lyhyesti käyty läpi pinch-tekniikkaan liittyvää teoriaa ja tutustutaan yleisesti työssä käytettyyn Pro_pi2 laskentaohjelmaan. Laskennan tulokset on muodostettu käsittelemällä tiedonkeruujärjestelmistä haettu virtaavien nesteiden tulo- ja kohdelämpötiloista sekä massavirroista muodostuva data Pro_pi2 laskentaohjelmalla. Tulokset on esitetty kappaleessa 5, jossa kesä ja talvitilanteista saatuja tuloksia on verrattu keskenään. Mielenkiinnon vuoksi mukaan vertailuun on otettu vuoden 1999 tietojen lisäksi myös tiedot vuoden 2000 talvelle. Pinch-menetelmään perustuvan Pro_pi2 laskentaohjelman todettiin soveltuvan ennemminkin lämmön talteenottojärjestelmän sekä tehtaan energiakäytön esisuunnitteluun kuin jo olemassa olevan tehtaan tutkimiseen.

Arseenin käyttö sinkkitehtaan koboltinpoistoon

Työssä selvitettiin kuparielektrolyysissä syntyvän sivutuotteen, arseenitrioksidin, soveltuvuutta The New Boliden Kokkola Zinc Oy:n sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Nykyään sinkkitehtaalla käytetään puhdasta arseenitrioksidia koboltinpoiston apuaineena. Tällä hetkellä kuparielektrolyysin arseenista valmistetaan puunsuoja-aineita. Lainsäädäntö muuttuu siten että tulevaisuudessa kyseisten puunsuoja-aineiden käyttöä tullaan yhä rajoittamaan. Kun puunsuoja-aineiden kulutus vähenee, täytyy syntyvä arseeni varastoida jätealueelle ellei sille löydetä muuta käyttöä. Arseenin varastointitarve ei lisäänny jos kuparielektrolyysistä saatava arseeni voidaan hyödyntää sinkkitehtaalla. Kuparielektrolyysissä syntyvä arseenitrioksidi ei ole puhdasta. Työssä selvitettiin epäpuh-tauksien vaikutusta sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Kokeiden olosuhteet pyrittiin yhdenmukaistamaan sinkkitehtaan koboltinpoistovaiheessa vallitsevia olosuhteita vastaaviksi. Kokeissa käytetyillä arseeniliuosten eri epäpuhtaustasoilla ei havaittu olevan selkeää eroa liuospuhdistuskyvyssä. Koetulokset antavat viitteitä siitä, että koboltinpoistoprosessi on oletettua epäherkempi arseeniliuoksen epäpuhtauksien vaikutuksille. Kirjallisuudesta haettiin arseenitrioksidin valmistukseen ja puhdistamiseen liittyvää aineistoa. Valmistusmenetelminä tarkasteltiin valmistusta arseenimalmista ja kuparielektrolyytistä ja puhdistusmenetelminä uudelleenkiteytystä, jäädytys-sulatusprosessia ja ioninvaihtoa. Työssä puhdistettiin kuparielektrolyysin liuospuhdistuksessa syntyvää arseenitrioksidia. Puhdistuslaitteistosta tehtiin alustava prosessisuunnitelma.

Paperin pintaenergian vaikutus painovärin tarpeeseen

Työn tavoitteena oli selvittää pintaenergian vaikutus painovärin tarpeeseen IGT-laboratoriopainokoneella. Lisäksi selvitettiin onko karheudella vaikutusta kontaktikulmamittaukseen. Työ koostui kirjallisuusosasta ja kokeellisesta osasta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin aihepiiriä koskevia teorioita ja aiempia tutkimuksia. Kokeellisessa osassa valmistettiin laboratoriomittakaavassa pintaenergialtaan ja karheudeltaan erilaisia papereita. Pintaenergiaa muuteltiin kolmen erilaisen massaliiman ja kahden erilaisen pintaliiman avulla. Paperin karheutta säädettiin kalanteroinnilla. Papereista mitattiin pintaominaisuuksia, nesteen ja paperin välinen kontaktikulma, sekä suoritettiin painatuskokeita. Pintaenergia laskettiin kirjallisuudesta löytyneiden teorioiden perusteella ja näiden pintaenergian laskemismenetelmien käyttökelpoisuutta pintaenergian määrittämiseen selvitettiin. Lisäksi tutkittiin pintaenergian vaikutusta painovärin tarpeeseen. Tämä työ selvästi osoittaa, että yhden, kahden ja kolmen komponentin menetelmällä ja nesteitä vaihtelemalla saadaan erilaisia pintaenergian tuloksia. Pintaenergian määrittämiseen vaikuttaa myös kontaktikulmamittausten hankaluus ja kontaktikulman suuri vaihtelu, joka vaikuttaa koko mittaussarjan luotettavuustarkasteluun. Lisäksi paperin karheudella ja huokoisuudella oli merkitystä kontaktikulmamittaukseen.

Liuottajasäiliön hönkien käsittely täytekappalepesurilla

Soodakattilan liuottajasäiliön hönkä on ongelmallinen kaasu sen sisältävän suuren vesihöyrypitoisuuden, pölyn sekä rikkiyhdisteiden vuoksi. Nykyisin sitä ei voida johtaa ilmakehään käsittelemättömänä. Tässä diplomityössä kuvatun järjestelmän avulla liuottajasäiliön hönkä hävitetään soodakattilan tulipesässä. Liuottajasäiliöstä tulevasta höngästä poistetaan kosteutta sekä kiintoaineita jäähdyttämällä sitä täytekappalepesurissa. Tähän diplomityöhön liittyen suunniteltiin koeohjelma. Kokeiden tarkoituksena on tarkastella sekä hönkäpesurin että koko järjestelmän toimintaa erilaisilla kaasun ja nesteen virtauksilla. Lisäksi koeohjelmaan otettiin mukaan höngän esipesurin, sulan hajotushöyryn ja kiertonesteen lämmönsiirtimen toiminnan vaikutus koko järjestelmään. Diplomityössä kuvattujen kokeiden tuloksia ei julkaista tässä työssä. Lopuksi työssä on tarkasteltu höngän ja kiertonesteen laadun vaikutusta täytekappalepesurin sekä koko järjestelmän toimintaan.

Suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaaminen metyylisalisylaatilla -mittaus- ja analyysimenetelmien kehittäminen ja validointi

Tässä diplomityössä kehitettiin mittaus- ja analyysimenetelmät suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaamiseksi sekä neste- että kaasumaisella metyylisalisylaatilla. Kehitystyö tehtiin standardin SFS-EN ISO 6529 pohjalta. Tämä standardi kuvaa kuitenkin varsin yleisellä tasolla suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testimenetelmät, eikä se ole mikään tarkka työohje. Näytteenotto- ja analyysimenetelmät joudutaan siis valitsemaan sekä validoimaan jokaiselle kemikaalille erikseen, tässä tapauksessa metyylisalisylaatille. Työn tarkoituksena oli kehittää toimivat menetelmät ja laitteistot siten, että olisi mahdollista suorittaa metyylisalisylaatin määritys on-line mittauksena läpäisytestauksessa. Läpäisytestaustoiminnan nopeuttamiseksi työssä myös suunniteltiin ja rakennettiin laitteistot kolmen rinnakkaisen testikennon yhdenaikaista testausta varten sekä kaasumaisen että nestemäisen metyylisalisylaatin ollessa testikemikaalina. Havaittiin, että UV/VIS-spektrofotometri varustettuna läpivirtauskyvetillä ja näyteenottopumpulla on toimiva ja käyttökelpoinen analyysimenetelmä metyylisalisylaatin määrittämiseen nesteistä on-line mittauksena läpäisyn testauksessa. Kaasumaisen metyylisalisylaatin tapauksessa määritysmenetelmänä päädyttiin käyttämään kokonaishiilivetyanalysaattoria, joka on varustettu liekki-ionisaatiodetektorilla. Molemmissa tapauksissa saatiin aikaan toimivat ja on-line mittauksiin kykenevät näytteenotto- ja määritysmenetelmät, joilla loppukäyttäjä voi suorittaa laajempaa läpäisytestausta.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Membraanien kestävyys ionisessa nesteessä

Tämän diplomityön tavoitteena oli etsiä mahdollisimman hyvin ionista nestettä kestävä yleisesti kaupallisesti saatavilla oleva nano- tai ultrasuodatusmembraani. Kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti membraanitekniikan ja ionisten nesteiden historiaan sekä niiden ominaisuuksiin ja käyttösovelluksiin. Membraaniprosesseista on lyhyesti käyty läpi mikro-, ultra- ja nanosuodatus sekä käänteisosmoosi ja pervaporaatio. Kokeellisessa osassa tutkittiin neljäntoista kaupallisesti saatavilla olevien nano- ja ultrasuodatusmembraanien kestävyyttä ionisessa nesteessä. Tutkimuksessa käytettyjen membraanien vesi- ja malliaineliuosvuon arvoja sekä retentioita vertailtiin ennen ja jälkeen ioniselle nesteelle altistusta. Tulokset osoittivat, että polyamidista, polyeetterisulfonista ja sulfonoidusta polyeetterisulfonista valmistettujen membraanien suodatusominaisuudet muuttuivat niiden altistuessa ioniselle nesteelle. Näiden membraanien permeabiliteetit ja retentiot laskivat viikon altistuksen jälkeen merkittävästi. Erityisesti liuottimia kestäviksi suunnitellut membraanit säilyttivät erotusominaisuutensa paremmin.

Application of capillary electrophoretic methods for determining carbohydrates and aliphatic carboxylic acids formed during wood processing

Knowledge of the behaviour of cellulose, hemicelluloses, and lignin during wood and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes. Determination of monosaccharide composition gives information about the structural polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides. This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood. Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE) the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions. Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection. The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates, including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation, except dilution, is required. A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis.